Home > Documents > PRACTICAL UNIT 3 exercise task - iwhw.boku.ac.at · Ö Ö File Ö New Geometry Data Name:...

# PRACTICAL UNIT 3 exercise task - iwhw.boku.ac.at · Ö Ö File Ö New Geometry Data Name:...

Date post: 22-Aug-2019
Category:
View: 215 times
10
Practical Unit 3 31 Exercise Course for Computer Based River Modelling PRACTICAL UNIT 3 exercise task Preparation of a hydraulic model with different roughness values and compound crosssections The task of this practical unit is to prepare a hydraulic model with various roughnesscoefficients and compound crosssections for a hydraulic simulation. The main objective consists in the independent estimation of roughnesscoefficients and their implementation in the model. Furthermore, the implementation of levees and ineffective flow areas will be shown. Aims Editing of a compound geometry with various roughnesscoefficients Estimation and definition of roughnesscoefficients Analysis and input of ineffective flowareas in the overbank flow areas Simulation of the entered input Interpretation and visualization of the results InputData geometry (e.g. exported crosssections from a digital terrain model) information about land use (e.g. from aerial photographs or land development plans) steady state flow data estimation of roughnesscoefficients levees ineffective flow areas
Transcript

Practical Unit 3    3‐1

Exercise Course for Computer Based River Modelling

Preparation of a hydraulic model with different roughness values and compound cross‐sections

The task of this practical unit is to prepare a hydraulic model with various roughness‐coefficients  and  compound  cross‐sections  for  a  hydraulic  simulation.  The  main objective consists  in the  independent estimation of roughness‐coefficients and their implementation  in  the  model.    Furthermore,  the  implementation  of  levees  and ineffective flow areas will be shown.   Aims

Editing of a compound geometry with various roughness‐coefficients  Estimation and definition of roughness‐coefficients  Analysis and input of ineffective flow‐areas in the overbank flow areas  Simulation of the entered input  Interpretation and visualization of the results

Input‐Data

geometry (e.g. exported cross‐sections from a digital terrain model)   information about land use (e.g. from aerial photographs or land development

estimation of roughness‐coefficients  levees  ineffective flow areas

Practical Unit 3    3‐2

Exercise Course for Computer Based River Modelling

PRACTICAL UNIT  3 approach

1. Opening of the existing geometry  Creation of a new project:

File       New Project       filename: Praktikum_3

!!! Check if the model is set to SI‐Units!!!   Import of geometry data:

File       New Geometry Data       Name: Praktikum_3                            File       Import Geometry Data       HEC‐RAS‐Format…

open Naturgeometrie01             (import in SI‐Units!!!)   The  examination  of  the  geometry  shows  a  channel with  compound  cross‐sections with floodplains on both sides of river.

creation of a new project

Practical Unit 3    3‐3

Exercise Course for Computer Based River Modelling

2. Roughness of the floodplains   Usually,  estimations  concerning  the  roughness  coefficients  of  the  floodplains  are done by using information from literature. This information is normally derived from model experiments or from recalculation of observed flows. Calibration is most often very difficult, because floodplain roughness is only effective for higher discharges (Q > Qbankful), where calibration data is rare and uncertain.   The 3D‐plot below shows the land use in this area:                          Abbr.  Identification  Description  kst

chosen n  chosen

F  Field  harvested maize‐field     FF  Floodplain Forest  mainly grey alder     HF  High Forest  fit for cutting     C  Confluent Creek  with bushy embankment     RF  Riparian Forest  narrow  riparian  forest  consisting  of  alders  and

willows

M  Meadow  extensively used     PL  Pasture Land  bushy pasture

(n = 1 / kst)  Note:  theoretically  seasonal  changes  (like  the  condition  of  vegetation)  should  be taken into account, which can be important for investigations and scientific research. But in the engineering practice this aspect is most often neglected.

Floodplain Forest

Confluent Creek

Riparian Forest

Field

High Forest

Pasture Land

floodplain roughness

Practical Unit 3    3‐4

Exercise Course for Computer Based River Modelling

Cross‐ Section

LOB  Channel  ROB

1  0: F      184  276: RF     2  0: F  152: RF    184  258: RF  322: C  354: FF 3  0: F  165: RF    215  295: RF  426: C  453: FF 4  0: F  166: RF    224  340: RF  476: C  521: FF 5  0: F  213: RF    228  368: RF  463: C  529: FF 6  0: F  210: RF    235  402: RF  453: C  527: FF 7  0: M  288: RF    327.4  450: PL  517: C  592: FF 8  0: M  369: RF    407.1  500: PL  525: C  594: FF 9  0: HF  104: M  331: RF  375.7  450: PL  534: C  605: FF 10  0: HF  237: M  488: RF  594.5  677: PL  920: FF   11  0: HF      548.4  646: PL  1015: FF   12  0: HF      706  830: PL  1131: FF   13  0: HF      471.3  570: PL  865: FF       Entering more than three roughness coefficients:                                        Options       Horizontal Variation in n Values

Besides  „Station“ and  „Elevation“ a  third  column  should be activated  in  the  cross‐section  window.  This  allows  for  entering  numerous  roughness  coefficients,  each associated  with  a  station  of  the  cross‐section  (each  roughness  coefficient  ranges from its starting station to the next station with a defined roughness coefficient).

multiple roughness coefficients

Grain‐size distribution

grain size [mm]

Percen

tage

[%]

Practical Unit 3    3‐5

Exercise Course for Computer Based River Modelling

Estimation of roughness values (Literature):

Practical Unit 3    3‐6

Exercise Course for Computer Based River Modelling

Practical Unit 3    3‐7

Exercise Course for Computer Based River Modelling

Practical Unit 3    3‐8

Exercise Course for Computer Based River Modelling

3. Roughness of the channel   For  the  estimation of  the  channel  roughness  a  grain distribution  curve of  the bed sediments  is used. Here,  a  step‐by‐step  calculation of water  levels under different roughness values has to be performed (calibration; see excel‐file).

a = 21,1 (Strickler) ds = d90 (Strickler) in [m]

Steady state flow data               :  Q = 500 m3/s Normal Depth Upstream / Downstream: can be calculated with the excel‐data (calculating the trend line, display formula)   Starting the calculation             and check of the results in longitudinal plot and cross‐sectional plots.                  The  result  was  calculated  without  any  error,  nevertheless  the  cross‐section  plot shows that the flow conditions are not given correctly, because

‐ floodplain flows occur without overtopping of the river banks ‐ flows take place through the confluent channel although it isn’t connected to

the main channel  Note:  1D‐programs do not  automatically  calculate  the  „right“  flow.  Therefore,  the flow paths must be carefully modeled by the user by setting  levees,  ineffective flow areas and obstructions. Furthermore, it is important to note, that the flow paths can change with different discharges.

6s

st dak =

channel roughness

cross‐section 12 cross‐section 7

floodplain inundation

flow in the confluent creek

Practical Unit 3    3‐9

Exercise Course for Computer Based River Modelling

4. Adaption of geometry to real flow conditions    Before doing any  further calibration,  the geometry must be adapted  in a way,  that the flow path is calculated correctly. Therefore, HEC‐RAS offers three possibilities:

Levees (Dyke): floodplain flow occurs not until this point is overtopped  Ineffective  Flow  Areas:  area  can  be  filled  with  water,  but  no  flow  occurs

(stagnant conditions)  Obstructions: blocked area where no water is stored

To avoid floodplain flow we set levees at the bank stations of every cross‐section and define the flow area of the confluent channel as ineffective:                                       Options       Levees       Defaults (set to Bank Stations)

Options       Ineffective Flow Areas       Multiple Blocks

Entering of Station, Elevation and Permanence [yes]

levees  ineffective flow areas  obstructions

Levees Ineffective Flow Area

Practical Unit 3    3‐10

Exercise Course for Computer Based River Modelling

A check of plausibility of the flow path is given in the 3D‐plot. Now, calibration can be continued. Changing the channel’s roughness can be easily done in                         Tables       Manning’s n or k values       green shaded fields

The calculation results of each run for W.S.Elev. (Water Surface Elevation) can be   copied  from  the  result‐table                    and pasted  into  an  excel‐file  to  compare  the different roughness‐values.     5. Calculation of larger discharges   The computation for  larger discharges should be carried out with the following flow data:   PF 1 = 500 m3/s PF 2 = 700 m3/s PF 3 = 1200 m3/s                    The  longitudinal plot shows that the water  level elevation for PF 1 and PF 2  is quite parallel due to the fact that for both profiles flow only occurs in the channel itself. In contrast PF 3, where the floodplains are inundated.    Note:  Using  relative  roughness  values  (Strickler,  Manning)  would  theoretically require  to  define  different  roughness  values  for  different  discharges.  E.g.  taking roughness values of a MQ‐calibration and using them for a HQ‐calibration can lead to great bias.

larger discharges

Recommended