HEC-RAS初步教程

HEC-RAS应用武汉大学水利水电学院曾玉红WhatisHEC-RAS?•HEC-RASHydrologicEngineeringCenter,(HEC)RiverAnalysisSystem.(RAS)–Steadyflowwatersurfaceprofilecomputation.水面线分析–Unsteadyflowsimulation.非恒定流量水位过程–Sedimenttransport/Movableboundarysediment.泥沙输移–Waterquality水质模拟，温度，藻类，溶解氧，BOD…–Hydraulicdesign桥梁、涵洞、堰、溢洪道等等模拟河流的水流、泥沙、水质问题可计算急流、缓流以及混合流可考虑桥、涵、坝、闸、等构筑物安装及帮助文件•User’smanual用户手册安装、使用、界面菜单guidetouseHEC-RAS•Hydraulicreferencemanual水力手册理论，参数选择theoryanddatarequirements•Applicationguide应用指南实例stepbystepexamples•一、数据要求•一般数据•几何数据•恒定流数据•非恒定流数据•plandata•geometricdata•steadyflowdata•unsteadyflowdata•quasi-steadyflowdata•sedimentdata•waterqualitydata•hydraulicdesigndata1.1plandata（一般数据）Plan(工况)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj在创建并保存project文件（*.prj）后，其他data文件均会自动以同样的名字保存，但采用不同的后缀来区分各类文件。“字母+数字”的后缀方案：主要的data命名规则如下：•OnefileforeachPlan(.P01to.P99)•OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)•OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)•OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)•OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般数据）1.2GeometricdataGeometricData的获取：在HEC-RAS中通过手工输入从头建立利用HEC-GeoRAS等GIS扩展在ArcGIS中先建立好模型，然后导入HEC-RAS中GeometricData的组成：reachjunctionstationriverCross-section河流，河网河段汊点断面站点每个河网由一个或多个河段（reach）相互连接而成，汇合处称为汊点（junction）。Reach以reachname彼此区分，每个reach还有一个其所在河流的rivername。以river为单位（注意不是reach）从下游向上游定义距离空间，每个river上的位置都对应于一个数值，即station，自上游往下游数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在具体计算中并无意义。1.2Geometricdata横断面数据•横断面布置：尽量垂直流向。crosssection•每个crosssection都有如下属性：rivername，riverstation，reachname，description。•断面形态由一组（y,z）坐标给出，y轴的正方向为从上游向下游看由左岸到右岸。（y,z）坐标的顺序必须满足y值非减条件。左岸和右岸位置分别以y坐标值给出，且必须对应于某个（y,z）坐标对，用于标记河道左岸滩、主槽、右岸滩的分割位置。•在断面上可根据分区给定变化的糙率值n。•断面之间的间距是自上游向下游计量的，也就是当前断面与下游相邻断面之间的距离，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储。•距离分为左岸距离（LOB），中心距离（Channel），右岸距离（ROB）。•每个断面上还可定义突缩和突扩的能量损失系数，用于计算当前断面与下一断面之间的能量损失。1.3如何对过水断面进行限定•死水区ineffectiveflowarea1.3如何对过水断面进行限定•堤防设置1.3如何对过水断面进行限定•障碍物二、StartingwithHEC-RAS•开始一个新的project•输入（导入）geometricdata•输入flowdata、boundaryconditions•水力计算•后处理（结果显示与打印）Projects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterqualityGeometricdata•River----reach----junction----storagearea----cross-section•RiverStation:界定断面的位置，用数字表示，大的数字在上游，小的数字在下游。•Cross-section:River,reach,stationandelevation…•HydraulicstructureFlowdataandboundaryconditions•Steadyflow•Unsteadyflow三、恒定流水面线分析222211221122eVVZYZYhgg地面高程水深流速水头损失基于一维能量方程，能量损失由沿程和局部两部分组成。1、原理22221122efVVhLSCgg流程长比阻局部阻力系数lobchroblobchroblobchrobLQLQLQLQQQ2、能量损失3、断面过流能力计算1/22/31fQKSKARn左岸，主槽，右岸采用不同的参数进行计算，三部分相加获得整个断面的过流能力。计算可给出各部分流量的分配结果。一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。按糙率变化的节点进行划分：边滩上按坐标节点进行划分：4、糙率系数的选择当主槽边坡大于5H:1V，或是主槽有多个糙率的情况，按各部分湿周加权计算得出一个复合糙率：2/31.51()NiiicPnnP6、断面平均动能221221212222VVQQVgggQQ7、阻力系数2221122()22fceQSKVVhCgg阻力坡降收缩与扩张断面的损失沿程：局部：8、水面线计算过程•对于缓流，在上游断面假定一个水深；•若是急流，则在下游断面假定一个水深；•基于假定的水位，确定对应的总输水流量和速度水头；•计算损失；•求解WS（水面）；•计算值和估计值进行比较，满足要求即停止；9、临界水深的确定•临界水深：–确定流动是急流还是缓流，便于采用合适的计算方法，并进行流动分析。计算中一般自动计算该项。断面的总能量：H=WS+V2/(2g)–临界水深的计算方法：•抛物线法对于单个极值•割线法对于多个极值假定水面高程，采用上述方程获得最小的能量值所对应的临界水深。10、动量方程的应用•能量方程适用于渐变流的情况。当水面从急流-缓流，以及缓流-急流的情况下，即在急变流的情况下，如渠道底坡的急剧变化如有水跃发生、通过桥梁、堰、河网节点等情况，能量方程不再使用，此时可采用经验公式，但很多情况下必须采用动量方程加以求解。牛顿第二定律：xFma21xfxPPWFQV代入各项力，即得：压力项重力项阻力项速度变化HEC-RAS中所用的动量方程形式：22221212112201121()()22fQAAAAQAYLSLSAYgAgA11、恒定流计算的一些假定•流动是恒定的•流动是渐变的•流动是一维的•渠道底坡比较缓，小于1：10四、非恒定流计算•1、方程依据：质量守恒，动量守恒–连续性方程inflow=outflow–动量方程0TlAQqtx()0fQQVzgAStxx控制体内动量变化重力项阻力项2、计算方法隐式有限差分法：11njjnnjjjnnjjjffffffff定义：以及：则：隐式有限差分的一般格式：时间离散：空间离散：10.5()jjffffttt11()()jjjjffffffxxx3、连续性方程的有限差分格式•根据上述分析：ccfcffclfQAqxtQASqqxtt3、动量方程的有限差分格式()()()()ccccfcfccffffffcffQVQzgASMtxxQVQzgASMtxx边滩：主槽：4、边界条件•上游边界条件流量下游边界条件•水位过程线水位随时间的变化、控制水深•流量过程线下游有实测流量资料•水位流量过程线水位和流量的单值函数•正常水深给定阻力系数由曼宁公式确定正常水深。一般按渠道底坡进行估算五、Inlinestructure•堰（宽顶堰、尖顶堰以及弧形堰）•溢洪道•闸门（平板闸门，弧形闸门）需要4个断面模拟构筑物段水流。2号断面反应下游的尾水水位，上游3号断面体现来流水头2TEBEHEQCgWTBHW-溢流堰的宽度C-流量系数TE,BE,HE,系数H1:Zu-ZdA:闸门面积自由出流：淹没出流：12(3)TEBEHEQCgWTBH过渡状态：12QCAgH2QCWBgH自由出流：堰流：过渡状态：23QCWBgH3/2QCLH