1、HEC-RAS 應(yīng)用,武漢大學水利水電學院 曾玉紅,1,What is HEC-RAS?,HEC-RAS Hydrologic Engineering Center, (HEC) River Analysis System. (RAS) Steady flow water surface profile computation. 水面線分析 Unsteady flow simulation. 非恒定流量水位過程 Sediment transport / Movable boundary sediment. 泥沙輸移 Water quality 水質(zhì)模擬，溫度，藻類，溶解氧，BOD Hydrau

2、lic design 橋梁、涵洞、堰、溢洪道等等,模擬河流的水流、泥沙、水質(zhì)問題,可計算急流、緩流以及混合流,可考慮橋、涵、壩、閘、等構(gòu)筑物,2,安裝及幫助文件,Users manual 用戶手冊 安裝、使用、界面菜單 guide to use HEC-RAS Hydraulic reference manual 水力手冊 理論，參數(shù)選擇 theory and data requirements Application guide 應(yīng)用指南 實例 step by step examples ,3,4,5,一、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)

3、非恒定流數(shù)據(jù),plan data geometric data steady flow data unsteady flow data quasi-steady flow data sediment data water quality data hydraulic design data,6,1.1 plan data （一般數(shù)據(jù)）,project,*.prj,7,在創(chuàng)建并保存project文件（*.prj）后，其他data文件均會自動以同樣的名字保存，但采用不同的后綴來區(qū)分各類文件。 “字母+數(shù)字”的后綴方案：主要的data命名規(guī)則如下： One file for each Plan (.

4、P01 to .P99) One Run file for each unsteady flow plan (.X01 to .X99) One Output file for each plan (.O01 to .O99) One file for each set of Geometry data (.G01 to .G99) One file for each set of Unsteady Flow data (.U01 to .U99),1.1 plan data （一般數(shù)據(jù)）,8,1.2 Geometric data,Geometric Data的獲?。?在HEC-RAS中通過手

5、工輸入從頭建立 利用HEC-GeoRAS等GIS擴展在ArcGIS中先建立好模型，然后導(dǎo)入HEC-RAS中,Geometric Data的組成：,reach,junction,station,river,Cross-section,河流，河網(wǎng),河段,汊點,斷面,站點,9,每個河網(wǎng)由一個或多個河段（reach）相互連接而成，匯合處稱為汊點（junction）。 Reach以reach name彼此區(qū)分，每個reach還有一個其所在河流的river name。 以river為單位（注意不是reach）從下游向上游定義距離空間，每個river上的位置都對應(yīng)于一個數(shù)值，即station，自上游往下游數(shù)

6、值由大到小，標示斷面所處的位置，但數(shù)值大小在具體計算中并無意義。,1.2 Geometric data,10,11,12,橫斷面數(shù)據(jù),橫斷面布置：盡量垂直流向。,13,cross section,每個cross section都有如下屬性：river name，river station，reach name，description。 斷面形態(tài)由一組（y,z）坐標給出，y軸的正方向為從上游向下游看由左岸到右岸。（y,z）坐標的順序必須滿足y值非減條件。左岸和右岸位置分別以y坐標值給出，且必須對應(yīng)于某個（y,z）坐標對，用于標記河道左岸灘、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

7、率值n。 斷面之間的間距是自上游向下游計量的，也就是當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有意義，按零存儲。 距離分為左岸距離（LOB），中心距離（Channel），右岸距離（ROB）。 每個斷面上還可定義突縮和突擴的能量損失系數(shù)，用于計算當前斷面與下一斷面之間的能量損失。,14,1.3 如何對過水斷面進行限定,死水區(qū) ineffective flow area,15,1.3 如何對過水斷面進行限定,堤防設(shè)置,16,17,1.3 如何對過水斷面進行限定,障礙物,18,19,二、Starting with HEC-RAS,開始一個新的project 輸入（導(dǎo)入） geometr

8、ic data 輸入 flow data 、 boundary conditions 水力計算 后處理（結(jié)果顯示與打?。?20,Projects,.Prj project .R01 run file for steady flow plan .X01 run file for unsteady flow plan .O01 output file .G01 geometry data .F01 steady flow data .U01 unsteady flow data .Q01 quasi-unsteady flow data .S01 sediment data .SedCap01 s

9、ediment transport capacity .W01 water quality,21,22,Geometric data,River -reach-junction-storage area-cross-section River Station: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, station and elevation Hydraulic structure,23,Flow data and boundary conditions,Steady flow Unsteady flow,24,三、

10、恒定流水面線分析,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兩部分組成。,1、原理,25,26,流程長,比阻,局部阻力系數(shù),2、能量損失,27,3、斷面過流能力計算,左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進行計算，三部分相加獲得整個斷面的過流能力。 計算可給出各部分流量的分配結(jié)果。,28,一般取相同水面深度下的較小流量為計算流量。,按糙率變化的節(jié)點進行劃分：,邊灘上按坐標節(jié)點進行劃分：,29,4、糙率系數(shù)的選擇,30,當主槽邊坡大于5H:1V，或是主槽有多個糙率的情況，按各部分濕周加權(quán)計算得出一個復(fù)合糙率：,31,6、斷面平均動能,32,7、阻力系數(shù),阻力坡降,收縮與擴

11、張斷面的損失,沿程：,局部：,33,8、水面線計算過程,對于緩流，在上游斷面假定一個水深； 若是急流，則在下游斷面假定一個水深； 基于假定的水位，確定對應(yīng)的總輸水流量和速度水頭； 計算損失； 求解WS（水面）； 計算值和估計值進行比較，滿足要求即停止；,34,9、臨界水深的確定,臨界水深： 確定流動是急流還是緩流，便于采用合適的計算方法，并進行流動分析。計算中一般自動計算該項。 斷面的總能量：H=WS+V2/(2g) 臨界水深的計算方法： 拋物線法 對于單個極值 割線法 對于多個極值 假定水面高程，采用上述方程 獲得最小的能量值所對應(yīng)的臨界水深。,35,10、動量方程的應(yīng)用,能量方程適用于漸變

12、流的情況 。當水面從急流-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、通過橋梁、堰、河網(wǎng)節(jié)點等情況，能量方程不再使用，此時可采用經(jīng)驗公式，但很多情況下必須采用動量方程加以求解。,36,牛頓第二定律：,代入各項力，即得：,壓力項,重力項,阻力項,速度變化,HEC-RAS中所用的動量方程形式：,37,11、恒定流計算的一些假定,流動是恒定的 流動是漸變的 流動是一維的 渠道底坡比較緩，小于1：10,38,四、非恒定流計算,1、方程 依據(jù)：質(zhì)量守恒，動量守恒 連續(xù)性方程 inflow=outflow 動量方程,控制體內(nèi)動量變化,重力項,阻力項,39,2、計算方法,隱式有限差分法：,隱式有限差分的一般格式：,時間離散：,空間離散：,40,3、連續(xù)性方程的有限差分格式,根據(jù)上述分析：,41,3、動量方程的有限差分格式,邊灘：,主槽：,42,43,44,4、邊界條件,上游邊界條件 流量,45,下游邊界條件,水位過程線 水位隨時間的變化、控制水深 流量過程線 下游有實測流量資料 水位流量過程線 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