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Tesis:

Investigating hydrological parameters for nature based solution characterization

  • Autor: PAMPALONI, Matteo

  • Título: Investigating hydrological parameters for nature based solution characterization

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72355/

  • Director/a 1º: SORDO WARD, Álvaro

  • Resumen: Alternative stormwater management approaches for urban watersheds, also called Sustainable urban Drainage Systems (SuDS) or Low Impact Developments (LIDs), are increasingly being adopted with the aims of providing flow management, flood control, water quality improvements and opportunities to harvest stormwater. SuDS structures are typically small, decentralized systems form managing stormwater runoff near the source. These systems interact with the urban hydrological cycle, modifying the evapotranspiration, runoff, and groundwater recharge fluxes. It is challenging to quantify these hydrological changes because of the cost and complexity of modelling multiple SuDS systems in larger scale urban watersheds. Nevertheless, hydrological design of SuDS is commonly achieved by setting rainfall volumetric percentiles from daily rainfall series, but due to the small scale of urban watersheds and quantities involved, design rainfall data at sub-hourly time step are necessary. For these reasons, operation of new modelling and designing tools need to be explored. The research work discussed here is aimed to analyze the ability of a synthetic rainfall generation process to improve SuDS design. Particularly, the temporal disaggregation of daily rainfall records using stochastic methodologies is applied to improve SuDS design parameters and to run a long-term hydrological model to evaluate watershed scale effects of several SuDS scenarios. The first part of this research is aimed to analyze: 1) the ability of the synthetic rainfall generation process to reproduce the main characteristics of the observed rainfall; 2) the hydrologic parameters often used for SuDS design based on the generally available daily rainfall data. Other specifics objectives concern with the evaluation of Minimum Inter-event Time (MIT) and storm volume threshold on rainfall volumetric percentiles, commonly used in SuDS design. The reliability of the stochastic spatial-temporal model RainSim V.3 to reproduce observed key characteristics of rainfall pattern and volumetric percentiles, is also investigated. Observed and simulated continuous rainfall series with sub-hourly time-step are used to calculate four key characteristics of rainfall and two types of rainfall volumetric percentiles. To separate independent rainstorm events, MIT values of 3, 6, 12, 24, 48 and 72 h and storm volume thresholds of 0.2, 0.5, 1 and 2 mm are considered. Results show that the proposed methodology improves the estimation of the key characteristics of the rainfall events as well as the hydrologic parameters for SuDS design, compared with values directly deduced from the observed rainfall series with daily time-step. Moreover, MITs rainfall volumetric percentiles of total number of rainfall events are very sensitive to MIT and threshold values, while percentiles of total volume of accumulated rainfall series are sensitive only to MIT values. In the second part of the research work discussed here, an approach based on a stochastic temporal disaggregation of daily rainfall data is coupled with a hydrological model implemented at urban watershed scale. The long-term efficiency of several LID scenarios on reducing runoff is tested both with independent flow events approach and with the annual maxima peak flows associated with some return periods over the considered time-period. The evaluation is done using twenty LID scenario characterized by four percentages of impervious area retrofitted with LIDs (25, 50, 75 and 100%), and five LID combinations of Green Roofs, Rain gardens and Cisterns on peak flow reduction. Stochastic temporal disaggregation and generation of 500 years of rainfall data with sub-hourly time-step has been achieved using the rainfall generator RainSim V.3. and coupled with the LID module of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) hydrological model. Results show that combinations of different LID types generally offer higher peak flow reduction when more type of LIDs area is added. Hydrological performances of LID combinations are very sensitive to the intensity of rainfall events as well as percentages of area treated. Watershed scale performance of single LID types may not be proportional to what observed for the single infrastructure, due to synergy processes that occurs between multiple structures. RESUMEN Los enfoques alternativos de gestión de aguas pluviales para cuencas hidrográficas urbanas, también llamados Sistemas de drenaje urbano sostenible (SuDS) o Desarrollos de bajo impacto (LID), se están adoptando cada vez más con el objetivo de proporcionar gestión de flujo, control de inundaciones, mejoras en la calidad del agua y oportunidades para recolectar aguas pluviales. Las estructuras SuDS suelen ser sistemas pequeños y descentralizados que gestionan la escorrentía de aguas pluviales cerca de la fuente. Estos sistemas interactúan con el ciclo hidrológico urbano, modificando los flujos de evapotranspiración, escorrentía y recarga de aguas subterráneas. Es un desafío cuantificar estos cambios hidrológicos debido al costo y la complejidad de modelar múltiples sistemas SuDS en cuencas urbanas de mayor escala. Sin embargo, el diseño hidrológico de SuDS se logra comúnmente mediante el establecimiento de percentiles volumétricos de lluvia a partir de series de lluvia diarias, pero debido a la pequeña escala de las cuencas hidrográficas urbanas y las cantidades involucradas, se necesitan datos de lluvia de diseño en pasos de tiempo inferiores a una hora. Por estas razones, es necesario explorar el funcionamiento de nuevas herramientas de modelado y diseño. El trabajo de investigación discutido aquí tiene como objetivo analizar la capacidad de un proceso de generación de lluvia sintética para mejorar el diseño de SuDS. En particular, se aplica la desagregación temporal de los registros de precipitaciones diarias utilizando metodologías estocásticas para mejorar los parámetros de diseño de SuDS y ejecutar un modelo hidrológico a largo plazo para evaluar los efectos a escala de la cuenca hidrográfica de varios escenarios de SuDS. La primera parte de esta investigación tiene como objetivo analizar: 1) la capacidad del proceso de generación de lluvia sintética para reproducir las principales características de la lluvia observada; 2) los parámetros hidrológicos que se utilizan a menudo para el diseño de SuDS en función de los datos de precipitaciones diarias generalmente disponibles. Otros objetivos específicos se relacionan con la evaluación del Tiempo Mínimo Inter-Evento (MIT) y el umbral de volumen de tormenta en los percentiles volumétricos de lluvia, comúnmente utilizados en el diseño de SuDS. También se investiga la confiabilidad del modelo espacio-temporal estocástico RainSim V.3 para reproducir las características clave observadas del patrón de lluvia y los percentiles volumétricos. Las series de precipitaciones continuas observadas y simuladas con intervalos de tiempo subhorarios se utilizan para calcular cuatro características clave de las precipitaciones y dos tipos de percentiles volumétricos de precipitaciones. Para separar los eventos de tormenta independientes, se consideran valores MIT de 3, 6, 12, 24, 48 y 72 h y umbrales de volumen de tormenta de 0,2, 0,5, 1 y 2 mm. Los resultados muestran que la metodología propuesta mejora la estimación de las características clave de los eventos de lluvia, así como los parámetros hidrológicos para el diseño de SuDS, en comparación con los valores deducidos directamente de las series de lluvia observadas con paso de tiempo diario. Además, los percentiles volumétricos de lluvia de MIT del número total de eventos de lluvia son muy sensibles al MIT y los valores de umbral, mientras que los percentiles del volumen total de las series de lluvia acumulada son sensibles solo a los valores de MIT. En la segunda parte del trabajo de investigación discutido aquí, un enfoque basado en una desagregación temporal estocástica de datos de precipitación diaria se combina con un modelo hidrológico implementado a escala de cuenca urbana. La eficiencia a largo plazo de varios escenarios LID para reducir la escorrentía se prueba tanto con el enfoque de eventos de caudal independientes como con los caudales pico máximos anuales asociados con algunos períodos de retorno durante el período de tiempo considerado. La evaluación se realiza utilizando un escenario de veinte LID caracterizado por cuatro porcentajes de área impermeable readaptada con LID (25, 50, 75 y 100%), y cinco combinaciones de LID de techos verdes, jardines de lluvia y cisternas en reducción de flujo máximo. La desagregación temporal estocástica y la generación de 500 años de datos de lluvia con pasos de tiempo sub-horarios se lograron utilizando el generador de lluvia RainSim V.3. y junto con el módulo LID del modelo hidrológico de la Herramienta de Evaluación de Suelos y Aguas (SWAT). Los resultados muestran que las combinaciones de diferentes tipos de LID generalmente ofrecen una mayor reducción del flujo máximo cuando se agrega más tipo de área de LID. Los rendimientos hidrológicos de las combinaciones LID son muy sensibles a la intensidad de los eventos de lluvia, así como a los porcentajes de área tratada. El rendimiento a escala de la cuenca hidrográfica de los tipos de LID únicos puede no ser proporcional a lo observado para la infraestructura única, debido a los procesos de sinergia que se producen entre múltiples estructuras.