Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Διατμηματικό–Διεπιστημονικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ HEC-RAS ΠΛΗΜΜΥΡΕΣ & ΑΝΤΙΠΛΗΜΜΥΡΙΚΑ ΕΡΓΑ Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Μάιος 2008

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το HEC-RAS είναι ένα από τα μοντέλα του U.S.Army Corps of Engineers Κατασκευάστηκε από το Hydrologic Engineering Center (HEC) Είναι μοντέλο μεμονωμένου υδρολογικού γεγονότος Προσομοιώνει υδατορεύματα (River Analysis System – RAS) Φυσικά ή τεχνητά Μεμονωμένα ή συστήματα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ (ΙΙ) Πραγματοποιεί υπολογισμούς ροής μονοδιάστατης ανάλυσης Σε μόνιμη ροή (steady flow) Εξίσωση ενέργειας : Σε μη μόνιμη ροή (unsteady flow) Εξίσωση συνέχειας : Αρχή διατήρησης ορμής :

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (Ι) Μονοδιάστατη ανάλυση : ονομάζεται η απλοποιητική ανάλυση που χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου η κατά μήκος συνιστώσα της ταχύτητας είναι πολύ σημαντικότερη των άλλων δύο συνιστωσών (η ταχύτητα έχει 3 συνιστώσες u, v, w) όπως π.χ. ροή σε ευθύγραμμους σωλήνες σταθερής διατομής, ή σε ευθύγραμμους αγωγούς με ελεύθερη επιφάνεια και σταθερή διατομή. Ι. Δημητρίου, Υδραυλική Τεύχος Α΄ Εισαγωγή, 2000

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ 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 του καναλιού) αλλά παραμένει σταθερό. Ανομοιόμορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής μεταβάλλεται από διατομή σε διατομή (κατά μήκος του καναλιού). Ραγδαίως μεταβαλλόμενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει απότομα σε μικρή σχετικά απόσταση Βαθμιαίως μεταβαλλόμενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει σε μεγάλη σχετικά απόσταση Μόνιμη ροή(steady flow) 1.Ομοιόμορφη ροή(uniform flow) 2.Ανομοιόμορφη(Varied flow) α. Gradually varied flow β. Rapidly varied flow Μη μόνιμη(unsteady flow) 1.Ομοιόμορφη ροή (πολύ σπάνια-δεν υπάρχει) 2.Μεταβαλλόμενη (varied flow) α. Gradually varied flow Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ 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 του καναλιού) αλλά παραμένει σταθερό, μεταβάλλεται όμως με τον χρόνο (πρακτικά δεν υπάρχει και ο όρος δεν χρησιμοποιείται). Ανομοιόμορφη ροή : είναι η ροή στην οποία το βάθος ροής μεταβάλλεται από διατομή σε διατομή (κατά μήκος του καναλιού). Ραγδαίως μεταβαλλόμενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει απότομα σε μικρή σχετικά απόσταση Βαθμιαίως μεταβαλλόμενη ροή – το βάθος ροής αλλάζει σε μεγάλη σχετικά απόσταση Μόνιμη ροή(steady flow) 1.Ομοιόμορφη ροή(uniform flow) 2.Ανομοιόμορφη(Varied flow) α. Gradually varied flow β. Rapidly varied flow Μη μόνιμη(unsteady flow) 1.Ομοιόμορφη ροή (πολύ σπάνια-δεν υπάρχει) 2.Μεταβαλλόμενη (varied flow) α. Gradually varied flow Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (ΙV) Β. Κατηγορίες ροών (ανά κατάσταση ροής) Επιρροή της βαρύτητας Δίνεται από τον λόγο των δυνάμεων αδράνειας προς της δυνάμεις βαρύτητας ο οποίος ονομάζεται αριθμός 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) Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959

ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ (V) 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 είναι πιο έντονος γι’αυτό η ροή έχει μικρή ταχύτητα και περιγράφεται συνήθως ως σταθερή, ποτάμια ροή. Εάν F > 1 τότε η ροή λέγεται υπερκρίσιμη & V > (gD)1/2 Στην κατάσταση αυτή οι αδρανειακές δυνάμεις επικρατούν και η ροή έχει μεγάλη ταχύτητα και περιγράφεται συνήθως ως ραγδαία, χειμαρρώδης ροή. Η μετάβαση μίας ροής από υπερκρίσιμη κατάσταση σε υποκρίσιμη ονομάζεται υδραυλικό άλμα Ven Te Chow, Open-channel hydraulics, 1959

ΒΗΜΑΤΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Κατασκευή γεωμετρικού υπόβαθρου (είτε από την αρχή είτε εισαγόμενο από άλλα προγράμματα – π.χ. HEC-2, ArcGIS) Προσδιορισμός συνθηκών ροής Προσομοίωση Αποτελέσματα Έλεγχος αποτελεσμάτων & αποδοχή ή όχι

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ 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 και των δύο ροών (mixed flow) Υπολογίζει υδραυλικά άλματα, Υδραυλικές συνθήκες σε γέφυρες, ρουφράκτες, οχετούς, υπερχειλιστές, στενώσεις Διάβρωση κοίτης σε γέφυρες Κίνηση & απόθεση φερτών υλών (σε νέα επέκταση που δεν είναι έτοιμη ακόμη)

ΞΕΚΙΝΩΝΤΑΣ ΜΕ ΤΟ HEC-RAS Δημιουργία νέου έργου (project) Άνοιγμα υπάρχοντος έργου (project) Προσοχή στις μονάδες!Δουλεύουμε πάντα στο SI

Δεδομένα μη μόνιμης ροής ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Δεδομένα γεωμετρίας Δεδομένα μόνιμης ροής Δεδομένα μη μόνιμης ροής

ΒΗΜΑ 1Ο – ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ Ορισμός άξονα υδατορεύματος Ορισμός 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 GIS Επιπλέον εργαλεία : Διευθέτηση κοίτης ποταμού (παρεμβολή στην αρχική γεωμετρία του ποταμού χρησιμοποιώντας τεχνητές διατομές προσαρμοσμένες στην φυσική κοίτη) Ψηφιακή πύκνωση των διατομών του μοντέλου κατά μήκος του υδατορεύματος Σημείωση ! Η ψηφιοποίηση χαρτών ΓΥΣ κλίμακας 1:5000 είναι μία διαδικασία χρονοβόρα και εξαντλητική για τον χρήστη ενώ το αποτέλεσμα της είναι φέρει δείκτη αβεβαιότητας πολύ μεγάλο καθώς ο 1:5000 ΔΕΝ έχει την απαραίτητη λεπτομέρεια που κάνει την διαφορά. Προτιμότερη μέθοδος είναι η αποστολή τοπογραφικού συνεργείου όπου θα αποτυπώσει τις διατομές του ποταμού επιτόπου και με λεπτομέρεια στα σημεία όπου ο μελετητής έχει επιλέξει από τον χάρτη 1:5000. Η πυκνότητα των διατομών επαφύεται στην εμπειρία του μελετητή και στο κόστος της αποτύπωσης – Δώσε π.χ. Με ένα σκίτσο σε ποταμό

ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ 1. Χάραξη άξονα υδατορεύματος 2. Γεωμετρική περιγραφή διατομών υδατορεύματος 3. Γεωμετρική περιγραφή γέφυρας/ων 4. Γεωμετρική περιγραφή έργων υπερχειλίσεως, ρουφράκτων

ΒΗΜΑ 2Ο – ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΡΟΗΣ Μόνιμη ροή Παροχές σχεδιασμού Προκύπτουν από την υδρολογική μελέτη ή από ανάντη συνθήκες (π.χ. έξοδος σταθμού παραγωγής) Χρειάζονται μόνο οι αιχμές Οριακές συνθήκες ανάλογα με το αν η ροή είναι υποκρίσιμη ή υπερκρίσιμη Δεδομένη στάθμη νερού Κρίσιμο βάθος Ομοιόμορφο βάθος Καμπύλη στάθμης – παροχής Σημείωση : Σε περίπτωση έλλειψης δεδομένων παροχών και όταν δεν έχει εκπονηθεί υδρολογική μελέτη μπορεί να τρέξει το πρόγραμμα με ένα φάσμα παροχών εντός των αναμενώμενων τιμών της υδρολογικής μελέτης και όταν ολοκληρωθεί να γίνουν οι απαραίτητες αλλαγές στις αιχμές των παροχών. Υποκρίσιμη = κατάντη Υπερκρίσιμη = ανάντη

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

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Διατομές

Στάθμη νερού κατά μήκος ποταμού ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στάθμη νερού κατά μήκος ποταμού Εκτός από στάθμη νερού απεικονίζονται επίσης : Κρίσιμα βάθη Γραμμή ενέργειας Αναχώματα