Detailed uncertainty analysis of urban hydraulic structures in large catchments

Abstract

Quantifying and reducing uncertainty in a numerical model improve model reliability and enhance model performance. For an urban drainage flow, the state-of-the-art modelling method is dual drainage modelling where the surface drainage system is represented as two dimensional, and the buried piped network is represented as one dimensional. Most of these models use the St. Venant equation to calculate the flow, which does not help with the modelling of drainage structures such as manholes and gullies as they have complex three-dimensional flow. These structures are represented as point entities using head loss coefficients and discharge coefficients. This involves uncertainty in results as the values of these coefficients are highly case dependent. Urban drainage models also require hydrological input boundaries such as discharge and water levels, for which they are dependent on measurements or outputs of a hydrological model. A major part of this thesis focuses on finding the uncertainty of manhole head loss coefficients and gully discharge coefficients (Chapter 3 to Chapter 6). The last part of the thesis (Chapter 7) focuses on quantifying uncertainties in rainfall-runoff hydrological model results to ensure efficient flood forecasting. In analysing the uncertainty of the manhole and gully modelling, the primary focus was given to understanding the hydraulics and the flow through these structures correctly. Three different sets of laboratory experiments were conducted in characterising the manhole and the gully flow. In the first measurement set, velocity measurements were done in a small-scale manhole. Stereoscopic Particle Image Velocimetry was utilised to record the three velocity components in three different two-dimensional planes at various hydraulic conditions. In the second experimental measurement set, a prototype scale manhole was utilised to measure its flow and surcharge depths at different surcharges. In the third experimental work, velocity measurements were conducted in a prototype gully using ADV. Computational fluid dynamics (CFD) was used to investigate the flow behaviour and inspect the manhole head loss coefficients and gully discharge coefficients at distinct conditions. The scaled manhole model was replicated primarily utilising OpenFOAM® CFD modelling tools. A multiphase Volume of Fluid (VOF) model was constructed by applying four different Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) turbulence models. The PIV measurement data was used to validate the CFD modelling procedure. The comparison showed that among four different RANS models the RNG k-ε model is the best choice considering model result quality of velocity and pressure as well as time requirement in model simulation. Later, RNG k-ε model was applied in replication of the prototype scale manhole used in the laboratory. The model also showed good performance when model data were compared with the experimental measurement of discharge and pressure. Lastly, the validated CFD model was used to find uncertainty of manhole head loss coefficients in prototype scale manhole models. Three different manhole moulds found in the drainage systems were analysed numerically: Type A with sump zone, Type B without a sump and Type C with benching. The effect of small bending angles and manhole of inlet diameter ratios were further checked for Type A manhole. Results showed that at very small bending angles, jet flow core region can still dissipate through the outlet pipe and causes a minimal increase of head loss at the post threshold surcharge. At higher bending angles, the core jet flow disappears in the manhole, and higher head loss coefficients are observed for all surcharge. The Type A manhole showed an alternation of the hydraulic regime at manhole diameter ratio of 3.0. Over this ratio, manholes showed indication of threshold surcharge zone, which was absent in lower ratios. CFD model of prototype gully showed good agreement when compared to ADV velocity data. The validated gully model was used to check different gully discharge coefficients for different gully outlet water levels. Three different downstream surcharge levels were identified for which the gully flows show different discharge coefficients. The last part of the dissertation focuses on quantifying uncertainty in a rainfall-runoff model. A tool was developed which can be used for automated flood forecasting including estimation of input and parameter uncertainties. It can also forecast flood discharge using ensemble-based Monte Carlo method. The tool was successfully applied at the city of Kulmbach located within Upper Main river catchment in Germany. A new methodology is proposed for flood forecasting named ‘Discharge Interval Method’. When compared with the traditional Monte Carlo method, the Discharge Interval Method was also found to efficiently hindcast historical flood events in a fraction of time without downgrading forecast quality.

Quantificar e reduzir as incertezas de um modelo numérico pode melhorar tanto a sua confiabilidade como melhorar o seu desempenho. Os modelos atuais de drenagem urbana utilizam o conceito de drenagem dual, onde o sistema de drenagem superficial é calculada como bidimensional e a rede enterrada é calculada como unidimensional. A maioria desses modelos usa as equações de Saint-Venant para calcular o escoamento no qual as estruturas de drenagem, como caixas de visita e sumidouros, não são simulados pois têm um comportamento claramente tridimensional. Estes elementos são normalmente traduzidos por valores de perda de carga pontuais e coeficientes de vazão, potenciando incerteza nos resultados. Os modelos de drenagem urbana também requerem fronteiras de entrada de origem hidrológica, tais como caudais e alturas de água, que dependem de medições experimentais ou saídas de outros modelos hidrológicos. A presente tese foca-se maioritariamente na formulação da incerteza dos coeficientes em caixas de visita e dos respetivos coeficientes de vazão. A última parte da tese concentra-se em encontrar incertezas da modelação hidrológica de chuvadas e escoamentos para garantir uma previsão eficiente de cheias. Ao analisar a incerteza na simulação numérica de caixas de visita e sumidouros, o foco principal foi o de compreender os fenómenos hidráulicos que ocorrem nessas estruturas. Três estruturas experimentais em laboratório foram usadas para adquirir dados experimentais do escoamento. No primeiro ensaio foram retirados dados de velocidade numa caixa de visita. A técnica de velocimetria por imagem de partículas (PIV na sigla inglesa) foi utilizada para recolher a velocidade do escoamento nas três componentes em três planos bidimensionais para diferentes condições hidráulicas. No segundo ensaio foi usada uma caixa de visita à escala real a fim de se conhecer o escoamento e as profundidades de escoamento para diferentes caudais. No terceiro ensaio foram medidas as velocidades pontuais num sumidouro à escala real recorrendo a um equipamento de Doppler (ADV na sigla inglesa). Modelos de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD na sigla inglesa) foram usadas para investigar o comportamento do escoamento e inspecionar as perdas de carga na caixa de visita e os coeficientes de drenagem do sumidouro para diferentes condições hidráulicas. A caixa de visita foi numericamente simulada usando a ferramenta de CFD OpenFOAM recorrendo a um modelo baseado na técnica de Volume de fluido (VOF na sigla inglesa) em conjunto com quatro tipos de modelos de turbulência baseados na decomposição de Reynolds (RANS na sigla inglesa). As medições de PIV foram usadas para calibrar o modelo numérico. A comparação mostrou que entre os diferentes modelos RANS, o modelo RNG k-ε foi o que melhor representou a velocidade e pressão medida experimentalmente e apresentou um menor tempo computacional. Este modelo foi posteriormente usado para a simulação da caixa de visita com bons resultados relativamente à simulação dos caudais e pressões. A calibração deste modelo foi definitiva para a quantificação da incerteza dos coeficientes de perda de carga na caixa de visita considerando diferentes geometrias normalmente usadas nos sistemas de drenagem, Tipos A, B e C. Foram estudados os efeitos de pequenos desvios entre a entrada e a saída da caixa e diferentes rácios entre o diâmetro da caixa de visita e a conduta de entrada para o Tipo A. Os resultados mostraram que para pequenos desvios entre a entrada e a saída, o jato principal é dissipado pela saída e causa uma pequena perda de carga. Já para os desvios maiores, o jato desaparece dentro da caixa de visita gerando grandes perdas de carga. Na caixa de visita do Tipo A foi identificado um regime hidráulico alternado para um rácio de 3.0 entres os diâmetros caixa/entrada. Acima deste rácio foi encontrada uma zona de sobrecarga bem identificada. O modelo CFD do sumidouro mostrou excelente performance quando comparado com os dados de velocidade do ADV. A validação deste modelo permitiu verificar os coeficientes de vazão para diferentes alturas de água. Foram identificados três regimes de escoamento a jusante do sumidouro com implicações nos coeficientes de drenagem. A última parte desta tese está focada na quantificação da incerteza de um modelo numérico hidrológico com escoamento superficial. Foi desenvolvida uma ferramenta que pode ser utilizada para antecipar automaticamente as cheias urbanas com a inclusão de parâmetros de incerteza na entrada do modelo e previsão do caudal usando o método de Monte Carlo. Esta ferramenta foi testada com sucesso na cidade de Kulmbach, na bacia do Rio Meno (Alemanha). Foi proposta uma nova metodologia para a previsão de cheias chamada de ‘Discharge Interval Method’. Quando comparada com o tradicional método de Monte Carlo, o ‘Discharge Interval Method’ foi também bastante eficiente na previsão inversa de eventos de cheias numa fração de tempo que não diminui a qualidade da previsão.