《HECRAS初步教程》課件

HEC-RAS應(yīng)用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院曾玉紅1HEC-RAS應(yīng)用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院1WhatisHEC-RAS?HEC-RAS

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

水面線分析Unsteadyflowsimulation.

非恒定流量水位過程Sedimenttransport/Movableboundarysediment.

泥沙輸移Waterquality

水質(zhì)模擬，溫度，藻類，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2WhatisHEC-RAS?HEC-RAS模擬河流的安裝及幫助文件User’smanual

用戶手冊安裝、使用、界面菜單

guidetouseHEC-RASHydraulicreferencemanual

水力手冊理論，參數(shù)選擇

theoryanddatarequirementsApplicationguide

應(yīng)用指南實(shí)例stepbystepexamples3安裝及幫助文件User’smanual34455一、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-steadyflowdatasedimentdatawaterqualitydatahydraulicdesigndata6一、數(shù)據(jù)要求一般數(shù)據(jù)plandata61.1plandata（一般數(shù)據(jù)）Plan(工況)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj71.1plandata（一般數(shù)據(jù)）Plan(工況)g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：OnefileforeachPlan(.P01to.P99)OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般數(shù)據(jù)）8在創(chuàng)建并保存project文件（*.prj）后1.2Geometricdata

GeometricData的獲?。涸贖EC-RAS中通過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)91.2GeometricdataGeometri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(diǎn)（junction）。Reach以reachname彼此區(qū)分，每個reach還有一個其所在河流的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)值由大到小，標(biāo)示斷面所處的位置，但數(shù)值大小在具體計算中并無意義。1.2Geometricdata

10每個河網(wǎng)由一個或多個河段（reach）相互連接而成，匯合處稱11111212橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面布置：盡量垂直流向。13橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面布置：盡量垂直流向。13crosssection每個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，且必須對應(yīng)于某個（y,z）坐標(biāo)對，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(kuò)的能量損失系數(shù)，用于計算當(dāng)前斷面與下一斷面之間的能量損失。14crosssection每個crosssection都有1.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定死水區(qū)ineffectiveflowarea151.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定死水區(qū)ineffec1.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定堤防設(shè)置161.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定堤防設(shè)置1617171.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定障礙物181.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定障礙物181919二、StartingwithHEC-RAS開始一個新的project輸入（導(dǎo)入）geometricdata輸入flowdata、boundaryconditions水力計算后處理（結(jié)果顯示與打?。?0二、StartingwithHEC-RAS開始一個新的pProjects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterquality21Projects.Prj2222GeometricdataRiver----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…Hydraulicstructure23GeometricdataRiver----reach-FlowdataandboundaryconditionsSteadyflowUnsteadyflow24Flowdataandboundaryconditi三、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25三、恒定流水面線分析地面水深流速損失基于一維能量方程，能量損么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的2727流程長比阻局部阻力系數(shù)2、能量損失28流程長比阻局部阻力系數(shù)2、能量損失283、斷面過流能力計算左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進(jìn)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。293、斷面過流能力計算左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行劃分：邊灘上按坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分：30一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(diǎn)進(jìn)4、糙率系數(shù)的選擇314、糙率系數(shù)的選擇31當(dāng)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：32當(dāng)主槽邊坡大于5H:1V，或是主槽有多個糙率的6、斷面平均動能336、斷面平均動能337、阻力系數(shù)阻力坡降收縮與擴(kuò)張斷面的損失沿程：局部：347、阻力系數(shù)阻力坡降收縮與擴(kuò)張斷面的損失沿程：局部：348、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(jìn)行比較，滿足要求即停止；358、水面線計算過程對于緩流，在上游斷面假定一個水深；359、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(jìn)行流動分析。計算中一般自動計算該項(xiàng)。

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。369、臨界水深的確定臨界水深：3610、動量方程的應(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、通過橋梁、堰、河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等情況，能量方程不再使用，此時可采用經(jīng)驗(yàn)公式，但很多情況下必須采用動量方程加以求解。3710、動量方程的應(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中所用的動量方程形式：38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H11、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1：103911、恒定流計算的一些假定流動是恒定的39四、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(xiàng)阻力項(xiàng)40四、非恒定流計算1、方程控制體內(nèi)動量變化重力項(xiàng)阻力項(xiàng)402、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：412、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3、連續(xù)性方程的有限差分格式根據(jù)上述分析：423、連續(xù)性方程的有限差分格式根據(jù)上述分析：423、動量方程的有限差分格式邊灘：主槽：433、動量方程的有限差分格式邊灘：主槽：43444445454、邊界條件上游邊界條件流量464、邊界條件上游邊界條件流量46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(shí)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。一般按渠道底坡進(jìn)行估算47下游邊界條件水位過程線水位隨時間的五、Inlinestructure堰（寬頂堰、尖頂堰以及弧形堰）溢洪道閘門（平板閘門，弧形閘門）48五、Inlinestructure堰（寬頂堰、尖頂堰以及弧需要4個斷面模擬構(gòu)筑物段水流。2號斷面反應(yīng)下游的尾水水位，上游3號斷面體現(xiàn)來流水頭49需要4個斷面模擬構(gòu)筑物段水流。2號斷面反應(yīng)下游的尾水水位，上W-溢流堰的寬度C-流量系數(shù)TE,BE,HE,系數(shù)H1:Zu-ZdA:閘門面積自由出流：淹沒出流：過渡狀態(tài)：50W-溢流堰的寬度自由出流：淹沒出流：過渡狀態(tài)：50自由出流：堰流：過渡狀態(tài)：51自由出流：堰流：過渡狀態(tài)：51HEC-RAS應(yīng)用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院曾玉紅52HEC-RAS應(yīng)用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院1WhatisHEC-RAS?HEC-RAS

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

水面線分析Unsteadyflowsimulation.

非恒定流量水位過程Sedimenttransport/Movableboundarysediment.

泥沙輸移Waterquality

水質(zhì)模擬，溫度，藻類，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53WhatisHEC-RAS?HEC-RAS模擬河流的安裝及幫助文件User’smanual

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水力手冊理論，參數(shù)選擇

theoryanddatarequirementsApplicationguide

應(yīng)用指南實(shí)例stepbystepexamples54安裝及幫助文件User’smanual3554565一、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-steadyflowdatasedimentdatawaterqualitydatahydraulicdesigndata57一、數(shù)據(jù)要求一般數(shù)據(jù)plandata61.1plandata（一般數(shù)據(jù)）Plan(工況)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj581.1plandata（一般數(shù)據(jù)）Plan(工況)g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：OnefileforeachPlan(.P01to.P99)OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般數(shù)據(jù)）59在創(chuàng)建并保存project文件（*.prj）后1.2Geometricdata

GeometricData的獲?。涸贖EC-RAS中通過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)601.2GeometricdataGeometri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(diǎn)（junction）。Reach以reachname彼此區(qū)分，每個reach還有一個其所在河流的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)值由大到小，標(biāo)示斷面所處的位置，但數(shù)值大小在具體計算中并無意義。1.2Geometricdata

61每個河網(wǎng)由一個或多個河段（reach）相互連接而成，匯合處稱62116312橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面布置：盡量垂直流向。64橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面布置：盡量垂直流向。13crosssection每個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?。（y,z）坐標(biāo)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(biāo)值給出，且必須對應(yīng)于某個（y,z）坐標(biāo)對，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(kuò)的能量損失系數(shù)，用于計算當(dāng)前斷面與下一斷面之間的能量損失。65crosssection每個crosssection都有1.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定死水區(qū)ineffectiveflowarea661.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定死水區(qū)ineffec1.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定堤防設(shè)置671.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定堤防設(shè)置1668171.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定障礙物691.3如何對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行限定障礙物187019二、StartingwithHEC-RAS開始一個新的project輸入（導(dǎo)入）geometricdata輸入flowdata、boundaryconditions水力計算后處理（結(jié)果顯示與打?。?1二、StartingwithHEC-RAS開始一個新的pProjects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterquality72Projects.Prj7322GeometricdataRiver----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…Hydraulicstructure74GeometricdataRiver----reach-FlowdataandboundaryconditionsSteadyflowUnsteadyflow75Flowdataandboundaryconditi三、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76三、恒定流水面線分析地面水深流速損失基于一維能量方程，能量損么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的7827流程長比阻局部阻力系數(shù)2、能量損失79流程長比阻局部阻力系數(shù)2、能量損失283、斷面過流能力計算左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進(jìn)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。803、斷面過流能力計算左岸，主槽，右岸采用不同的參數(shù)進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行劃分：邊灘上按坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分：81一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(diǎn)進(jìn)4、糙率系數(shù)的選擇824、糙率系數(shù)的選擇31當(dāng)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：83當(dāng)主槽邊坡大于5H:1V，或是主槽有多個糙率的6、斷面平均動能846、斷面平均動能337、阻力系數(shù)阻力坡降收縮與擴(kuò)張斷面的損失沿程：局部：857、阻力系數(shù)阻力坡降收縮與擴(kuò)張斷面的損失沿程：局部：348、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(jìn)行比較，滿足要求即停止；868、水面線計算過程對于緩流，在上游斷面假定一個水深；359、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(jìn)行流動分析。計算中一般自動計算該項(xiàng)。

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。879、臨界水深的確定臨界水深：3610、動量方程的應(yīng)用能量方程適用