Complex, deterministic hydrological modelling towards decision support for urban catchment management

Males, Ryan James
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Stellenbosch : Stellenbosch University
ENGLISH ABSTRACT: Historically, urban waterresources have too often been managed without recognition that the flow in a river integrates many landscape and biological features. This has often resulted in the elimination of natural processes and their replacement by man-made streamlined structures with the effects of increased urbanisation being primarily addressed from an engineering and economics point of view to the detriment of environmental and social issues. Catchment Management, as legislated in the Water Act, No. 36 of 1998, is a management approach to address the negative consequences of an urban stormwater design philosophy restricted to flood restriction. It is a systems approach that integrates engineering and scientific skills, socio-economic concerns, and environmental constraints within a new multidisciplinary decision-making process that recognises the different components of the hydrological and aquatic cycles are linked, and each component is affected by changes in every other component. In order to make effective management decisions, catchment managers require tools to provide reliable information about the performance of alternative arrangements of stormwater management facilities and to quantify the effects of possible management decisions on the water environment. A deterministic hydrological model is such a tool, which provides the link between the conceptual understanding of the physical catchment characteristics and the empirical quantification of the hydrological, water quality and ecological response. In order to provide effective computer based decision support, the hydrological model must be part of an integrated software application in which a collection of data manipulation, analysis, modelling and interpretation tools, including GIS, can be efficiently used together to manage a large potion of the overall decision process. This decision support system must have a simple and intuitive user interface able to produce easily interpreted output. It must have powerful graphical presentation capabilities promoting effective communication and be designed to solve ill-structured problems by flexibly combining statistical analysis, models and data. The Great Lotus River canal, situated on the Cape Flats, Cape Town, has been designed and controlled through extensive canalisation and the construction of detention pond facilities to avoid the flooding of urban areas of the catchment. This approach has resulted in these channels becoming stormwater drains, transporting waste and nutrients in dissolved and particulate forms, and reducing their assimilatory capacity for water quality improvement. In order to investigate the use of hydrological modelling in decision support for Catchment Management, the semi-distributed, physically based model, SWMM, was applied to the Great Lotus River canal. SWMM consists of a number of independent modules allowing the hydrological and hydraulic simulations of urban catchments and their conveyance networks on an event or continuous basis. In order to ease the application of the Fortran based SWMM model, the GUl, PCSWMM98, was developed by Computational Hydraulics Inc (CH!). This provides decision support for SWMM through large array of tools for file management, data file creation, output visualisation and interpretation, model calibration and error analysis and storm dynamic analysis thus easing any simulations with SWMM. In addition, PCSWMM was developed with a GIS functionality for graphically creating, editing and/or querying SWMM model entities and attributes, displaying these SWMM layers with background layers and dynamic model results, and exporting data to SWMM input files thus providing an interface between a GIS and SWMM. In terms of Catchment Management, the above DSS can be used effectively to assist decisionmaking. This is to address tensions between the fundamental catchment management considerations of physical development, social considerations and maintaining ecological sustainability. It is at the stages of Assessment and Planning that the model can play the most significant role in providing decision support to the Catchment Management process. Assessment in the Catchment Management process refers to the collection, storage, modelling and interpretation of catchment information. It is in this quantification, interpretation and assessment of catchment information that a hydrological model contributes to an increase in knowledge in the Catchment Management process. In identifying and quantifying, at a sufficient temporal and spatial scale, the dominant cause and effect relationships in the urban physical environment, a hydrological model is able to highlight the main contributing factors to an issue. This is used in the Planning stage of the Catchment Management process and when combining these contributing factors with assessments of the socio-economic and administrative environments, enables the prioritisation of the principal issues requiring attention in a Catchment Management Strategy. It is possible to link the multiple decision-making requirements of Catchment Management with the abilities of a hydrological model to provide information on these requirements in a conceptual framework. This framework consists of the fundamental catchment considerations of Physical Development, Environmental Management and Social Development and resolves these considerations into the various management issues associated with each consideration ~s well as its management solution. The management solutions are linked to the model through formulating the solution in terms of the model parameters and perturbing the affected parameters in ways to simulate the management solution. This results in model output and graphical interpretation of the effects of the suggested management solution. A comparison between the simulated effects of each management solution allows the Catchment Management body to identify optimal management solutions for the various management Issues. The present model of the Great Lotus River catchment is sufficient to simulate the overland and subsurface flows from individual parts of the catchment and to route these flows and associated pollutant loadings to the catchment outlet. At its present level of complexity, the finely discretised model subcatchment and conveyance network provides decision support for Catchment Management through the simulation, at a pre-feasibility stage, of various Catchment Management issues and their proposed solutions. Given more detailed canal and drainage network dimensions and water quality data, it is possible for the model to incorporate hydraulic calculation routines to assess the implications of alternative river rehabilitation techniques and waste management strategies. This would allow greater capability in assessing the role of the various BMPs in ameliorating stormwater impacts and pollutant loading. In addition, a detailed level survey of the stormwater pipe and canal network could result in hydrological modelling being utilised to identify critical areas where stormwater upgrading would be necessary. In order to facilitate future complex, finely discretised catchment hydrological models, it is imperative that complete and detailed drainage patterns and stormwater network characteristics are available. In addition, to minimise model generation costs and time of model setup, this spatially representative data must be captured in a GIS for rapid inclusion into the model. Furthermore, complete spatially representative precipitation datasets are necessary to ensure that model error is reduced. These two issues of available spatial data and comprehensive precipitation records are crucial for the generated models to function as effective decision support systems for Catchment Management.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Histories is stedelike waterbronne te dikwels bestuur sonder inagneming dat die vloei van die rivier baie landskap- en biologiese kenmerke insluit. Dit het dikwels daartoe gelei dat natuurlike prosesse uitgeskakel is en vervang is deur mensgemaakte, stroombelynde strukture waarvan die effek van toenemende verstedeliking hoofsaaklik aangespreek word vanuit 'n ingenieurs- en ekonomiese oogpunt tot nadeel van omgewings- en sosiale kwessies. Opvangsgebiedsbestuur, soos bepaal deur die Waterwet, Wet 36 van 1998, is 'n bestuursbenadering om die negatiewe gevolge van 'n stedelike stormwaterontwerpfilosofie wat beperk is tot vloedbeperking aan te spreek. Dit is 'n stelselbenadering wat ingenieurs- en wetenskaplike vaardighede, sosio-ekonomiese probleme en omgewingsbeperkings integreer in 'n nuwe multidissiplinêre besluitnemingsproses wat erkenning daaraan gee dat die verskillende komponente van die hidrologiese en watersiklusse verbind is, en elke komponent beïnvloed word deur veranderings in elke ander komponent. Om doeltreffende bestuursbesluite te neem, benodig opvangsgebiedsbestuur die hulpmiddels om betroubare inligting oor die prestasie van alternatiewe moontlikhede VIr stormwaterbestuurfasiliteite en om die effek van moontlike bestuursbesluite op die wateromgewing te kwantifiseer. 'n Deterministiese hidrologiese model is so 'n hulpmiddel wat die skakel daarstel tussen die konseptueie begrip van die fisiese opvangsgebiedskenmerke en die empiriese kwantifisering van die water-, waterkwaliteit- en ekologiese reaksie. Om doeltreffende rekenaarbesluitnemingsteun te verskaf, moet die hidrologiese model deel wees van 'n geïntegreerde sagteware-aanwending waarin 'n versameling datamanipulasie-, analise-, modellerings- en interpreteringshulpmiddels, insluitend GIS, doeltreffend saam gebruik kan word om 'n groot deel van die algehele besluitnemingsproses te bestuur. Hierdie besluitnemingsteunstelsel moet 'n eenvoudige en intuïtiewe gebruikersvlak hê wat in staat is om maklik interpreteerbare uitsette te lewer. Dit moet goeie grafiese voorleggingsvermoëns hê wat doeltreffende kommunikasie vergemaklik en ontwerp wees om swak gestruktureerde probleme deur die buigsame samevoeging van statistiese analise, modelle en data op te los. Die Groot Lotusrivierkanaal op die Kaapse Vlakte, Kaapstad is ontwerp en word beheer deur uitgebreide kanalisasie en die konstruksie van detensiedamfasiliteite om die oorstroming van stedelike opvangsgebiede te vermy. Hierdie benadering het daartoe gelei dat hierdie kanale stormwaterafvoerpype geword het wat afval en nutriënte in opgelosde en partikelvorm vervoer en hulle assimilasievermoë vir die verbetering van waterkwaliteit verminder. Om die gebruik van hidrologiese modelle in besluitnemingsteun vir Opvangsgebiedsbestuur te ondersoek, is die semi-verspreide, fisiesgebaseerde model, SWMM, op die Groot Lotusrivierkanaal toegepas. SWMM bestaan uit 'n aantalonafhanklike modules wat die hidrologiese en hidroulika simulasies van stedelike opvangsgebiede en hulle vervoemetwerke per geleentheid of deurlopend monitor. Om die aanwending van die Fortran gebaseerde SWMM model te vergemaklik is die GUl, PCSWMM98 deur Computational Hydraulics Inc (CHD ontwikkel. Dit verskaf besluitnemingsteun vir SWMM deur 'n groot aantal hulpmiddels vir lêerbestuur, die skep van datalêers, uitsetvisualisering en interpretasie, modelkalibrasie, foutanalise en stormdinamikaanalise om enige simulasies met SWMM te vergemaklik. Daarby is PCSWMM ontwikkel met 'n GIS funksionaliteit vir die grafiese daarstelling, redigering en/of navraagfunksie van SWMM model entiteite en kenmerke, wat hierdie SWMM vlakke met agtergrondvlakke en dinamiese modelresultate vertoon en data in SWMM inset1êers plaas en op daardie manier 'n koppelvlak tussen 'n GIS en SWMM verskaf. Volgens Opvangsgebiedsbestuur kan bogenoemde DSS doeltreffend gebruik word in besluitneming. Dit IS om die spanning tussen fundamentele opvangsgebiedsbestuursoorwegings van fisiese ontwikkeling, sosiale oorwegings en ekologiese volhoubaarheid aan te spreek. Dis in die stadiums van Waardebepaling en Beplanning wat die model die belangrikste rol kan vervul in die verskaffing van besluitnemingsteun vir die Opvangsgebiedsbestuursproses. Waardebepaling in die Opvangsgebiedbestuursproses verwys na die versameling, berging, modellering en interpretasie van opvangsgebiedsinligting. Deur hierdie kwantifisering, interpretasie en waardebepaling van opvangsgebiedsinligting dra 'n hidrologiese model by tot 'n verhoging in kennis in die Opvangsgebiedsbestuur. Deur die identifisering en kwantifisering, op 'n ruim genoeg tydelike en ruimtelike skaal, van die dominante oorsaak en gevolg verhoudings in die stedelike fisiese omgewing, kan die hidrologiese model die hoof bydraende faktore uitlig. Dit word gebruik in die Beplanningsfase van die Opvangsgebiedproses en wanneer hierdie bydraende faktore by die waardebepaling van die sosio-ekonomiese en administratiewe omgewings saamgevoeg word, maak dit moontlik om die belangrike kwessies wat aandag behoort te kry in 'n Opvangsgebiedsbestuurstrategie in volgorde van voorrang te plaas. Dit is moontlik om die verskeidenheid besluitnemingsvereistes van Opvangsgebiedsbestuur met die vermoëns van 'n hidrologiese model te koppel om inligting oor hierdie vereistes in 'n konseptuele raamwerk te verskaf. Die raamwerk bestaan uit die fundamentele opvangsgebiedsoorwegings van Fisiese Ontwikkeling, Omgewingsbestuur en Sosiale Ontwikkeling en los hierdie oorwegings op in die verskillende bestuursaangeleenthede wat met elke oorweging en die bestuuroplossing geassosieer word. Die bestuursoplossings word aan die model gekoppel deur die formulering van die oplossing volgens die modelparameters en versteuring van die relevante parameters op sekere manier om die bestuursoplossing te simuleer. Dit lei tot modeluitset en grafiese interpretasie van die effek van die voorgestelde bestuursoplossing. 'n Vergelyking tussen die gesimuleerde effek van elke bestuursoplossing laat die Opvangsgebiedsbestuursliggaam toe om die optimale bestuursoplossings vir die verskeie bestuursaangeleenthede te identifiseer. Die huidige model van die Groot Lotusrivieropvang is genoegsaam om die bo- en ondergrondse vloei vanaf individuele dele van die opvangsgebied te simuleer en om die watervloei en geassosieerde besoedelstofladings na die opvangsgebiedsuitlaatplek te lei. Op sy huidige vlak van kompleksiteit verskaf die fyn gediskretiseerde model subopvangsgebied en vervoernetwerk besluitnemingsteun aan Opvangsgebiedsbestuur deur die simulasie, teen 'n voor-lewensvatbaarheidstudie, van verskeie opvangsgebiedsbestuurkwessies en die voorgestelde oplossings. Indien meer gedetailleerde kanaal- en dreineringsnetwerkdimensies- en waterkwaliteitdata ingevoer word, is dit moontlik vir die model om hidroulikaberekeningsroetines te inkorporeer om die implikasies van alternatiewe rivierrehabilitasietegnieke en afvalbestuurstrategieë te beoordeel. Dit sou die vermoë verbeter om die waarde van die verskeie BMPs te bepaal om die impak van stormwater en besoedelstoflading te versag. Daarby kan 'n gedetailleerde vlakopname van die stormwaterpyp en -kanaalnetwerk daartoe lei dat hidrologiese modelle gebruik kan word om kritieke areas te identifiseer waar stormwateropgradering nodig is. Om toekomstige komplekse, gediskretiseerde opvangsgebiedshidrologiese modelle te verbeter, is dit noodsaaklik dat volledige en gedetailleerde dreineringspatrone en stormwaternetwerkkenmerke beskikbaar is. Om die model-ontwikkelingskoste en tyd bestee aan die opstel van 'n model te minimiseer, moet hierdie ruimtelik verteenwoordigende data ingelees word in 'n GIS vir vinnige insluiting in die model. Daarbenewens is volledige, ruimtelik verteenwoordigende presipitasie datastelle nodig om te verseker dat modelfoute verminder word. Hierdie twee kwessies van beskikbare ruimtelike data en omvattende presipitasierekords is van die uiterste belang sodat die gegenereerde modelle as doeltreffende besluitnemingsteun vir Opvangsgebiedsbestuur kan funksioneer.
Thesis (M.ScEng.)--Stellenbosch University, 2001.
Watershed management, Urban runoff, Urban hydrology, Dissertations -- Civil engineering