《HECRAS初步教程》课件

HEC-RAS应用武汉大学水利水电学院曾玉红1HEC-RAS应用武汉大学水利水电学院1WhatisHEC-RAS?HEC-RAS

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

水面线分析Unsteadyflowsimulation.

非恒定流量水位过程Sedimenttransport/Movableboundarysediment.

泥沙输移Waterquality

水质模拟，温度，藻类，溶解氧，BOD…Hydraulicdesign桥梁、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、缓流以及混合流可考虑桥、涵、坝、闸、等构筑物2WhatisHEC-RAS?HEC-RAS模拟河流的安装及帮助文件User’smanual

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guidetouseHEC-RASHydraulicreferencemanual

水力手册理论，参数选择

theoryanddatarequirementsApplicationguide

应用指南实例stepbystepexamples3安装及帮助文件User’smanual34455一、数据要求一般数据几何数据恒定流数据非恒定流数据plandatageometricdatasteadyflowdataunsteadyflowdataquasi-steadyflowdatasedimentdatawaterqualitydatahydraulicdesigndata6一、数据要求一般数据plandata61.1plandata（一般数据）Plan(工况)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj71.1plandata（一般数据）Plan(工况)g在创建并保存project文件（*.prj）后，其他data文件均会自动以同样的名字保存，但采用不同的后缀来区分各类文件。

“字母+数字”的后缀方案：主要的data命名规则如下：OnefileforeachPlan(.P01to.P99)OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般数据）8在创建并保存project文件（*.prj）后1.2Geometricdata

GeometricData的获取：在HEC-RAS中通过手工输入从头建立利用HEC-GeoRAS等GIS扩展在ArcGIS中先建立好模型，然后导入HEC-RAS中GeometricData的组成：reachjunctionstationriverCross-section河流，河网河段汊点断面站点91.2GeometricdataGeometri每个河网由一个或多个河段（reach）相互连接而成，汇合处称为汊点（junction）。Reach以reachname彼此区分，每个reach还有一个其所在河流的rivername。以river为单位（注意不是reach）从下游向上游定义距离空间，每个river上的位置都对应于一个数值，即station，自上游往下游数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在具体计算中并无意义。1.2Geometricdata

10每个河网由一个或多个河段（reach）相互连接而成，汇合处称11111212横断面数据横断面布置：尽量垂直流向。13横断面数据横断面布置：尽量垂直流向。13crosssection每个crosssection都有如下属性：rivername，riverstation，reachname，description。断面形态由一组（y,z）坐标给出，y轴的正方向为从上游向下游看由左岸到右岸。（y,z）坐标的顺序必须满足y值非减条件。左岸和右岸位置分别以y坐标值给出，且必须对应于某个（y,z）坐标对，用于标记河道左岸滩、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距离，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储。距离分为左岸距离（LOB），中心距离（Channel），右岸距离（ROB）。每个断面上还可定义突缩和突扩的能量损失系数，用于计算当前断面与下一断面之间的能量损失。14crosssection每个crosssection都有1.3如何对过水断面进行限定死水区ineffectiveflowarea151.3如何对过水断面进行限定死水区ineffec1.3如何对过水断面进行限定堤防设置161.3如何对过水断面进行限定堤防设置1617171.3如何对过水断面进行限定障碍物181.3如何对过水断面进行限定障碍物181919二、StartingwithHEC-RAS开始一个新的project输入（导入）geometricdata输入flowdata、boundaryconditions水力计算后处理（结果显示与打印）20二、StartingwithHEC-RAS开始一个新的pProjects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterquality21Projects.Prj2222GeometricdataRiver----reach----junction----storagearea----cross-sectionRiverStation: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,stationandelevation…Hydraulicstructure23GeometricdataRiver----reach-FlowdataandboundaryconditionsSteadyflowUnsteadyflow24Flowdataandboundaryconditi三、恒定流水面线分析地面高程水深流速水头损失基于一维能量方程，能量损失由沿程和局部两部分组成。1、原理25三、恒定流水面线分析地面水深流速损失基于一维能量方程，能量损么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的2727流程长比阻局部阻力系数2、能量损失28流程长比阻局部阻力系数2、能量损失283、断面过流能力计算左岸，主槽，右岸采用不同的参数进行计算，三部分相加获得整个断面的过流能力。计算可给出各部分流量的分配结果。293、断面过流能力计算左岸，主槽，右岸采用不同的参数进一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。按糙率变化的节点进行划分：边滩上按坐标节点进行划分：30一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。按糙率变化的节点进4、糙率系数的选择314、糙率系数的选择31当主槽边坡大于5H:1V，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：32当主槽边坡大于5H:1V，或是主槽有多个糙率的6、断面平均动能336、断面平均动能337、阻力系数阻力坡降收缩与扩张断面的损失沿程：局部：347、阻力系数阻力坡降收缩与扩张断面的损失沿程：局部：348、水面线计算过程对于缓流，在上游断面假定一个水深；若是急流，则在下游断面假定一个水深；基于假定的水位，确定对应的总输水流量和速度水头；计算损失；求解WS（水面）；计算值和估计值进行比较，满足要求即停止；358、水面线计算过程对于缓流，在上游断面假定一个水深；359、临界水深的确定临界水深：确定流动是急流还是缓流，便于采用合适的计算方法，并进行流动分析。计算中一般自动计算该项。

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。369、临界水深的确定临界水深：3610、动量方程的应用能量方程适用于渐变流的情况。当水面从急流-缓流，以及缓流-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发生、通过桥梁、堰、河网节点等情况，能量方程不再使用，此时可采用经验公式，但很多情况下必须采用动量方程加以求解。3710、动量方程的应用能量方程适用于渐变流的情况。当水面从急牛顿第二定律：代入各项力，即得：压力项重力项阻力项速度变化HEC-RAS中所用的动量方程形式：38牛顿第二定律：代入各项力，即得：压力项重力项阻力项速度变化H11、恒定流计算的一些假定流动是恒定的流动是渐变的流动是一维的渠道底坡比较缓，小于1：103911、恒定流计算的一些假定流动是恒定的39四、非恒定流计算1、方程依据：质量守恒，动量守恒连续性方程inflow=outflow动量方程控制体内动量变化重力项阻力项40四、非恒定流计算1、方程控制体内动量变化重力项阻力项402、计算方法隐式有限差分法：隐式有限差分的一般格式：时间离散：空间离散：412、计算方法隐式有限差分法：隐式有限差分的一般格式：时间离散3、连续性方程的有限差分格式根据上述分析：423、连续性方程的有限差分格式根据上述分析：423、动量方程的有限差分格式边滩：主槽：433、动量方程的有限差分格式边滩：主槽：43444445454、边界条件上游边界条件流量464、边界条件上游边界条件流量46下游边界条件水位过程线水位随时间的变化、控制水深流量过程线下游有实测流量资料水位流量过程线水位和流量的单值函数正常水深给定阻力系数由曼宁公式确定正常水深。一般按渠道底坡进行估算47下游边界条件水位过程线水位随时间的五、Inlinestructure堰（宽顶堰、尖顶堰以及弧形堰）溢洪道闸门（平板闸门，弧形闸门）48五、Inlinestructure堰（宽顶堰、尖顶堰以及弧需要4个断面模拟构筑物段水流。2号断面反应下游的尾水水位，上游3号断面体现来流水头49需要4个断面模拟构筑物段水流。2号断面反应下游的尾水水位，上W-溢流堰的宽度C-流量系数TE,BE,HE,系数H1:Zu-ZdA:闸门面积自由出流：淹没出流：过渡状态：50W-溢流堰的宽度自由出流：淹没出流：过渡状态：50自由出流：堰流：过渡状态：51自由出流：堰流：过渡状态：51HEC-RAS应用武汉大学水利水电学院曾玉红52HEC-RAS应用武汉大学水利水电学院1WhatisHEC-RAS?HEC-RAS

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

水面线分析Unsteadyflowsimulation.

非恒定流量水位过程Sedimenttransport/Movableboundarysediment.

泥沙输移Waterquality

水质模拟，温度，藻类，溶解氧，BOD…Hydraulicdesign桥梁、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、缓流以及混合流可考虑桥、涵、坝、闸、等构筑物53WhatisHEC-RAS?HEC-RAS模拟河流的安装及帮助文件User’smanual

用户手册安装、使用、界面菜单

guidetouseHEC-RASHydraulicreferencemanual

水力手册理论，参数选择

theoryanddatarequirementsApplicationguide

应用指南实例stepbystepexamples54安装及帮助文件User’smanual3554565一、数据要求一般数据几何数据恒定流数据非恒定流数据plandatageometricdatasteadyflowdataunsteadyflowdataquasi-steadyflowdatasedimentdatawaterqualitydatahydraulicdesigndata57一、数据要求一般数据plandata61.1plandata（一般数据）Plan(工况)geometricflowsedimentWaterqualityHydraulicdesign.G01~.G99.P01~.P99project*.prj581.1plandata（一般数据）Plan(工况)g在创建并保存project文件（*.prj）后，其他data文件均会自动以同样的名字保存，但采用不同的后缀来区分各类文件。

“字母+数字”的后缀方案：主要的data命名规则如下：OnefileforeachPlan(.P01to.P99)OneRunfileforeachunsteadyflowplan(.X01to.X99)OneOutputfileforeachplan(.O01to.O99)OnefileforeachsetofGeometrydata(.G01to.G99)OnefileforeachsetofUnsteadyFlowdata(.U01to.U99)1.1plandata（一般数据）59在创建并保存project文件（*.prj）后1.2Geometricdata

GeometricData的获取：在HEC-RAS中通过手工输入从头建立利用HEC-GeoRAS等GIS扩展在ArcGIS中先建立好模型，然后导入HEC-RAS中GeometricData的组成：reachjunctionstationriverCross-section河流，河网河段汊点断面站点601.2GeometricdataGeometri每个河网由一个或多个河段（reach）相互连接而成，汇合处称为汊点（junction）。Reach以reachname彼此区分，每个reach还有一个其所在河流的rivername。以river为单位（注意不是reach）从下游向上游定义距离空间，每个river上的位置都对应于一个数值，即station，自上游往下游数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在具体计算中并无意义。1.2Geometricdata

61每个河网由一个或多个河段（reach）相互连接而成，汇合处称62116312横断面数据横断面布置：尽量垂直流向。64横断面数据横断面布置：尽量垂直流向。13crosssection每个crosssection都有如下属性：rivername，riverstation，reachname，description。断面形态由一组（y,z）坐标给出，y轴的正方向为从上游向下游看由左岸到右岸。（y,z）坐标的顺序必须满足y值非减条件。左岸和右岸位置分别以y坐标值给出，且必须对应于某个（y,z）坐标对，用于标记河道左岸滩、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距离，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储。距离分为左岸距离（LOB），中心距离（Channel），右岸距离（ROB）。每个断面上还可定义突缩和突扩的能量损失系数，用于计算当前断面与下一断面之间的能量损失。65crosssection每个crosssection都有1.3如何对过水断面进行限定死水区ineffectiveflowarea661.3如何对过水断面进行限定死水区ineffec1.3如何对过水断面进行限定堤防设置671.3如何对过水断面进行限定堤防设置1668171.3如何对过水断面进行限定障碍物691.3如何对过水断面进行限定障碍物187019二、StartingwithHEC-RAS开始一个新的project输入（导入）geometricdata输入flowdata、boundaryconditions水力计算后处理（结果显示与打印）71二、StartingwithHEC-RAS开始一个新的pProjects.Prjproject.R01runfileforsteadyflowplan.X01runfileforunsteadyflowplan.O01outputfile.G01geometrydata.F01steadyflowdata.U01unsteadyflowdata.Q01quasi-unsteadyflowdata.S01sedimentdata.SedCap01sedimenttransportcapacity.W01waterquality72Projects.Prj7322GeometricdataRiver----reach----junction----storagearea----cross-sectionRiverStation: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,stationandelevation…Hydraulicstructure74GeometricdataRiver----reach-FlowdataandboundaryconditionsSteadyflowUnsteadyflow75Flowdataandboundaryconditi三、恒定流水面线分析地面高程水深流速水头损失基于一维能量方程，能量损失由沿程和局部两部分组成。1、原理76三、恒定流水面线分析地面水深流速损失基于一维能量方程，能量损么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的7827流程长比阻局部阻力系数2、能量损失79流程长比阻局部阻力系数2、能量损失283、断面过流能力计算左岸，主槽，右岸采用不同的参数进行计算，三部分相加获得整个断面的过流能力。计算可给出各部分流量的分配结果。803、断面过流能力计算左岸，主槽，右岸采用不同的参数进一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。按糙率变化的节点进行划分：边滩上按坐标节点进行划分：81一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。按糙率变化的节点进4、糙率系数的选择824、糙率系数的选择31当主槽边坡大于5H:1V，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：83当主槽边坡大于5H:1V，或是主槽有多个糙率的6、断面平均动能846、断面平均动能337、阻力系数阻力坡降收缩与扩张断面的损失沿程：局部：857、阻力系数阻力坡降收缩与扩张断面的损失沿程：局部：348、水面线计算过程对于缓流，在上游断面假定一个水深；若是急流，则在下游断面假定一个水深；基于假定的水位，确定对应的总输水流量和速度水头；计算损失；求解WS（水面）；计算值和估计值进行比较，满足要求即停止；868、水面线计算过程对于缓流，在上游断面假定一个水深；359、临界水深的确定临界水深：确定流动是急流还是缓流，便于采用合适的计算方法，并进行流动分析。计算中一般自动计算该项。

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。879、临界水深的确定临界水深：3610、动量方程的应用能量方程适用