Introduktion till HEC-RAS

Välkommen till US Army Corps of Engineers River Analysis System (HEC-RAS) utvecklat av Hydrologic Engineering Center. Denna programvara gör att du kan utföra endimensionella stadigt flöde, en och tvådimensionella ostadiga flödesberäkningar, sedimenttransport/mobila bäddberäkningar och vattentemperatur/vattenkvalitetsmodellering.

HEC-RAS-modelleringssystemet utvecklades som en del av Hydrologic Engineering Centers “Next Generation” (NexGen) av hydrologisk ingenjörsprogramvara. NexGen-projektet omfattar flera aspekter av hydrologisk teknik, inklusive: regn-avrinningsanalys (HEC-HMS); flodhydraulik (HEC-RAS); reservoarsystemsimulering (HEC-ResSim); översvämningsskadeanalys (HEC-FDA och HEC-FIA); och realtidsprognoser för reservoaroperationer (CWMS).

detta kapitel diskuterar HEC-RAS allmänna filosofi och ger en kort översikt över modelleringssystemets funktioner. Dokumentation för HEC-RAS diskuteras, liksom en översikt över denna handbok.

allmän filosofi Modelleringssystemet

HEC-RAS är ett integrerat system av programvara, avsedd för interaktiv användning i en multi-tasking miljö. Systemet består av ett grafiskt användargränssnitt (GUI), separata analyskomponenter, datalagrings-och hanteringsfunktioner, grafik, kartläggning och rapporteringsanläggningar.

HEC-RAS-systemet innehåller följande flodanalyskomponenter för: (1) endimensionella, stabila flödesprofilberäkningar för vattenytan; (2) endimensionell och/eller tvådimensionell ostadig flödessimulering; (3) kvasi ostadigt eller helt ostadigt flöde rörliga gräns sediment transportberäkningar (1D och 2D); och (4) endimensionell vattenkvalitetsanalys. Ett nyckelelement är att alla fyra komponenterna använder en gemensam geometrisk datarepresentation och vanliga geometriska och hydrauliska beräkningsrutiner. Förutom de fyra flodanalyskomponenterna innehåller systemet flera hydrauliska designfunktioner som kan åberopas när vattenytprofilerna har beräknats. HEC-RAS har också ett omfattande rumsligt dataintegrations-och kartläggningssystem (HEC-RAS Mapper).

översikt över programfunktioner

HEC-RAS är utformad för att utföra endimensionella och tvådimensionella hydrauliska beräkningar för ett komplett nätverk av naturliga och konstruerade kanaler, överbank/flodslätt områden, levee skyddade områden; etc… följande är en beskrivning av de viktigaste funktionerna i HEC-RAS.

användargränssnitt

användaren interagerar med HEC-RAS via ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Huvudfokus i utformningen av gränssnittet var att göra det enkelt att använda programvaran, samtidigt som man behåller en hög effektivitet för användaren. Gränssnittet ger följande funktioner:

• filhantering
• datainmatning/redigering och geospatiala datagränssnitt
• Flodanalyser
• tabulering och grafiska displayer av ingångs-och utgångsdata
• översvämning kartläggning och animationer av vattenutbredning
• Rapporteringsanläggningar
• on-line hjälp

flodanalyskomponenter

• jämnt flöde vattenytprofiler. Denna komponent i modelleringssystemet är avsett för beräkning av vattenytprofiler för stadigt gradvis varierat flöde. Systemet kan hantera ett komplett nätverk av kanaler, ett dendritiskt system eller en enda flodsträcka. Den stabila flödeskomponenten kan modellera subkritiska, superkritiska och blandade flödesregimer vattenytprofiler.
  det grundläggande beräkningsförfarandet är baserat på lösningen av den endimensionella energiekvationen. Energiförluster utvärderas genom friktion (Mannings ekvation) och sammandragning/expansion (koefficient multiplicerad med förändringen i hastighetshuvudet). Momentumekvationen används i situationer där vattenytans profil snabbt varieras. Dessa situationer inkluderar beräkningar av blandat flöde (dvs. hydrauliska hopp), hydraulik av broar och utvärdering av profiler vid flodsammanflöden (strömkorsningar).
  effekterna av olika hinder som broar, kulvertar, dammar, dammar och andra strukturer i flodslätten kan övervägas i beräkningarna. Steady flow-systemet är utformat för tillämpning i flood plain management och flood insurance-studier för att utvärdera floodway-intrång. Det finns också möjligheter att bedöma förändringen i vattenytprofiler på grund av kanaländringar och vallar.
  specialfunktioner för komponenten steady flow inkluderar: multipla plananalyser; multipla profilberäkningar; multipla bro-och / eller kulvertöppningsanalys; broskur analys; split flödesoptimering; och stabil kanaldesign och analys.
• Ostadig Flödessimulering. Denna komponent i HEC-RAS-modelleringssystemet kan simulera endimensionell; tvådimensionell; och kombinerat ett / tvådimensionellt ostadigt flöde genom ett fullständigt nätverk av öppna kanaler, flodslätter och alluviala fläktar. Den ostadiga flödeskomponenten kan användas för att utföra subkritiska, superkritiska och blandade flödesregimer (subkritiska, superkritiska, hydrauliska hopp och drawdowns) beräkningar i modulen ostadiga flödesberäkningar.
  de hydrauliska beräkningarna för tvärsnitt, broar, kulvertar och andra hydrauliska strukturer som utvecklades för den stabila flödeskomponenten införlivades i den ostadiga flödesmodulen.
  specialfunktioner i den ostadiga flödeskomponenten inkluderar: Omfattande hydraulisk struktur kapacitet Dam break analys; levee brott och övertoppning; pumpstationer; navigationsdamm; trycksatta rörsystem; automatiserade kalibreringsfunktioner; användardefinierade regler; och kombinerad en-och tvådimensionell ostadig flödesmodellering.
• Sedimenttransport/Rörliga Gränsberäkningar. Denna komponent i modelleringssystemet är avsedd för simulering av endimensionella och tvådimensionella sedimenttransport/rörliga gränsberäkningar som härrör från skur och deponering under måttliga till långa tidsperioder.
  sedimenttransportpotentialen beräknas med kornstorleksfraktion, vilket möjliggör simulering av hydraulisk sortering och pansar. Viktiga funktioner inkluderar möjligheten att modellera ett fullständigt nätverk av strömmar, kanalmuddring, olika levee-och inkräktningsalternativ och användningen av flera olika ekvationer för beräkning av sedimenttransport.
  modellen är utformad för att simulera långsiktiga trender för skurning och deponering i en strömkanal som kan bero på att ändra frekvensen och varaktigheten av vattenavloppet och scenen eller modifiera kanalgeometrin. Detta system kan användas för att utvärdera deponering i reservoarer, utforma kanalsammandragningar som krävs för att upprätthålla navigeringsdjup, förutsäga påverkan av muddring på deponeringshastigheten, uppskatta maximal möjlig skur under stora översvämningshändelser och utvärdera sedimentering i fasta kanaler.
• Vattenkvalitetsanalys. Denna komponent i modelleringssystemet är avsedd att tillåta användaren att utföra flodvattenkvalitetsanalyser. Den nuvarande versionen av HEC-RAS kan utföra detaljerad temperaturanalys och transport av ett begränsat antal vattenkvalitetsbeståndsdelar (Alger, upplöst syre, Karbonaceuos biologiska syrebehov, upplöst Ortofosfat, upplöst organisk fosfor, upplöst ammoniumnitrat, upplöst Nitritkväve, upplöst Nitratkväve och upplöst organiskt kväve). Framtida versioner av programvaran kommer att innehålla möjligheten att utföra transport av flera ytterligare vattenkvalitetsbeståndsdelar.

datalagring och hantering

datalagring sker med hjälp av “platta” filer (ASCII och binär), HEC-DSS (datalagringssystem) och HDF5 (hierarkiskt dataformat, version 5). Användarinmatningsdata lagras i platta filer under separata kategorier av projekt, plan, geometri, stadigt flöde, ostadigt flöde, kvasi-stadigt flöde, sedimentdata och vattenkvalitetsinformation. Utdata lagras huvudsakligen i separata binära filer (HEC och HDF5). Data kan överföras mellan HEC-RAS och andra program genom att använda HEC-DSS.
datahantering sker via användargränssnittet. Modelleraren uppmanas att ange ett enda filnamn för projektet som utvecklas. När projektfilnamnet har angetts skapas alla andra filer automatiskt och namnges av gränssnittet efter behov. Gränssnittet ger för att byta namn, flytta och ta bort filer på en projekt-för-projekt-basis.

grafik, Översvämningskartläggning och rapportering

grafik inkluderar XY-tomter av flodsystemet schematiskt, tvärsnitt, profiler, klassificeringskurvor, hydrografer och översvämningskartläggning. En tredimensionell plot av terrängen och många av simuleringsresultaten finns nu tillgängliga. Översvämning kartläggning sker i HEC-RAS Mapper delen av programvaran. Översvämningskartor kan också animeras och innehålla flera bakgrundslager (terräng, flygfotografering osv…). Tabellutgång är tillgänglig. Användare kan välja mellan fördefinierade tabeller eller utveckla sina egna anpassade tabeller. Alla grafiska och tabellutgångar kan visas på skärmen, skickas direkt till en skrivare (eller plotter) eller skickas via Windows Urklipp till annan programvara, till exempel en ordbehandlare eller ett kalkylblad.
Rapporteringsanläggningar möjliggör utskrift av indata samt utdata. Rapporter kan anpassas till den mängd och typ av information som önskas.

HEC-RAS dokumentation

HEC-RAS paketet innehåller flera dokument. Varje dokument är utformat för att hjälpa modelleraren att lära sig att använda en viss aspekt av modelleringssystemet. Det finns tre stora delar av dokumentationen:

översikt över den här handboken

den här handboken är den primära dokumentationen för hur HEC-RAS-systemet ska användas. Handboken är organiserad enligt följande:

• Kapitel 1-2 ger en introduktion och översikt över HEC-RAS, samt instruktioner om hur du installerar programvaran.
• Kapitel 3-4 beskriver hur man använder HEC-RAS-programvaran ur ett översiktsperspektiv. Att förstå hur detta system fungerar med projekt diskuteras också, inklusive att definiera alla filtyper som används.
• Kapitel 5 förklarar hur man anger och redigerar geometriska data för att representera floden, flodslätt och hydrauliska strukturer.
• Kapitel 6 och 7 förklarar i detalj hur man utför de olika typerna av hydrauliska analyser som finns tillgängliga, till exempel 1D steady flow modeling och 1D Unsteady Flow Modeling
• Kapitel 8 ger detaljerade diskussioner om hur man visar grafisk och tabellutmatning, samt hur man utvecklar användardefinierade tabeller.
• Kapitel 9 beskriver hur man utför en översvämningsanalys.
• Kapitel 10 ger diskussioner om “felsökning” och förstå de vanligaste felen, varningar och anteckningar.
• Kapitel 11 beskriver hur man utför bridge scour beräkningar inifrån HEC-RAS.
• Kapitel 12 beskriver hur man utför kanaländringar inom HEC-RAS.
• kapitel 13 beskriver hur man använder de hydrauliska Konstruktionsfunktionerna i HEC-RAS för att utföra stabil kanaldesign och analys, samt sedimenttransportpotentialberäkningar och rip rap-dimensionering.
• Kapitel 14 innehåller ämnen om avancerade användningar av de ostadiga flödes simuleringsfunktioner, inklusive: blandat flöde regim för ostadigt flöde; dam break analys; levee overtopping och brott; modellering pumpstationer; navigationsdammar; och användardefinierade regler för att styra grindoperationer.
• Bilaga A innehåller en referenslista.
• Bilaga B innehåller en detaljerad beskrivning av de filformat som används för att importera och exportera GIS-data till och från HEC-RAS.
• Bilaga C innehåller en beskrivning av alla utdatavariabler som är tillgängliga från HEC-RAS-programmet.
• Bilaga D diskuterar hur man importerar HEC – 2-data till HEC-RAS