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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
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Computerunterstützte Gewässermodellierung a.o. Univ. Prof. DI Dr. Helmut HabersackComputer based river modelling WS 2007/2008
„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 •
„User interfaces features“ HEC-2
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...) • •
1D Wasserspiegellagenmodelle
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Computerunterstützte Gewässermodellierung a.o. Univ. Prof. DI Dr. Helmut HabersackComputer based river modelling WS 2007/2008
„User interfaces features“ HEC-2
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,..) • •
1D Wasserspiegellagenmodelle
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/
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HEC-RAS Modellgrundlagen
Energiegleichung
HEC-RAS Modellgrundlagen
Verlusthöhe
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HEC-RAS Modellgrundlagen
Fließgesetz
HEC-RAS Modellgrundlagen
Rauhigkeit im Hauptabflussquerschnitt
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HEC-RAS Modellgrundlagen
Mittlere kinetische Energiehöhe
HEC-RAS Modellgrundlagen
Geschwindigkeitskoeffizient
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HEC-RAS Modellgrundlagen
Reibungsgefälle (Neigung derEnergielinie)
ffSt SKSARkQ == 3/2
HEC-RAS Modellgrundlagen
Kontraktions- und Expansionsbeiwerte
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HEC-RAS Modellgrundlagen
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
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HEC-RAS Modellgrundlagen
Numerische Lösung zur Bestimmung der kritischen Tiefe, Parabolische Methode
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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
HEC-RAS Modellgrundlagen
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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
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Computerunterstützte Gewässermodellierung a.o. Univ. Prof. DI Dr. Helmut HabersackComputer based river modelling WS 2007/2008
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
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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
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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
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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.