Aufbau der Lehrveranstaltung - iwhw.boku.ac.at · Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel

1

Computerunterstützte Gewässermodellierung a.o. Univ. Prof. DI Dr. Helmut HabersackComputer based river modelling WS 2007/2008

Aufbau der Lehrveranstaltung Mittwoch

21.11. Mittwoch 28. 11.

Mittwoch 5. 12.

Mittwoch 12. 12.

8:30-9:20 Einleitung Problemstellung, Ziele, Definitionen

Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie

Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel Lafnitz 2-D Instationäre Abflussmodellierung und Kopplung mit GIS

Modellierung von Seitenerosion und der Flussmorphologie

9:30-10:20 Hydraulische Grundlagen zur Abflussberechnung

Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie

Grundlagen zur Sedimenttransportmodellierung

Simulation von flachen Hangrutschungen und Feststoffbilanzen (Schwerpunkt Schwebstoffhaushalt)

10:30-11:20 Numerische Verfahren Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages, Modellvergleich

Anwendungsbeispiel EG Sölkspeicher

11:30-12:20 1-D Wasserspiegellagen-modellierung, Grundlagen, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links zu homepages

Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Anwendungsbeispiel Obere Salzach

Grundlagen zur Habitatmodellierung, Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages

12:20-13:00 Mittagessen

Mittagessen

Mittagessen

Mittagessen

13:00-14:20 Methoden zur Ermittlung des Fließwiderstandes Räumlich gegliederte Profile und Gewässervernetzungen, Kalibrierung von Wasserspiegellagenrechnungen

Wasserspiegellagenberechnung bei unterschiedlichen Rauhigkeiten und gegliedertem Profil - Naturstrecke

Eingabe von Einbauten (Brücken, Durchlässe etc.)

Instationäre Abflussberechung Modellaufbau

14:30-16:00 2-D, 3-D Abflussmodelle, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links, Vor- Nachteile

Simulation und Diskussion der Resultate - Vergleich

Modellierung und Analyse der Ergebnisse

Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Technische Möglichkeiten HEC-2

Original

Haestad

HEC-2

Boss-

HEC-2

WASPI HEC-

RAS

1. X-Y (Stationierung-Höhe) - Geometrie • • • • •2. „Conveyance“ (Abflußleistung)

zwischen allen Koordinatenpunkten • • • • •nur bei Änderungen in den Rauhigkeiten •

3. Rauhigkeitsbeiwertelinkes VL, Hauptabflußquerschnitt, rechtes VL • • • • •

horizontale Variation • • • • •zusammengesetzte Werte im Hauptabflußquerschnitt • •

vertikale Variation • • • • •4. Fließzustand

strömend • • • • •schießend • • • • •

strömend und schießend • •5.Energieverlustberechnung

mittlere Abflußleistung • • • • •mittleres Reibungsgefälle • • • • •

geometrisches Mittel • • • • •harmonisches Mittel • • • • •

Auswahl durch Programm • • • •6. Expansions- und Kontraktionsbeiwerte • • • • •7. Zusätzliche Verluste (Krümmungen) •8. unwirksame Abflußbereiche (normal und geblockt) • • • • •9. Dämme • • • • •10. geblockte Hindernisse • • • •

1D Wasserspiegellagenmodelle

2


„User interfaces features“ HEC-2

Original

Haestad

HEC-2

Boss-

HEC-2

WASPI HEC-RAS

11. Abflußgrenzen • • • • •12. Brücken und Durchlässe

Einzelbrücken nach verschiedenen Methoden • • • • •Programm selektiert Modellansatz •

mehrfache Brücken- und/oder Durchlaßöffnungen •mehrfache identische Durchlässe • • •

VOEST-Stahlrohre •13. Randbedingungen

bekannter Wasserspiegel • • • • •Schlüsselkurve • • • • •

Normalabflußtiefe • • • • •kritische Tiefe • • • • •

14. Verbesserte Routinen für Ber. der kritischen Tiefe •15. Hydraulik bei Gewässervereinigungen

Lösung mittels Energiegleichung •Lösung mittels Momentengleichung •

16. Mehrfachabschnitte (Fließgewässernetz) • • • • •17. Mehrfache Abflüsse (bis zu 14 (15) • • • • •18. Plangrundlagen (Geometrie und Abflüsse) • • •19. Interpolation von Querprofilen

benutzerdefiniert (Querprofil kopiert und angepaßt) • •Interpolation aus hydraulischer Tabelle • • •

geometrische Interpolation • • •20. Optimierung des getrennten Abflusses (split flow)

Aufteilung des Abflusses im Hauptabflussquerschnitt • •seitliche Wehre und Schußrinnen • •

21. Optimierung des Hauptabflußquerschnittes • • • •22. automatische Eichung des Reibungsbeiwertes • •23. Möglichkeiten zum hydraulischen Enwurf

quasi 2-D Geschwindigkeitsverteilung • •Quergefälle in Krümmungen •

Ufererosion •Enwurf von Ufersicherungen •

Enwurf von stabilen Gerinnen •Sedimenttransportberechnungen •

Kolke bei Brücken •


Original

Haestad

HEC-2

Boss-

HEC-2

WASPI HEC-RAS

1. graphisches interface • • • •2. management von files • • • •3. Import von verschiedenen Datenformaten

HEC-2 • • • •andere • •

4. DateneingabeQuerprofile • • • •

stationäre Abflußdaten • • • •Verzweigungsdaten • • • •

Brückendaten • • • •Durchlaßdaten • • • •

Wehre und Schußrinne • • • •5. interaktive Schemen des Flußsystems • • •6. Berechnungsmodi

alle Querprofile • • •ausgewählte Profile • • •

7. X-Y GraphikplotsQuerprofile • • • •

Längsprofile • • • •Schlüsselkurven • • • •

andere Variable (Schleppsp., Fließgeschw...) • •


3



Original

Haestad

HEC-2

Boss-

HEC-2

WASPI HEC-RAS

8. pseudo 3D Graphik des Flußsystems •9. graphischer Querprofileditor • • •10. Tabellenoutput

vordefinierte Tabellen • • • •benutzerdefinierte Tabellen • • • •

11. Berichte über Input und Output • •12. Einheiten

englisch • • •metrisch • • • •

13. Fehlerüberprüfungbei Dateneingabe • • • •

vor Berechnung • • • •nach Berechnung • • • •

14. On-line Hilfe • • •15. Output-Möglichkeiten

Bildschirm • • • •Printer/Plotter • • • •

Zwischenablage • •files (ASCII, CGM, DXF,..) • •


Links betreffend ModelleHEC-RAS: http://www.hec.usace.army.mil/HEC2: http://www.haested.com/

http://www.bossintl.com/Boss-HEC2: http://www.bossintl.com/WASPI: http://www.hydroconsult.net/MIKE 11: http://www.dhi.dk/

http://www.bossintl.com/

4


HEC-RAS Modellgrundlagen

Energiegleichung


Verlusthöhe

5



Fließgesetz


Rauhigkeit im Hauptabflussquerschnitt

6



Mittlere kinetische Energiehöhe


Geschwindigkeitskoeffizient

7



Reibungsgefälle (Neigung derEnergielinie)

ffSt SKSARkQ == 3/2


Kontraktions- und Expansionsbeiwerte

8



Numerische Lösung, standard step,

Sekantenmethode

HEC-RAS ModellgrundlagenBestimmung der kritischen Tiefe, tritt ein wenn:- ein schießender Abfluss spezifiziert wurde- die kritische Tiefe vom Modellierer gewählt wurde- zur Prüfung der richtigen Randbedingung- Froudezahl Prüfung zeigt, dass bei strömendem Abfluss die kritische Tiefe anzunehmen ist um das Fließregime bei ausgewogener Höhe zu testen- numerische Probleme bei der Bilanzierung der Energiegleichung innerhalb der vorgegebenen Anzahl an Iterationen

9



Numerische Lösung zur Bestimmung der kritischen Tiefe, Parabolische Methode

10


HEC-RAS ModellgrundlagenAnwendung des Impulssatzesnotwendig wenn:

* der Wasserspiegel die kritische Wassertiefe „durchschreitet“ (starke Gefällsänderung, Wehre, Zusammenflüsse etc.)

* in HEC-RAS wird der Impulssatz explizit verwendet:- bei Wechselsprüngen- Niederwasserhydraulik bei Brücken- Zusammenflüsse


11


HEC-RAS - Inputdaten

InputdatenGeometriedaten

- Abgrenzung des Projektsgebietes (siehe Graphik nächste Seite)

- Flusssystem- Querprofilgeometrie

optional: uneffektive AbflussbereicheDämme,

- Abschnittslängen zwischen Profilen- Energieverlustkoeffizienten

RauhigkeitenKontraktions und Expansionskoeffizienten

- Daten betreffend FlussverzweigungenStationäre Abflussdaten

- Abflussregime (schießend, strömend oder mixed)- Randbedingungen (vier Möglichkeiten)- Durchflüsse

HEC-RAS - Inputdaten

12


HEC-RAS - optionale Fähigkeiten

InputdatenGeometriedaten

- Abgrenzung des Projektsgebietes (siehe Graphik nächste Seite)

- Flusssystem- Querprofilgeometrie

optional: uneffektive AbflussbereicheDämme,

- Abschnittslängen zwischen Profilen- Energieverlustkoeffizienten

RauhigkeitenKontraktions und Expansionskoeffizienten

- Daten betreffend FlussverzweigungenStationäre Abflussdaten

- Abflussregime (schießend, strömend oder mixed)- Randbedingungen (vier Möglichkeiten)- Durchflüsse

HEC-RAS - DatenanforderungenGerinnesystemDaten zur GerinnegeometrieAbflußdatenInformation über AbflußzustandRauhigkeitsdaten (im Hauptgerinne und Vorland)Daten über Einbauten (Brücken, Durchlässe etc.)Daten betreffend Wirksamkeit des AbflußraumesEnergieverlustbeiwerte (Kontraktion, Expansion, Reibungsverluste)Lage der Trennfläche zwischen Hauptgerinne und Vorland, bzw. Böschung mit Bewuchs und freiem AbflußquerschnittAngabe der Grenze zwischen dem Abflußquerschnitt und dem Retentionsbereich

13


HEC-RAS - Gerinnesystem

HEC-RAS - Geometrie

1

5230052800

5340053952

5447754973

5542855960

5641556943

5744657976

5857359046

5955960000

6060061000

spittal Plan: Imported Plan 01 1995-10- Riv Sta = 53000 to 55333 PF#: 1

Abfluß bei 50m3/s

abgewinkelteProfile

variable (engere,weitere)Profilabstände

14


HEC-RAS - GeometrieStationierung Höhe Stationierung Höhe Stationierung Höhe Stationierung Höhe Stationierung Höhe Stationierung Höhe

0 617.5 9 617.5 12 616.1 46 616 75 615.5 112 615.1114 614.2 116 614.98 120 614.98 122 614.2 124 615 130 615148 614.5 162 614 218 614 238 613.58 269.68 614 269.78 614269.88 614 278.6 614.1 284.5 611.33 287.6 610.46 296.65 610.06 299.22 609.81302.97 609.49 306.59 609.37 310.13 609.13 314.52 609.07 319.29 608.78 320.6 608.91321.17 610.08 327.12 612.04 330.42 613.9 334.46 614.03 336.48 614.3 384 614422 614 493 613.5 516 613.2 521 611 523 611 528 614.3624 614 679 614 703 615 713 620

HEC-RAS - FließwechselDurch die simultaneBerechnung ist esmöglich,ungleichförmigen Abflußzu berechnen undWechselsprüngezumindest ansatzweisezu erfassen.

In der Abb. sind zweiÜbergänge - von einerSteil- in ein Flachstreckeund umgekehrt-dargestellt.

Die Berechnung wurdefür zwei unterschiedlicheAbflüsse durchgeführt.

WechselsprungEnergielinie

Gerinnesohle

15


HEC-RAS - Anfangsbedingungen

Die Wahl der Startbedingungen zeigtdeutliche Auswirkungen auf eine gewisseGewässerstrecke oberhalb des 1. Profiles(bei strömendem Abfluß).

Die oberste Linie ergibt sich bei Eingabeeines bekannten Wasserspiegels, diemittlere bei Angabe desEnergieliniengefälles und die untersteLinie stellt das Ergebnis bei Verwendungder kritischen Tiefe dar.

EinflußbereichunterschiedlicherStartbedingungen

HEC-RAS - Profilinterpolation

Wasseranschlagslinie beiBerechnung mit ursprünglichenProfilabständen

Wasseranschlagslinien beiBerechnung mit interpoliertenQuerprofilen (50 m Abstand).

Besonders beiAusuferungen undunregelmäßigenQuerprofilformensind Interpolationenempfehlenswert.

Documents

Aufbau der Lehrveranstaltung - iwhw.boku.ac.at · Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel