Development of a Fully Coupled 1D/2D Urban Flood Model

Abstract

Os espaços urbanos situam-se frequentemente em zonas costeiras ou ribeirinhas susceptíveis de alagamento. Estas áreas são muito propensas a cheias e inundações podendo originar grandes danos económicos e eventualmente problemas de saúde pública. Este risco levou a que projetistas e investigadores procurassem ferramentas de modelação eficazes que não só replicassem numericamente o escoamento superficial ou a rede de coletores pluviais, mas também a interação entre ambos. Estas ferramentas são conhecidas como sendo DD. Os modelos DD são capazes de replicar as complexas interações entre a rede de coletores e o escoamento superficial.

Esta tese tem como objetivos o desenvolvimento e avaliação de um modelo numérico totalmente acoplado de cheias urbanas capaz de replicar o escoamento na rede bidimensional superficial, o escoamento na rede de coletores e as complexas interações entre ambos.

Na investigação apresentada, derivaram-se soluções analíticas para uma das simplificações das SWE, as LInE. As LInE são uma simplificação das GWM por redução de uma dimensão (2D para 1D) e estas, por sua vez são uma simplificação das SWE por desprezo dos termos da aceleração convectiva. As soluções analíticas obtidas poderão ser usadas como referência para validação de modelos numéricos derivados para as LInE ou GWM. Foi criado um modelo numérico bidimensional com uma malha não estruturada, discretizada em triângulos. O modelo é de primeira ordem no espaço e tempo, sendo baseado numa aproximação localizada do método de Godunov usando os pressupostos do esquema de Roe para a derivação dos fluxos numéricos. Foi, ao mesmo tempo e usando o mesmo esquema, implementado um modelo para as SWE. Estes modelos criados (SWE e GWM) foram aperfeiçoados através de um esquema melhorado para o tratamento de frentes molhadas/secas com a capacidade de conservar localmente a massa. Os modelos foram acoplados a dois reconhecidos modelos de coletores, SIPSON e SWMM, que permitem o cálculo do escoamento nos coletores. Os modelos superficiais foram comparados com um modelo difusivo sem inércia (P-DWave), usando como base o modelo de coletores SIPSON. Foi também analisada a influência da propagação nos coletores no escoamento superficial, através de curvas depth-damage usando como modelo para a superfície o GWM.

As principais conclusões obtidas mostram que o GWM reproduz escoamentos com regime lento de forma semelhante às equações dinâmicas (SWE) e é capaz de reproduzir regime rápido desde que seja localizado, ao contrário das restantes simplificações das SWE. Mostrou-se também a superior eficácia computacional do GWM quando comparado com o SWE para o mesmo esquema numérico. No que diz respeito às frentes secas/molhadas, verificou-se que os esquemas que restringem os fluxos e os que conservam localmente a massa são os mais adequados na prática de engenharia. O modelo numérico totalmente acoplado, em qualquer das versões de escoamento superficial SIPSON/GWM ou SWMM/GWM provou que dispunha de características melhoradas quando comparado com outros modelos acoplados.

Globalmente os objectivos propostos para esta tese foram alcançados, tendo sido criado e validado um modelo totalmente acoplado de cheias urbano capaz de modelar o escoamento na rede bidimensional superficial, o escoamento na rede de coletores e as complexas interações entre ambos.

Urban areas often lie within floodplains or low lying coastal areas. These areas are very prone to inundations and their subsequent economic damage and potential public health issues. This risk lead designers and researchers to search for a sophisticated modelling tool capable of modelling not only surface runoff and pipe network systems isolated but also the interaction between these two systems. These tools are known as DD. DD models are able to replicate the complex interactions between the overland and the pipe network system.

The aim of this Thesis is to develop and test a novel "Fully Coupled Urban Flood Model'' capable of modelling the 2D surface flood runoff, the 1D pipe network flows and the complex interactions between the surface and subsurface systems (overland and pipe networks).

The research presented in this Thesis starts by deriving analytical solutions to a simplification of the SWE, the LInE. These equations are a simplification of the GWM by reducing one dimension (2D to 1D). GWM are an approximation of the SWE by neglecting the convective terms. The obtained analytical solutions can be used as a benchmark for the validation of the numerical models created for the LInE or GWM. A novel first order unstructured numerical model is afterwards presented for the GWM based upon an approximation of the Godunov exact solver, by making use of the Roe assumptions for the derivation of the numerical fluxes. This model is based upon a node centred triangular discretization. A SWE model is created alongside using the same scheme. The models are improved through the use of a WD scheme that is both locally and globally conservative. The models are coupled to two well established pipe network models (SIPSON and SWMM). A comparison is drawn between the two overland flow models and a diffusive wave model (P-Dwave) by using SIPSON as the pipe network model. The use of different pipe network models SIPSON and SWMM is also compared using GWM as the surface model.

The main conclusions drawn are that the GWM reproduces subcritical flow in a similar manner than SWE and is able to handle localized supercritical flow unlike other SWE simplifications. The GWM simulation time is less than SWE with the same numerical scheme. Local correction WD schemes and flux restricting schemes show the best results for treating WD fronts. The novel "Fully Coupled Urban Flood Model'' in either simplified overland flow versions SIPSON/GWM or SWMM/GWM has shown to be an effective tool in modelling complex interactions between the surface and subsurface systems. Furthermore it has proved to possess improved features when compared to other coupled models.

The proposed objectives to be achieved in this Thesis were totally fulfilled, with a "Fully Coupled Urban Flood Model'' capable of modelling the 2D surface flood runoff, the pipe network flows and the complex interactions between the surface and subsurface systems created and validated.