MANUAL DEL HEC-RAS
TRADUCIDO POR: PAMELA ALESSANDRA RODRÍGUEZ YAQUETTO
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CUSCO-PERU 2005
APLICACIÓN HEC-RAS Descripción: Este software, del Centro de Ingeniería Hidrológica (Hydrologic Engineering Center) del cuerpo de ingenieros de la armada de los EE.UU. (US Army Corps of Engineers), surge como evolución del conocido y ampliamente utilizado HEC2, con varias mejoras con respecto a éste, entre las que destaca la interfase gráfica de usuario que facilita las labores de preproceso y postproceso. El modelo numérico incluido en este programa permite realizar análisis del flujo permanente unidimensional gradualmente variado en lámina libre. Características técnicas: - Cálculo hidráulico de estructuras (puentes, aliviaderos, alcantarillas, etc.). - Visualización gráfica de datos y resultados - Edición gráfica de secciones. - Ejecutable en entorno Microsoft Windows. Aplicaciones: Modelación hidráulica en régimen permanente de cauces abiertos, ríos y canales artificiales.
Trabajando con el HEC-RAS – Una Descripción HEC-RAS es un paquete integrado de programas de análisis hidráulico, en los cuales el usuario interactúa con el sistema a través del uso del Interfaz de Uso Gráfico (IUG). Este sistema es capaz de realizar los cálculos del perfil de la superficie de flujo de agua constante e inconstante, e incluirá Transporte de Sedimentos y muchos diseños hidráulicos computarizados en el futuro. En terminología del HEC-RAS, un Proyecto es un sistema de archivos de datos asociados con un sistema particular del río. El modelador puede realizar algunos o todos los diferentes tipos de análisis, incluidos en el paquete del HEC-RAS, como parte del proyecto. Los archivos de datos de un proyecto son clasificados como sigue: o Datos de plan. o Datos geométricos. o Datos de flujo constante. o Datos de flujo inconstante. o Datos de sedimentos. o Datos de diseño hidráulico. Durante el curso del estudio de modelador puede desear formular diferentes Planes. Cada plan representa un específico sistema de datos geométricos y de flujo. Una vez que los datos básicos son ingresados en el HEC-RAS, el modelador puede formular fácilmente nuevos planes. Después que se hace la simulación de varios planes, los resultados pueden ser comparados simultáneamente en ambas formas tabular y gráfica. Este capítulo proporciona una descripción de cómo un estudio es realizado con el software HEC-RAS. Tópicos especiales de cómo importar datos HEC-2, reproducir resultados HEC-2 y cómo usar la ayuda en línea también están cubiertos. Contenidos •
Comenzar HEC-RAS
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Pasos para Desarrollar un Modelo Hidráulico con HEC-RAS
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Conseguir y Usar Ayuda
COMENZAR HEC-RAS Cuando se corre el programa de instalación del HEC-RAS, automáticamente obtienes un nuevo grupo de programas llamado HEC y un ícono llamado HECRAS. Esto debe aparecer en el menú inicio en la sección llamada Programas. El usuario también tiene la opción de crear un acceso directo en el escritorio. Si el acceso directo es creado, el ícono del HEC-RAS se verá como sigue:
Figura 3.1 El ícono del HEC-RAS en Windows. INICIAR HEC-RAS DESDE WINDOWS •
Doble clic al ícono del HEC-RAS. Si no se tiene acceso directo al HEC-RAS en el escritorio, ir al Menú Inicio y seleccionar Programas, luego seleccionar HEC, y luego HEC-RAS.
Cuando se inicia por primera vez el HEC-RAS, se verá una ventana como la mostrada en la figura 3.2 (a menos que usted no tenga algún proyecto archivado en su ventana principal)
Figura 3.2 Ventana principal del HEC-RAS
Figura 3.3 Estructura de la Barra de Menú en la Ventana Principal del HEC-RAS En la parte de arriba de la ventana principal del HEC-RAS esta la barra de Menú (Figura 3.3) con las siguientes opciones: File (Archivo): Esta opción es usada para el manejo de archivos. La opción disponible en el menú File (Archivo) incluye: New Project (Nuevo Proyecto); Open Proyect (Abrir Proyecto); Save Proyect (Archivar Proyecto); Save Proyect As (Archivar Proyecto como); Rename Proyect (Cambiar de Nombre al Proyecto); Delete Proyect (Borrar Proyecto); Proyect Summary (Resumen del Proyecto); Import HEC-2 Data (Importar Datos HEC-2); Generate Report (Generar Reporte); Export GIS Data (Exportar Datos SIG); Export to HEC-DSS (Exportar a HECDSS); Restore Data (Restaurar Datos); y Exit (Salir). Además, los proyectos más recientes serán enumerados al final del menú archivo, que permiten que el usuario abra rápidamente un proyecto que fue trabajado recientemente. Edit (Editar): Esta opción es usada para ingresar y editar datos. Los datos son categorizados en cuatro tipo: Geometric Data (Datos Geométricos); Steady Flor Data (Datos del flujo constante); Unsteady flor Data (Datos del flujo inconstante);
y Sediment Data (Datos de sedimento). En la versión actual la opción Sediment Data no esta activada. Run (Ejecutar): Esta opción es usada para realizar los cálculos hidráulicos. Las opciones dentro de este ítem son: Steady Flow Amalysis (Análisis de Flujo Constante); Unsteady Flow Analysis (Análisis de Flujo Inconstante); Sediment Analysis (Análisis de Sedimentos); Hydraulic Design Functions (Funciones Hidráulicas del Diseño). En la versión actual la opción Sediment Análisis no esta disponible. View (Ver): Esta opción contiene un grupo de las herramientas que proporcionan exhibiciones gráficas y tabulares de la salida del modelo. El menú view actualmente incluye: Cross Sections (Secciones Transversales); Water Surface Profiles (Perfiles Superficiales del Agua); General Profile Plot (Plano General del Perfil); Rating Curves (Curvas de Clasificación); X-Y-Z Perspectiva Plots (Planos en perspectiva X-Y-Z); Stage and Flow Hydrographs (Hidrogramas de etapa y Flujo); Hydraulic Properties Plots (Propiedades de los Diagramas Hidráulicos); Detailed Output Tables (Tablas Detalladas de Salida); Profile Summary Tables (Tablas Resumen del Perfil); Summary Err,Warn, notes(Resumen de Errores, advertencia, notas). Options (Opciones): Este menú ítem permite al usuario: cambiar las opciones de Setup Options (Opciones de Configuración) cambiar las opciones de configuración del programa; Default Parameters (Parámetros por Defecto) determinar los parámetros de defecto; Units System (Sistema de Unidades) establece un sistema de unidades por defecto U.S. customary (Usado en Estados Unidos) o Metric (Métrico); Convert Project Units (Convertir Unidades del Proyecto) convierte las unidades del proyecto de us customary a métrico y viceversa. Help (Ayuda): Esta opción permite al usuario conseguir ayuda en línea, así como la información de la versión actual del HEC-RAS. También en la ventana principal del HEC-RAS hay un botón (Figura 3.4). Que proporciona un rápido acceso a las opciones mas frecuentemente usadas dentro de la barra de menú de HEC-RAS. La descripción de cada botón es mostrada en la figura 3.4.
Figura 3.4 Barra de Menú (Botones) de la Ventana Principal del HEC-RAS
PASOS PARA DESARROLLAR UN MODELO HIDRÁULICO CON HEC-RAS Hay cinco pasos principales para crear un modelo hidráulico con el HEC-RAS: o Comenzar un nuevo proyecto. o Ingresar datos geométricos. o Ingresar datos de flujo y condiciones límite. o Ejecutar cálculos hidráulicos. o Ver e imprimir resultados. COMENZAR UN NUEVO PROYECTO El primer paso en el desarrollo de un modelo hidráulico con el HEC-RAS es establecer en que directorio se desea trabajar e ingresar un nombre para el nuevo proyecto. Para iniciar un nuevo proyecto, ir al menú File en la ventana principal del HEC-RAS y seleccionar New Project. Se abrirá entonces una ventana del nuevo proyecto como la mostrada en la figura 3.5.
Figura 3.5 Ventana del Proyecto Nuevo Como se ve en la figura 3.5, primero se selecciona el lugar y la ruta para trabajar (para seleccionar la ruta se debe hacer doble clic en el directorio que usted desea), después ingresar un título del Proyecto y un nombre de archivo. EL nombre del archivo del proyecto debe tener la extensión “.pjr”, no se permite al usuario cambiar esto. Una vez que se ha ingresado toda la información, presione el botón “OK” para tener la información aceptada. Después de que el botón “OK” es presionado una ventana de mensaje aparecerá con el título del proyecto y el directorio donde se ubicará el proyecto. SI la información es correcta, presione el botón “OK”. Si la información no es correcta, presione el botón “Cancel” y regresará otra vez a la ventana New Project. Nota: Antes de que cualquier dato geométrico y de flujo es ingresado, el usuario debe seleccionar el sistema de unidades (Inglés o Métrico) en el que quisiera trabajar. El paso es logrado seleccionando Unit System del menú Options de la ventana principal del HEC-RAS.
INGRESAR DATOS GEOMÉTRICOS. El siguiente paso es ingresar los datos geométricos necesarios, que consisten en la conexión de información de la corriente del sistema (Sistema Esquemático del Río), datos de sección transversal (Cross Section) y datos de estructura hidráulica como puentes(Bridges), alcantarillas (Culverts), vertedores (Weirs), etc. Los datos geométricos son ingresados seleccionando Geometric Data del menú Edit de la ventana principal del HEC-RAS. Una vez que esta opción es seleccionada, aparecerá una ventana de datos geométricos como la mostrada en la figura 3.6 (excepto que estará en blanco cuando se abre esta ventana por primera vez para un nuevo proyecto).
Figura 3.6 Ventana de Datos Geométricos (Geometric Data) El modelador ingresa datos geométricos por el primer dibujo en el diagrama esquemático del sistema del río. Esto se logra, dibujando sector-por-sector, presionando el botón del River Reach (sector del río) y después dibujando los tramos del río desde corriente arriba a río abajo (en la dirección positiva del flujo). Después de que el sector es dibujado, al usuario se le pide ingresar un identificador de río y de sector. Los identificadores de río y de sector pueden tener más de 16 caracteres. Como los sectores están conectados, las juntas o ensambladuras son formadas automáticamente por el interfaz. Al modelador se le pide ingresar un identificador para cada junta. Para más información sobre desarrollar el sistema esquemático del río, vea el capítulo 6 "Incorporando y Editando Datos Geométricos"
Después de que el sistema esquemático del río es dibujado, el modelador puede empezar ingresar secciones transversales y datos de estructura hidráulica. Presionando el botón Cross Section (Sección Transversal) se activa el editor de secciones transversales. Este editor es mostrado en la figura 3.7. Según lo mostrado, cada sección transversal tiene un River name (nombre de río), Reach name (nombre del tramo o sector), River Station (Estación del Río) y Description (Descripción). Los identificadores de River, Reach y River Station son usados para describir donde esta ubicada la sección transversal en el sistema del río. El identificador de River Station no tiene que ser la estación actual del río (millas o kilómetros) en la cual la sección transversal está situada en la corriente, pero tiene que ser un valor numérico (ej., 1.1, 2, 3.5, etc.). EL valor numérico es usado para ubicar la sección transversal en orden apropiado dentro del sector. Las secciones transversales son ordenadas dentro del sector del río desde la más alta estación de río hasta la más baja estación río abajo.
Figura 3.7 Editor de Datos de la Sección Transversal (Cross Section Data) Los datos básicos requeridos para cada sección transversal se muestran en el editor de datos de sección transversal en la figura 3.7. Las características adicionales de la sección transversal están disponibles en el ítem Options de la barra del menú. Estas opciones incluyen: add (añadir); copy (Copiar); rename (Cambiar nombre); Delete (Borrar) las secciones transversales; ajuste de elevaciones de la sección transversal, de estaciones, y de n o k-valores; skew cross sections (Secciones transversales oblicuas); ineffective flow areas (áreas ineficaces del flujo); levees (diques); blocked obstructions (bloques de obstrucción); adding a lid to a cross section (agregar una tapa a la sección transversal); add ice cover (Agregar una cubierta de hielo); add a rating curve (Agregar una curva de grado);
horizontal variation of n or k-values (variación horizontal n o k-valores); vertical variation of n or k-values (variación vertical de los n o k-valores). También, en el editor de los datos de la sección transversal se capacidad de trazar cualquier sección o perfil del tramo del río. Edit (Editar características de objeto) están disponibles las opciones de cut copy (copiar), paste (pegar), insert (insertar), y delete (suprimir) datos de de coordenadas X-Y de la sección transversal.
tiene la features (cortar), la rejilla
Una vez que los datos de la sección transversal son ingresados, los datos deben ser guardados en un archivo del disco duro. Esto se logra seleccionando Save Geometric Data As (Guardar datos geométricos como) del menú File (archivo) del editor de datos geométricos. Esta opción permite al usuario ingresar un título para los datos geométricos. El nombre del archivo es automáticamente establecido para los datos geométricos, y luego archivados en el disco. Cuando el título es establecido para los datos geométricos pueden ser archivados periódicamente seleccionando Save Geometric Data (Guardar datos geométricos) del menú File (archivo) del editor de datos geométricos. INGRESAR DATOS DE FLUJO Y CONDICIONES LÍMITE Después de que los datos geométricos son ingresados, el modelador puede ingresar datos de flujo constante o datos de flujo inconstante. El tipo de flujo de los datos ingresados dependen del tipo de análisis que se va ha realizar. En este capítulo se asume que se realizará un análisis para flujo constante. El formulario de entrada de datos para flujo constante esta disponible en el menú Edit (editar) de ventana principal del HEC-RAS. Un ejemplo de formulario de entrada de datos para flujo constante esta mostrado en la figura 3.8, que es Steady Flow Data Editor (Editor de datos para flujo constante). Como esta mostrado en la figura 3.8, los datos para flujo constante consisten en: number of profiles to be computed (número de perfiles a ser computados); the flow data (datos de flujo); river system boundary condition (condiciones límite del sistema de río). Al menos un flujo debe ser ingresado para cada tramo en el sistema. Adicionalmente, el flujo puede ser cambiado a cualquier ubicación dentro del sistema del río. Los valores de flujo deben ser ingresados para todos los perfiles. Las condiciones límite son requeridas en el orden en el que se realicen los cálculos. Si un análisis de flujo subcrítico esta siendo realizado, entonces sólo las condiciones límite de la parte baja o río abajo son requeridas. Si el modelador va ha realizar cálculos de flujo de régimen mixto, entonces ambas condiciones límite corriente arriba y río abajo son requeridas. El formulario de los datos de condiciones límite puede ser planteado presionando Reach Boundary Condition (Condiciones Límite del Tramo) del formulario de ingreso de datos de flujo constante. Cuando todos los datos de flujo constante y las condiciones límite son ingresados, el modelador debe guardar los datos en el disco duro. Esto puede logarse seleccionando Save Flow Data As (Archivar Datos de Flujo Como) de la
opción File (Archivo) del menú de datos de flujo constante, el nombre de archivo es automáticamente asignado.
Figura 3.8 Ventana de Datos de Flujo EJECUTAR CÁLCULOS HIDRÁULICOS Una vez que toda la data geométrica y la data de flujo es ingresada, el modelador puede realizar lo cálculos hidráulicos. Como se dijo antes, hay tres tipos de cálculos que pueden ser realizados en la actual versión del HEC-RAS: Steady Flow Analysis (Análisis de Flujo Constante) Unsteady Flow Analysis (Análisis de Flujo Inconstante) Hidráulic Design Functions (Funciones de Diseño Hidráulico). EL modelador puede seleccionar cualquiera de los análisis hidráulicos del menú Run (Ejecutar) de la ventana principal del HEC-RAS. Un ejemplo la ventana del manejo de simulación es mostrado en la figura 3.9, que es la ventana de análisis de flujo constante.
Figura 3.9 Ventana de Análisis de Flujo Constante
Como se ve en la figura 3.9, el modelador crea un Plan seleccionando un conjunto de datos geométricos y de flujo. El plan puede crearse seleccionando New Plan (Nuevo Plan) de la opción File (Archivo) de la ventana de análisis de flujo constante. Cuando se ha ingresado el título del plan y un pequeño identificador (Short ID) El modelador puede escoger Flow Regime (Régimen de Flujo) para cada modelo en el que se realizarán los cálculos. Cálculos de régimen de flujo Subcrítico, Supercrítico o mixto están disponibles. Otros objetos están disponibles bajo el menú Options (Opciones): Performing a Floodway Encroachment Análisis (Ejecución de un análisis de la usurpación de la inundación); Setting locations for calculating flow distribution output (Fijar las localizaciones para los resultados de los cálculos de la distribución de flujo); conveyance calculations options (Opciones de cálculos de transporte); friction slope methods (Métodos de la cuesta de fricción); calculation tolerance (tolerancia del cálculo); critical depth output (resultados de profundidad crítica); critical depth computation method (Método del cómputo de la profundidad crítica); split flow optimization (entrecortar la optimización de flujo); data checking (Chequear los datos); setting log file levels (fijar archivo de registro de niveles); viewing the log file output (Ver el archivo del registro de salida). Cuando el modelador ha seleccionado un plan y fijado todas las opciones de cálculo, los cálculos de flujo constante pueden ser realizados presionando Compute (Cálculo) de la ventana de análisis de flujo constante. Cuando este botón es presionado el paquete de sistema del HEC-RAS lee de todos los datos para el plan seleccionado y lo escribe al archivo funcionado. El sistema corre el modelo de flujo constante (SNET) y pasa el nombre en el archivo mencionado. Este proceso es ejecutado en una ventana separada. Por lo tanto el modelador puede realizar otras tareas mientras se está ejecutando el programa. VER E IMPRIMIR RESULTADOS Cuando el modelador ha terminado todos los cálculos, puede ver los resultados. Muchos objetos de salida o resultados están disponibles bajo la opción View (Ver) de la ventana principal del programa. Estas opciones incluyen: Cross Sections Plots (Dibujar Secciones Transversales), Profiles Plots (Dibujar Perfiles) Rating Curves Plots (Graficar Curvas de Clasificación); X-Y-Z Perspectiva Plots (Planos en perspectiva X-Y-Z), Hydrographs plots (Plotear Hidrogramas) si la simulación para flujo inconstante fue realizada; Detailed Output Tables (Tablas Detalladas de Salida); Profile Summary Tables (Tablas Resumen del Perfil); Summary Err, Warn, notes (Resumen de Errores, advertencia, notas). Un ejemplo del ploteo de la sección transversal esta mostrado en la figura 3.10. EL usuario puede plotear cualquier sección transversal seleccionando el río apropiado, estación de tramo y río de la lista de cuadros en la parte de arriba del ploteo. El usuario puede también caminar a través de los diagramas usando los botones de la flecha arriba y a abajo. Muchos objetos de diagrama están disponibles bajo el menú Options del diagrama de la sección transversal. Estas opciones incluyen: zoom in (Acercarse); zoom out (Alejarse); full plot (todo el diagrama); pan (desplazarse); animate (animar); selecting which plans
(seleccionar planes), profiles and variables to plot (plotear perfiles y variables); velocity distribution (velocidad de distribución); viewing(ver); interpolated cross sections (secciones transversales interpoladas); control over the lines, symbols, labels, scaling and grid options (controle sobre líneas, símbolos, etiquetas, escalamiento y opciones de la rejilla.). Los resultados de la copia del gráfico se pueden lograr de dos maneras de los diferentes: los gráficos pueden ser enviados directamente del HEC-RAS a cualquier impresora o ploter que el usuario a definido en el Windows o los gráficos pueden ser enviados al portapapeles de Windows. Una vez que los diagramas está en el porta papeles estos se pueden pegar en otros programas, como un procesador de textos. Ambas opciones están disponibles en el menú File de la ventana various plot. Un ejemplo del diagrama del perfil es mostrado en la figura 3.11. Todas las opciones disponibles en el diagrama de secciones transversales también están disponibles en el diagrama del perfil. Adicionalmente, el usuario puede seleccionar un tramo específico para dibujar cuando el sistema de múltiples tramos del río esta siendo modelado. Un ejemplo de diagrama de perspectiva X-Y-Z (X-Y-Z Perspective Plot) esta mostrado en la figura 3.12. El usuario tiene la opción de definir la ubicación de inicio y fin de la extensión del diagrama. El diagrama puede ser rotado izquierda o derecha, y arriba o abajo, para obtener diferentes perspectivas del tramo del río. Los perfiles de la superficie de agua computados pueden ser puestos encima de los datos de la sección transversal. El grafico puede ser enviado a la impresora o al ploter directamente, o el archivo de impresión puede ser enviado a través de l portapapeles de windows a otros programas.
Figura 3.10 Cross Section Plot (Diagrama de la Sección Transversal)
Figura 3.11 Profile Plot (Diagrama del Perfil)
Figura 3.12 Diagrama de la Perspectiva XYZ del tramo del río con un puente
La Salida Tabular (Tabular Output) esta disponible en dos formatos diferentes. El primer tipo de salida tabular proporciona resultados hidráulicos detallados de una específica ubicación de la sección transversal (Detailed output table) (Tabla de tallada de salida). Un ejemplo de este tipo de salida tabular esta mostrado en la Figura 3.13
Figura 3.13 Tabular Detailed Output (Salida Tabular Detallada) El segundo tipo de salida tabular muestra un limitado número de variables hidráulicas para muchas secciones transversales y perfiles múltiples (Profile Summary Tables) (Tablas Resúmen de Perfil). Un ejemplo de este tipo de salida tabular se puede ver el la Figura 3.14. Existen muchas tablas Standard que están predefinidas y se obtienen con la opción Tables (Tablas) de las tablas de perfil de salida (Profile output tables). Los usuarios también pueden definir sus propias tablas especificando que variables quieren tener en la tabla. Los títulos de la tabla que el usuario especificó pueden ser guardados y más adelante se pueden seleccionar como una de las tablas de estándar disponibles para el proyecto. La salida tabular puede ser enviada directamente a la impresora o al ploter o pasada a través del portapapeles de la misma manera que la salida gráfica descrita previamente.
Esta opción esta también disponible en el menú File (Archivo) de cada formato de tabla.
Figura 3.14 Profile Output Table (Tabla del Perfil de Salida) OBTENER Y USAR LA AYUDA La ayuda en línea (on-line) está disponible dentro del software de HEC-RAS. La ayuda puede ser accedida seleccionando el menú Help (ayuda) en la parte superior de cada ventana, o presionando F1.
