Ontwikkeling van een integrale benadering voor waterbeheer in stedelijk gebied

Promotie onderzoek

2006 – 2009

Toine Vergroesen

Onderdeel van

Delft Cluster II project Integraal Stedelijk waterbeheer

Workpackage 1: Integrale modellering

april 2008

april 2008 2

Inhoud presentatie

1. Doelstelling onderzoek

2. Uitgevoerde activiteiten 2007• State of the art• SDWA : Singapore Delft Water Alliance• Onderzoek• Instrument

3. Planning activiteiten 2008

4. Vragen en discussie

of eerst evt. paar slides met iets meer detail over:• experimenten• model framework• modelprocessen / experimenten

april 2008 3

Doelstelling van het onderzoek

Ontwikkeling van een instrument dat een integrale benadering mogelijk maakt voor het ontwerpen en operationeel beheersen van water in stedelijke gebieden

Toegesneden op het verschaffen van inzicht in:• waterstromen in en tussen de verschillende onderdelen van

het stedelijk watersysteem• samenhang en onderlinge beinvloeding van deze

waterstromen• waterkwantiteit, waterkwaliteit en ecologie• op elk gewenst schaalniveau

april 2008 4

Activiteiten 2007:1. State of the Art / Lopende research programma’sEuropese spelbepalende instituten:

• Wallingford (Infoworks - modellen)• Danish Hydraulic Institute (Mike - modellen)• WL | Delft Hydraulics (Sobek – modellen)

Universiteiten met eigen onderzoeksprogramma:• University of Exeter (prof. David Butler (WaND) + 4 staff-members)• University of Copenhagen (dr. Marina Bergen Jensen : 2BG)

Internet / incidentele meetings:• USA (modelling tools)• Australie (modelling tools; urban water approach: Tony Wong)

buiten NL: focus op “storm water” en “flooding” (urban drainage)

april 2008 5

Activiteiten 2007:2. SDWA : Singapore Delft Water Alliance1. Combinatie van onderzoeksprogramma’s:

• WL | Delft Hydraulics (TV: Integrated approach + EP: Water quality and biology + AW: Water sediment and chemistry)

• NUS (Urban water systems: quantity, quality, biology, chemistry)

2. Plan voor uitvoeren van experimenten:• valideren van processen

• verminderen / vertragen van urban runoff• effect van vegetatie / grond

3. Software ontwikkeling (framework + processen)

april 2008 6

Activiteiten 2007:3. Onderzoek1. Onderzoek naar de manier van koppelen van snelle en trage systemen

(runoff – grondwater – oppervlaktewater):• impliciet (itererend – convergentie per tijdstap)• expliciet (volgend – water doorsluizen naar volgende tijdstap)

2. Artikel voor internationaal tijdschrift• ingediend bij Hydrological Sciences Journal• plaatsing verwacht tweede helft 2008

3. Onderzoek naar opschaling van drainage systemen• nagenoeg afgerond artikel

4. Begeleiding student• onderzoek naar grondwateraanvulling in stedelijk gebied met

behulp van impuls – respons technieken• nagenoeg afgerond artikel (?)

april 2008 7

Activiteiten 2007:4. Instrument1. General framework waar processen in hangen

• ontwerp is klaar• software-ontwikkeling (bouw) in gang gezet (NUS)

2. Stedelijk water processen• onderzoek naar bepalende processen op “kleinste” schaal is

gaande• onderzoek naar opschaling van processen is gaande• opzet voor “inhangen” van processen in general framework is in

gang gezet (samen met NUS)

3. Oplossingstechnieken• overleg gehad met software ontwikkelaars van WL (Sobek-team)

en TUD (o.a. prof. Guus Stelling) over rekentechnieken

april 2008 8

Activiteiten 2008:1. Onderzoek

• onderzoek naar bepalende processen afronden• onderzoek naar opschalen van processen afronden

2. Software• Completering general framework• Inhangen van processen in general framework

3. Experimenteel onderzoek (Singapore)• bouw opstellingen voor experimenten• uitvoeren experimenten met vegetatie op daken• planning experimenten proces-validatie• artikels (ca. 2) schrijven over deze experimenten

4. Opzetten case voor test van instrument (onderdelen)

april 2008 9

Vegetation roof experiments

normal roof inclination should be kept in mind

drained undrained temperature experimentdirect on roof top

measuring instruments

rain gage

measure box

leaky paved leaky paved

vegetation 1 vegetation 1

vegetation 2 vegetation 2

bare soil bare soil

partly filled partly filled

reference

measure box

april 2008 10

Rainfall runoff experiments

surface water

soil with groundwater

sewer

rain water container

(incl. pump)

partition walls

turnable roof moveable

back wall

sprinkler system

supply pipe

gutter

downsprout

surface cover

concrete floor

hinge

april 2008 11

high parts 100% Y

N

high parts100% paved

N

Y

high parts100% unpaved

Y

N

water flowshigh unpaved

water flowshigh paved

high parts Y

N

open water Y

N

sum low parts100% unpaved

N

Y

rest low partunpaved

N

Y

rest low partpaved

Y

N

sum low parts100% paved

Y

N

sum low parts100% open water

Y

N

water flowslow unpaved

water flowslow paved

water flowsopen water

water flowslow paved

water flowslow unpaved

sum high pavedparts 100%

YN

part landusehigh paved

Y

N

landuse 100%high pavedY

N

water flowsin urban area

water flowshigh parts

water flowslow parts

throughfall tohigh paved

throughfall tolow parts

discharge tolow parts

discharge toneighbour cel

water flowsin urban area

General framework of the instrument

Model for empty box

model units: 1. atmosphere ? 2. box floor BF, with area AB

3. drain floor DF, with area AD

4. outflow bucket ?

HBF

SD

HDF

QD

QRO

P E

AB AD

SB

1

2a 3a

42b

3b

connecting process equations (simplified version, can be exchanged at a later stage):

1 2a : ( ) ; in which p is input (constant during )

2

BP t A p t

0 : ( ) 0a 1 : ( ) ; in which is input (constant during )

( ) : ( ) 0

( ): ( )

2a 3a : ( ) ; w( ) ( )

: ( )

BPOT

B POT B

B BFB D BF

BD

B DB D BF

B

S tE t E t

A E t S t

H t HA H t H

WQ t

H t H tA H t H

W

ith is flow resistance of box

( )3a 4 : ( ) ; with is flow resistance of drain

B

D DFRO D D

D

W

H t HQ t A W

W

elements : storage volumes / water levels :

( )2a : ( ) ( ) ( )

( )2b : ( )

( )3a : ( ) ( )

( )3b : ( )

BD

BB BF

B

DD RO

DD DF

D

dS tP t E t Q t

dtS t

H t HA

dS tQ t Q t

dtS t

H t HA

Model for box with soil (1)

model units: 1. atmosphere ? 2. overlandflow: O 3. soil: S 4. gravel: G 5. drain floor: DF 6. outflow bucket ?

soil

HDFHBF

HOF

SD

QRO

AB

QD

P EQO

DG

SG

DS

ADSoil

Gravel

SS

SO

QP

QI

QC

T

1

2a

5a

6

3

4a

2b

4b

5b

elements : storage volumes / water levels :

( )2a : = change of storage on surface

2b : ( ) = water level on surface

( )3 : = change of storage in soil layer

( )4a : = change

O

O

S

G

dS t

dtH t

dS t

dtdS t

dtof storage in drainage layer

4b : ( ) = water level in drainage layer

( )5a : = change of storage in discharge drain

5b : ( ) = water level in discharge drain

B

D

D

H t

dS t

dtH t

Model for box with soil (2)

soil

HDFHBF

HOF

SD

QRO

AB

QD

P EQO

DG

SG

DS

ADSoil

Gravel

SS

SO

QP

QI

QC

T

1

2a

5a

6

3

4a

2b

4b

5b

connecting processes (processes can be selected from process library):

1 2a : ( ) precipitation

2a 1 : ( ) evaporation

2a 3 : ( ) infiltration

2a 5a : ( ) surface runoff (overland flow)

3 1

I

I

P t

E t

Q t

Q t

: ( ) transpiration

3 4a : ( ) percolation

4a 3 : ( ) capilary rise

4a 5a : ( ) flow through drainage layer

5a 6 : ( ) total runoff

P

C

D

RO

T t

Q t

Q t

Q t

Q t