HEC-RAS

عند إجراء النمذجة في برنامج HEC-RAS أحادي البعد، يُحدد المستخدمون خط النهر على طول مجرى النهر الرئيسي، ويُحددون المقاطع العرضية عبر القناة، إما باستخدام بيانات التضاريس (مثل LiDAR ) أو باستخدام الارتفاعات الدقيقة. وتُعد معلومات إضافية، بما في ذلك ذروة التصريف، ومعامل مانينغ (n) للقناة، وتحديد الشروط الحدية ، ضرورية لتشغيل النموذج. ^{[ 12 ]} يحل برنامج HEC-RAS معادلات سانت فينان أحادية البعد ، وهي تبسيط لمعادلات نافيير-ستوكس ، ^{[ 3 ]} مما ينتج عنه نتائج متوسطة للمقاطع العرضية. وتتيح إمكانيات البرنامج المتنوعة نمذجة الجسور، والعبارات، والسدود، والعوائق، وتأثيرات الجليد، وتراكم الحطام. ^{[ 12 ]}

على الرغم من أن العديد من مستخدمي الصناعة والجهات التنظيمية يتجهون نحو التحليل ثنائي الأبعاد كمعيار، ^{[ 13 ]} إلا أن بعض التطبيقات لا تزال تفضل التحليل أحادي الأبعاد. تشمل هذه الحالات أنظمة الأنهار الكبيرة جدًا، أو الأنهار التي تحتوي على العديد من المنشآت (مثل الجسور والعبارات)، حيث يكون التدفق محدودًا وفي اتجاه واحد في الغالب. في هذه الحالات، قد يستغرق تشغيل نموذج ثنائي الأبعاد وقتًا طويلًا جدًا مقارنةً بالنموذج أحادي الأبعاد الأقل تعقيدًا من الناحية الحسابية. ^{[ 14 ]}

عند تصميم النماذج ثنائية الأبعاد باستخدام برنامج HEC-RAS، يُحدد المستخدمون شبكةً على بيانات التضاريس. ورغم أن الشبكة مستطيلة الشكل في الأصل، فإن أدوات التحسين، مثل خطوط الانقطاع، تسمح بتكوينها من مضلعات متداخلة متعددة يصل عدد أوجهها إلى ثمانية. ^{[ 3 ]} تُستخدم شروط الحدود للسماح بتدفق المياه داخل النموذج وخارجه. يمكن لشروط حدود التدفق الداخل استخدام مخططات التدفق أو بيانات مستوى المياه، من بين طرق أخرى، بينما تشمل خيارات شروط حدود التدفق الخارج منحنى التصريف، والعمق الطبيعي، ومخطط مستوى المياه، ومخطط التدفق. ^{[ 14 ]}

يُمكن لبرنامج HEC-RAS ثنائي الأبعاد حلّ أشكالٍ مُختلفة من معادلات سان فينان المُعدّلة حسب العمق، ويُتيح للمستخدم اختيار مجموعة المعادلات المُناسبة للنمذجة. تُهمل مجموعة معادلات موجة الانتشار حدود عدم الاستقرار، والحمل ، والاضطراب، وقوة كوريوليس في معادلات سان فينان، مما يزيد من كفاءة الحساب للنماذج البسيطة. ^{[ 3 ]} مع ذلك، في بعض الحالات (بما في ذلك نمذجة المنشآت، أو التدفقات الديناميكية العالية، أو الارتفاع الفائق)، يُوصى باستخدام معادلات المياه الضحلة (SWE) الأكثر قوة، على الرغم من أن ذلك يميل إلى زيادة أوقات الحساب. ^{[ 14 ]} عند استخدام معادلات المياه الضحلة، يُمكن للمستخدم أيضًا اختيار نمذجة الاضطراب، باستخدام صيغة مُحافظة أو غير مُحافظة. ^{[ 14 ]}

يستخدم محلل المعادلات ثنائي الأبعاد خوارزمية حل ضمنية تعتمد على الحجم المحدود ، ولا يدعم الحوسبة باستخدام وحدة معالجة الرسومات (GPU) اعتبارًا من الإصدار 6.6. ^{[ 14 ]}

على الرغم من أن النماذج ثنائية الأبعاد أكثر دقة بشكل عام من النماذج أحادية الأبعاد، لا سيما في نمذجة السهول الفيضية المعقدة والتدفق غير المقيد، إلا أنها تعتمد أيضًا على افتراض أن التدفق يتغير أفقيًا بشكل أكبر بكثير من تغيره رأسيًا. ^{[ 13 ]} في الحالات التي تخالف هذا الافتراض، مثل الانخفاضات الرأسية، أو ديناميكيات الهياكل المعقدة، أو انحناءات الأنهار، قد تفشل النماذج ثنائية الأبعاد مثل HEC-RAS في نمذجة تدفق السوائل بدقة. ^{[ 15 ]} لنمذجة هذه السيناريوهات، قد تكون برامج حل ديناميكا الموائع الحسابية مثل OpenFOAM أو Flow-3D Hydro ، من بين برامج أخرى ، خيارات أكثر ملاءمة.

منذ إصدار HEC-RAS 6.0، أصبح البرنامج قادرًا على محاكاة النمذجة الهيدروليكية التوزيعية باستخدام خاصية Rain-on-Grid. وباستخدام بيانات هطول الأمطار المتوفرة وطبقة التسرب، بالإضافة إلى بيانات التضاريس، يقوم البرنامج بمحاكاة هطول الأمطار والفقد والجريان السطحي على كامل منطقة النموذج، بدلًا من الاعتماد على التدفقات الداخلة المحددة عند شرط حدودي. يدعم البرنامج حاليًا ثلاث طرق لحساب الفقد: رقم منحنى NRCS ، و Green & Ampt ، والعجز والثابت. ^{[ 3 ]}

على الرغم من مزايا النمذجة الموزعة العديدة، بما في ذلك توفير فهم أفضل لمسارات التدفق شديدة التعقيد، إلا أن طول مدة التشغيل ومحدودية طرق حساب الفقد المتاحة في برنامج HEC-RAS تُعدّ من عيوبها. ^{[ 16 ]} إضافةً إلى ذلك، تُعدّ بيانات التضاريس عالية الدقة (عادةً ما تكون أفضل من 10 أمتار) ضرورية عند تطوير نموذج هيدروليكي موزع. ^{[ 16 ]}

يُمكن لبرنامج HEC-RAS نمذجة الرواسب إما في بُعد واحد (1D) أو، منذ الإصدار 6.0، في بُعدين (2D). كما تتوفر خيارات لنمذجة السوائل غير النيوتونية ، مثل تدفقات الحطام . يعتمد منهج الرواسب أحادي البُعد على برنامجي HEC 6 وHEC 6T، اللذين طوّرهما توني توماس لصالح فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي (USACE). ^{[ 17 ]} تُنمذج استمرارية الرواسب باستخدام معادلة إكسنر ، التي يحلها برنامج HEC-RAS بحساب سعة نقل الرواسب. وبناءً على مقارنة هذه السعة بكمية الرواسب المُتاحة، يتم تحديد حجم الرواسب الذي إما أن يتآكل أو يترسب. ^{[ 18 ]} تُدخل بيانات الرواسب على شكل تدرجات، ثم يحوّلها النموذج إلى أحجام. وبناءً على نتائج نموذج نقل الرواسب، يمكن أن تتراكم الرواسب في قاع النهر أو تتآكل.

في النموذج أحادي البعد، تحاكي دالة التدفق شبه المستقر الرسم البياني المائي باستخدام سلسلة من حسابات التدفق المستقر، وتُستخدم عادةً لنمذجة الرواسب في نموذج أحادي البعد موجود. بدءًا من الإصدار 5.0، أصبح نقل الرواسب مدعومًا في نمذجة التدفق غير المستقر أحادي البعد. ^{[ 17 ]} يتضمن النموذج أحادي البعد ثماني دوال لنقل الرواسب، تُستخدم لنمذجة إمكانية نقل الرواسب. تشمل هذه الدوال: أكيرز ووايت، وإنجلاند وهانسن، ولورسن-كوبلاند، وماير-بيتر ومولر (MPM)، وتوفاليتي، وMPM-توفاليتي، ويانغ، وويلكوك وكرو. ^{[ 18 ]} يعتمد اختيار دالة نقل الرواسب على مادة قاع المجرى المُراد نمذجته.

في بُعدين، يُضاف نموذج نقل الرواسب إلى نموذج هيدروليكي ثنائي الأبعاد موجود. تتطلب الطبيعة المعقدة لنقل الرواسب استخدام معادلة المياه الضحلة se. وقد طُوّر نموذج الاضطراب المحافظ خصيصًا لتطبيقات نقل الرواسب. ^{[ 19 ]} بالإضافة إلى وظائف نقل الرواسب المتوفرة في بُعد واحد، يدعم البُعدان أيضًا Soulsby-van Rijn وVan Rijn وWu et al. ^{[ 20 ]}