Flood control in urban areas through the rehabilitation of drainage networks

Abstract

[ES] Actualmente, la mayor parte de la población mundial vive en ciudades y se espera que esta tendencia continúe, trasladando cada año más población rural hacia las áreas urbanas. Este fenómeno se debe principalmente al desarrollo económico que se genera en las ciudades. Estas condiciones plantean desafíos importantes para las ciudades en cuanto a su planificación y gestión. Si el crecimiento de la urbanización se gestiona adecuadamente puede contribuir al crecimiento sostenible, aumentando la productividad y el nivel de vida de las personas. Sin embargo, no se puede pasar por alto que el crecimiento de las ciudades implica una afectación al medioambiente. Uno de los problemas que más preocupación causa es la expansión de las ciudades que sustituyen los espacios verdes y agrícolas que rodean a las ciudades por calles y estructuras impermeables. Este proceso disminuye la capacidad del suelo para absorber el agua en un evento de lluvia, incrementando la escorrentía y el riesgo de inundaciones. Si a este problema particular de las ciudades, le sumamos el innegable cambio climático que aumenta la frecuencia de eventos de lluvias extremas en ciertas zonas del planeta, la adaptación de la infraestructura de las ciudades para hacerlas más seguras es una necesidad imperiosa. Los sistemas de drenaje son infraestructuras esenciales, concebidos para captar y transportar el agua producto de las precipitaciones, su buen funcionamiento genera seguridad y bienestar a las personas mientras que un funcionamiento inadecuado se asocia al riesgo y a la vulnerabilidad. Bajo escenarios de cambio climático estas estructuras que fueron diseñadas para caudales menores no garantizan la efectiva evacuación de las aguas, volviendo a las ciudades vulnerables a las inundaciones que pueden generar pérdidas sociales y económicas. Para mitigar estos impactos se han desarrollado diferentes medidas como las denominadas buenas prácticas de manejo o la instalación de sistemas de drenaje con tecnología de bajo impacto, entre otras. Sin embargo, estas medidas no son suficientes para controlar el caudal pico de una lluvia extrema. Adaptar la red existente a las nuevas condiciones climáticas, se presenta como una alternativa idónea para el control de las inundaciones en el entorno urbano. Ampliar la capacidad de la red cambiando el tamaño de las tuberías por otras de mayor diámetro ha sido el enfoque tradicional que se ha venido usando desde hace muchos años. La inclusión de tanques de tormenta en el sistema es una medida que se adoptó posteriormente para dotarlo de mayor resiliencia a los picos de lluvias extremas. Desafortunadamente la construcción de estas estructuras en el entorno conlleva una gran dificultad por el tamaño de la intervención, el tiempo y el coste. En este contexto, el presente trabajo, presenta una novedosa forma de mejorar las redes de drenaje combinando el cambio de tuberías, la instalación de tanques de tormenta en la red de drenaje e incluye también elementos de control hidráulico en la red de drenaje. Con estas acciones se considera que la rehabilitación de la red será más eficiente en términos técnicos y económicos. Para lograrlo, se usa un modelo de optimización creado a partir de un algoritmo genético modificado conectado al modelo SWMM mediante una toolkit. El modelo de optimización se enfoca en minimizar el coste de la infraestructura requerida y de los costes asociados a las inundaciones. Planteado así el problema, se define una función objetivo compuesta por funciones de coste que será evaluada para encontrar las mejores soluciones. El desarrollo de diferentes pasos para la obtención de una metodología eficiente, las estrategias para reducir los tiempos de cálculo y el esfuerzo computacional, el análisis económico de las inundaciones y las estructuras requeridas se detalla en cada capítulo de esta tesis.

[CA] Actualment, la major part de la població mundial viu en ciutats i s'espera que aquesta tendència continue, traslladant cada any més població rural cap a les àrees urbanes. Aquest fenomen es deu principalment al desenvolupament econòmic que es genera a les ciutats. Aquestes condicions plantegen desafiaments importants per a les ciutats quant a la seua planificació i gestió. Si el creixement de la urbanització es gestiona adequadament pot contribuir al creixement sostenible, augmentant la productivitat i el nivell de vida de les persones. No obstant això, no es pot passar per alt que el creixement de les ciutats implica una afectació al medi ambient. Un dels problemes que més preocupació causa és l'expansió de les ciutats que substitueixen els espais verds i agrícoles que envolten a les ciutats per carrers i estructures impermeables. Aquest procés disminueix la capacitat del sòl per a absorbir l'aigua en un esdeveniment de pluja, incrementant l'escolament i el risc d'inundacions. Si a aquest problema particular de les ciutats, li sumem l'innegable canvi climàtic que augmenta la freqüència d'esdeveniments de pluges extremes en unes certes zones del planeta, l'adaptació de la infraestructura de les ciutats per a fer-les més segures és una necessitat imperiosa. Els sistemes de drenatge són infraestructures essencials, concebuts per a captar i transportar l'aigua producte de les precipitacions, el seu bon funcionament genera seguretat i benestar a les persones mentre que un funcionament inadequat s'associa al risc i a la vulnerabilitat. Sota escenaris de canvi climàtic aquestes estructures que van ser dissenyades per a cabals menors no garanteixen l'efectiva evacuació de les aigües, tornant a les ciutats vulnerables a les inundacions que poden generar pèrdues socials i econòmiques. Per a mitigar aquests impactes s'han desenvolupat diferents mesures com les denominades bones pràctiques de maneig o la instal·lació de sistemes de drenatge amb tecnologia de baix impacte, entre altres. No obstant això, aquestes mesures no són suficients per a controlar el cabal pique d'una pluja extrema. Adaptar la xarxa existent a les noves condicions climàtiques, es presenta com una alternativa idònia per al control de les inundacions en l'entorn urbà. Ampliar la capacitat de la xarxa canviant la grandària de les canonades per altres de major diàmetre ha sigut l'enfocament tradicional que s'ha vingut usant des de fa molts anys. La inclusió de tancs de tempesta en el sistema és una mesura que es va adoptar posteriorment per a dotar-lo de major resiliència als pics de pluges extremes. Desafortunadament la construcció d'aquestes estructures en l'entorn comporta una gran dificultat per la grandària de la intervenció, el temps i el cost. En aquest context, el present treball, presenta una nova manera de millorar les xarxes de drenatge combinant el canvi de canonades, la instal·lació de tancs de tempesta en la xarxa de drenatge i inclou també elements de control hidràulic en la xarxa de drenatge. Amb aquestes accions es considera que la rehabilitació de la xarxa serà més eficient en termes tècnics i econòmics. Per a aconseguir-ho, s'usa un model d'optimització creat a partir d'un algorisme genètic modificat connectat al model SWMM mitjançant una toolkit. El model d'optimització s'enfoca a minimitzar el cost de la infraestructura requerida i dels costos associats a les inundacions. Plantejat així el problema, es defineix una funció objectiu composta per funcions de cost que serà avaluada per a trobar les millors solucions. El desenvolupament de diferents passos per a l'obtenció d'una metodologia eficient, les estratègies per a reduir els temps de càlcul i l'esforç computacional, l'anàlisi econòmica de les inundacions i les estructures requerides es detalla en cada capítol d'aquesta tesi.

[EN] Currently, most of the world's population lives in cities and this trend is expected to continue, moving more rural population to urban areas every year. This phenomenon is mainly due to the economic development that is generated in the cities. These conditions pose significant challenges for cities in terms of planning and management. If the growth of urbanization is properly managed, it can contribute to sustainable growth, increasing productivity and people's standard of living. However, it cannot be overlooked that the growth of cities implies an impact on the environment. One of the problems that causes the most concern is the expansion of cities that replace the green and agricultural spaces that surround the cities with streets and impermeable structures. This process decreases the capacity of the soil to absorb water in a rain event, increasing runoff and the risk of flooding. If adding to this problem of cities the undeniable climate change that increases the frequency of extreme rainfall events in certain areas of the planet, the adaptation of the infrastructure of cities to make them safer is an urgent need. Drainage systems are essential infrastructures, designed to capture and transport water produced by precipitation, their proper functioning generates security and wellness for people, while inadequate functioning is associated with risk and vulnerability. Under climate change scenarios, these structures, which were designed for lower flows, do not guarantee the effective evacuation of water, making cities vulnerable to floods that can generate social and economic losses. To mitigate these impacts, different measures have been developed, such as the so-called Best Management Practices or the installation of Low Impact Development etc. However, these measures are not enough to control the peak flow of extreme rainfall. Adapting the existing network to the new climatic conditions is presented as an ideal alternative for flood control in the urban environment. Expanding the capacity of the network by changing the size of the pipes for others with a larger diameter has been the traditional approach that has been used for many years. The inclusion of storm tanks in the system is a measure that was later adopted to provide it with greater resilience to extreme rainfall peaks. Unfortunately, the construction of these structures in the environment entails great difficulty due to the size of the intervention, the time, and the cost. In this context, the present work presents a novel way of improving drainage networks combining the replacement of pipes, the installation of storm tanks in the drainage network and also includes elements of hydraulic control in the drainage network. With these actions it is considered that the rehabilitation of the network will be more efficient in technical and economic terms. To achieve this, an optimization model created from a modified genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit is used. The optimization model focuses on minimizing the cost of the required infrastructure and the costs associated with flooding. Posing the problem in this way, an objective function is defined composed of cost functions that will be evaluated to find the best solutions. The development of different steps to obtain an efficient methodology, the strategies to reduce calculation times and computational effort, the economic analysis of floods and the required structures are detailed in each chapter of this thesis.