HECRAS初步教程

1、hec-ras 應(yīng)用應(yīng)用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院武漢大學(xué)水利水電學(xué)院曾玉紅曾玉紅what is hec-ras? hec-ras hydrologic engineering center, (hec) river analysis system. (ras) steady flow water surface profile computation. 水面線分析水面線分析 unsteady flow simulation. 非恒定流量水位過程非恒定流量水位過程 sediment transport / movable boundary sediment. 泥沙輸移泥沙輸移 water quali

2、ty 水質(zhì)模擬，溫度，藻類，溶解氧，水質(zhì)模擬，溫度，藻類，溶解氧，bod hydraulic design橋梁、涵洞、堰、溢洪道等等橋梁、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 www

3、.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)plan data geometric data steady flow data unsteady flow data quasi-steady flow data sediment data water quality data hydraulic design data1.1 plan data （一般數(shù)據(jù)）plan(工況)geometricflowsedimentwater qualityhydraulic design.g01.g99 .p01.p99project*.prj 在創(chuàng)建并保存

4、在創(chuàng)建并保存project文件（文件（*.prj）后，其他）后，其他data文件均會自動以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。同樣的名字保存，但采用不同的后綴來區(qū)分各類文件。 “字母字母+數(shù)字?jǐn)?shù)字”的的后綴方案：主要的后綴方案：主要的data命名規(guī)則如下：命名規(guī)則如下：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

5、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)）1.2 geometric data geometric data的獲取：的獲?。涸谠趆ec-ras中通過手工輸入從頭建立中通過手工輸入從頭建立利用利用hec-georas等等gis擴展在擴展在arcgis中先建立好模型，中先建立好模型，然后導(dǎo)入然后導(dǎo)入hec-ras中中g(shù)eometric data的組成：的組成：reachjunctionstationri

6、vercross-section河流，河網(wǎng)河段汊點斷面站點u每個河網(wǎng)由一個或多個河段（每個河網(wǎng)由一個或多個河段（reach）相互連接而成，匯合處稱）相互連接而成，匯合處稱為汊點（為汊點（junction）。）。ureach以以reach name彼此區(qū)分，每個彼此區(qū)分，每個reach還有一個其所在還有一個其所在河流的河流的river name。u以以river為單位（注意不是為單位（注意不是reach）從下游向上游定義距離空間，）從下游向上游定義距離空間，每個每個river上的位置都對應(yīng)于一個數(shù)值，即上的位置都對應(yīng)于一個數(shù)值，即station，自上游往下游，自上游往下游數(shù)值由大到小，標(biāo)示斷面所

7、處的位置，但數(shù)值大小在具體計算中并數(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。無意義。1.2 geometric data 橫斷面數(shù)據(jù)橫斷面數(shù)據(jù) 橫斷面布置：盡量垂直流向。橫斷面布置：盡量垂直流向。cross section每個每個cross section都有如下屬性：都有如下屬性：river name，river station，reach name，description。斷面形態(tài)由一組（斷面形態(tài)由一組（y,z）坐標(biāo)給出，）坐標(biāo)給出，y軸的正方向為從上游向下游看由軸的正方向為從上游向下游看由左岸到右岸。（左岸到右岸。（y,z）坐標(biāo)的順序必須滿足）坐標(biāo)的順序必須滿足y

8、值非減條件。左岸和右岸位值非減條件。左岸和右岸位置分別以置分別以y坐標(biāo)值給出，且必須對應(yīng)于某個（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）坐標(biāo)對，用于標(biāo)記河道左岸灘、主槽、右岸灘的分割位置。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。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（距離分為左岸距離（lob），中心距離（

9、），中心距離（channel），右岸距離），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(dāng)前斷面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(dāng)前斷面與下一斷面之間的能量損失。與下一斷面之間的能量損失。1.3 如何對過水?dāng)嗝孢M行限定如何對過水?dāng)嗝孢M行限定 死水區(qū)死水區(qū) ineffective flow area1.3 如何對過水?dāng)嗝孢M行限定如何對過水?dāng)嗝孢M行限定 堤防設(shè)置1.3 如何對過水?dāng)嗝孢M行限定如何對過水?dāng)嗝孢M行限定 障礙物障礙物二、starting with hec-ras 開始一個新的開始一個新的project 輸入（導(dǎo)入）輸入（導(dǎo)入） geom

10、etric data 輸入輸入 flow data 、 boundary conditions 水力計算水力計算 后處理（結(jié)果顯示與打?。┖筇幚恚ńY(jié)果顯示與打?。﹑rojects.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 .se

11、dcap01 sediment transport capacity.w01 water qualitygeometric 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 structureflow data and boundary conditions steady flow unsteady flow三、恒定流水面線分析

12、三、恒定流水面線分析22221 1221122evvzyzyhgg地面地面高程高程水深水深流速流速水頭水頭損失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?；谝痪S能量方程，能量損失由沿程和局部兩部分組成。1 1、原理、原理22221122efvvhlscgg流程長流程長比阻比阻局部阻力局部阻力系數(shù)系數(shù)lobchroblobchroblobchroblqlqlqlqqq2 2、能量損失、能量損失3 3、斷面過流能力計算、斷面過流能力計算1/22/31fqkskarn 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

13、的過流能力。斷面的過流能力。 計算可給出各部分流量的分配結(jié)果。計算可給出各部分流量的分配結(jié)果。一般取相同水面深度下的較小流量為計算流量。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：按糙率變化的節(jié)點進行劃分：邊灘上按坐標(biāo)節(jié)點進行劃分：邊灘上按坐標(biāo)節(jié)點進行劃分：4 4、糙率系數(shù)的選擇、糙率系數(shù)的選擇 當(dāng)主槽邊坡大于當(dāng)主槽邊坡大于5h:1v，或是主槽有多個糙率的情況，按，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：各部分濕周加權(quán)計算得出一個復(fù)合糙率：2/31.51()niiicpnnp6 6、斷面平均動能、斷面平均動能221221212222vvqqvgg

14、gqq7 7、阻力系數(shù)、阻力系數(shù)2221 12 2()22fceqskvvhcgg阻力坡降阻力坡降收縮與擴張斷面的損失收縮與擴張斷面的損失沿程：沿程：局部：局部：8 8、水面線計算過程、水面線計算過程 對于緩流，在上游斷面假定一個水深；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；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；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；計算損失； 求解求解ws（水面）；（水面）； 計算值和估計值進行比較，滿足要求即停止；計算值和估計值進行比較，滿足要求即停止；9 9、臨界水深的確

15、定、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。1010、動量方程的應(yīng)用、動量方程的應(yīng)用能量方程適用于漸變流的情況能量方程適用于漸變流的情況 。當(dāng)水面從急流。當(dāng)水面從急流-緩流，以及緩流緩流，以及緩流-急流急流的情況下，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)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

16、，能量方程不再使用，此時可采生、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。用經(jīng)驗公式，但很多情況下必須采用動量方程加以求解。牛頓第二定律：牛頓第二定律：xfma21xfxppwfqv代入各項力，即得：代入各項力，即得：壓力項重力項阻力項速度變化hec-rashec-ras中所用的動量方程形式：中所用的動量方程形式：22221212112201 121()()22fqaaaaqa ylslsaygaga1111、恒定流計算的一些假定、恒定流計算的一些假定 流動是恒定的流動是恒定的 流動是漸變的流動是漸變的 流動是一維的流動是一維的

17、渠道底坡比較緩，小于渠道底坡比較緩，小于1：10四、非恒定流計算四、非恒定流計算 1、方程、方程依據(jù)：質(zhì)量守恒，動量守恒依據(jù)：質(zhì)量守恒，動量守恒 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 inflow=outflow 動量方程動量方程0tlaqqtx()0fqqvzgastxx控制體控制體內(nèi)動量內(nèi)動量變化變化重重力力項項阻阻力力項項2 2、計算方法、計算方法隱式有限差分法：隱式有限差分法：11njjnnjjjnnjjjffffffff定義：以及：則：隱式有限差分的一般格式：隱式有限差分的一般格式：時間離散：時間離散：空間離散：空間離散：10.5()jjffffttt11()()jjjjffffffxxx3、連續(xù)性

18、方程的有限差分格式 根據(jù)上述分析：根據(jù)上述分析：ccfcffclfqaqxtqasqqxtt3、動量方程的有限差分格式、動量方程的有限差分格式()()()()ccccfcfccffffffcffqv qzgasmtxxqv qzgasmtxx邊灘：邊灘：主槽：主槽：4、邊界條件、邊界條件 上游邊界條件上游邊界條件 流量流量下游邊界條件下游邊界條件 水位過程線水位過程線 水位隨時間的變化、控制水深水位隨時間的變化、控制水深 流量過程線流量過程線 下游有實測流量資料下游有實測流量資料 水位流量過程線水位流量過程線 水位和流量的單值函數(shù)水位和流量的單值函數(shù) 正常水深正常水深 給定阻力系數(shù)由曼寧公式確定給定阻力系數(shù)由曼寧公式確定 正常水深。一般按渠道底坡進正常水深。一般按渠道底坡進 行估算行估算五、五、inline structure 堰（寬頂堰、尖頂堰以及弧