HEC-RAS中文教程(经典)

河川及區域排水水理計算實務演練

河川及區域排水規劃水文設計

技術研習會

河川及區域排水水理計算實務演練

講義

主講人 廖翊鈞

中華民國㈨㈩二年㈩月二㈩三日

經濟部水利署 中興工程顧問社

河川及區域排水水理計算實務演練

目 錄

注 意 事 项.........................................III 一、HEC-RAS VERSION 3.1.1 概貌...........................1 1.1 發展歷史...........................................1 1.2 程式模組...........................................1 1.3 應用領域...........................................1 1.4 其它功能...........................................2 二、執行計算流程.. (3)

2.1 準備资料...........................................3 2.2 定量流數值計算步驟.................................4 三、建立新專案...........................................5 3.1 起始畫面說明.......................................5 3.2 建立新專案.........................................7 四、建立河道幾何资料. (9)

4.1 開啟「河道幾何资料」編輯視窗.......................9 4.2 建立河系圖層......................................12 4.3 儲存河道幾何资料..................................21 4.4 編輯或新增斷面资料.. (24)

4.5 輸入匯流點资料....................................31 4.6 輸入橋梁资料......................................35 4.7 利用圖形介面修改斷面资料..........................49 4.8 加入堤防..........................................60 4.9 加入障礙區. (64)

頁 次

4.10 加入無效水流區域.................................71 4.11 修改曼寧N 值.....................................78 4.12 修改擴展、束縮損失係數...........................83 4.13 刪除斷面.........................................88 4.14 刪除河段.........................................93 ㈤、建立邊界條件........................................98 5.1 輸入及編輯流量和邊界條件..........................98 ㈥、執行程式...........................................109 6.1 設定流況及進行計算. (109)

㈦、查看結果...........................................111 7.1 查看橫斷面水位成果圖.............................111 7.2 查看縱斷面水面剖線成果圖.........................116 7.3 查看成果表 (119)

頁 次

注 意 事 项

1.本講義係針對初學者的需求，按照水理計算的步驟撰寫。初學者按照章節順序逐步建立數值模型，應可完成基本水理計算。

2.本講義僅說明最基本的輸入需求，未詳盡或進一步說明請參考原使用者手冊（User’s Manual ）、參考手冊（Hydraulic Reference Manual ）及應用指引（Application Guide ）。（檔案在「HEC-RAS311\手冊\」目錄內）

3.HEC-RAS v.3.1.1程式的使用及限制請上HEC 網站查詢。（檔案在「HEC-RAS311\程式\」目錄內）

4.本講義所展示的淡水河數值模型並未按照真實情況建立，請勿用於

工程設計。

5.「HEC-RAS311\範例\」目錄內所附的steady.exe 及unsteady.exe 為HEC 所提供的範例。

6.「範例動畫\」目錄內所附的dambrk_pf_xs.avi 、mixedflow.avi 及truckeesmaller.avi 為HEC 所提供。HerbD.avi 為以民國91年濁水溪斷面資料在重現賀伯颱風洪水事件條件下的變量流模擬情形。

一、HEC-RAS Version 3.1.1 概貌

1.1 發展歷史

1.HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center's River Analysis System）

由美國工兵團（The U.S. Army Corps of Engineers）的水文工程中心（Hydrologic Engineering Center, 縮寫為HEC）所開發。

2.HEC-RAS最早發展目的是取代HEC-2，第1.0版公佈於1995年7

月，隨後出現了1.1、1.2、2.0、2.1、2.2、2.2.1、3.0、3.1等修正或更新版。目前最新的版本是2003年5月公佈的3.1.1版。

1.2 程式模組

1.一維定量流分析：延續HEC-2程式。

（1）控制方程式：能量方程式。

（2）計算方法：標準步推法。

2.一維變量流分析：延續UNET程式。

（1）控制方程式：質量及動量方程式。

（2）離散方法：隱式有限差分法（Implicit finite differences）。 （3）計算方法：Newton-Raphson迭代法（Newton-Raphson iteration technique）。

1.3 應用領域

1.洪水位計算（包括定、變量流）。

2.結構物影響分析：橋梁、涵洞、堰、溢洪道、冰、抽水站、堤防、

障礙物。 3.渠道整治分析。

4.淹水分析（包括河道及陸地）。

5.橋梁局部沖刷（包括橋墩及橋臺）。

6.穩定渠道設計。

7.河道輸砂量計算。

8.潰壩分析。

9.潰堤分析。

1.4 其它功能

1.視窗化介面。

2.具有將變量流計算結果製成動畫的功能。

3.可結合數位地形模型（Digital Terrain Model，DTM）進行大斷面切

割，並可將計算結果表現於DTM上（本項功能須利用Arcview軟體進行）。

4.未來將整合HEC-6，使程式具備水庫淤砂及河道沖淤計算能力。

二、執行計算流程

2.1 準備资料

1.水文分析

（1）計畫流量

（2）流量歷線、水位歷線（或潮位歷線、水位―流量率定曲線）：用於變量流分析。

2.河道斷面資料

3.河床質粒徑組成（視需要）

4.地圖

5.歷史颱洪紀錄（驗證用）

6.現地勘查紀錄（植生、障礙物、洪水痕、滯水區域等）

7.結構物資料（視需要） 2.2 定量流數值計算步驟

三、建立新專案

3.1 起始畫面說明

○1開啟專案 ○

2儲存專案 ○

3開啟「河道幾何資料」編輯視窗 ○

4開啟「定量流資料」編輯視窗 ○5開啟「變量流資料」編輯視窗 ○1 ○

2 ○

3 ○5○

4 ○6○

7○8○

9 ○10 ○11 ○12 ○13 ○14○15○16○

17○18○

19○

6開啟執行定量流視窗 ○

7開啟執行變量流視窗 ○8開啟水力計算（包括橋梁沖刷、穩定渠道設計、河道輸砂量計算）視窗

○

9開啟河道斷面展示視窗 ○

10開啟水面剖線展示視窗 ○

11開啟河段水力參數計算結果展示視窗 ○

12開啟率定曲線計算結果展示視窗 ○

13開啟河道3D 計算結果展示視窗 ○

14開啟變量流水位、流量歷線展示視窗 ○

15開啟河道水力特性展示視窗 ○

16開啟單一斷面或結構物水理計算成果展示視窗 ○

17開啟所有斷面計算成果展示視窗 ○

18開啟計算過程中所產生之警告或錯誤通知視窗 ○

19開啟DSS（Data Storage System）視窗 ○

20顯示專案名稱 ○

21顯示計畫名稱 ○

22顯示河道幾何資料檔案名稱 ○

23顯示定量流水文資料檔案名稱 ○24顯示變量流水文資料檔案名稱

○

25專案註釋（可空白） ○

26顯示檔案路徑 ○

27延展專案註釋欄位 ○

28目前專案所使用之單位（英制US Customary Units 或公制SI ） 3.2 建立新專案

1.選取

”File”下的”New Project”，如下圖。

2.選取”New Project”後會跳出新視窗。填入專案名稱，如下圖。完成後按下”OK”鍵。

3.按下”

確定”鍵。

4.完成建立新專案，主視窗會顯示「專案名稱」及檔案存取磁碟路徑。

「專案名稱」

四、建立河道幾何资料

4.1 開啟「河道幾何资料」編輯視窗

1. 按下主視窗第

3個按鈕後開啟「河道幾何資料」編輯視窗。

2.「河道幾何資料」編輯視窗說明如下

○

1加入新河段（Reach ）至河系圖層（Scheme ） ○

2加入新蓄水區（Storage Area ）至河系圖層 ○

3連接河系圖層中的兩個蓄水區 ○4加入抽水站（Pump Station ）至河系圖層 ○

16

○5設定河道里程

○6加入及編輯河系圖層的背景圖片

○7編輯匯流點（Junction）

○8編輯或新增斷面資料

○9編輯或新增橋梁（Bridge）、涵洞（Culvert）資料

○10編輯或新增主流向結構物（Inline Structures），如堰壩（Weir/Embankment），閘門（Gate）

○11編輯或新增側流向結構物（Lateral Structures）

○12編輯蓄水區資料

○13編輯蓄水區連接資料

○14編輯抽水站資料

○15編輯變量流模式的水力參數

○16河系圖層編輯區 4.2 建立河系圖層 1. 按下「加入新河段」

。

2. 按下「加入新河段」後會出現”一支畫筆”，將畫筆放在河系圖層

編輯區任一點，按一下滑鼠左鍵設定河段起點，然後移動畫筆至編輯區另一點，快速按二下滑鼠左鍵設定河段終點。

（2）移動畫筆至編輯區另

一點，快速按二下滑

鼠左鍵設定河段終

點 3.設定河段終點後會自動跳出一個小視窗，填入河系及河段（或支

流）名稱後，按下OK鍵。

（1）輸入河系名稱

（2）輸入河段（或支流）

名稱

（3）按下OK

4. 按下

OK 鍵後，河系及河段（或支流）名稱會出現在直線兩側，

至此即完成單一河川之基本圖層。

5.如果要加上支流，則重覆1、2步驟，在圖層編輯區上以畫筆畫出支流連結至主流，然後會自動跳出一個小視窗，要求填入河系及新支流名稱，填完後按下OK 鍵。

※注意：在跳出小視窗後，原先繪出的支流會暫時消失，直至所有資

料填入為止。下圖中的藍色虛線是為方便說明所加入。

6.按下OK鍵後，會自動跳出另一個小視窗，詢問是否要將主流分成

兩段，請按下”是” 鍵。

按下”是” 鍵將主流

分成兩段6.按下”是” 鍵，會自動跳出另一新視窗，要求填入匯流點以下河段

的名稱。填入後請按下OK 鍵。

匯流點以下

河段

7.按下OK鍵後，會自動跳出另一新視窗，要求填入匯流點的名稱。

填入後請按下OK鍵。

（1）輸入匯流點的

名稱

（2）按下OK 8.按下OK鍵後，支流名稱會出現在新直線兩側，至此即完成加入支

流之動作。

※注意：原先暫時消失的支流會於此時出現。

4.3 儲存河道幾何资料

1.選取「河道幾何資料」編輯視窗的”File”下的”Save Geometry Data”

，如下圖。

2.選取” Save Geometry Data”後會跳出新視窗。填入河道幾何資料名稱及檔名（例如以大斷面施測年份作為名稱），如下圖。完成後按下”OK”鍵。

（1）填入「河道幾何

資料名稱」

3.完成儲存河道幾何資料，主視窗會顯示「河道幾何資料名稱」及檔

案存取磁碟路徑。

4.4 編輯或新增斷面资料

1.按下開啟「編輯或新增斷面資料」視窗按鈕。

按下開啟「編輯或新增斷

面資料」視窗按鈕

2.「編輯或新增斷面資料」視窗各項功能說明如下：

○

1River ：選取河系（註：同一專案下可有不同河系，例如濁水溪河系內有清水溪（次）河系，清水溪（次）河系內則有加走寮溪、石鼓盤溪、阿里山溪等支流） ○

2Reach ：選取河段（或支流） ○

3Description ：斷面附註（可空白） ○

4Apply Data ：寫入斷面資料至檔案 ○

5River Sta.：選取即有斷面及顯示目前正編輯中的斷面編號 ○

6移至下一個斷面 ○

7移至上一個斷面 ○8輸入斷面里程（Station ）及高程（Elevation ） ○

1 ○

2 ○3○

4○5 ○6 ○7 ○

8 ○9 ○10○11○12 ○

13○

9LOB 、Channel 、ROB ：分別輸入本斷面至下一個下游斷面間之左岸高灘地流心距離、主深槽谿線距離、右岸高灘地流心距離 ○

10LOB 、Channel 、ROB ：分別輸入本斷面左岸高灘地、主深槽、右岸高灘地之曼寧n 值

○

11Left Bank 、Right Bank ：分別輸入左岸高灘地與主深槽、右岸高灘地與主深槽接點所代表之斷面里程，如下圖所示。

○

12輸入本斷面至下一個下游斷面間之束縮（Contraction）、擴展（Expansion）損失係數 ○13斷面展示區

3.先選取斷面所在的河系及河段（或支流）。

4.選取”Options”下的”Add a new Cross Section”，如下圖。

選取「新增斷面」功能項

5.選取”Add a new Cross Section”功能項後會跳出一個小視窗，如下圖。請輸入斷面編號，再按下OK 鍵。

6.完成「新增斷面」（但尚未編輯）

（1）輸入斷面編號

（2）按下OK 鍵

顯示新增斷面編號

7.逐筆填入斷面資料。完成後按下”Apply Data”鍵。

※註：Left Bank 、Right Bank 須分別輸入左岸高灘地與主深槽、右岸

高灘地與主深槽接點所代表之斷面里程，但是從原始資料較難研判接點位置，因此建議先任選二個測點高程作為兩岸與主深槽之接點，未來再以圖形介面修改

。

7.按下”Apply Data”鍵後，右邊「斷面展示區」會顯示斷面橫剖面圖，同時”Apply Data”會呈現淡灰色，至此已完成河道斷面基本資料輸入。其餘各斷面則重覆1?6步驟建立。

實作練習

請利用「實習範例＼Stage01-Add CS＼」檔案夾內的資料輸入基隆河6?10號大斷面資料

4.5 輸入匯流點资料

1.在未輸入匯流點資料前，「河系圖層」編輯區內的匯流點及斷面是

糾結在一起（如下圖），因此必須輸入匯流點相關資料。首先按下開啟「編輯匯流點資料」視窗按鈕。

按下開啟「編輯匯流點資

料」視窗按鈕

未分離之匯流點及斷面2.按下開啟「編輯匯流點資料」視窗按鈕後會跳出一個小視窗，如下

圖。請依說明逐筆輸入資料。注意！匯流點水位計算方法有兩種模

式供選擇，分別是能量法及動量法。下圖是能量法的輸入步驟。

3.如果採用動量法計算匯流點水位，則另須額外填入下游主流至上游各支流之夾角（度）

，如示意圖。

下游主流至上游各支流之夾角（度）示意圖

4.完成匯流點資料輸入後，匯流點及斷面即依輸入距離分開（如下圖）。

實作練習

請利用「實習範例＼Stage02-Ed Jn＼」檔案夾內的資料輸入關渡匯

流點資料。

4.6 輸入橋梁资料

1.按下開啟「編輯或新增橋樑及涵洞資料」視窗按鈕

按下開啟「編輯或產生橋

樑及涵洞資料」視窗按鈕

2.「編輯或新增橋樑及涵洞資料」視窗各項功能說明如下：

○

1選擇河系 ○

2選擇河段或支流 ○

3橋梁所在之河道斷面編號 ○

4開啟「橋面板資料輸入／編輯」視窗 ○

1○

2○

3○4○5○6○7○8○9○10○

11○

15○

12 ○

13 ○

14