JSWMM essentials

Interest around urban hydrology has been growing steadily during the last years, and recently had the opportunity to be published in large diffusion scientific journals as Nature. For years the mainstream hydrology has mostly dedicated its attention to "natural" catchments, while considering of secondary importance what happens in cities. Now that most of the people live in cities, and humans are clearly a global agent that affects climate and the whole Earth System, urban hydrology start to be seen under a different light. How works hydrology in cities ? And, for my own interests, how to model and eventually design cities' hydrology ?

My starting point is that good tools developed for generic hydrology should work also for cities. However, over the years some tools specialised for cities and captured the attention of the community of researchers that dedicated to it. Among those is EPA SWMM v5.1.
Actually, EPA SWMM is a rainfall-runoff model but its developer added tools for treating cities specifics, excluding,  a real system for designing storm water networks, a.k.a. pluvial sewers.
With the Master Thesis by Daniele Dalla Torre faced this issue to add to SWMM a designing tool, based on a simplified geomorphic unit based approach. In the meanwhile he found reasonable to port most of SWMM to Java and to embed it in OMS v3. Therefore SWMM became JSWMM and it is available at the GEOframe repository JSWMM inherit everything from SWMM and its i/o files can be run as they are in SWMM. JSWMM clone of SWMM has some evolutionary advantage with respect to SWMM (a part from the designing module which is not existing in the original). Inside JSWMM, in fact, any draining area is processed in parallel from the others, using the Net3 algorithms and this parallelism is made without any intervention of the user. Besides, in future, any appropriate module from GEOframe, could be used to estimate the desired element of the hydrological cycle. Including Richards-1d for infiltration or the coming soon 2D de Saint-Venant module.

No manual is actually ready but the draft of his master thesis (in English) can be used to understand JSWMM internals and his dissertation presentation can be used for the same scope.

Material (to be uploaded soon)

• Dalla Torre's MS Thesis
• Dalla Torre Defense Presentation
• Github repository
• Examples of use

Urban Hydrology and Models

Urban hydrology does not clearly indicate which the topic is. Has it to do with the rainfall that falls with different schedule on cities than elsewhere  or viceversa ? Has it to do with different canopies ? Different partition of fluxes ? Or all of it ?

Cities gave a lot to sciences, they are, partially, the product of science an technology, but technical sciences does not study very much cities, … maybe.  Fletcher et al., (2013) can be a short review of the topic for beginners. 

When hydrologists think to cities often they do not directly think to the built environment, and the way the models has to be adapted to simulate the urban water cycle. 

Fact checking shows that just a few models are present around the world that are concerned with the topic. At least recently and in major journal. An exception is Joshua Cantone and Arthur Schmidt work, who have an approach very similar to mine, and Schmidt is steadily adding material to their first ideas. 

Actually we, as engineers, we are also concerned on how these infrastructures can be designed (for a literature review, see my presentation here). As my students knows, I try to use a geomorphological approach to the problem, and I developed a model called Trento_p to design culverts and the relates sewage.  I also wrote a couple of paper on it (in Italian). However, I grow a sort of  dissatisfaction or not being able to deal with the whole set of measures that constitute the center of the modern view that aims to develop sustainable cities. 

In this new context, new tools are necessary. The more used tool in recent context (almost the only one which seems referenced) is an old tool, called SWMM (its site here) written and promoted by EPA researchers. It is open source (but better see EPA's Github site or the Open Water Analytics Initiative), and exists from long time. Therefore it is pretty well documented (see below), and supported by many video tutorials.

First impression is that its hydrology is really outdated. However, since it has many features that I like, in a pragmatic perspective, I could  use it with students, while my groups, on the ashes of the old Trento_p, builds a new model.

An update (2018-01-18)

Recently I came across the work of Aditi Bhaskar (GS), which addressed the urban hydrology issues "from below", meaning considering the effects on urban groundwater. The perspective is very interesting and complementary to the surface waters one.

Another update(2019-10-10)

Interesting is the approach used by this project, called Virtual Water, which deals with the applications of virtual reality to Urban Drainage Systems.

References

Bhaskar, A.S. and C. Welty (2012), Water Balances along an Urban-to-Rural Gradient of Metropolitan Baltimore, 2001-2009, Environmental and Engineering Geoscience. 18(1), 37-50. doi: 10.2113/gseegeosci.18.1.37.

Bhaskar, A.S., C. Welty, R.M. Maxwell, A.J. Miller (2015), Untangling the effects of urban development on subsurface storage in Baltimore, Water Resources Research, doi: 10.1002/2014WR016039.

Bhaskar, A.S. and C. Welty (2015), Analysis of subsurface storage and streamflow generation in urban watersheds, Water Resources Research, doi: 10.1002/2014WR015607.

Bhaskar, A.S., L. Beesley, M.J. Burns, T.D. Fletcher, P. Hamel, C.E. Oldham, and A.H. Roy (2016), Will it rise or will it fall? Managing the diverse effects of urbanization on base flow, Freshwater Science, 35(1), 293-310, doi: 10.1086/685084.

AS Bhaskar, DM Hogan, SA Archfield, Urban base flow with low impact development, Hydrological Processes 30 (18), 3156-3171

Cantone, J., and A. Schmidt (2011), Improved understanding and prediction of the hydrologic response of highly urbanized catchments through development of the Illinois Urban Hydrologic Model, Water Resour. Res., 47, W08538, doi:10.1029/2010WR009330.

D. Tamanini, A.B. Esmail, F. Zanotti, S. Simoni, P. Bertola, R. Rigon (2009). Trento_p : un modello geomorfologico per lo studio del drenaggio urbano. L'ACQUA, vol. 2009, p. 73-74, ISSN: 1125-1255

Fletcher T.D., Andrieu  H., Hamel P., Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art, Advances in Water Resources 51 (2013) 261–279

Kexuan Wang (advisor, A.Schmidt) , Hydrologic response of sustainable urban drainage to different climate scenario, M.Sc. Thesis, 2015


Morales, V. M., Quijano, J. C., Schmidt, A., & Garcia, M. H. (2016). Innovative framework to simulate the fate and transport of non‐conservative constituents in urban combined‐sewer catchments. Water Resources Res., 1–53. http://doi.org/10.1002/2016WR018807

Pathirana, A,  Introduction to EPA-SWMM, presentation

Rigon, R., Bertola, P. - La progettazione con un metodo geomorfologico delle reti di drenaggio urbane, II Conferenza Nazionale sul Drenaggio Urbano, Palermo, 10-12 maggio 2000


Sanzana, P., Gironás, J., Braud, I., Branger, F., Rodriguez, F., Vargas, X., et al. (2017). A GIS-based urban and peri-urban landscape representation toolbox for hydrological distributed modeling. Environmental Modelling and Software, 91, 168–185. http://doi.org/10.1016/j.envsoft.2017.01.022

Wang, A., Park, S., Huang, S., and Schmidt, A. (2015) Hydrologic Response of Sustainable Urban Drainage to Different Climate Scenarios. World Environmental and Water Resources Congress 2015: pp. 312-321.doi: 10.1061/9780784479162.030

Urban Streams: five CUAHSI cyberseminars

As many knows, I teach Hydraulic Constructions, which means, in my case aqueducts and sewage systems. Recently, I tried to renovate my view on the latter topic by looking at recent directions and works on urban hydrology. In this phase of renovation, I found very useful the CUAHSI cyberseminars on Urban Streams which are available on youtube (also addressed by Dr. Anne Jefferson here).

Here below, please find the seminars.

Green infrastructure, groundwater and the sustainable city
Larry Band (GS, RG), Institute for the Environment at University of North Carolina

Watershed context and the evolution of urban streams

Derek Booth, Bren School of Environmental Management at UC Santa Barbara

The Little Stringybark Creek project
Tim Fletcher (GS), University of Melbourne

Contaminants of emerging concern as agents of ecological change in urban streams
Emma Rosi-Marshall (GS, RG), Cary Institute of Ecosystem Studies and Baltimore Ecosystem Study

Stormwater-Stream Connectivity: Process, Context, and Tradeoffs
Anne Jefferson (GS, RG, blog), Kent State University

Urban Hydrology

Today, I gave a seminar on perspectives in urban hydrology. The sponsor where two companies producing road paving and infrastructures for sewage systems. The audience was a group of Italian professional, and I try to convey some concepts regarding the integrated water management and how to calculate it.

Slides of the talk are obtained by clicking on the figure above. An interesting post, connected with this presentation comes from Tony Ladson and is entlitled: Does stormwater management works ?

Selected References

Berne, A., Delrieu, G., Creutin, J.-D., & Obled, C. (2004). Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology. Journal of Hydrology, 299(3-4), 166–179. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.002

Delleur, J. W. (2003). The Evolution of Urban Hydrology: Past, Present, and Future. J.of Hydraul. Eng., 129(8), 563–573.

Livingston, E. H., & McCaron, E. (2007). STORMWATER MANAGEMENT: a guide for Floridians (pp. 1–72). U.S. Environmental Protection Agency.

Marsalek, J., Jimenez-Cisneros, B. E., Malquist, P. A., Karamouz, M., J, G., & Chocat, B. (2006). Urban water cycle processes and interactions (No. 78) (pp. 1–92). Paris.

Niemczynowicz, J. (1999). Urban hydrology and water management present and future challenges. Urban Water, 1, 1–14.

Ranzato, M., Integrated water design for a decentralized urban landscape, Doctoral School in Environmental Engineering, Trento 2011

Fognature Pluviali

Per semplificare il post originale ho raccolto qui tutto il materiale del Corso di Costruzioni Idrauliche sulle fognature pluviali.

1 - Brevissimamente: il ciclo idrologico e la misura delle grandezze idrologiche
2 - Una nuova visione dell'idrologia urbana e delle sue applicazioni.
3 - Elementi di analisi statistica esplorativa. Audio (27 Mb).  Una guida a fumetti sull'argomento.
4 - Un ripasso di teoria della Probabilità.

5 - Le precipitazioni (genesi - Audio 34.6 Mb - e trattazione statistica degli estremi. Audio - 29.6 Mb, Test di Pearson, 17.4 Mb, GEV - 7.4 Mb )
6 - Introduction to R (the old slides; the new scripts). Un paio di dispense utili: I e II)
7 - Calcolo delle linee segnalatrici di possibilità pluviometrica con R e lo script R usato a lezione (che riprende con differenze minime le operazioni rappresentate nelle slides). Qui anche una relazione tipo (fatta originariamente in LaTeX). Per chi vuole esagerare anche uno stile LaTeX che mi piace particolarmente.
8 - Le fognature pluviali (per di più dovute al lavoro di  Roberto Magini e che io ho solo ritagliato sulle mie esigenze). Audio 2014 (19.2 Mb). Audio 2015 (17.2 Mb)
9 - La previsione delle piene con l'idrogramma istantaneo unitario (IUH/GIUH). Solo i primi sei gruppi di slides sono pertinenti a questo corso.
10 - Dimensionare e verificare una fognatura pluviale. Audio (30.4 Mb)
11 - Il programma Trento_p di cui la documentazione è presentata in un separato post.
12 - Cenni sulle pompe e sugli impianti di sollevamento. Audio sulle pompe (17.6 Mb). Audio sul dimensionamento dei volumi degli impianti di sollevamento (7.9 Mb).

Il file delle piogge di S.Martino lo trovate qui.
Il file delle precipitazioni di Paperopoli è qui.
Lo script di R per il calcolo delle statistiche delle precipitazioni estreme di durata 1h è qui.

Queste le domande per gli studenti di Acquedotti e fognature 2016.

Qui si torna alla pagina principale

Hydraulic Constructions (Again another class I teach)

I finally decide to upload here also the material of my class of Hydraulic Construction. Is a little off-topic here but I realized that that was the simplest way for me to communicate and upload the work to my students. For who is interested, the course deals mainly with urban hydrology (sewer systems, culverts design and so on) and urban water supply. I apologize with the other readers, I promise that I will not pollute more the blog with other post of this kind, and now switch to Italian.

Per il materiale di costruzioni idrauliche gli studenti del primo anno della laurea magistrale facciano riferimento a questo sito. Le slides saranno caricate su SlideShare e disponibili a tutti (anche ad altri studenti) ma richiede di creare un account per il download. Come accade per tutte le cose che faccio, esse sono il prodotto del mio sforzo particolare ma anche di cose che ho "rubato" a colleghi vari. Spero di essere riuscito a dare ad ognuno i crediti che gli spettano. Ma nel caso qualcuno si sentisse non rappresentato adeguatamente, me lo faccia sapere e concorderemo le modalità perchè abbia pieno riconoscimento.

Qui di seguito i link al materiale

1 - Introduzione al Corso
2 - Introduzione alle Costruzioni Idrauliche e alle opere pubbliche
3-  Fognature Pluviali
4 - Acquedotti
5 - Fognature Nere
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Postfazione al corso del 2012

Arrivato in fondo, mi rendo conto che avrei potuto fare alcune cose meglio. Questo è ovviamente sempre possibile. L'anno prossimo mi auguro sarà pronto e definitivo il lavoro di importazione di Trento_p e di Epanet all'interno di uDig e quindi il corso si modificherà di conseguenza (e dovremo completare la documentazione). Sarà una bella innovazione e un bel traguardo (per chi osa i programmi sono già oggi disponibili al sito dei Jgrasstools). A ben guardare non ho affrontato due temi importanti della ricerca acquedottistica: mi sono limitato ad introdurre la verifica delle reti "demand driven", mentre avrei potuto parlare anche delle verifiche "pressure driven". Inoltre non ho parlato della ricerca perdite, altro argomento di grande attualità. Questo per quanto riguarda gli acquedotti. Per quanto riguarda le fognature, certamente si sarebbe potuto parlare  degli scaricatori di piena, delle vasche di prima pioggia e di un utilizzo e complessivo della rete per la gestione in tempo reale della rete pluviale. Ma tutto non si può fare ... e questa è solo la prima parte perchè gli stessi studenti seguiranno un secondo corso in cui affronteranno più direttamente le problematiche della progettazione!
Per chi avesse avuto la pazienza di guardarsi il materiale, e soprattutto agli studenti: ogni suggerimento costruttivo è bene accetto.
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Postfazione al corso 2013
Non avrei che da ripetere alcune delle cose dette lo scorso anno. Tuttavia, quest'anno siamo riusciti ad usare i Nettools. Immagino che il lavoro sia stato faticoso per gli studenti (ma anche per i docenti!) e sono certo che ci sarebbe voluto piu' tempo. Un ringraziamento va a Bilal senza il quale questo non sarebbe stato possibile (sia pure passando attraverso il lavoro di molti altri). Mi conforta l'esito della prova in itinere, che sembrerebbe dimostrare che piu' o meno (quasi) tutti hanno recepito le cose fondamentali, con una buona percentuale che ha compreso le cose ottimamente. Per me e' la migliore soddisfazione.
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Postfazione al corso 2014

Quest'anno, aggiunti gli audio delle lezioni, ho la sensazione che il materiale sia giunto a maturità. Nello stesso tempo, ciò impone il cambiamento e il raffinamento di varie parti che sento di non aver sostenuto all'altezza. Con l'aiuto di Bilal e di Marialaura Bancheri abbiamo cercato di rendere più accurate le verifiche e di incentrarle molto di più sul fare. Una strada faticosa, ma che intendo proseguire e strutturare meglio anche il prossimo anno.
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Voti Costruzioni Idrauliche 2016

Qui i risultati del compito in itinere. Se voleste vedere i compitini (o per qualsiasi altro motivo inerente al compito) contattatemi.
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* - Qui trovate le slides su Trento_p (rivedute e corrette) preparate da Bilal.
** - Qui scaricate i voti della prima esercitazione e della prova scritta 2012
** - E qui quelli della prova scritta del 2013
*** - il 19 Giugno, la mattina  Bilal Adem Ismail riceve gli studenti.  L'aula sara' stabilita la mattina stessa.
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^0  - Domande del test intermedio 2016

^1 - Sul sito di R si trovano varie risorse per imparare ad usare R. Un gruppo italiano di utenti di R è Rante e li' vi si trova anche un manuale introduttivo ad R.  Qui si trova una miscellanea di contributi in inglese.   I contributi ad R si susseguono così velocemente che ogni giorno ce ne sono di migliori. Quindi tenete d'occhio il web.

^1b - Qui il file SintesiPaperopoli

^2 - Trovate al link il file delle portate 1990-2005.txt  e il file della Pluviometria di Paperopoli (Unix/Mac o  MS-Windows) utilizzati a lezione.

^3 - I file relativi alla esercitazione in aula con Epanet. Qui.
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Scripts di R usati a lezione

- Lezione 17-04-2013 (script) e (notebook)
- Gli script di R per calcolare le curve di possibilità pluviometrica di Paperopoli (scripts) sino al disegno delle curve
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Esempi di relazione e materiale correlato

Una relazione sulle curve di possibilità pluviometrica
- Di Aaron Iemma (qui): in realtà bastava citare la teoria statistica, ma Aaron ha voluto essere qui un pò scholar. Buona anche perchè Aaron ha fornito una serie di script per riprodurre tutto quanto ha fatto, mutata mutandis (qui gli script).

Challenges and Opportunities for the Hydrological Sciences

From Anne Jefferson blog:





"The “blue book” has been updated and you can read and download a pre-publication PDF on the National Academies’ website for free. I’ve just been listening to a CUAHSI webinar summarizing the report, and I was please to see that a lot of the questions I’m interested in were highlighted by the committee that updated the report. For instance, there was specific mention of urban hydrology (and how changes to flowpaths and quantity alter water quality), the co-evolution of hydrology, landscapes, and life, and the need to understand the controls on the low flow extent of streams. I’ll be reading sections of this report in coming months, and if you want to get a sense of the state of hydrologic science, you would probably do well to start here too"

I will probably join Anne's efforts in reading the report.