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Analysis of sensitivity of urban drainage networks to hydrological parameters using hydrodynamic modeling and automatic dimensioning

Authors :
Geller, Vitor Gustavo
Piccilli, Daniel Gustavo Allasia
Pinto, Leandro Conceição
Villanueva, Adolfo Oreste Nicolas
Source :
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UFSM, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), instacron:UFSM
Publication Year :
2019
Publisher :
Universidade Federal de Santa Maria, 2019.

Abstract

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The hydrodynamic models allow a better characterization of the flow in urban rainwater systems, including the backwater effects. Thus, when used in sizing, they produce more efficient and adequate solutions when compared to those obtained from traditional sizing, such as, for example, from the Manning equation. However, they make the process iterative, since changes in the network propagate both upstream and downstream causing each change to be evaluated individually. This work proposes the automatic method of sizing the drainage network called ECO-SWMM that uses the Storm Water Management Model (SWMM) for hydrodynamic calculation of the network following a set of sizing rules in accordance with the usual drainage calculation rules urban, based on the reports generated by each simulation by SWMM. On the other hand, the designers, due to the scarcity of information from the Brazilian watersheds, especially the urban ones, dimension the water runoff drainage system with input variables whose real values are uncertain, compromising the own design. Previous studies such as Allasia and Villanueva (2007) have already evaluated the impact of uncertainty using the cost of the network as an analysis variable, facilitating the understanding of the results by the responsible one. However, none of them evaluated the impact of uncertainty on a network dimensioned using hydrodynamic modeling, due to the complexity of its dimensioning. Thus, this work has the objective of evaluating the uncertainties in the estimation of the hydrological parameters (CN coefficient, watershed area, watershed concentration time and position of the rainfall peak) in the drainage network design using hydrodynamic modeling. The methodology consisted in varying each parameter individually for hydrological simulation in the Modelo Hidrológico Ecotecnologias (MHE), generating the inlet flows for each node of the network for hydraulic simulation in the SWMM by means of the proposed automatic method (ECO-SWMM), which in turn showed is effective for the design of networks that operate exclusively by gravity and with great potential to helping designers in the sizing of urban drainage. On the other hand, the results of the uncertainty analysis showed results similar to those obtained by Allasia and Villanueva (2007); however, with slightly lower values, indicating the use of hydrodynamic models, even in networks dimensioned by gravity, impacts positively in the reduction of uncertainty. The most sensitive parameter was the CN indicating that changes of 10% in its value, alter approximately 30% in the peak flow and 15% the costs. The watershed area and the watershed concentration time had similar results, presenting around 10% of change for peak flow and 5% of costs for typical changes of their values. Changes in the position of the rainfall peak did not significantly change the flows and cost of the network. Os modelos hidrodinâmicos permitem uma melhor caracterização do escoamento nos sistemas pluviais urbanos, contemplando, inclusive, os efeitos de remanso. Dessa forma, quando utilizados no dimensionamento, produzem soluções mais eficientes e adequadas quando comparadas com aquelas obtidas do dimensionamento tradicional, como por exemplo, a partir da equação de Manning. No entanto, tornam o processo iterativo, uma vez que as alterações na rede se propagam tanto a montante como jusante fazendo com que cada alteração deva ser avaliada individualmente. Esse trabalho propõe o método automático de dimensionamento de rede de drenagem pluvial chamado ECO-SWMM. O método utiliza o modelo Storm Water Management Model (SWMM) para a simulação da rede de drenagem. A partir de uma rede inicial, o ECO-SWMM, de forma iterativa, utiliza as saídas do SWMM para dimensionar a rede de drenagem conforme um conjunto de regras pré-estabelecidas. Por outro lado, os projetistas, devido à escassez de informações das bacias brasileiras, sobretudo as urbanas, dimensionam as redes de macrodrenagem com variáveis de entradas cujos valores reais são incertos, comprometendo o próprio dimensionamento. Trabalhos anteriores como os de Allasia e Villanueva (2007) já avaliaram o impacto da incerteza, utilizando como variável de analise o custo da rede, facilitando o entendimento dos resultados por tomadores de decisão. No entanto, nenhum deles avaliou o impacto da incerteza numa rede dimensionada utilizando modelagem hidrodinâmica, pela complexidade do dimensionamento da mesma. Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar os impactos oriundos das incertezas na estimativa dos parâmetros hidrológicos (coeficiente CN, área da bacia, tempo de concentração e da posição do pico de chuva) no dimensionamento de redes de drenagem empregando a modelagem hidrodinâmica. A metodologia consistiu em alterar cada parâmetro individualmente para simulação hidrológica no Modelo Hidrológico Ecotecnologias - MHE, gerando as entradas de vazões em cada nó da rede para simulação hidráulica no SWMM por meio do método automático proposto (ECO-SWMM), que por sua vez mostrou-se eficaz para o dimensionamento de redes que operam exclusivamente por gravidade e com grande potencial para o auxílio dos projetistas no dimensionamento da drenagem urbana. Por outro lado, os resultados da análise da incerteza apontaram resultados similares aos obtidos por Allasia e Villanueva (2007), no entanto, com valores ligeiramente menores, indicando a utilização de modelos hidrodinâmicos, mesmo em redes dimensionadas por gravidade, impacta positivamente na redução da incerteza. O parâmetro mais sensível foi o CN indicando que mudanças de 10% em seu valor, alteram aproximadamente 30% na vazão de pico e 15% os custos. A área e o tempo de concentração tiveram resultados similares, apresentando em torno de 10% de alteração para vazão de pico e 5% nos custos para mudanças típicas dos seus valores. Mudanças na posição do pico de chuva não alteraram significativamente as vazões e custo da rede.

Details

Language :
Portuguese
Database :
OpenAIRE
Journal :
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UFSM, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), instacron:UFSM
Accession number :
edsair.od......3056..172be8c73daa815511aaf09d20796340