معرفی نرم افزار HEC-RAS

معرفی نرم افزار HEC-RAS

نرم افزار HEC-RAS یکی از سری مدلهای Hydrologic Engineering Center است که جهت روندیابی جریان در رودخانه قابل استفاده می باشد. این مدل بسیار ساده و در عین حال کاربردی است. مدل فوق روندیابی در رودخانه را هم در حالت جریان ماندگار و هم غیر ماندگار را انجام می دهد. چند شاخه‌ای شدن آبراهه ها را نیز در این مدل می توان تعریف کرد. علاوه بر این می توان در این مدل در صورت وجود هرگونه سازه های آبی شامل پل، بند، سد، آبگذر(کالورت) و …. را به مدل تعریف و اضافه نمود و تاثیر آن را در روندیابی مشاهده نمود.

در مقایسه با مدل MIKE11 که یکی از قسمتهای آن مدلسازی هیدرولیکی است بسیار ساده و کاربردی تر است. هرچند که مدل MIKE11 تا حدودی دارای دقت بیشتری نسبت به HEC-RAS است در عین حال می توان به این مدل اعتماد کرد. از خروجی های مدل فوق می توان به تغییرات پروفیل سطح آب در دبی های با دوره بازگشتهای مختلف در بازه های مورد نظر در رودخانه، مقادیر سرعت جریان، عمق نرمال، عمق بحرانی، و خصوصیات و پارامترهای هیدرولیکی در رودخانه اشاره کرد.

ورودی های مدل شامل مقاطع عرضی آبراهه، ضرایب زبری (در این بخش می توان ضرایب زبری مختلفی را در یک مقطع عرضی با توجه به تغییرات عمق و شکل مقطع تعریف کرد) و دبی های طرح در دوره بازگشتهای مختلف و فاصله بین مقاطع است.
نرم افزار HEC-RAS برای محاسبات هیدرولیکی مربوط به شبکه کانال های طبیعی و مصنوعی، توسعه یافته است. ازجمله مزایای نرم افزار HEC-RAS می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• رابط کاربری
• اجزای تحلیل هیدرولیکی
• ذخیره سازی و مدیریت اطلاعات
• خروجی های گرافیکی
• RAS Mapper

رابط کاربری

ارتباط بین کاربر و نرم افزار با استفاده از یک رابط کاربری قدرتمند فراهم می شود. هدف اصلی از طراحی رابط کاربری برای نرم افزار HEC-RAS، ساده سازی استفاده از نرم افزار و در عین حال حفظ کارآمدی نرم افزار است رابط کاربری این نرم افزار امکانات زیر را در اختیار کاربر قرار می دهد:

• مدیریت فایل ها
• ورود و ویرایش اطلاعات و داده ها
• تحلیل هیدرولیکی
• نمایش جدولی و گرافیکی داده های ورودی و اطلاعات خروجی
• نمایش پهنه بندی سیلاب و انیمیشن انتشار موج آب
• تهیه گزارش
• راهنمای استفاده از نرم افزار

اجزای تحلیل هیدرولیکی

مجموعه HEC-RAS اجزای مختلفی برای تحلیل رودخانه در اختیار کاربر قرار می دهد

• محاسبه پروفیل سطح آب جریان ماندگار
• شبیه سازی یک بعدی و دو بعدی جریان غیرماندگار
• محاسبه انتقال رسوب بستر متحرک
• تحلیل کیفیت آب

هر چهار مورد مذکور از یک روند ساده و مشترک برای انجام محاسبات هیدرولیکی و نمایش داده ها استفاده می کنند.

محاسبه پروفیل سطح آب جریان ماندگار

از این قابلیت HEC-RAS برای محاسبه پروفیل سطح آزاد جریان های متغیر تدریجی استفاده می شود. در تحلیل جریان ماندگار، توانایی مدلسازی جریان های زیربحرانی، فوق بحرانی و جریان ترکیبی در نرم افزار HEC-RAS وجود دارد. هم چنین قابلیت مدلسازی یک رودخانه مجزا، رودخانه چند شاخه و همچنین شبکه ای از رودخانه ها در محیط این نرم افزار وجود دارد.

محاسبات اصلی نرم افزار بر اساس حل معادله انرژی یک بعدی است. افت انرژی با استفاده از اصطکاک (رابطه مانینگ) و تنگ شدگی/باز شدگی، ارزیابی می شود. معادله مومنتوم نیز در مواردی که پروفیل سطح جریان در حالت متغیر سریع قرار دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. این شرایط شامل محاسبات جریان های ترکیبی (مانند پرش هیدرولیکی)، هیدرولیک جریان در محل پل و محل تلاقی بازه های مختلف رودخانه، می باشد.

شبیه سازی یک بعدی و دو بعدی جریان غیرماندگار

این بخش از نرم افزار HEC-RAS قابلیت مدلسازی جریان های یک بعدی، دو بعدی و ترکیب جریان های یک بعدی و دو بعدی غیرماندگار را در قالب یک شبکه کامل از کانال ها و یا رودخانه ها و سیلاب دشت ها دارا می باشد. ماژول تحلیل غیرماندگار این نرم افزار همچنین قابلیت مدلسازی جریان های زیربحرانی، فوق بحرانی و جریان های ترکیبی را داراست.
ویژگی های خاص ماژول جریان غیرماندگار این نرم افزار شامل موارد زیر است:

• تحلیل شکست سد
• مدلسازی Piping و Overtopping
• مدلسازی ایستگاه پمپاژ
• ویژگی کالیبراسیون خودکار
• مدلسازی عملکرد Navigation dam
• مدلسازی تلفیقی یک بعدی و دو بعدی
• محاسبه انتقال رسوب بستر متحرک

این بخش از نرم افزار برای شبیه سازی انتقال رسوب یک بعدی/محاسبات بستر متحرک ناشی از آبشستگی و رسوب گذاری در طول دوره های زمانی تعیین شده کاربرد دارد.

محاسبات انتقال رسوب با توجه به اندازه دانه های رسوبی انجام می شود که امکان مدلسازی بسترهای چند لایه و مسلح را ممکن می سازد. سایر ویژگی های نرم افزار در این بخش شامل قابلیت مدلسازی کل شبکه آبراهه ای، لایروبی کانال ها، تعریف خاکریزهای متعدد و استفاده از معادلات مختلف برای محاسبه انتقال رسوب است.

نرم افزار HEC-RAS توانایی شبیه سازی آبشستگی و رسوبگذاری بلند مدت در بستر کانال را که می تواند ناشی از تغییر در فرکانس و یا مدت زمان تداوم سیلاب و یا تغییر هندسه کانال باشد را داراست. این نرم افزار می تواند برای محاسبه رسوب گذاری در مخازن، طراحی تنگ شدگی مورد نیاز کانال جهت ثابت نگهداشتن سطح آب، تخمین تاثیر لایروبی بر روی نرخ رسوبگذاری، تخمین حداکثر آبشستگی محتمل در طول سیلاب های با دوره بازگشت متفاوت و ارزیابی رسوبگذاری در آبراهه های با بستر ثابت، مورد استفاده قرار بگیرد.

تحلیل کیفیت آب

این بخش از نرم افزار به کاربر امکان انجام تحلیل کیفیت آب رودخانه را می دهد. وجود ماژول انتقال-انتشار امکان مدلسازی دمای آب را نیز به نرم افزار HEC-RAS اضافه کرده است. این ماژول جدید با استفاده از طرح عددی صریح QUICKEST-ULTIMATE برای حل معادله یک بعدی انتقال-انتشار با استفاده از رویکرد حجم کنترل با در نظر گرفتن انرژی حرارتی کاربرد دارد. این بخش از نرم افزار HEC-RAS امکان مدلسازی حمل مجموعه محدودی از ترکیبات و موارد موثر بر کیفیت آب را ممکن ساخته است. این مجموعه شامل ترکیبات زیر است:

• نیتروژن محلول (NO3-N, NO2-N, NH4-N, Org-N)
• فسفر محلول (PO4-P, Org-P)
• جلبک ها
• اکسیژن محلول (DO)
• Carbonaceous Biological Oxygen Demand (CBOD)

ذخیره سازی و مدیریت اطلاعات

ذخیره سازی داده ها با استفاده از فایل های (flat” (ASCI & binary”، فایل های (HEC-DSS (Data Storage System و فایل های (HDF5 (Hierarchical Data Format, Version5 انجام می شود. داده های ورودی کاربر در فایل های flat با دسته بندی های مجزای Project، Plan، Geometry، Steady flow، Unsteady flow، Quasi-unsteady flow، Sediment data و Water quality ذخیره می شوند.
اطلاعات خروجی نیز غالبا در فایل های binary (HEC & HDF5) ذخیره می شوند. با استفاده از فایل های HEC-DSS امکان تبادل اطلاعات بین نرم افزار HEC-RAS و سایر نرم افزارها وجود دارد. تمامی امکانات و قابلیت های مرتبط با ذخیره سازی و مدیریت اطلاعات با استفاده از رابط کاربری نرم افزار انجام پذیر است.

خروجی های گرافیکی

خروجی های گرافیکی شامل نمایش شماتیک سیستم رودخانه در صفحه X و Y، مقاطع عرضی، پروفیل ها، نمودارهای دبی-اشل، هیدروگراف ها و پهنه بندی سیلاب می شود.
نمایش سه بعدی مقاطع عرضی در مسیر رودخانه نیز امکان پذیر است. پهنه بندی سیلاب در قسمت جدید نرم افزار به نام HEC-RAS Mapper انجام می شود که قابلیت نمایش کانتورهای عمق، سرعت و … و همچنین نمایش انیمیشن پهنه بندی سیلاب را دارد. نمایش جدولی خروجی ها در نرم افزار HEC-RAS نیز امکان پذیر بوده و امکان انتقال این اطلاعات به سایر نرم افزارها مانند Word و Excel جهت ویرایش نیز به راحتی وجود دارد.

RAS Mapper

نرم افزار HEC-RAS توانایی نمایش نتایج پهنه بندی سیلاب را در محیط RAS Mapper دارد. با استفاده از مشخصات هندسی و پروفیل سطح جریان محاسبه شده، عمق و محدوده استغراق در محیط RAS Mapper تولید می شود. خروجی های گرافیکی بیشتری مانند کانتورهای توزیع سرعت، تنش برشی، ضخامت یخ و مسیر جریان نیز قابل تولید و بررسی هستند. برای استفاده از RAS Mapper نیاز به یک مدل رقومی با فرمت flt می باشد.