HEC-RAS 应用应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. 水面线分析水面线分析Unsteady flow simulation. 非恒定流量水位过程非恒定流量水位过程Sediment transport / Movable boundary sediment. 泥沙输移泥沙输移Water quality 水质模拟，温度，藻类，溶解氧，水质模拟，温度，藻类，溶解氧，BODHydraulic design桥梁、涵洞、堰、溢洪道等等桥梁、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、等构筑物安装及帮助文件Users manual 用户手册 安装、使用、界面菜单 guide to use HEC-RASHydraulic reference manual 水力手册 理论，参数选择 theory and data requirementsApplication guide 应用指南 实例 step by step exampleswww.hec.usace.army.mil一、数据要求一般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 data1.1 plan data （一般数据）Plan(工况)geometricflowsedimentWater qualityHydraulic design.G01.G99 .P01.P99project*.prj 在创建并保存在创建并保存project文件（文件（*.prj）后，其他）后，其他data文件均会自动以同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。样的名字保存，但采用不同的后缀来区分各类文件。 “字母字母+数字数字”的的后缀方案：主要的后缀方案：主要的data命名规则如下：命名规则如下：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 （一般数据）1.2 Geometric data Geometric Data的获取：的获取：在在HEC-RAS中通过手工输入从头建立中通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的组成：的组成：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）相互连接而成，汇合处称）相互连接而成，汇合处称为汊点（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 name。u以以river为单位（注意不是为单位（注意不是reach）从下游向上游定义距离空间，）从下游向上游定义距离空间，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，但数值大小在具体计算中并数值由大到小，标示断面所处的位置，但数值大小在具体计算中并无意义。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。断面形态由一组（断面形态由一组（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）坐标的顺序必须满足）坐标的顺序必须满足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，且必须对应于某个（坐标值给出，且必须对应于某个（y,z）坐标对，用于标记河）坐标对，用于标记河道左岸滩、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距离，最下游的断面上间距值没有意义，按零存储。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（距离分为左岸距离（LOB），中心距离（），中心距离（Channel），右岸距离），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 如何对过水断面进行限定如何对过水断面进行限定死水区死水区 ineffective flow area1.3 如何对过水断面进行限定如何对过水断面进行限定堤防设置1.3 如何对过水断面进行限定如何对过水断面进行限定障碍物障碍物二、Starting with HEC-RAS开始一个新的开始一个新的project输入（导入）输入（导入） geometric data输入输入 flow data 、 boundary conditions水力计算水力计算后处理（结果显示与打印）后处理（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 qualityGeometric dataRiver -reach-junction-storage area-cross-sectionRiver 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 elevationHydraulic structureFlow data and boundary conditionsSteady flowUnsteady 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，能量损失由沿程和局部两部分组成。基于一维能量方程，能量损失由沿程和局部两部分组成。1 1、原理、原理流程长流程长比阻比阻局部阻力局部阻力系数系数2 2、能量损失、能量损失3 3、断面过流能力计算、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。断面的过流能力。 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。一般取相同水面深度下的较小流量为计算流量。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：按糙率变化的节点进行划分：边滩上按坐标节点进行划分：边滩上按坐标节点进行划分：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：局部：局部：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；若是急流，若是急流，则则在下游断面假定一个水深；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行比行比较较，满满足要求即停止；足要求即停止；9 9、临界水深的确定、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。1010、动量方程的应用、动量方程的应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。用经验公式，但很多情况下必须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中所用的动量方程形式：中所用的动量方程形式：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1：10四、非恒定流计算四、非恒定流计算1、方程、方程依据：质量守恒，动量守恒依据：质量守恒，动量守恒连续性方程连续性方程 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：隐式有限差分的一般格式：隐式有限差分的一般格式：时间离散：时间离散：空间离散：空间离散：3、连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、边界条件、边界条件上游边界条件上游边界条件 流量流量下游边界条件下游边界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。一般按渠道底坡进正常水深。一般按渠道底坡进 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）需要需要4个断面模拟构筑物段水流。个断面模拟构筑物段水流。2号断面反应下游的号断面反应下游的尾水水位，上游尾水水位，上游3号断面体现来流水头号断面体现来流水头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由出流：自由出流：淹没出流：过渡状态：自由出流：自由出流：堰流：过渡状态：