Using ensemble weather forecast in a risk based real time optimization of urban drainage systems

Utilisation de prévisions météorologiques longue durée pour améliorer la gestion dynamique du réseau d'assainissement

¹ Department of Environmental Engineering - Technical University of Denmark, Anker Engelunds Vej 1, 2800 Kongens Lyngby, Denmark -
s111535@student.dtu.dk, luve@env.dtu.dk, psmi@env.dtu.dk
² Krüger A/S - Veolia Water Solution and Technologies, Gladsaxevej 363 2860 Søborg, Denmark -
mg@kruger.dk
³ HOFOR A/S - Ørestads Boulevard 35, 230 Kbh. S., Denmark -
molle@hofor.dk

Abstract

Global Real Time Control (RTC) of urban drainage system is increasingly seen as cost-effective solution in order to respond to increasing performance demand (e.g. reduction of Combined Sewer Overflow, protection of sensitive areas as bathing water etc.). The Dynamic Overflow Risk Assessment (DORA) strategy was developed to operate Urban Drainage Systems (UDS) in order to minimize the expected overflow risk by considering the water volume presently stored in the drainage network, the expected runoff volume based on a 2-hours radar forecast model and an estimated uncertainty of the runoff forecast. However, such temporal horizon (1-2 hours) is relatively short when used for the operation of large storage facilities, which may require a few days to be emptied. This limits the performance of the optimization and control in reducing combined sewer overflow and in preparing for possible flooding. Based on DORA's approach, this study investigated the implementation of long forecast horizon using an ensemble forecast from a Numerical Weather Prediction (NWP) model. The uncertainty of the prediction is characterized by an ensemble of 25 forecast scenarios. According to the status of the UDS and the forecasted runoff volumes, the objectives for the control strategies might vary from optimization of water volumes to reduction of CSO risk. Thus different modes are implemented in DORA-LF (Long Forecast) in order to adjust the control strategies to the situations. In order to handle the long forecast, the horizon is divided into multiple and variable time step. This new approach was tested on selected rain events and shows an improvement in the protection of sensitive areas during long or/and coupled events by allowing anticipated CSO in low sensitivity areas.

Résumé

La gestion en temps réel des réseaux d'assainissement représente une solution économique pour répondre à la recherche croissante de performance (e.g. réduction des rejets de réseaux unitaires, protection des milieux aquatiques etc.). La stratégie DORA (Dynamic Overflow Risk Assessment) a été développée pour contrôler les réseaux d'assainissement dans le but de réduire les rejets d'eau usée en opérant le système de façon à utiliser sa capacité de stockage totale. Pour ce faire DORA prend en considération le volume d'eau initialement présent dans le système et les prévisions de ruissellement basées sur 2 heures de prévisions météorologiques provenant de radars. L'incertitude des prévisions météorologiques est prise en compte dans l'optimisation via une distribution gamma. Pour chaque plan d'eau, le volume d'eau usée rejeté est associé à un coût par mètre cube représentant sa vulnérabilité. Cependant, une période de prévision de 2 heures est relativement courte lorsqu'utilisé pour la gestion de grands bassins de rétention pouvant nécessiter plusieurs jours à vider. Cette étude a pour objectif de développer l'utilisation de prévisions météorologiques de longues durées en se basant sur la stratégie de DORA. Pour ce faire, un ensemble de 25 scénarios de 55 heures provenant d'un modèle de Prévision Numérique du Temps (PNT) est utilisé. Plusieurs stratégies de gestions sont utilisées, elles varient en fonction des conditions du réseau d'assainissement et des prévisions météorologiques. Ainsi, 3 différents configurations ont été créées dans DORA-LF pour ajuster les objectifs de contrôle en fonction des données (" Dry ", " No CSO " et " CSO "). Afin de simuler les variations temporelles des contrôles lors de l'optimisation, l'horizon temporel est divisé en intervalles de temps de durées variables. Cette nouvelle approche a été testée sur un exemple théorique inspiré du bassin versant d'Amager, Copenhague, Danemark. Sur le panel d'évènements pluvieux testés, l'utilisation de longues prévisions météorologiques ne permet pas de réduire les volumes de rejets liés aux événements de courtes durées avec une forte intensité. Par contre lors d'évènements de longues durées et/ou couplés, l'utilisation de longues prévisions météorologiques permet, grâce à des rejets anticipés dans des zones peu vulnérables, d'améliorer la protection de zones sensibles.