HECRAS初步教程的教案第1頁(yè)/共51頁(yè)WhatisHEC-RAS?HEC-RAS

HydrologicEngineeringCenter,(HEC)RiverAnalysisSystem.(RAS)Steadyflowwatersurfaceprofilecomputation.

水面線(xiàn)分析Unsteadyflowsimulation.

非恒定流量水位過(guò)程Sedimenttransport/Movableboundarysediment.

泥沙輸移Waterquality

水質(zhì)模擬，溫度，藻類(lèi)，溶解氧，BOD…Hydraulicdesign橋梁、涵洞、堰、溢洪道等等模擬河流的水流、泥沙、水質(zhì)問(wèn)題可計(jì)算急流、緩流以及混合流可考慮橋、涵、壩、閘、等構(gòu)筑物第2頁(yè)/共51頁(yè)安裝及幫助文件User’smanual

用戶(hù)手冊(cè)安裝、使用、界面菜單

guidetouseHEC-RASHydraulicreferencemanual

水力手冊(cè)理論，參數(shù)選擇

theoryanddatarequirementsApplicationguide

應(yīng)用指南實(shí)例stepbystepexamples第3頁(yè)/共51頁(yè)第4頁(yè)/共51頁(yè)第5頁(yè)/共51頁(yè)一、數(shù)據(jù)要求一般數(shù)據(jù)幾何數(shù)據(jù)恒定流數(shù)據(jù)非恒定流數(shù)據(jù)plandatageometricdatasteadyflowdataunsteadyflowdataquasi-steadyflowdatasedimentdatawaterqualitydatahydraulicdesigndata第6頁(yè)/共51頁(yè)1.1plandata（一般數(shù)據(jù)）Plan(工況)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj第7頁(yè)/共51頁(yè)在創(chuàng)建并保存project文件（*.prj）后，其他data文件均會(huì)自動(dòng)以同樣的名字保存，但采用不同的后綴來(lái)區(qū)分各類(lèi)文件。

“字母+數(shù)字”的后綴方案：主要的data命名規(guī)則如下：OnefileforeachPlan(.P01to.P99)OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般數(shù)據(jù)）第8頁(yè)/共51頁(yè)1.2Geometricdata

GeometricData的獲取：在HEC-RAS中通過(guò)手工輸入從頭建立利用HEC-GeoRAS等GIS擴(kuò)展在ArcGIS中先建立好模型，然后導(dǎo)入HEC-RAS中GeometricData的組成：reachjunctionstationriverCross-section河流，河網(wǎng)河段汊點(diǎn)斷面站點(diǎn)第9頁(yè)/共51頁(yè)每個(gè)河網(wǎng)由一個(gè)或多個(gè)河段（reach）相互連接而成，匯合處稱(chēng)為汊點(diǎn)（junction）。Reach以reachname彼此區(qū)分，每個(gè)reach還有一個(gè)其所在河流的rivername。以river為單位（注意不是reach）從下游向上游定義距離空間，每個(gè)river上的位置都對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)值，即station，自上游往下游數(shù)值由大到小，標(biāo)示斷面所處的位置，但數(shù)值大小在具體計(jì)算中并無(wú)意義。1.2Geometricdata

第10頁(yè)/共51頁(yè)第11頁(yè)/共51頁(yè)第12頁(yè)/共51頁(yè)橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面布置：盡量垂直流向。第13頁(yè)/共51頁(yè)crosssection每個(gè)crosssection都有如下屬性：rivername，riverstation，reachname，description。斷面形態(tài)由一組（y,z）坐標(biāo)給出，y軸的正方向?yàn)閺纳嫌蜗蛳掠慰从勺蟀兜接野丁＃▂,z）坐標(biāo)的順序必須滿(mǎn)足y值非減條件。左岸和右岸位置分別以y坐標(biāo)值給出，且必須對(duì)應(yīng)于某個(gè)（y,z）坐標(biāo)對(duì)，用于標(biāo)記河道左岸灘、主槽、右岸灘的分割位置。在斷面上可根據(jù)分區(qū)給定變化的糙率值n。斷面之間的間距是自上游向下游計(jì)量的，也就是當(dāng)前斷面與下游相鄰斷面之間的距離，最下游的斷面上間距值沒(méi)有意義，按零存儲(chǔ)。距離分為左岸距離（LOB），中心距離（Channel），右岸距離（ROB）。每個(gè)斷面上還可定義突縮和突擴(kuò)的能量損失系數(shù)，用于計(jì)算當(dāng)前斷面與下一斷面之間的能量損失。第14頁(yè)/共51頁(yè)1.3如何對(duì)過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定死水區(qū)ineffectiveflowarea第15頁(yè)/共51頁(yè)1.3如何對(duì)過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定堤防設(shè)置第16頁(yè)/共51頁(yè)第17頁(yè)/共51頁(yè)1.3如何對(duì)過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定障礙物第18頁(yè)/共51頁(yè)第19頁(yè)/共51頁(yè)二、StartingwithHEC-RAS開(kāi)始一個(gè)新的project輸入（導(dǎo)入）geometricdata輸入flowdata、boundaryconditions水力計(jì)算后處理（結(jié)果顯示與打?。┑?0頁(yè)/共51頁(yè)P(yáng)rojects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterquality第21頁(yè)/共51頁(yè)第22頁(yè)/共51頁(yè)GeometricdataRiver----reach----junction----storagearea----cross-sectionRiverStation:界定斷面的位置，用數(shù)字表示，大的數(shù)字在上游，小的數(shù)字在下游。Cross-section:River,reach,stationandelevation…Hydraulicstructure第23頁(yè)/共51頁(yè)FlowdataandboundaryconditionsSteadyflowUnsteadyflow第24頁(yè)/共51頁(yè)三、恒定流水面線(xiàn)分析地面高程水深流速水頭損失基于一維能量方程，能量損失由沿程和局部?jī)刹糠纸M成。1、原理第25頁(yè)/共51頁(yè)第26頁(yè)/共51頁(yè)流程長(zhǎng)比阻局部阻力系數(shù)2、能量損失第27頁(yè)/共51頁(yè)3、斷面過(guò)流能力計(jì)算左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，三部分相加獲得整個(gè)斷面的過(guò)流能力。計(jì)算可給出各部分流量的分配結(jié)果。第28頁(yè)/共51頁(yè)一般取相同水面深度下的較小流量為計(jì)算流量。按糙率變化的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分：邊灘上按坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分：第29頁(yè)/共51頁(yè)4、糙率系數(shù)的選擇第30頁(yè)/共51頁(yè)當(dāng)主槽邊坡大于5H:1V，或是主槽有多個(gè)糙率的情況，按各部分濕周加權(quán)計(jì)算得出一個(gè)復(fù)合糙率：第31頁(yè)/共51頁(yè)6、斷面平均動(dòng)能第32頁(yè)/共51頁(yè)7、阻力系數(shù)阻力坡降收縮與擴(kuò)張斷面的損失沿程：局部：第33頁(yè)/共51頁(yè)8、水面線(xiàn)計(jì)算過(guò)程對(duì)于緩流，在上游斷面假定一個(gè)水深；若是急流，則在下游斷面假定一個(gè)水深；基于假定的水位，確定對(duì)應(yīng)的總輸水流量和速度水頭；計(jì)算損失；求解WS（水面）；計(jì)算值和估計(jì)值進(jìn)行比較，滿(mǎn)足要求即停止；第34頁(yè)/共51頁(yè)9、臨界水深的確定臨界水深：確定流動(dòng)是急流還是緩流，便于采用合適的計(jì)算方法，并進(jìn)行流動(dòng)分析。計(jì)算中一般自動(dòng)計(jì)算該項(xiàng)。

斷面的總能量：H=WS+V2/(2g)臨界水深的計(jì)算方法：拋物線(xiàn)法對(duì)于單個(gè)極值割線(xiàn)法對(duì)于多個(gè)極值假定水面高程，采用上述方程獲得最小的能量值所對(duì)應(yīng)的臨界水深。第35頁(yè)/共51頁(yè)10、動(dòng)量方程的應(yīng)用能量方程適用于漸變流的情況。當(dāng)水面從急流-緩流，以及緩流-急流的情況下，即在急變流的情況下，如渠道底坡的急劇變化如有水躍發(fā)生、通過(guò)橋梁、堰、河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等情況，能量方程不再使用，此時(shí)可采用經(jīng)驗(yàn)公式，但很多情況下必須采用動(dòng)量方程加以求解。第36頁(yè)/共51頁(yè)牛頓第二定律：代入各項(xiàng)力，即得：壓力項(xiàng)重力項(xiàng)阻力項(xiàng)速度變化HEC-RAS中所用的動(dòng)量方程形式：第37頁(yè)/共51頁(yè)11、恒定流計(jì)算的一些假定流動(dòng)是恒定的流動(dòng)是漸變的流動(dòng)是一維的渠道底坡比較緩，小于1：10第38頁(yè)/共51頁(yè)四、非恒定流計(jì)算1、方程依據(jù)：質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒連續(xù)性方程inflow=outflow動(dòng)量方程控制體內(nèi)動(dòng)量變化重力項(xiàng)阻力項(xiàng)第39頁(yè)/共51頁(yè)2、計(jì)算方法隱式有限差分法：隱式有限差分的一般格式：時(shí)間離散：空間離散：第40頁(yè)/共51頁(yè)3、連續(xù)性方程的有限差分格式根據(jù)上述分析：第41頁(yè)/共51頁(yè)3、動(dòng)量方程的有限差分格式邊灘：主槽：第42頁(yè)/共51頁(yè)第43頁(yè)/共51頁(yè)第44頁(yè)/共51頁(yè)4、邊界條件上游邊界條件流量第45頁(yè)/共51頁(yè)下游邊界條件水位過(guò)程線(xiàn)水位隨時(shí)間的變化、控制水深流量過(guò)程線(xiàn)下游有實(shí)測(cè)流量資料水位流量過(guò)程線(xiàn)水位和流量的單值函數(shù)正常水深給定阻力系數(shù)由曼寧公式確定正常水深。一般按渠道底坡進(jìn)行估算第46頁(yè)/共51頁(yè)