Avaliação de incertezas na calibração automática do modelo SWMM

Este trabalho é referente ao desenvolvimento de um calibrador multiobjetivo automático do modelo SWMM (Storm Water Management Model), e avaliação de algumas fontes de incertezas presentes no processo de calibração, visando à representação satisfatória da transformação chuva-vazão. O código foi escrito em linguagem C, e aplica os conceitos do método de otimização multiobjetivo NSGAII (Non Dominated Sorting Genetic Algorithm) com elitismo controlado, além de utilizar o código fonte do modelo SWMM para a determinação das vazões simuladas. Paralelamente, também foi criada uma interface visual, para melhorar a facilidade de utilização do calibrador. Os testes do calibrador foram aplicados a três sistemas diferentes: um sistema hipotético disponibilizado no pacote de instalação do SWMM; um sistema real de pequenas dimensões, denominado La Terraza, localizado no município de Sierra Vista, Arizona (EUA); e um sistema de maiores dimensões, a bacia hidrográfica do Córrego do Gregório, localizada no município de São Carlos (SP). Os resultados indicam que o calibrador construído apresenta, em geral, eficiência satisfatória, porém é bastante dependente da qualidade dos dados observados em campo e dos parâmetros de entrada escolhidos pelo usuário. Foi demonstrada a importância da escolha dos eventos utilizados na calibração, do estabelecimento de limites adequados nos valores das variáveis de decisão, da escolha das funções objetivo e, principalmente, da qualidade e representatividade dos dados de monitoramento pluvio e fluviométrico. Conclui-se que estes testes desenvolvidos contribuem para o entendimento mais aprofundado dos processos envolvidos na modelagem e calibração, possibilitando avanços na confiabilidade dos resultados da modelagem.

Proceedings : Stormwater Management Model (SWMM) Users Group meeting, 10-11 January 1980.

Mode of access: Internet.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

Modelação dinâmica de sistemas de drenagem em meio urbano

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Drenagem urbana sustentável e o regime de precipitação em Portugal

O comportamento das águas pluviais em meio urbano é muito diferente do que ocorre em ambientes naturais, principalmente devido à elevada percentagem de superfícies impermeáveis nas nossas cidades. Temos maiores volumes de escoamento gerados; maiores velocidades de escoamento; menor retenção de contaminantes difusos; e propagação rápida para jusante de problemas de cheias e de qualidade da água. Presentemente, a gestão de águas pluviais em meio urbano começa a ser encarada numa perspectiva de aproximação ao comportamento dos meios naturais. A Drenagem Urbana Sustentável está a assumir-se como um conceito de gestão que tem como objectivo gerir a água de uma forma “descentralizada”, promovendo localmente a sua infiltração e retenção distribuídas por toda a bacia. O objecto deste trabalho foi a avaliação do efeito da rugosidade dos sistemas de drenagem sobre os caudais de ponta de cheia. Para isso propôs-se uma solução de drenagem com escoamento superficial em paralelo com os colectores pluviais, dividindo a drenagem entre os dois meios. Baseado nas curvas de intensidade-duração-frequência para a maior parte do território nacional, bem como em eventos de precipitação registados, abordou-se o problema criando um modelo conceptual com o programa informático StormWater Management Model (SWMM 5) da Environment Protection Agency (EPA), para comparar os caudais de ponta de sistemas de drenagem pluvial com ou sem o apoio de estruturas de transporte de caudais com rugosidades aumentadas. Foram considerados diversos cenários, com diferentes rugosidades, inclinações do terreno e dimensão dos sistemas. Os resultados das simulações indicam reduções de caudais de ponta na ordem dos 30% resultantes do escoamento superficial de parte dos caudais, principalmente devido ao aumento de rugosidade que a drenagem à superficie pode proporcionar.

Gestão sustentável de águas pluviais em ambiente urbano

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Hydrodynamic Simulations Of Vacuum-Driven Storage Tanks

As a result of urbanization, stormwater runoff flow rates and volumes are significantly increased due to increasing impervious land cover and the decreased availability of depression storage. Storage tanks are the basic devices to efficiently control the flow rate in drainage systems during wet weather. Presented in the paper conception of vacuum-driven detention tanks allows to increase the storage capacity by usage of space above the free surface water elevation at the inlet channel. Partial vacuum storage makes possible to gain cost savings by reduction of both the horizontal area of the detention tank and necessary depth of foundations. Simulation model of vacuum-driven storage tank has been developed to estimate potential profits of its application in urban drainage system. Although SWMM5 has no direct options for vacuum tanks an existing functions (i.e. control rules) have been used to reflect its operation phases. Rainfall data used in simulations were recorded at raingage in Czestochowa during years 2010÷2012 with time interval of 10minutes. Simulation results gives overview to practical operation and maintenance cost (energy demand) of vacuum driven storage tanks depending of the ratio: vacuum-driven volume to total storage capacity. The following conclusion can be drawn from this investigations: vacuum-driven storage tanks are characterized by uncomplicated construction and control systems, thus can be applied in newly developed as well as in the existing urban drainage systems. the application of vacuum in underground detention facilities makes possible to increase of the storage capacity of existing reservoirs by usage the space above the maximum depth. Possible increase of storage capacity can achieve even a few dozen percent at relatively low investment costs. vacuum driven storage tanks can be included in existing simulation software (i.e. SWMM) using options intended for pumping stations (including control and action rules ).

Otimização do controle da drenagem em macrobacias urbanas

A urbanização descontrolada das cidades brasileiras tem provocado o agravamento das enchentes naturais e a ampliação de sua freqüência, além de criar novos pontos de alagamento localizados. Isto se deve à crescente impermeabilização do solo com aumento do volume pluvial escoado e redução de amortecimento. A concepção de um projeto de macrodrenagem em uma bacia urbana que considere o controle das inundações, como por exemplo, a implementação de reservatórios de amortecimento em áreas sujeitas a alagamentos, constitui-se em uma tarefa complexa e difícil devido ao grande número de alternativas possíveis, considerando todas as variáveis envolvidas, como capacidades hidráulicas existentes e necessárias das redes de drenagem, disponibilidade de áreas para construção de reservatórios, custos de desapropriação destas áreas, existência de sistemas mistos de coleta, uso de reservatórios abertos ou subterrâneos, dentre outras. Desta forma o projetista coloca-se diante de um dilema: qual o conjunto destas alternativas podem ser o mais eficiente? Este estudo promoveu a análise da aplicabilidade e eficiência de um modelo de otimização associado a modelos hidrológico-hidráulicos como instrumentos de suporte à decisão em problemas de drenagem urbana. A ferramenta desenvolvida compôs-se pelo modelo IPHS1 para a simulação hidrológica e hidráulica, pelo algoritmo de evolução SCE-UA para o processo de otimização através da minimização do custo de implantação das soluções e do módulo EXTRAN do modelo SWMM para a verificação hidráulica dos resultados obtidos e análises de riscos superiores. Os resultados mostraram-se bons e o sistema implementado adaptou-se bem às características das duas bacias analisadas: bacia do arroio do Moinho e bacia do arroio da Areia. O sistema forneceu os cenários de custos otimizados de implantação da solução com detenções distribuídas nas bacias e ampliações de redes, em um curto período de tempo e utilizando dados que seriam necessários para qualquer projeto de macrodrenagem deste tipo. Com os resultados compilados, foram obtidas funções de auxílio à tomada de decisão em planos e projetos de drenagem urbana através de curvas ajustadas aos pontos gerados nas bacias estudadas. Foi realizada a análise de sensibilidade e a avaliação das incertezas envolvidas com o modelo hidrológico utilizado com relação ao seu parâmetro principal, o Curve Number. Esta análise mostrou grandes variações nas vazões de saída das bacias e nos custos das obras com pequenas alterações nos valores de CN. Apresenta-se ainda uma análise econômica da aplicação dos valores obtidos de forma extrapolada para todo o município de Porto Alegre.

Estudo de manejo de águas pluviais urbanas na cidade Natal-Rio Grande do Norte

Urban stormwater can be considered as potential water resources as well as problems for the proper functioning of the manifold activities of the city, resulting from inappropriate use and occupation of the soil, usually due to poor planning of the occupation of the development areas, with little care for the environmental aspects of the drainage of surface runoff. As a basic premise, we must seek mechanisms to preserve the natural flow in all stages of development of an urban area, preserving the soil infiltration capacity in the scale of the urban area, comprising the mechanisms of natural drainage, and noting preserving natural areas of dynamic water courses, both in the main channel and in the secondary. They are challenges for a sustainable urban development in a harmonious coexistence of modern developmental, which are consistent with the authoritative economic environmental and social quality. Integrated studies involving the quantity and quality of rainwater are absolutely necessary to achieve understanding and obtaining appropriate technologies, involving both aspects of the drainage problems and aspects of use of water when subjected to an adequate management of surface runoff , for example, the accumulation of these reservoirs in detention with the possibility of use for other purposes. The purpose of this study aims to develop a computer model, adjusted to prevailing conditions of an experimental urban watershed in order to enable the implementation of management practices for water resources, hydrological simulations of quantity and, in a preliminary way, the quality of stormwater that flow to a pond located at the downstream end of the basin. To this end, we used in parallel with the distributed model SWMM data raised the basin with the highest possible resolution to allow the simulation of diffuse loads, heterogeneous characteristics of the basin both in terms of hydrological and hydraulic parameters on the use and occupation soil. The parallel work should improve the degree of understanding of the phenomena simulated in the basin as well as the activity of the calibration models, and this is supported by monitoring data acquired during the duration of the project MAPLU (Urban Stormwater Management) belonging to the network PROSAB (Research Program in Basic Sanitation) in the years 2006 to 2008

Dimensionamento di invasi per il controllo dei deflussi nei bacini urbanizzati

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.

Tetti verdi: Analisi sperimentale e Modellazione numerica

I tetti verdi rappresentano, sempre più frequentemente, una tecnologia idonea alla mitigazione alle problematiche connesse all’ urbanizzazione, tuttavia la conoscenza delle prestazioni dei GR estensivi in clima sub-Mediterraneo è ancora limitata. La presente ricerca è supportata da 15 mesi di analisi sperimentali su due GR situati presso la Scuola di Ingegneria di Bologna. Inizialmente vengono comparate, tra loro e rispetto a una superficie di riferimento (RR), le prestazioni idrologiche ed energetiche dei due GR, caratterizzati da vegetazione a Sedum (SR) e a erbe native perenni (NR). Entrambi riducono i volumi defluiti e le temperature superficiali. Il NR si dimostra migliore del SR sia in campo idrologico che termico, la fisiologia della vegetazione del NR determina l'apertura diurna degli stomi e conseguentemente una maggiore evapotraspirazione (ET). Successivamente si sono studiate la variazioni giornaliere di umidità nel substrato del SR riscontrando che la loro ampiezza è influenzata dalla temperatura, dall’umidità iniziale e dalla fase vegetativa. Queste sono state simulate mediante un modello idrologico basato sull'equazione di bilancio idrico e su due modelli convenzionali per la stima della ET potenziale combinati con una funzione di estrazione dell’ umidità dal suolo. Sono stati proposti dei coefficienti di correzione, ottenuti per calibrazione, per considerare le differenze tra la coltura di riferimento e le colture nei GR durante le fasi di crescita. Infine, con l’ausilio di un modello implementato in SWMM 5.1. 007 utilizzando il modulo Low Impact Development (LID) durante simulazioni in continuo (12 mesi) si sono valutate le prestazioni in termini di ritenzione dei plot SR e RR. Il modello, calibrato e validato, mostra di essere in grado di riprodurre in modo soddisfacente i volumi defluiti dai due plot. Il modello, a seguito di una dettagliata calibrazione, potrebbe supportare Ingegneri e Amministrazioni nella valutazioni dei vantaggi derivanti dall'utilizzo dei GR.

Modelagem da poluição difusa em uma bacia de drenagem urbana

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Crescimento urbano e seus impactos no sistema de drenagem de uma bacia em Natal/RN

The uncontrolled growth of most Brazilian cities is not accompanied by the development of urban infrastructure. With increasing soil sealing, runoff and decreased infiltration volume, impacts on water resources and on population of the areas affected by urban growth are inevitable. This study aims to evaluate the use and occupation of a watershed and analyze the drainage system in order to control the impact using tools to integrate urban development with the drainage of rainwater in an important watershed in the Natal City, Rio Grande do Norte State. The study involved the characterization of the basin XII.4 on the land use and occupation, for the years 2005 and 2014. With the application of SWMM model was possible to analyze the impacts caused by the urbanization process in the existing drainage system, showing the two years analyzed have their areas very close to percentage saturation of impervious areas. Although the region is still predominantly single family residential, suffers increasing verticalization of mainly commercial buildings. The drainage system is inefficient for the area's needs by the year 2005. The drainage system was also tested for four variations of land use by developing scenarios. Scenario 1 is related to the year 2014, considered current. Scenario 2 was adopted the maximum rate of 80% for land use, allowed for the Natal City. Scenario 3 gives the critical condition of land use, with the area 100% impervious. Scenario 4 is applied to the existence of LID (Low Impact Device). The scenarios analysis showed that all indicate deficiency at some point of the drainage system as a result of the high degree of occupation of the area that generate higher flows than the initial drainage system capacity. With the study it became clear that the adoption of non-structural tools are effective in reducing flooding and improving the drainage system capacity.

Crescimento urbano e seus impactos no sistema de drenagem de uma bacia em Natal/RN

The uncontrolled growth of most Brazilian cities is not accompanied by the development of urban infrastructure. With increasing soil sealing, runoff and decreased infiltration volume, impacts on water resources and on population of the areas affected by urban growth are inevitable. This study aims to evaluate the use and occupation of a watershed and analyze the drainage system in order to control the impact using tools to integrate urban development with the drainage of rainwater in an important watershed in the Natal City, Rio Grande do Norte State. The study involved the characterization of the basin XII.4 on the land use and occupation, for the years 2005 and 2014. With the application of SWMM model was possible to analyze the impacts caused by the urbanization process in the existing drainage system, showing the two years analyzed have their areas very close to percentage saturation of impervious areas. Although the region is still predominantly single family residential, suffers increasing verticalization of mainly commercial buildings. The drainage system is inefficient for the area's needs by the year 2005. The drainage system was also tested for four variations of land use by developing scenarios. Scenario 1 is related to the year 2014, considered current. Scenario 2 was adopted the maximum rate of 80% for land use, allowed for the Natal City. Scenario 3 gives the critical condition of land use, with the area 100% impervious. Scenario 4 is applied to the existence of LID (Low Impact Device). The scenarios analysis showed that all indicate deficiency at some point of the drainage system as a result of the high degree of occupation of the area that generate higher flows than the initial drainage system capacity. With the study it became clear that the adoption of non-structural tools are effective in reducing flooding and improving the drainage system capacity.