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 Q1% i Q10%.
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,
GÄ…dek, 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 zaawansowanÄ… formÄ… 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:
1/ 2
1/
v = C Å" Rh 2 Å" S
f
gdzie:
C  współczynnik prędkości
A
Rh - promień hydrauliczny, Rh =
U
U - obwód zwilżony,
Sf - spadek tarcia
który po wyrażeniu współczynnika prędkości wzorem Manninga:
1
C = Rh1/ 6
n
przyjmuje postać znaną jako wzór Manninga-Chezy`ego:
1
2
v = Rh / 3 Å" S1/ 2 (
f
n
gdzie:
v - średnia prędkość wody,
A
Rh - promień hydrauliczny, Rh = ,
U
U - obwód zwilżony,
n - współczynnik szorstkości Manninga.
:
n = n0 + (n1 + n2 + n3 + n4 ) Å" n5
gdzie:
n0 - współczynnik szorstkości materiału koryta,
n1 - n4 - poprawki do wartości n0 wynikające ze złożonego charakteru przekroju
i topografii koryta oraz roślinności,
n5 - stopień meandrowania rzeki.
Wartosci współczynników n0 n5
Warunki w korycie Wartości
ziemia 0,020
Materiał okruchy skalne 0,025
n0
wleczony drobny żwir 0,024
gruby żwir 0,028
brak 0,000
stopień
mały 0,005
nieregularności n1
średni 0,010
przekroju
silny 0,020
zmienność stopniowa 0,000
przekrojów występująca na przemian
n2
poprzecznych na rzadko przypadkowa 0,005
długości występująca na przemian często 0,010-0,015
względny wpływ nieistotny 0,000
przeszkód mały 0,010-0,015
n3
występujących w znaczny 0,020-0,030
korycie silny 0,040-0,060
niska 0,005-0,010
średnia 0,010-0,025
roślinność n4
wysoka 0,025-0,050
bardzo wysoka 0,050-0,100
mały 1,000
stopień
znaczny n5 1,150
meandrowania
silny 1,300
Współczynnik szorstkości n do wzoru Manninga [Ven Te Chow, 1959) dla
przeciętnych warunków przepływu (według tabeli 3)
Współczynnik szorstkości
Typ cieku i jego opis
Min. Åšredni Max.
Małe cieki wodne (w czasie wielkiej wody szerokość
mniejsza od 30 m)
Cieki nizinne
czyste, proste, bez mielizn i dołów 0,025 0,030 0.033
jw., ale z dużymi kamieniami i roślinnością 0,030 0,035 0.040
czyste, kręte z łachami i dołami 0,033 0,040 0,045
jw., ale z dużymi kamieniami i roślinnością 0,035 0,045 0,050
jw., przy niskich stanach wody, nieznacznych spadkach
i małych przekrojach poprzecznych 0,040 0,048 0.055
czyste, kręte z łachami i dolami, z duża ilością kamieni 0,045 0,050 0,060
z odcinkami o małej prędkości przepływu, z zaroślami
i głębokimi dołami 0,050 0,070 0.080
na pewnych odcinkach całkowicie zarośnięte, z głębokimi 0,100 0,150
dołami lub występowaniem wikliny i pni zwalonych drzew 0,075
Potoki górskie bez roślinności w korycie z krętymi
brzegami, z drzewami i krzakami na brzegach
dno potoku żwirowe, występują otoczaki i nieliczne głazy 0,030 0,040 0,050
dno potoku kamienne, występują duże głazy 0,040 0,050 0,070
Tereny zalewowe
pastwiska bez krzaków
niska trawa 0,025 0,030 0,035
wysoka trawa 0,030 0,035 0,050
pola uprawne
nie obsiane 0,020 0,030 0,040
zasiewy rzędowe 0,025 0,035 0,045
zasiewy ciągłe 0,030 0,040 0,050
powierzchnie pokryte wiklina
pojedyncze krzaki, obfita trawa i zielsko 0,035 0,050 0,070
niewielka wiklina i drzewa w warunkach zimowych 0,035 0,050 0,060
jw., tylko latem 0,040 0,060 0,080
wiklina o gęstości średniej do dużej
w warunkach zimowych 0,045 0,070 0,110
jw.. tylko latem 0,070 0,100 0,160
powierzchnia pokryta drzewami
gęsty gaj wierzbowy w warunkach letnich 0,110 0,150 0,200
oczyszczona powierzchnia ziemi
z pniami i drzewami bez pędów 0,040 0,050 0,050
jw., lecz drzewa z gęstymi pędami 0,050 0,060 0,080
duża ilość pni, nieliczne zwalone drzewa, niewielkie
poszycie lasów, poziom wielkiej wody poniżej gałęzi drzew 0,080 0,100 0,120
jw., lecz poziom wielkiej wody zatapia gałęzie drzew 0,100 0,120 0,160
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 przeszkodÄ™)
regularne przekroje poprzeczne konta bez wikliny i głazów 0,025 - 0,060
nieregularne przekroje poprzeczne
i nierówna powierzchnia koryta 0,035 - 0,100
Metoda obliczenia energii
Równanie energii mechanicznej dla dwóch kolejnych poprzecznych przekrojów
przepływu przybiera postać
2 2
Ä…1v1 Ä…2v2
Zd1 + h1 + = Zd2 + h2 + + he
2g 2g
gdzie:
2 2
Ä…1v1 Ä…2v2
he = S Å" L + C -
f
2g 2g
gdzie:
L - reprezentuje średnią ważoną odległość między przekrojami,
S - reprezentuje spadek tarcia pomiędzy dwoma przekrojami
f
C - jest współczynnikiem kontrakcji lub dyfuzji w zależności od kształtu strumienia w
planie
Średnia odległość pomiędzy przekrojami obliczona jest ze wzoru:
LL1-2 Å" QL + LG1-2 Å" QG + LP1-2 Å" QP
L =
QL + QG Å" QP
gdzie:
LL1-2 , LG1-2 , LP1-2 - są to odległości pomiędzy przekrojami 1 i 2 liczone wzdłuż
lewej terasy, koryta głównego i prawej terasy,
QL , QG ,QP - są to uśrednione dla przekrojów 1 i 2 wartości objętości przepływu,
odpowiadające: lewej terasie, koryta głównego i prawej terasie.
Przekrój 1
1
2
2
V1
Ä…1
2g
2
V2
Ä…
2g
Dno koryta
Poziom
porównawczy
Zastosowanie zasady zachowania energii
Obliczenie objętości przepływu przypadającej na daną część poprzecznego
przekroju przepływu odbywa się poprzez moduł przepływu K.
I tak:
QL=KL" Sf
QG=KG" Sf
QB=KB" Sf
Wartości modułu przepływu obliczane są dla części koryta jako sumy
modułów dla podobszarów o zróżnicowanym współczynniku szorstkości (ryc. 5)
n 1 n2 n 3
n 4
n g
K3
K 1 K 2
K4
K P=K 3+K 4
K L=K 1+K 2
Kg
a) rekomendowany sposób wyznaczania modułów przepływu dla lewej i prawej
terasy zalewowej
h
1
.
.
ho
h
1
h
2
Zd
1
Zd
2
Linia ene
rgii
Zw
ierciad
Å‚
o wody
n1 n2 n g
n3
n4
K3
K1 K2 K4
K5 K6
KP=K4+K5+K6
KL=K1+K2+K3
Kg
b) dopuszczalny sposób wyznaczania modułów przepływu dla lewej i prawej terasy
zalewowej
Koncepcje podziału na części poprzecznego przekroju zalewu.
Obliczenie wartości współczynnika ą odbywa się według zasady
2 2
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
v1 v2
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
Q1 ìÅ‚ ÷Å‚ + Q2 ìÅ‚ ÷Å‚
2
2 g 2 g
Ä…v
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
=
2 g Q1 + Q2
w ogólności:
2 2 2
(Q1Å"v1 +Q2 Å"v2 +K+QN Å"vN)
Ä…=
QÅ"v2
gdzie:
N - jest liczbą części koryta zgodną z przyjętą koncepcją podziału przekroju
poprzecznego (ryc. 6).
2
2
2
V1
Ä…V
V2
2g
2g
2g
2
1
Interpretacja średniej wysokości energii kinetycznej
Jeśli znane są wartości (nawet przybliżone) współczynnika
.
.
.
 ą w poszczególnych częściach przekroju zwilżonego, to wzór przyjmuje postać:
2 2 2
(Ä…1 Å" Q1 Å" v1 +Ä…2 Å"Q2 Å" v2 + K +Ä… Å" QN Å" vN )
N
Ä… =
2
Q Å" v
Dla określenia średniej (pomiędzy przekrojami) wartości spadku tarcia S ,
f
stosowane są cztery typy uśrednień:
a) średnia arytmetyczna modułowa:
Q1 + Q2
S =
f
K1 +K
2
b) średnia arytmetyczna spadków tarcia:
S + S
f 1 f 2
S =
f
2
c) średnia geometryczna spadków tarcia:
S = S Å" S
f f 1 f 2
d) średnia harmoniczna spadków tarcia
2 Å" S + S
f 1 f 2
S =
f
S + S
f 1 f 2
Lokalne wartości modułu przepływu, dla danego obszaru przepływu w przekroju
poprzecznym obliczone są według wzoru Manninga:
1
K = A Å" R2 / 3
n
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%, Q10%, Q 50% w przekroju
mostowym nr 53
Legend
466
Q 1%
Q 10%
Q50%
465
Poziom terenu
464
463
462
461
460
459
3080 3090 3100 3110 3120 3130 3140 3150 3160 3170
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Profil podłużny dla przepływu Q 1%, Q10%, Q 50% w przekroju
mostowym nr 56
Legend
498 Q 1%
Q 10%
Q 50%
Poziom terenu
497
496
495
3980 3990 4000 4010 4020 4030 4040 4050
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Profil podłużny dla przepływu Q 1%, Q10%, Q 50% w przekroju
mostowym nr 59
Elevation (m)
Rz
Ä™
dna terenu [m n.p.m.]
55
56
57
Elevation (m)
Rz
Ä™
dna terenu [m n.p.m.]
58
59
Legend
E E
3.8
E Koryto glowne Q 1%
E
3.6
Koryto glowne Q 10%
E
3.4
Koryto glowne Q 50%
3.2
Lewy brzeg Q 1%
3.0
Prawy brzeg Q 1%
2.8
Lewy brzeg Q 10%
2.6 Prawy brzeg Q 10%
2.4
- Największa
2.2
dopuszczaln
a prędkość
2.0
średnia
1.8
E - erozja
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Przebieg zmian prędkości przepływu wody
Legend
34
Q 1%
32
Q 10%
30
Q 50%
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 Distance (m)
Odległość [m]
Pole przekroju zwierciadła wody dla przepływu Q 1%, Q10%,
Q 50%.
-1
Pr
Ä™
dko
ść
[m
Å"
s ]
Vel Left (m/s), Vel Chnl (m/s), Vel Right (m/s)
2
Flow Area (m2), Area (m2)
Pole przekroju [m ]
50
Legend
48
Q 1%
45
Q 10%
43
Q 50%
40
- Åšrednia
38
szerokość
dla Q 1%
35
- Åšrednia
33
szerokość
30
dla Q 10%
28 - Åšrednia
szerokość
25
dla Q 50%
23
20
18
15,26 m
15
13
10,38 m
10
7,57 m
8
5
3
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Main Channel Distance (m)
Odległość [m]
Szerokość zwierciadła wody dla przepływu Q 1%, Q10%, Q 50%.
1.2
Legend
Q 1%
1.1
Q 10%
Q 50%
1.0
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%, Q10%, Q 50%.
Szeroko
ść
[m]
Top Wdth Act (m), Top Width (m)
Liczba Froude`a [-]
Froude # Chl , Froude # XS
Q 1%
0.07
Q 10%
E
E
0.06
E Q 50%
E
E
Igr=0.022
0.05
E - erozja
0.04
E
0.03
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
Q 1%
Q 10%
396.0
Q 50%
Teren
Zmiana szorstkosci
395.5
395.0
394.5
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%, Q10%,
Q 50%.
Spadek [-]
Elevation (m)
Rz
Ä™
dna terenu [m n.p.m.]
Most nr 35
.1 .06 .1
Legend
405.5
Q 1%
405.0
Q 10%
Q 50 %
404.5
Teren
404.0
Zmiana szorstkosci
403.5
403.0
402.5
402.0
401.5
401.0
400.5
1512 1516 1520 1524 1528 1532 1536 1540 1544 1548 1552 1556
Station (m)
Odległość [m]
Przekrój mostowy nr 35  położenie zwierciadła wody dla przepływów o
prawdopodobieństwie wystąpienia Q 1%, Q10%, Q 50%.
Elevation (m)
Rz
Ä™
dna terenu [m n.p.m.]