HECRAS初步教程ppt课件.ppt

HEC-RAS 运用运用武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院曾玉红曾玉红What is HEC-RAS? •HEC-RAS • Hydrologic Engineering Center, (HEC)• River Analysis System. (RAS)•Steady flow water surface profile computation.• 水面水面线线分析分析•Unsteady flow simulation.• 非恒定流量水位非恒定流量水位过过程程•Sediment transport / Movable boundary sediment.• 泥沙泥沙输输移移•Water quality• 水水质质模模拟拟，温度，藻，温度，藻类类，溶解氧，，溶解氧，BOD…•Hydraulic design•桥桥梁、涵洞、堰、溢洪道等等梁、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、缓流以及混合流可思索桥、涵、坝、闸、等构筑物安装及协助文件•User’s manual • 用户手册 安装、运用、界面菜单• guide to use HEC-RAS•Hydraulic reference manual • 水力手册 实际，参数选择• theory and data requirements•Application guide• 运用指南 实例 step by step• examples•hec.usace.army.mil一、数据要求•普通数据•几何数据•恒定流数据•非恒定流数据•plan data •geometric data •steady flow data •unsteady flow data •quasi-steady flow data •sediment data •water quality data •hydraulic design data1.1 plan data 〔普通数据〕project*.prj 在在创建并保管建并保管project文件〔文件〔*.prj〕后，其他〕后，其他data文件均会自文件均会自动以同以同样的名字保管，但采用不同的后的名字保管，但采用不同的后缀来区分各来区分各类文件。

文件 “字母字母+数字〞的后数字〞的后缀方案：主要的方案：主要的data命名命名规那么如下：那么如下：One file for each Plan (.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 〔普通数据〕1.2 Geometric data Geometric Data的的获获取：取：在在HEC-RAS中经过手工输入从头建立中经过手工输入从头建立利用利用HEC-GeoRAS等等GIS扩展在扩展在ArcGIS中先建立好模型，中先建立好模型，然后导入然后导入HEC-RAS中中Geometric Data的的组组成：成：reachjunctionstationriverCross-section河流，河网河段汊点断面站点u每个河网由一个或多个河段〔每个河网由一个或多个河段〔reach〕相互衔接而成，集合处称〕相互衔接而成，集合处称为汊点〔为汊点〔junction〕。

〕uReach以以reach name彼此区分，每个彼此区分，每个reach还有一个其所在还有一个其所在河流的河流的river nameu以以river为单位〔留意不是为单位〔留意不是reach〕从下游向上游定义间隔空间，〕从下游向上游定义间隔空间，每个每个river上的位置都对应于一个数值，即上的位置都对应于一个数值，即station，自上游往下游，自上游往下游数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在详细计算中并数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在详细计算中并无意义1.2 Geometric data 横断面数据横断面数据•横断面布置：尽量垂直流向横断面布置：尽量垂直流向cross section•每个每个cross section都有如下属性：都有如下属性：river name，，river station，，reach name，，description•断面形状由一组〔断面形状由一组〔y,z〕坐标给出，〕坐标给出，y轴的正方向为从上游向下游看由轴的正方向为从上游向下游看由左岸到右岸〔左岸到右岸〔y,z〕坐标的顺序必需满足〕坐标的顺序必需满足y值非减条件。

左岸和右岸位值非减条件左岸和右岸位置分别以置分别以y坐标值给出，且必需对应于某个〔坐标值给出，且必需对应于某个〔y,z〕坐标对，用于标志河〕坐标对，用于标志河道左岸滩、主槽、右岸滩的分割位置道左岸滩、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间隔，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储断面之间的间隔，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储•间隔分为左岸间隔〔间隔分为左岸间隔〔LOB〕，中心间隔〔〕，中心间隔〔Channel〕，右岸间隔〔〕，右岸间隔〔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与下一断面之间的能量损失1.3 如何对过水断面进展限定如何对过水断面进展限定•死水区死水区 ineffective flow area ineffective flow area1.3 如何对过水断面进展限定如何对过水断面进展限定•堤防设置1.3 如何对过水断面进展限定如何对过水断面进展限定•妨碍物妨碍物二、Starting with HEC-RAS•开场一个新的开场一个新的projectproject•输入〔导入〕输入〔导入〕 geometric data geometric data•输入输入 flow data flow data 、、 boundary conditions boundary conditions•水力计算水力计算•后处置〔结果显示与打印〕后处置〔结果显示与打印〕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 sediment transport capacity.W01 water qualityGeometric data•River ----reach----junction----storage area----cross-section•River Station: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, station and elevation…•Hydraulic structureFlow data and boundary conditions•Steady flow•Unsteady flow三、恒定流水面线分析三、恒定流水面线分析地面地面高程高程水深水深流速流速水头水头损失损失基于一维能量方程，能量损失由沿程和部分两部分组成基于一维能量方程，能量损失由沿程和部分两部分组成1 1、原理、原理流程长流程长比阻比阻部分阻力部分阻力系数系数2 2、能量损失、能量损失3 3、断面过流才干计算、断面过流才干计算 左岸，主槽，右岸采用不同的参数进展计算，三部分相加获得整个左岸，主槽，右岸采用不同的参数进展计算，三部分相加获得整个断面的过流才干断面的过流才干 计算可给出各部分流量的分配结果计算可给出各部分流量的分配结果普通取一样水面深度下的较小流量为计算流量普通取一样水面深度下的较小流量为计算流量按糙率变化的节点进展划分：按糙率变化的节点进展划分：边滩上按坐标节点进展划分：边滩上按坐标节点进展划分：4 4、糙率系数的选择、糙率系数的选择 当主槽边坡大于当主槽边坡大于5H:1V，或是主槽有多个糙率的情况，按，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：各部分湿周加权计算得出一个复合糙率：6 6、断面平均动能、断面平均动能7 7、阻力系数、阻力系数阻力坡降阻力坡降收缩与扩张断面的损失收缩与扩张断面的损失沿程：沿程：部分：部分：8 8、水面线计算过程、水面线计算过程•对对于于缓缓流，在上游断面假定一个水深；流，在上游断面假定一个水深；•假假设设是急流，那么在下游断面假定一个水深；是急流，那么在下游断面假定一个水深；•基于假定的水位，确定基于假定的水位，确定对应对应的的总输总输水流量和速度水水流量和速度水头头；；•计计算算损损失；失；•求解求解WS〔水面〕；〔水面〕；•计计算算值值和估和估计值进计值进展比展比较较，，满满足要求即停足要求即停顿顿；；9 9、临界水深确实定、临界水深确实定•临界水深： • 确定流动是急流还是缓流，便于采用适宜的计算方法，并进展流动分析。

计算中普通自动计算该项• 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1010、动量方程的运用、动量方程的运用•能量方程适用于渐变流的情况能量方程适用于渐变流的情况 当水面从急流当水面从急流- -缓流，以及缓流缓流，以及缓流- -急急流的情况下，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、经过桥梁、堰、河网节点等情况，能量方程不再运用，此时可发生、经过桥梁、堰、河网节点等情况，能量方程不再运用，此时可采用阅历公式，但很多情况下必需采用动量方程加以求解采用阅历公式，但很多情况下必需采用动量方程加以求解牛顿第二定律：牛顿第二定律：代入各项力，即得：代入各项力，即得：压力项重力项阻力项速度变化HEC-RASHEC-RAS中所用的动量方程方式：中所用的动量方程方式：1111、恒定流计算的一些假定、恒定流计算的一些假定•流动是恒定的流动是恒定的•流动是渐变的流动是渐变的•流动是一维的流动是一维的•渠道底坡比较缓，小于渠道底坡比较缓，小于1 1：：1010四、非恒定流计算四、非恒定流计算•1、方程、方程•根据：质量守恒，动量守恒根据：质量守恒，动量守恒•延续性方程延续性方程 inflow=outflow•动量方程动量方程控制体控制体内动量内动量变化变化重重力力项项阻阻力力项项2 2、计算方法、计算方法隐式有限差分法：隐式有限差分法：隐式有限差分的普通格式：隐式有限差分的普通格式：时间离散：时间离散：空间离散：空间离散：3、延续性方程的有限差分格式•根据上述分析：根据上述分析：3、动量方程的有限差分格式、动量方程的有限差分格式边滩：边滩：主槽：主槽：4、边境条件、边境条件•上游边境条件上游边境条件 流量流量下游边境条件下游边境条件•水位过程线水位过程线 水位随时间的变化、控制水深水位随时间的变化、控制水深•流量过程线流量过程线 下游有实测流量资料下游有实测流量资料•水位流量过程线水位流量过程线 水位和流量的单值函数水位和流量的单值函数•正常水深正常水深 给定阻力系数由曼宁公式确给定阻力系数由曼宁公式确定定 •正常水深。

普通按渠道底坡进正常水深普通按渠道底坡进 行估算行估算五、五、Inline structure•堰〔宽顶堰、尖顶堰以及弧形堰〕堰〔宽顶堰、尖顶堰以及弧形堰〕•溢洪道溢洪道•闸门〔平板闸门，弧形闸门〕闸门〔平板闸门，弧形闸门〕需求需求4个断面模拟构筑物段水流个断面模拟构筑物段水流2号断面反响下游的号断面反响下游的尾水水位，上游尾水水位，上游3号断面表达来流水头号断面表达来流水头W-溢流堰的宽度溢流堰的宽度C-流量系数流量系数TE,BE,HE,系数系数H1: Zu-ZdA:闸门面积闸门面积自在出流：自在出流：淹没出流：过渡形状：自在出流：自在出流：堰流：过渡形状：。