Opis programu HEC-RAS

Zastsowanie prpgramów hydroinformatycznych w inzynierii rzecznej
Opis programu HEC-RAS i zastosowanie
www.bossintl.com/products/download/item/HEC-RAS
Oprogramowanie HEC—RAS należy do rodziny HEC (HEC1, HEC2 HEC-
RAS) i jest powszechnie stosowane w Europie. Merytorycznie jest oparte na
najwyższym standardzie, a ponadto należy do kategorii public-domain Ważnym
zagadnieniem w ochronie przeciwpowodziowej jest wyznaczenie stref zalewu.
Konieczne jest opracowanie map zalewów powodziowych dla powodzi miarodajnej,
za którą zwykle uważa się wodę o prawdopodobieństwie przewyższenia Q 1% i Q 10% .
Ma to bowiem wpływ nie tylko na działania związane z zarządzaniem kryzysowym,
czy ewakuacją, lecz także na określenie potencjalnego obszaru działań medialnych
edukacyjnych oraz wzmocnienie wsparcia psychologicznego [Nachlik, Kosteczki,
Gądek, Stochmal, 2000].
HEC—RAS jest modelem opracowanym przez US Corps of Engineers
i przetestowanym w latach osiemdziesiątych w bardzo szerokim zakresie. Został on
sfinansowany przez władze USA. Model ten odwzorowuje ustalony przepływ we
wszystkich możliwych przypadkach:
a) zabudowa koryt: wały przeciwpowodziowe, jazy i stopnie, mosty wysokie
i niskie, przepusty,
b) zmienny kształt doliny rzecznej i koryta głównego, opisywany przekrojami
poprzecznymi, które można dowolnie zagęszczać na żądanie użytkownika,
c) zróżnicowane długości drogi przepływu na terasach zalewowych i w korycie
głównym,
d) transport rumowiska wleczonego i unoszonego.
Odwzorowanie modelu przepływu w rejonie obiektów inżynierskich odpowiada
najbardziej wymagającym przepisom w tym względzie w świecie, na przykład
australijskim i kanadyjskim. HEC—RAS jest zaawansowaną formą modelu z rodziny
HEC. Jest dostosowany do systemu Windows, przyjazny
w obsłudze, a przede wszystkim w:
- przygotowaniu i wprowadzeniu danych wejściowych,
- obliczeniach wstępnych — testowych i weryfikujących,
- prezentacji numerycznej i graficznej wyników.

- liczbie wyprowadzanych do pakietów wynikowych charakterystyk przepływu,
przydatnych dla użytkownika.
Program ten bazuje na wzorze Chezy:
v = C
⋅
1/ 2
R h
⋅ S f
1/ 2
gdzie:
C – współczynnik prędkości
R h - promień hydrauliczny,
U - obwód zwilżony,
S f - spadek tarcia
R h
=
który po wyrażeniu współczynnika prędkości wzorem Manninga:
A
U
1
C =
n
1/ 6
R h
przyjmuje postać znaną jako wzór Manninga-Chezy`ego:
gdzie:
v - średnia prędkość wody,
R h - promień hydrauliczny,
U - obwód zwilżony,
v
A
R h
= ,
U
n - współczynnik szorstkości Manninga.
:
gdzie:
n = n
1
R h
S f
n
2 / 3 1/ 2
= ⋅
(
( n n n n ⋅ n
0
+
1
+
2
+
3
+
4
)
n 0 - współczynnik szorstkości materiału koryta,
n 1 - n 4 - poprawki do wartości n 0 wynikające ze złożonego charakteru przekroju
i topografii koryta oraz roślinności,
n 5 - stopień meandrowania rzeki.
5

Wartosci współczynników n 0 –n 5
Materiał
wleczony
stopień
nieregularności
przekroju
zmienność
przekrojów
poprzecznych na
długości
względny wpływ
przeszkód
występujących w
korycie
roślinność
stopień
meandrowania
Warunki w korycie
ziemia
okruchy skalne
drobny żwir
gruby żwir
brak
mały
średni
silny
stopniowa
występująca na przemian
rzadko przypadkowa
występująca na przemian często
nieistotny
mały
znaczny
silny
niska
średnia
wysoka
bardzo wysoka
mały
znaczny
silny
Wartości
n 0
0,020
0,025
n 1
n 2
n 3
n 4
n 5
0,024
0,028
0,000
0,005
0,010
0,020
0,000
0,005
0,010-0,015
0,000
0,010-0,015
0,020-0,030
0,040-0,060
0,005-0,010
0,010-0,025
0,025-0,050
0,050-0,100
1,000
1,150
1,300

Współczynnik szorstkości n do wzoru Manninga [Ven Te Chow, 1959) dla
przeciętnych warunków przepływu (według tabeli 3)
Typ cieku i jego opis
Małe cieki wodne (w czasie wielkiej wody szerokość
mniejsza od 30 m)
Cieki nizinne
czyste, proste, bez mielizn i dołów
jw., ale z dużymi kamieniami i roślinnością
czyste, kręte z łachami i dołami
jw., ale z dużymi kamieniami i roślinnością
jw., przy niskich stanach wody, nieznacznych spadkach
i małych przekrojach poprzecznych
czyste, kręte z łachami i dolami, z duża ilością kamieni
z odcinkami o małej prędkości przepływu, z zaroślami
i głębokimi dołami
na pewnych odcinkach całkowicie zarośnięte, z głębokimi
dołami lub występowaniem wikliny i pni zwalonych drzew
Potoki górskie bez roślinności w korycie z krętymi
brzegami, z drzewami i krzakami na brzegach
dno potoku żwirowe, występują otoczaki i nieliczne głazy
dno potoku kamienne, występują duże głazy
Tereny zalewowe
pastwiska bez krzaków
niska trawa
wysoka trawa
pola uprawne
nie obsiane
zasiewy rzędowe
zasiewy ciągłe
powierzchnie pokryte wiklina
pojedyncze krzaki, obfita trawa i zielsko
niewielka wiklina i drzewa w warunkach zimowych
jw., tylko latem
wiklina o gęstości średniej do dużej
w warunkach zimowych
jw.. tylko latem
powierzchnia pokryta drzewami
gęsty gaj wierzbowy w warunkach letnich
oczyszczona powierzchnia ziemi
z pniami i drzewami bez pędów
jw., lecz drzewa z gęstymi pędami
duża ilość pni, nieliczne zwalone drzewa, niewielkie
poszycie lasów, poziom wielkiej wody poniżej gałęzi drzew
jw., lecz poziom wielkiej wody zatapia gałęzie drzew
Duże cieki
(przy wielkiej wodzie szerokość koryta
większa od 30 m)
(w takich samych warunkach wielkość n dla dużych cieków
jest mniejsza niż dla małych, bowiem szorstkość brzegowa
w przypadku dużych cieków stanowi dla ruchu wody
mniejsza przeszkodę)
regularne przekroje poprzeczne konta bez wikliny i głazów
nieregularne przekroje poprzeczne
i nierówna powierzchnia koryta
Współczynnik szorstkości
Min. Średni Max.
0,025
0,030
0,033
0,035
0,040
0,045
0,050
0,075
0,030
0,040
0,025
0,030
0,020
0,025
0,030
0,035
0,035
0,040
0,045
0,070
0,110
0,040
0,050
0,080
0,100
0,025
0,035
0,030
0,035
0,040
0,045
0,048
0,050
0,070
0,100
0,040
0,050
0,030
0,035
0,030
0,035
0,040
0,050
0,050
0,060
0,070
0,100
0,150
0,050
0,060
0,100
0,120
-
-
0.033
0.040
0,045
0,050
0.055
0,060
0.080
0,150
0,050
0,070
0,035
0,050
0,040
0,045
0,050
0,070
0,060
0,080
0,110
0,160
0,200
0,050
0,080
0,120
0,160
0,060
0,100

Metoda obliczenia energii
Równanie energii mechanicznej dla dwóch kolejnych poprzecznych przekrojów
przepływu przybiera postać
gdzie:
2
2
α1v1
α
2v2
Zd
1
+ h1
+ = Zd
2
+ h2
+ +
2g
2g
h e
h
e
=
S
f
2
α v v
L C 1 1
α2
⋅ + −
2g
2g
2
2
gdzie:
L - reprezentuje średnią ważoną odległość między przekrojami,
S f - reprezentuje spadek tarcia pomiędzy dwoma przekrojami
C - jest współczynnikiem kontrakcji lub dyfuzji w zależności od kształtu strumienia w
planie
Średnia odległość pomiędzy przekrojami obliczona jest ze wzoru:
gdzie:
L
=
LL
⋅Q
+
1−2
L 1−2
G 1−2
Q
LG
L
+ Q
⋅Q
G
⋅ Q
+
P
LP
⋅ Q
LL
1−2
, LG1−2
, LP 1− 2
- są to odległości pomiędzy przekrojami 1 i 2 liczone wzdłuż
lewej terasy, koryta głównego i prawej terasy,
Q , Q , Q - są to uśrednione dla przekrojów 1 i 2 wartości objętości przepływu,
L
G
P
odpowiadające: lewej terasie, koryta głównego i prawej terasie.
P

Przekrój 1
1
α1
2
V1
2g
.
Zd1
h1
h1
2
Linia energii
Zwierciadło wody
. ho
α
2
V2
2g
h2
Poziom
porównawczy
Dno koryta
Zd2
Zastosowanie zasady zachowania energii
Obliczenie objętości przepływu przypadającej na daną część poprzecznego
przekroju przepływu odbywa się poprzez moduł przepływu K.
I tak:
Q L =K L •S f
Q G =K G •S f
Q B =K B •S f
Wartości modułu przepływu obliczane są dla części koryta jako sumy
modułów dla podobszarów o zróżnicowanym współczynniku szorstkości (ryc. 5)
n 1 n 2
K 1 K 2
n g n 3 n 4
K 3 K 4
K L=K 1+K 2 K P=K 3+K 4
Kg
a) rekomendowany sposób wyznaczania modułów przepływu dla lewej i prawej
terasy zalewowej

.
.
.
n1
n2
n g
n3
n4
K1
K2
K3
K4
K5
K6
KL=K1+K2+K3
Kg
KP=K4+K5+K6
b) dopuszczalny sposób wyznaczania modułów przepływu dla lewej i prawej terasy
zalewowej
Koncepcje podziału na części poprzecznego przekroju zalewu.
Obliczenie wartości współczynnika α odbywa się według zasady
w ogólności:
2
2
1
2
Q
2 1
⎜ Q
2
2
⎟ +
⎜
2
αv
g
=
⎝ ⎠
2 g Q + Q
α=
⎛
v
⎞
1
2
⎛
⎝
v
g
⎞
⎟
⎠
2 2
2
( Q ⋅v
+ Q ⋅v
+ K+
Q ⋅v
)
1
1
2
2
Q⋅v
2
N
N
gdzie:
N - jest liczbą części koryta zgodną z przyjętą koncepcją podziału przekroju
poprzecznego (ryc. 6).
2
V 1
2g
αV
2g
2
2
V 2
2g
1
2
Interpretacja średniej wysokości energii kinetycznej
Jeśli znane są wartości (nawet przybliżone) współczynnika

α w poszczególnych częściach przekroju zwilżonego, to wzór przyjmuje postać:
α =
2
2
2
( α ⋅Q
⋅ v + α ⋅Q
⋅ v + K + α ⋅Q
⋅ v )
1
1
1
2
2
Q ⋅ v
2
2
N
N
N
Dla określenia średniej (pomiędzy przekrojami) wartości spadku tarcia
S f
,
stosowane są cztery typy uśrednień:
a) średnia arytmetyczna modułowa:
+ Q
1 2
S f
K1
+ K
2
b) średnia arytmetyczna spadków tarcia:
S
f 1
+ S
f 2
S
f
=
c) średnia geometryczna spadków tarcia:
S
f
=
Q
2
= S
⋅
S
f 1 f
2
d) średnia harmoniczna spadków tarcia
S
f
=
2 ⋅ S
S
f 1
f 1
+
+
S
S
f 2
f 2
Lokalne wartości modułu przepływu, dla danego obszaru przepływu w przekroju
poprzecznym obliczone są według wzoru Manninga:
K =
1
A ⋅ R
n
2 / 3
Zastosowanie równania Manninga oraz ogólnego prawa oporu do wyznaczenia
wartości spadku tarcia w poprzecznym przekroju przepływu.
Przykłady obliczeniowe dla potoku TARGANICZANKA
Profil podłużny dla przepływu Q 1% , Q 10% , Q 50% w przekroju
mostowym nr 53

466
465
Legend
Q 1%
Q 10%
Q50%
Poziom terenu
Rzędna terenu Elevation [m (m) n.p.m.]
464
463
462
461
460
55
56
57
459
3080 3090 3100 3110 3120 3130 3140 3150 3160 3170
Main Channel Odległość Distance [m] (m)
Profil podłużny dla przepływu Q 1% , Q 10% , Q 50% w przekroju
mostowym nr 56
Legend
Rzędna Elevation terenu (m) [m n.p.m.]
498
497
496
Q 1%
Q 10%
Q 50%
Poziom terenu
495
58
59
3980 3990 4000 4010 4020 4030 4040 4050
Odległość [m]
Main Channel Distance (m)
Profil podłużny dla przepływu Q 1% , Q 10% , Q 50% w przekroju
mostowym nr 59

Prędkość [m⋅s -1 ]
Vel Left (m/s), Vel Chnl (m/s), Vel Right (m/s)
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
E
E
0.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
E
Main Channel Odległość Distance [m](m)
Przebieg zmian prędkości przepływu wody
E
E
Legend
Koryto glowne Q 1%
Koryto glowne Q 10%
Koryto glowne Q 50%
Lewy brzeg Q 1%
Prawy brzeg Q 1%
Lewy brzeg Q 10%
Prawy brzeg Q 10%
- Największa
dopuszczaln
a prędkość
średnia
E - erozja
Flow
Pole
Area
przekroju
(m2), Area
[m
(m2) 2 ]
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Main Channel Odległość Distance [m] (m)
Legend
Q 1%
Q 10%
Q 50%
Pole przekroju zwierciadła wody dla przepływu Q 1% , Q 10% ,
Q 50% .

Top Wdth Act (m), Top Width (m)
Szerokość [m]
50
48
45
43
40
38
35
33
30
28
25
23
20
18
15
13
10
8
5
3
15,26 m
10,38 m
7,57 m
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Legend
Q 1%
Q 10%
Q 50%
- Średnia
szerokość
dla Q 1%
- Średnia
szerokość
dla Q 10%
- Średnia
szerokość
dla Q 50%
Szerokość zwierciadła wody dla przepływu Q 1% , Q 10% , Q 50% .
1.2
1.1
1.0
Legend
Q 1%
Q 10%
Q 50%
Froude
Liczba
# Chl
Froude`a
, Froude # XS
[-]
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Przebieg zmienności liczby Froude`a przy przepływie Q 1% , Q 10% , Q 50% .

0.07
0.06
0.05
E
E
E
E
E
Q 1%
Q 10%
Q 50%
Igr=0.022
Spadek [-]
0.04
0.03
E
E - erozja
0.02
0.01
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Odległość [m]
Przebieg zmian spadku hydraulicznego
.1 .06 .1
Legend
Rzędna terenu [m n.p.m.]
Elevation (m)
396.0
395.5
395.0
394.5
Q 1%
Q 10%
Q 50%
Teren
Zmiana szorstkosci
394.0
822 824 826 828 830 832 834 836 838 840 842 844 846 848 850
Station (m)
Odległość [m]
Przekrój poprzeczny nr 33 – położenie zwierciadła wody dla przepływów o
prawdopodobieństwie wystąpienia Q 1% , Q 10% ,
Q 50% .

Most nr 35
.1 .06 .1
405.5 Legend
Rzędna terenu [m n.p.m.]
Elevation (m)
405.0
404.5
404.0
403.5
403.0
402.5
402.0
Q 1%
Q 10%
Q 50 %
Teren
Zmiana szorstkosci
401.5
401.0
400.5
1512 1516 1520 1524 1528 1532 1536 1540 1544 1548 1552 1556
Odległość Station (m)[m]
Przekrój mostowy nr 35 – położenie zwierciadła wody dla przepływów o
prawdopodobieństwie wystąpienia Q 1% , Q 10% , Q 50% .