Presentation HEC-RAS V3 - users.itia.ntua.grusers.itia.ntua.gr/nikos/floods/HEC-RAS.pdf · – US...

ΙΟΥΝΙΟΣΙΟΥΝΙΟΣ 20072007

ΕΙΣΑΓΩΓΗΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΣΤΟ HECHEC--RASRAS

ΕΥΑΓΓΕΛΟΣΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΡΑΜΠΙΑΣΡΑΜΠΙΑΣΤΟΜΕΑΣΤΟΜΕΑΣ Υ∆ΑΤΙΚΩΝΥ∆ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝΠΟΡΩΝ & & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

ΕΘΝΙΚΟΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ∆ιατµηµατικό–∆ιεπιστηµονικό Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών ΣπουδώνΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Υ∆ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

ΠΛΗΜΜΥΡΕΣΠΛΗΜΜΥΡΕΣ & & ΑΝΤΙΠΛΗΜΜΥΡΙΚΑΑΝΤΙΠΛΗΜΜΥΡΙΚΑ ΕΡΓΑΕΡΓΑ

ΙΟΥΝΙΟΣ 2007 ΠΛΗΜΜΥΡΕΣ & ΑΝΤΙΠΛΗΜΜΥΡΙΚΑ ΕΡΓΑ 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το HEC-RAS είναι ένα από τα µοντέλα του U.S.Army Corps of EngineersΚατασκευάστηκε από το Hydrologic Engineering Center (HEC)Είναι µοντέλο µεµονωµένου υδρολογικού γεγονότοςΠροσοµοιώνει υδατορεύµατα (River Analysis System –RAS)– Φυσικά ή τεχνητά

– Μεµονωµένα ή συστήµατα


ΕΙΣΑΓΩΓΗ (ΙΙ)

Η ανάπτυξη του έγινε σταδιακά– προχωρώντας βήµα-βήµα & κατασκευάζοντας κάποιαεργαλεία του µετά την ολοκλήρωση του βασικούκορµού του προγράµµατος π.χ. το εργαλείο γραφικήςαπεικόνισης της διατοµής που δεν υπήρχε στην αρχικήέκδοση του µοντέλου

– µε σκοπό να κατασκευαστεί ένα µοντέλο όπου ο ρόλοςτου χρήστη είναι ενεργός σε όλη την διάρκεια τηςπροσοµοίωσης (interactive program)


ΕΙΣΑΓΩΓΗ (ΙΙΙ)

Πραγµατοποιεί υπολογισµούς ροήςµονοδιάστατης ανάλυσηςΣε µόνιµη ροή (steady flow)

Εξίσωση ενέργειας :

Σε µη µόνιµη ροή (unsteady flow)

Εξίσωση συνέχειας :

Αρχή διατήρησης ορµής :

ehgVaZY

gVaZY +++=++

22

211

11

222

22

01 =−∂∂

+∂∂ q

xQ

tAT

0=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +∂∂

+∂∂

+∂∂

fSxzgA

xQV

tQ


ΒΑΣΙΚΕΣ Υ∆ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (Ι)

Μονοδιάστατη ανάλυση :– ονοµάζεται η απλοποιητική ανάλυση πουχρησιµοποιείται σε περιπτώσεις όπου η κατά µήκοςσυνιστώσα της ταχύτητας είναι πολύ σηµαντικότερητων άλλων δύο συνιστωσών (η ταχύτητα έχει 3 συνιστώσες u, v, w)

– όπως π.χ. ροή σε ευθύγραµµους σωλήνες σταθερήςδιατοµής, ή σε ευθύγραµµους αγωγούς µε ελεύθερηεπιφάνεια και σταθερή διατοµή.

Ι. ∆ηµητρίου, Υδραυλική Τεύχος Α΄ Εισαγωγή, 2000


ΒΑΣΙΚΕΣ Υ∆ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (ΙΙ)

Α. Κατηγορίες ροών (ανά τύπο ροής)• Μόνιµη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής δεν

µεταβάλλεται µε τον χρόνο– Οµοιόµορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής δεν

µεταβάλλεται από διατοµή σε διατοµή (κατά µήκος τουκαναλιού) αλλά παραµένει σταθερό.

– Ανοµοιόµορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροήςµεταβάλλεται από διατοµή σε διατοµή (κατά µήκος τουκαναλιού).

» Ραγδαίως µεταβαλλόµενη ροή – το βάθος ροής αλλάζειαπότοµα σε µικρή σχετικά απόσταση

» Βαθµιαίως µεταβαλλόµενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει σεµεγάλη σχετικά απόσταση

Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959


ΒΑΣΙΚΕΣ Υ∆ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (ΙΙΙ)

Α. Κατηγορίες ροών (ανά τύπο ροής) :• Μη µόνιµη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής

µεταβάλλεται µε τον χρόνο– Οµοιόµορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής δεν

µεταβάλλεται από διατοµή σε διατοµή (κατά µήκος τουκαναλιού) αλλά παραµένει σταθερό, µεταβάλλεται όµως µε τονχρόνο (πρακτικά δεν υπάρχει και ο όρος δεν χρησιµοποιείται).

– Ανοµοιόµορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροήςµεταβάλλεται από διατοµή σε διατοµή (κατά µήκος τουκαναλιού).

» Ραγδαίως µεταβαλλόµενη ροή – το βάθος ροής αλλάζειαπότοµα σε µικρή σχετικά απόσταση

» Βαθµιαίως µεταβαλλόµενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει σεµεγάλη σχετικά απόσταση



ΒΑΣΙΚΕΣ Υ∆ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (IV)

Υπόµνηµα

R.V.F. (Rapidly Varied Flow): Ραγδαίως µεταβαλλόµενη ροή

G.V.F. (Gradually Varied Flow): Βαθµιαίως µεταβαλλόµενη ροή

Hydraulic jump : υδραυλικό άλµα

Uniform flow : οµοιόµορφη ροή

Steady Flow : µόνιµη ροή

Unsteady flow : µή µόνιµη ροή



Επεξήγηση βασικών υδραυλικώνεννοιών (V)Β. Κατηγορίες ροών (ανά κατάσταση ροής)– Επιρροή της βαρύτητας

• ∆ίνεται από τον λόγο των δυνάµεων αδράνειας προςτης δυνάµεις βαρύτητας ο οποίος ονοµάζεταιαριθµός Froude και ισούται :

όπου V : µέση ταχύτητα (m/s)g : επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s2)L : χαρακτηριστικό µήκος (m), το οποίο για

ανοικτούς αγωγούς είναι ίσο µε το υδραυλικό βάθος D (m)


gLVF =


ΒΑΣΙΚΕΣ Υ∆ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (VΙ)

Εάν F = 1 τότε η ροή λέγεται κρίσιµη & V = (gD)1/2

Εάν F < 1 τότε η ροή λέγεται υποκρίσιµη & V < (gD)1/2

– Στην κατάσταση αυτή ο ρόλος των δυνάµεων της βαρύτητας είναιπιο έντονος γι’αυτό η ροή έχει µικρή ταχύτητα και περιγράφεταισυνήθως ως σταθερή, ποτάµια ροή.

Εάν F > 1 τότε η ροή λέγεται υπερκρίσιµη & V > (gD)1/2– Στην κατάσταση αυτή οι αδρανειακές δυνάµεις επικρατούν και ηροή έχει µεγάλη ταχύτητα και περιγράφεται συνήθως ως ραγδαία, χειµαρρώδης ροή.

Η µετάβαση µίας ροής από υπερκρίσιµη κατάσταση σευποκρίσιµη ονοµάζεται υδραυλικό άλµα



ΓΕΝΙΚΗ ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ

Κατασκευή γεωµετρικού υπόβαθρου• (είτε από την αρχή είτε εισαγόµενο από άλλαπρογράµµατα – π.χ. HEC-2, ArcGIS)

Προσδιορισµός συνθηκών ροήςΠροσοµοίωσηΑποτελέσµαταΈλεγχος αποτελεσµάτων & αποδοχή ή όχι


Υ∆ΡΑΥΛΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ

Μόνιµη ροή & Μη µόνιµη ροή– Υπολογίζει στάθµη νερού για βαθµιαίως

µεταβαλλόµενη ροή• Σε δίκτυο τεχνητών αγωγών• Σε συστήµατα ποταµών µε τεχνικά έργα ή φυσικές κοίτες• Σε συνθήκες υποκρίσιµης ή υπερκρίσιµης ροής ή ακόµα καιτων δύο ροών (mixed flow)

– Υπολογίζει υδραυλικά άλµατα, – Υδραυλικές συνθήκες σε γέφυρες, ρουφράκτες, οχετούς, υπερχειλιστές, στενώσεις

∆ιάβρωση κοίτης σε γέφυρεςΚίνηση & απόθεση φερτών υλών (σε νέαεπέκταση που δεν είναι έτοιµη ακόµη)


ΞΕΚΙΝΩΝΤΑΣ ΜΕ ΤΟ HEC-RAS

∆ηµιουργία νέου έργου (project)

Άνοιγµα υπάρχοντος έργου(project)


ΕΙΣΑΓΩΓΗ ∆Ε∆ΟΜΕΝΩΝ

∆εδοµένα γεωµετρίας

∆εδοµένα µόνιµης ροής

∆εδοµένα µη µόνιµης ροής


ΒΗΜΑ 1Ο – ∆Ε∆ΟΜΕΝΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ

Ορισµός άξονα υδατορεύµατοςΟρισµός διατοµών υδατορεύµατος– Χιλιοµετρική θέση διατοµής– Γεωµετρία διατοµής (εδάφους)

• Από χάρτη ΓΥΣ κλίµακας 1:5000• Από τοπογραφική αποτύπωση (η ιδανικότερη λύση)

– Απώλειες (manning & contraction/expansion coefficients)Εναλλακτικά :– Εισαγωγή δεδοµένων από ΗEC-2– Εισαγωγή δεδοµένων από GISΕπιπλέον εργαλεία :– ∆ιευθέτηση κοίτης ποταµού (παρεµβολή στην αρχική γεωµετρία του

ποταµού χρησιµοποιώντας τεχνητές διατοµές προσαρµοσµένες στηνφυσική κοίτη)

– Ψηφιακή πύκνωση των διατοµών του µοντέλου κατά µήκος τουυδατορεύµατος


ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ∆Ε∆ΟΜΕΝΩΝΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ

1. Χάραξη άξονα υδατορεύµατος

2. Γεωµετρική περιγραφήδιατοµών υδατορεύµατος

3. Γεωµετρική περιγραφήγέφυρας/ων

4. Γεωµετρική περιγραφή έργωνυπερχειλίσεως, ρουφράκτων


ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ∆ΙΑΤΟΜΩΝΥ∆ΑΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ

1. Ονοµασία διατοµής

2. Μήκος έως την επόµενηκατάντη διατοµή

3. Συντελεστής απωλειώνmanning

4. Γεωµετρική περιγραφήδιατοµής (x – y)


ΒΗΜΑ 2Ο – ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΡΟΗΣ

Μόνιµη ροή– Παροχές σχεδιασµού

• Προκύπτουν από την υδρολογική µελέτη ή από ανάντησυνθήκες (π.χ. έξοδος σταθµού παραγωγής)

• Χρειάζονται µόνο οι αιχµές– Οριακές συνθήκες ανάλογα µε το αν η ροή είναιυποκρίσιµη ή υπερκρίσιµη

• ∆εδοµένη στάθµη νερού• Κρίσιµο βάθος• Οµοιόµορφο βάθος• Καµπύλη στάθµης – παροχής


ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ (ΜΟΝΙΜΗ ΡΟΗ)

Εισαγωγή παροχής σχεδιασµού

Εισαγωγή συνθηκών ροής(ανάντη ή κατάντη εξαρτάται από

την ροή)


ΒΗΜΑ 2Ο – ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΡΟΗΣ (ΙΙ)

Μη µόνιµη ροή– Υδρογράφηµα σχεδιασµού– Σταθµηγράφηµα σχεδιασµού

• ή και τα δύο

– Καµπύλες στάθµης – παροχής– Αρχικές συνθήκες ροής


ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ

Προσοµοίωση µόνιµης ροής

Προσοµοίωση µη µόνιµης ροής

Προσοµοίωση διάβρωσης


ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ (II)

Αναλόγως µε τα δεδοµένα ακολουθείται και η αντίστοιχηµέθοδος προσοµοίωσης (µόνιµη ή µη µόνιµη ροή)Η προσοµοίωση διάβρωσης είναι µία ανεξάρτητη επιλογήτου µοντέλου η οποία δίνει την δυνατότητα υπολογισµούτης διάβρωσης σε γέφυρες– Ως διαδικασία έπεται των δύο παραπάνω (αφού χρησιµοποιεί ταδεδοµένα της ροής)

– Είναι σχετικά απλή διαδικασία– ∆ίνει ικανοποιητικής ακρίβειας αποτελέσµατα– (Περισσότερες πληροφορίες στο HEC No.18 Evaluating scour at

bridges, Fourth edition, May 2001)


ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

∆ιατοµές



Στάθµη νερού κατά µήκοςποταµού

Εκτός από στάθµη νερούαπεικονίζονται επίσης :

Κρίσιµα βάθη

Γραµµή ενέργειας

Αναχώµατα



Καµπύλες Στάθµης - Παροχής

Οι καµπύλες στάθµης-παροχήςδίδονται ως αποτέλεσµα

Σε καθε διατοµή που έχει δοθείως αρχικό δεδοµένο

Η΄έχει προκύψει από τοεργαλεία της πύκνωσης τωνδιατοµών του µοντέλου



Προοπτική απεικόνιση σε τρειςδιαστάσεις (x, y, z)

∆ίνει µία τρισδιάστατηαπεικόνιση του υδατορεύµατοςόπως έχει απεικονιστεί από ταδεδοµένα γεωµετρίας

Προβάλει και τα αποτελέσµατα(στάθµες νερού) δίνοντας µίαολοκληρωµένη εικόνα στον χρήστη



Σταθµηγράφηµα & Υδρογράφηµα



Αναλυτικοί & Συνοπτικοίπίνακες αποτελεσµάτων

Αρχεία που περιέχουν όλα ταστοιχεία που έχουν υπολογιστείαπό το µοντέλο κατά τηνδιάρκεια της προσοµοίωσης

Είναι τα πλέονχρησιµοποιήσιµα από τααποτελέσµατα του µοντέλου(λόγω πινακοποίησης)


ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΩΣ ΜΟΝΤΕΛΟ

Φιλικό περιβάλλον για τον νέο χρήστη µεδιαδραστικά παράθυρα & γραφικάΑπαιτεί ελάχιστα δεδοµένα εισόδου

• τα οποία είναι απολύτως απαραίτητα σε οποιαδήποτε µέθοδουδραυλικής προσοµοίωσης

Υπολογιστική διαδικασία απλή & σύντοµη• γρήγορα αποτελέσµατα µε ικανοποιητική ακρίβεια• ο χρήστης δεν χρειάζεται να κατανοεί πλήρως το υδραυλικόυπολογιστικό υπόβαθρο που εφαρµόζει αλλά µπορεί να εξάγειαποτελέσµατα µε ελλειπή γνώση κάποιων παραµέτρων χωρίςνα αποκλίνει από την πραγµατικότητα κατά πολύ


ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΩΣ ΜΟΝΤΕΛΟ

Αποτελέσµατα σε διάφορες µορφές• Πίνακες• Σχεδιαγράµµατα• Σκαριφήµατα• Τρισδιάστατοι χάρτες

Εισαγωγή αποτελεσµάτων σε ArcGIS• Περαιτέρω επεξεργασία και οπτικοποίηση τωναποτελεσµάτων (HEC-GeoRAS)


ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΩΣ ΜΟΝΤΕΛΟ

Έλεγχος των αποτελεσµάτων– καλή γνώση των υδραυλικών συνθηκών που επικρατούν– απαιτεί εµπειρία του χρήστη σε υδραυλικά προβλήµαταΟ βαθµός ακρίβειας των αποτελεσµάτων– είναι µεγάλος και πρέπει να γίνεται δεκτός µε ανοχή τέτοια όπου να

δικαιολογείται• από την υπολογιστική διαδικασία• τα δεδοµένα εισόδου

Ψηφιοποίηση από χάρτες ΓΥΣ κλίµακας 1:5000– η τελική ακρίβεια του ψηφιοποιηµένου χάρτη δεν είναι αρκετά

λεπτοµερής / ακριβής λόγω ανεπάρκειας των παραπάνω χαρτών στηναποτύπωση µε λεπτοµέρεια

– αποτύπωση επιτόπου από τοπογραφικό συνεργείο παρέχει την ζητούµενηλεπτοµέρεια / ακρίβεια αλλά το κόστος της την καθιστά απαγορευτική γιαµεγάλες εκτάσεις / µήκη υδατορευµάτων


ΚΡΙΤΙΚΗ

Το HEC-RAS είναι χρήσιµο εργαλείο για τονυδραυλικό µηχανικό– µειώνει αισθητά σε χρόνο και εργασία τηνυπολογιστική διαδικασία

– δίνει αποτελέσµατα σε εύχρηστη µορφή (πίνακες & διαγράµµατα)

Παραµένει ένα εργαλείο το οποίο ο χρήστηςκαλείται να χρησιµοποιήσει έχοντας πάντα υπόψητου το θεωρητικό υπόβαθρο που ισχύει


ΑΝΑΦΟΡΕΣ

US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-Ras User’s manual, November 2002US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-Ras Hydraulic reference manual, November 2002Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959Ι. ∆ηµητρίου, Υδραυλική Τεύχος Α΄ Εισαγωγή, 2000


ΥΛΙΚΟ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗ

Υλικό για µελέτη στο ΗEC-Ras– US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-Ras

User’s manual, November 2002– US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-Ras

Hydraulic reference manual, November 2002– US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-Ras

Applications guide, November 2002Βιβλιογραφία για µελέτη στην υδραυλική και στα βασικά υδραυλικάπροβλήµατα– Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959– Ι. ∆ηµητρίου, Υδραυλική Τεύχος Α΄ Εισαγωγή, 2000– A. Lencastre, Εγχειρίδιο γενικής υδραυλικής, 1976 (µετάφραση Χ.

Καργόπουλος) Υλικό από διαδίκτυο– Ιστοσελίδα του ΗΕC : www.hec.usace.army.mil

• Περιέχει όλα τα λογισµικά του HEC δίνονται ελεύθερα µαζί µε όλα ταεγχειρίδια τους

Presentation HEC-RAS V3 - users.itia.ntua.grusers.itia.ntua.gr/nikos/floods/HEC-RAS.pdf · – US...

Documents

Transcript of Presentation HEC-RAS V3 - users.itia.ntua.grusers.itia.ntua.gr/nikos/floods/HEC-RAS.pdf · – US...