Development of a Dual Drainage Model based on the Coupling of Iber and Swmm

Abstract

[Abstract] Dual 2D/1D urban drainage models are presented as the most suitable tool for the calculation of urban floods, their management and the assessment of the associated risk. Their potential lies in the comprehensive modelling of urban hydrological processes, considering not only surface flows but also the dynamics within the drainage network. The thesis objective is the development of Iber-SWMM, a high-resolution dual 2D/1D urban drainage model that allows the fully coupled calculation of surface and drainage network flow during rainfall events, as well as the bidirectional exchange between both systems. The document includes: the development of the model by coupling the Iber (2D) and SWMM (1D) hydraulic computing engines; the realisation of experimental campaigns on a full-scale urban hydrology facility for model validation; the implementation of a numerical approach for the efficient modelling of hydrological processes on roofs; and, finally, the parallelisation of the code using high-performance computing (HPC) techniques to significantly reduce computational times. Iber-SWMM is conceived as a free tool with great potential, applicability and transferability to administrations and companies.

[Resumen] Los modelos duales 2D/1D de drenaje urbano se presentan como la herramienta más adecuada para el cálculo de inundaciones urbanas, su gestión y la evaluación del riesgo asociado. Su potencialidad radica en una modelización integral de los procesos de la hidrología urbana considerando los flujos en la superficie, así como en la red de drenaje. La tesis tiene como objetivo el desarrollo de Iber-SWMM, un modelo dual 2D/1D de drenaje urbano de alta resolución que permite realizar de manera completamente acoplada el cálculo de flujo en superficie y en red durante episodios de lluvia, así como el intercambio bidireccional entre ambos sistemas. El documento incluye: el desarrollo del modelo acoplando los motores de cálculo hidráulico de Iber (2D) y SWMM (1D), la realización de campañas experimentales en una plataforma de hidrología urbana a escala real para la validación del modelo; la implementación de un enfoque numérico para la modelización eficiente de los procesos hidrológicos en los tejados y, finalmente, la paralelización del código utilizando técnicas de computación de alto rendimiento (HPC) que reduzcan los tiempos de cálculo de forma significativa. Iber-SWMM se concibe como una herramienta gratuita de gran potencial, aplicabilidad y transferible a administraciones y empresas.

[Resumo] Os modelos duais 2D/1D de drenaxe urbana preséntanse como a ferramenta máis adecuada para o cálculo de inundacións urbanas, a súa xestión e a avaliación do risco asociado. A súa potencialidade radica nunha modelización integral dos procesos da hidroloxía urbana considerando os fluxos na superficie, así como na rede de drenaxe. A tese ten como obxectivo o desenvolvemento de Iber-SWMM, un modelo dual 2D/1D de drenaxe urbano de alta resolución que permite realizar de maneira completamente acoplada o cálculo de fluxo en superficie e en rede durante episodios de choiva, así como o intercambio bidireccional entre ambos sistemas. O documento inclúe: o desenvolvemento do modelo axustando os motores de cálculo hidráulico de Iber (2D) e SWMM (1D), a realización de campañas experimentais nunha plataforma de hidroloxía urbana a escala real para a validación do modelo; a implementación dun enfoque numérico para a modelización eficiente dos procesos hidrolóxicos nos tellados e, finalmente, a paralelización do código utilizando técnicas de computación de alto rendemento (HPC) que reduzan os tempos de cálculo de forma significativa. Iber-SWMM concíbese como unha ferramenta gratuíta de gran potencial, aplicabilidade e transferible a administracións e empresas.