HEC-RAS w modelowaniu hydraulicznym

Modelowanie hydrauliczne jest jednym z podstawowych narzędzi, jakie inżynierowie wykorzystują do analizy zachowania wód powierzchniowych w rzekach, rowach i na terenach zalewowych. Dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu HEC-RAS, rozwijanemu od lat przez Hydrologic Engineering Center należący do Korpusu Inżynieryjnego Armii Stanów Zjednoczonych, możliwe jest modelowanie zjawisk związanych z przepływem wody, co znacznie ułatwia prawidłowe projektowanie budowli hydrotechnicznych, a także linii kolejowych, dróg i obiektów infrastruktury.

HEC-RAS umożliwia symulację przepływów ustalonych i nieustalonych, w układzie jednowymiarowym (1D), dwuwymiarowym (2D) oraz – w określonych zastosowaniach – trójwymiarowym (3D). Doświadczenie w doborze właściwego podejścia ma ogromne znaczenie: inne modele stosuje się dla dużych systemów rzecznych, inne dla lokalnych obiektów, takich jak mosty, przepusty czy jazy.

Model 1D – prosty i efektywny

Model 1D opiera się na opisie przepływu wzdłuż osi koryta rzecznego lub kanału. Obliczenia polegają na rozwiązaniu jednowymiarowego równania energii strumienia (w przypadku przepływów ustalonych) albo równań Saint-Venanta dla przepływów wolnozmiennych. Oprogramowanie HEC-RAS wykonuje symulacje poprzez serię przekrojów poprzecznych rozmieszczonych wzdłuż cieku.

Zalety modelu jednowymiarowego HEC-RAS:

• Szybkość obliczeń – modele jednowymiarowe wymagają niewielkiej mocy obliczeniowej i stosunkowo krótkiego czasu symulacji.
• Mniejsze wymagania danych – wystarczy dobra znajomość geometrii koryta, kilka przekrojów poprzecznych oraz podstawowe informacje o szorstkości (np. współczynnik Manninga).
• Zastosowanie w dużych zlewniach – przy analizach dużych zlewni model 1D jest praktycznie jedyną sensowną opcją.

Ograniczenia:

• Uproszczenie przestrzeni – w każdym przekroju program oblicza jedno położenie zwierciadła wody. Rzeczywiste zróżnicowanie przepływu w terenie zalewowym jest pomijane.
• Wymóg znajomości ścieżki przepływu – użytkownik musi z góry określić kierunek przepływu wody, co w przypadku terenów płaskich lub rozległych dolin rzecznych nie zawsze jest możliwe.
• Ograniczona możliwość odwzorowania obiektów – takich jak mostów, wałów czy złożonych systemów jazów.

Model 1D świetnie sprawdza się w analizach przepływów ustalonych, długookresowych symulacjach w sieci rzecznej czy prognozach przeciwpowodziowych dla dużych obszarów.

Modelowanie 2D – realizm i dokładność obliczeń

Model 2D wprowadza analizę w dwóch wymiarach przestrzennych – w płaszczyźnie poziomej (xy). Obliczenia opierają się na podziale terenu z wykorzystaniem siatki (mesh), a przepływ wody jest obliczany w każdym z elementów. HEC-RAS umożliwia symulację przepływu wody w korycie i dolinie rzecznej z wykorzystaniem numerycznego modelu terenu (NMT). W odróżnieniu od modelowania 1D, gdzie przepływ jest analizowany wzdłuż przekrojów poprzecznych rzeki, modelowanie 2D pozwala na bardziej szczegółowe odwzorowanie dynamiki przepływu, uwzględniając zmiany prędkości i głębokości wzdłuż powierzchni zalewowej.

Zalety modeli 2D:

• Brak konieczności znajomości ścieżki przepływu – woda może rozlewać się w dowolnym kierunku, zgodnie z energią przepływu.
• Precyzja – model 2D pozwala uwzględnić zjawiska takie jak kontrakcja i rozprężanie strumienia, wiry za budowlami, zmiany położenia zwierciadła wody w terenie.
• Lepsze odwzorowanie obiektów – mostów, przepustów, wałów przeciwpowodziowych czy jazów.
• Zastosowania specjalistyczne – analiza terenów zalewowych, awarii wałów i zapór, modelowanie przepływu w obszarach miejskich.

Ograniczenia:

• Wysokie wymagania danych – konieczny jest numeryczny model terenu o dobrej rozdzielczości, uwzględniający również geometrię koryta.
• Czasochłonność – obliczenia są znacznie wolniejsze, a kalibracja bardziej skomplikowana.
• Wymogi sprzętowe – dla dużych obszarów niezbędne mogą być rozwiązania HPC (High Performance Computing) lub chmurowe.

Model 2D szczególnie dobrze sprawdza się tam, gdzie mamy do czynienia z mieszanym reżimem przepływu – np. podczas wezbrań powodziowych na terenach płaskich, gdy woda przelewa wały przeciwpowodziowe, zalewa miasta i rozlewa się po terenach zalewowych.

Symulacja przepływu 3D – tam, gdzie jest niezbędna precyzja

Modele 3D są wykorzystywane głównie w badaniach naukowych i przy projektowaniu szczegółów budowli hydrotechnicznych. W przeciwieństwie do modeli 1D i 2D, pozwalają one analizować pionowe gradienty prędkości, turbulencje czy powstawanie wirów.

Zalety:

• Największa dokładność – uwzględniają wszystkie składowe prędkości przepływu i zjawiska trójwymiarowe.
• Niezastąpione przy projektowaniu – np. mostów, jazów, budowli piętrzących, gdzie krytyczne jest poznanie szczegółowych oddziaływań wody na konstrukcję.

Ograniczenia:

• Ogromne zapotrzebowanie obliczeniowe – wymagają superkomputerów lub specjalistycznych klastrów obliczeniowych.
• Kosztowność – przygotowanie i kalibracja modeli 3D to praca dla wyspecjalizowanych zespołów.
• Czasochłonność – przygotowanie modelu oraz wykonanie symulacji wymaga dużo czasu.

Kryteria wyboru modelu hydraulicznego HEC-RAS

Dobór odpowiedniego podejścia modelowania hydraulicznego zależy od:

• Skali przestrzennej – duże rzeki i zlewnie najlepiej odwzorować w 1D, lokalne obszary zalewowe w 2D, a elementy konstrukcyjne w 3D.
• Celów analizy – planowanie przestrzenne i prognozy powodziowe mogą opierać się na modelach 1D; projektowanie mostów i jazów wymaga często podejścia 2D lub 3D.
• Danych wejściowych – jeśli dostępny jest dokładny numeryczny model terenu, warto skorzystać z analizy 2D; gdy mamy tylko przekroje poprzeczne, lepsze będzie 1D.
• Oczekiwanej dokładności – szybkie prognozy wymagają prostszych modeli, a badania jakości wody czy szczegółowych turbulencji – pełnych modeli 3D.

HEC-RAS jako standard branżowy

HEC-RAS zawiera moduły do budowy modeli jednowymiarowych i dwuwymiarowych. Program umożliwia symulację przepływów ustalonych i nieustalonych, obliczeń hydraulicznych, jakości wody czy nawet transportu rumowiska. Dzięki interfejsowi GIS oraz wbudowanemu narzędziu RAS Mapper, można tworzyć szczegółowe mapy zalewów i wizualizacje rozprzestrzeniania się wód powodziowych.

Oprogramowanie HEC-RAS umożliwia również uwzględnić warunki brzegowe, zmiany położenia zwierciadła wody, straty energii poprzez tarcie czy kontrakcję przepływu. HEC-RAS radzi sobie z przepływami o wszystkich reżimach, od spokojnych po turbulentne, i pozwala projektować budowle hydrotechniczne z uwzględnieniem rzeczywistych zjawisk hydraulicznych.

Co warte podkreślenia, HEC-RAS jest oprogramowaniem dostępnym bezpłatnie. To ważne w kontekście nowego podejścia PGW Wody Polskie, które jasno komunikuje zamiar odchodzenia od oprogramowania rodziny MIKE  w kierunku rozwiązań takich, jak HEC-RAS

Modelowanie hydrauliczne HEC-RAS

• Modele 1D – szybkie i mniej wymagające, dobre dla dużych zlewni i analiz długookresowych.
• Modele 2D – precyzyjne i bardziej realistyczne, szczególnie w terenach zalewowych i przy skomplikowanych układach hydraulicznych.
• Modele 3D – specjalistyczne i wymagające, stosowane w badaniach szczegółowych.

W praktyce inżynierskiej często stosuje się podejście hybrydowe – połączenie modeli 1D i 2D, aby zoptymalizować zarówno czas obliczeń, jak i dokładność przewidywań.

HydroBIM – Twój partner w analizach hydraulicznych

W HydroBIM specjalizujemy się w tworzeniu cyfrowych modeli hydraulicznych i hydrodynamicznych, wykorzystujących metody 1D, 2D i 3D. Opracowujemy analizy przepływu wody w korycie i dolinie rzecznej, symulacje terenów zalewowych oraz oceny oddziaływania budowli hydrotechnicznych – od mostów i przepustów, po jazy i wały przeciwpowodziowe.

Nasz zespół wykorzystuje najnowsze możliwości systemu HEC-RAS oraz inne narzędzia, jak HEC-HMS czy Scalgo, aby wspierać projektowanie i realizację inwestycji infrastrukturalnych.

Jeżeli planujesz projekt wymagający analiz przepływu, retencji czy oceny ryzyka powodziowego – skontaktuj się z nami. Przygotujemy rzetelne opracowanie, które optymalizuje Twój proces projektowy i inwestycyjny.

O HydroBIM: