Towards urban resilience through Sustainable Drainage Systems: A multi-objective optimisation problem.

The necessity of incorporating a resilience-informed approach into urban planning and its decision-making is felt now more than any time previously, particularly in low and middle income countries. In order to achieve a successful transition to sustainable, resilient and cost-effective cities, there is a growing attention given to more effective integration of nature-based solutions, such as Sustainable Drainage Systems (SuDS), with other urban components. The experience of SuDS integration with urban planning, in developed cities, has proven to be an effective strategy with a wide range of advantages and lower costs. The effective design and implementation of SuDS requires a multi-objective approach by which all four pillars of SuDS design (i.e., water quality, water quantity, amenity and biodiversity) are considered in connection to other urban, social, and economic aspects and constraints. This study develops a resilience-driven multi-objective optimisation model aiming to provide a Pareto-front of optimised solutions for effective incorporation of SuDS into (peri)urban planning, applied to a case study in Brazil. This model adopts the SuDS's two pillars of water quality and water quantity as the optimisation objectives with its level of spatial distribution as decision variables. Also, an improved quality of life index (iQoL) is developed to re-evaluate the optimal engineering solutions to encompass the amenity and biodiversity pillars of SuDS. Rain barrels, green roofs, bio-retention tanks, vegetation grass swales and permeable pavements are the suitable SuDS options identified in this study. The findings show that the most resilient solutions are costly but this does not guarantee higher iQoL values. Bio-retention tanks and grass swales play effective roles in promotion of water quality resilience but this comes with considerable increase in costs. Permeable pavements and green roofs are effective strategies when flood resilience is a priority. Rain barrel is a preferred solution due to the dominance of residential areas in the study area and the lower cost of this option.

Controle de enchentes no lote por poço de infiltração de água pluvial sob nova concepção / Stormwater source control with infiltration wells under a new conception

RESUMO O objetivo deste trabalho foi avaliar uma nova concepção de poço de infiltração como técnica de controle de drenagem pluvial na fonte. Esse poço, denominado P-GHidro, possui furos na parede dos anéis de concreto, camada de brita externa aos anéis para melhorar a distribuição de água, pré-filtro de geotêxtil na tampa e filtros adicionais no fundo e na lateral, entre a brita e o solo. Usou-se como referência o poço de infiltração comumente empregado em São Carlos, São Paulo (P-SC), cuja construção foi realizada com anéis de concreto justapostos ao solo sem furos laterais e sem pré-filtro. Foram realizados seis ensaios de chuvas simuladas para cada poço de infiltração. Os dados experimentais de vazão de água infiltrada foram modelados pelo método de Puls. A condutividade hidráulica, constante ou variada, foi empregada como parâmetro de calibração do modelo aos dados experimentais; o ajuste foi avaliado por meio dos coeficientes de determinação (R2) e de Nash-Sutcliffe (NS). O P-GHidro apresentou melhor desempenho na infiltração de água pluvial, com volume armazenado 25% menor e tempos de esvaziamento 4% menores que os do P-SC. A modelagem apresentou boa representatividade dos dados experimentais para condutividade hidráulica constante (média de R2 de 0,92 e de NS de 0,56) e melhor ainda para condutividade hidráulica variada (média de R2 de 0,97 e de NS de 0,97).

ABSTRACT The objective of this study was to evaluate a new concept of infiltration well as in loco stormwater drainage source control. This infiltration well, namely P-GHidro, has holes in the wall of the concrete rings, layer of gravel external to the rings in order to improve the water distribution, a geotextile prefilter on the cover, and additional filters on the bottom and on the sides between the gravel and the soil. An infiltration well common in San Carlos (P-SC), São Paulo, Brazil, was used as reference, and its construction uses concrete rings juxtaposed to the soil without side holes or prefilter. Six tests of simulated rain were performed for each design infiltration well. The experimental data of infiltrated water flow were modeled by Puls method. The hydraulic conductivity, constant or variable, was used as a model adjustment parameter to the experimental data, and the adjustment was assessed using the coefficients of determination (R2) and Nash-Sutcliffe (NS). P-GHidro had a better performance in the stormwater infiltration, with stored volume and emptying times smaller than the P-SC. The modeling showed good adjustments to the experimental data for constant hydraulic conductivity (average R2 = 0.92 and NS = 0.56) and even better adjustments for variable hydraulic conductivity (average R2 = 0.97 and NS = 0.97).

O efeito do hidrograma e da concentração afluentes na remoção de material particulado em canal gramado / The effect of hydrograph and of inlet concentration in particle removal on grassy channel

RESUMO Neste trabalho buscou-se avaliar o efeito do hidrograma e da concentração afluentes na remoção de material particulado em canal gramado construído em escala real. Para tal, foram investigados três hidrogramas de entrada e concentrações iniciais (Co) de material particulado: 65; 130; 195; 263, 327 e 400 mg/L, os quais foram descarregados em canal gramado de 100 m de extensão e declividade de 2%. O pico dos hidrogramas investigados foi da ordem de 11±2 L/s; e o tempo de base (tB), determinado no ponto de descarregamento no canal, variou entre 15, 25 e 35 minutos. O tempo de trânsito no canal (tT) foi da ordem de 10,5±2,5 minutos, o que corresponde à velocidade de 0,14±0,02 m/s. Para tB de 15 minutos, a média das máximas eficiências foi da ordem de 64±3%, para posição de 31±26 m. Para tB de 25 minutos, a média das máximas foi da ordem de 73±3%, para posições de 59±24 m. Finalmente, para tB de 35 minutos, a média das máximas eficiências obtidas foi da ordem de 65±3%, nas posições de 73±15 m. Verificou-se que 70% dos valores da constante de decaimento (k d) estão entre 0,005 e 0,015 s-1, e, ao desconsiderar o hidrograma representado por tB de 15 minutos, 90% dos dados estão no intervalo 0,005 ≤ k d ≤ 0,015 s-1. Além disso, foi identificada relação direta e proporcional entre a concentração final (C*) e as concentrações iniciais (Co).

ABSTRACT The present work investigated the effect of hydrograph and inlet concentration on the removal of particle matter on a constructed real scale grassy channel. For this, three input hydrographs and initial concentration (Co) of particulate matter were investigated, as following: 65; 130; 195; 263, 327 and 400 mg/L, which were discharged in a grassy channel with 100 m length and a 2% slope. The peak of the hydrographs investigated was around 11±2 L/s; and the time base (tB), determined in the unloading point on the channel, ranged between 15, 25 and 35 minutes. The transit time in the channel (tT) was about 10.5±2.5 minutes, corresponding to a speed of 0.14±0.02 m/s. For 15 minutes tB, the average of maximum efficiencies was around 64±3% for the position 31±26 m. For 25 minutes tB, it was around 73±3% for 59±24 m. Finally, for 35 minutes tB the average of maximum efficiencies was about 65±3% for 73±15 m. It was verified that 70% of the values of the decay constant (k d) are between 0.005 and 0.015 s-1; and, when the tB of 15 minutes is not considered, 90% of the data is in the range of 0.005≤ k d ≤0.015 s-1. Also, a direct and proportional behavior of the final concentration (C*) and the initial concentration (Co) was identified.

Avaliação do desempenho de canal gramado na remoção de material suspenso em escoamento superficial pluvial / Performance of natural channel on removing suspended matter from runoff

RESUMO Neste trabalho, buscou-se avaliar o desempenho de canal gramado na remoção de material suspenso presente em escoamento superficial em unidade construída em escala real. Para tal, foram investigadas diferentes concentrações iniciais de material particulado, o qual foi descarregado por meio de chuvas simuladas em canal de 100 m de extensão e declividade de 2%. As medidas de material particulado foram feitas mediante a análise de sólidos suspensos totais (SST) em diferentes posições ao longo do canal. Os hidrogramas de descarregamento e as lâminas de água no canal foram monitorados durante a passagem da onda de cheia. Avaliaram-se as frações removidas para cada evento isolado e também em conjunto, por intermédio da interpolação por krigagem. Remoções da ordem de 50% foram obtidas para a posição de 50 m do canal gramado e de 70% para a posição de 80 m. Os resultados mostraram que a remoção de material particulado é fortemente dependente da extensão do canal e que os aspectos dinâmicos decorrentes da passagem da onda de cheia influenciam no processo.

ABSTRACT In this study, the performance of a natural channel in removing particulate matter from runoff was evaluate. For this purpose, different initial concentrations of particles, which were discharged by means of simulated 100 m in length and slope of 2% channel rains, were investigated. The measurements of particulate matter were made by means of total suspended solids (TSS) at different positions along the channel. Hydrograph and water levels in the canal during the passage of the flood wave were monitored. The removed fractions for each one of the isolated essays and also in a combined way were evaluated, by applying kriging interpolation. Removals around 50% were obtained for the channel position of 50 m and 70% for channel position of 80 m. The results indicated that the removal of particulate material is strongly dependent on the extension of the channel and the dynamic aspects arising from the passage of the flood wave influence in the process.

Avaliação da construção e operação de técnicas compensatórias de drenagem urbana: o transporte de finos, a capacidade de infiltração, a taxa de infiltração real do solo e a permeabilidade da manta geotêxtil / Evaluation of best management practices' construction and operation: the fine particles transportation, the infiltration capacity, the soil infiltration loading rate and the geotextile permeability

Este trabalho avaliou aspectos da construção e operação de técnicas compensatórias em drenagem urbana e seu efeito na taxa de infiltração das unidades em escala real. Para tal, foram estudados dois sistemas, a saber: i) filtro-vala-trincheira de infiltração (FVT) e ii) poço de infiltração (PI). A infiltração do solo foi avaliada por meio de ensaios de campo (ensaios de duplo anel e poço invertido) e por medidas das unidades experimentais. Além disso, foram investigados o teor de material pulverulento e a permeabilidade de amostras do geotêxtil utilizado no FVT e PI, nas condições pré e pós-instalação. A despeito das proteções instaladas, houve transporte de finos para o interior das unidades e que esses influenciaram na permeabilidade da manta geotêxtil (redução de 30 a 90% para o FVT e de 40 a 70% para o PI) e nas taxas de infiltração nas unidades em escala real (de 4,7 x 10-6 a 10-5 m.s-1). .

This work aimed to evaluate some aspects of construction and operation of full-scale best management practices and their effects on infiltration loading rate. Two systems were studied: i) filter-swale-trench (FST) and ii) infiltration well (IW). In these units, field essays and full-scale measurements were made in order to assess the soil permeability. Further, the fine particles transportation and the geotextile blanket permeability were determined before and after operation. The results pointed out that there were soil transportation to inside the FST and IW systems, despite of the installed protections, and that these material were responsible for diminishing the geotextile (reduction from 30 to 90% for FST and 40 to 70% for IW) and the full-scale infiltration loading rates (varying from 4,7 x 10-6 to 10-5 m.s-1).

Estimativa de área impermeabilizada diretamente conectada e sua utilização como coeficiente de escoamento superficial / Estimate of directly connected impervious areas and its use as runoff coefficient

Neste estudo realizou-se a caracterização do uso e ocupação do solo na cidade de Ribeirão Preto (SP), além da análise detalhada da impermeabilização urbana e conectividade hidráulica dos lotes. Também foi avaliado o coeficiente de escoamento superficial (C) para seis sub-bacias, utilizando-se três métodos com diferentes níveis de precisão. Utilizando-se o Método Racional com os valores estimados de C, calcularam-se os picos de vazão para as sub-bacias. Identificou-se que a impermeabilização cresce com a redução da área do lote. As estimativas de C resultam em diferenças importantes em seus valores, refletindo na previsão da vazão. A utilização de tabelas com C detalhado e no seu limite superior se aproxima dos valores estimados por C AIDC. Recomenda-se estimar C AIDC a partir da área do lote ou pesquisa de campo.

This paper presents a study of characterization of land occupation and its use in the city of Ribeirão Preto (São Paulo), as well as a detailed analysis of the urban imperviousness and hydraulic connectivity of the plots. The runoff coefficient (C) for siz sub-basins was evaluated on the basis of three different definitions. The peaks of outflow for the sub-basins were calculated using the Rational Method with the estimated values of C. It was identified that the imperviousness increases as the area of the plot decreases. The estimative of the C show important differences in its values, influencing the outflow. The use of tables with detailed and maximal C values beyond its superior limitation is equivalent to the values estimated with C DCIA. It is recommended that the C DCIA relative to the area be estimated based on the plot or field researches.

Parâmetros de projeto de microrreservatório, de pavimentos permeáveis e de previsão de enchentes urbanas / Design parameters for micro reservoir, for porous pavements and for forecast of urban flow

Esta pesquisa teve como objetivo principal avaliar o uso e a ocupação dos lotes de uma área urbana e analisar as possibilidades de uso das medidas de controle local de inundação: microrreservatórios de detenção e pavimentos permeáveis. A área de estudo foi a Sub-bacia Hidrográfica Urbana da Ponte Seca (SBHUPS), em Jaboticabal - SP. O total de lotes da SBHUPS é 1.777. Avaliaram-se 164 lotes, por amostragem aleatória estratificada proporcional de acordo com a área. Utilizou-se de levantamento de campo, informações cadastrais e entrevistas com moradores para a coleta dos dados. Caracterizaram-se a área livre, área impermeabilizada, área construída, taxa de ocupação (TO), taxa de ocupação e impermeabilização (TOI), tipo de solo, nível do lençol freático e topografia de cada lote amostrado. Argüiram-se os moradores sobre a aceitação do uso das medidas. Estes parâmetros foram usados para avaliar as possibilidades de suas implantações e, então, avaliaram-se os custos. Os valores médios por estrato indicam que a TO e a TOI decrescem com o aumento da área do lote. Obtiveram-se relações entre TO e área do lote, TOI e área do lote e TO e TOI representadas por equações, cujos coeficientes de determinação ficaram acima de 0,96. O uso dos microrreservatórios de detenção, como medida de controle, foi limitado pela aceitação dos moradores, a 82,8 por cento dos lotes. O uso do pavimento permeável foi restringido pelos parâmetros área livre e aceitação dos moradores.