Assessing the Viability of Heuristic Predictive Control for Integrated Urban Drainage Systems

Abstract

The implementation of real time control (RTC) in integrated urban drainage systems (IUDS) has been extensively explored in numerous studies, with the purpose of improving its performance, particularly, during storm occurrences. This approach frequently focuses on volume-based control, to minimize combined sewer overflows (CSOs) volume and investment costs in CSO controlling and new infrastructures intended to manage these incidents and mitigate polluted discharges into the receiving watercourses. Among the different RTC strategies, heuristic and optimization-based control can be distinguished from the research work available, such as rule based RTC (RB-RTC) and model predictive control (MPC), respectively. To enhance the viability of RTC, rainfall forecasting has been introduced in the IUDS, to assess the possible combination with RTC and the benefits and risks that derive from it, considering these forecasts are associated with uncertainties. Despite the reasonable results obtained for both control strategies in CSO controlling, only optimization-based control has been combined with rainfall forecasts. This dissertation assesses the potential of heuristic predictive control in IUDS, by combining RB RTC with real radar rainfall forecast and applying it to a case study in the Netherlands. An existent full-integrated catchment model built for the IUDS selected for this study was used and sufficiently calibrated to deliver reasonable results compared with monitoring data. The accuracy of the real radar rainfall forecast was evaluated and, when compared with observed rainfall data, it correctly predicts a considerable amount of storm occurrences. One of the two heuristic control strategies developed proved to be beneficial for the performance of the IUDS, contributing for CSO volume reduction and avoiding the overcharge of the wastewater treatment plant (WWTP). This can potentially increase the quality of the receiving watercourses, prevent urban flooding and maximize the efficiency of the WWTP operation. Finally, recommendations, to further improve and explore heuristic predictive control, are provided.

A implementação de controlo em tempo real (RTC) nos sistemas de drenagem urbanos integrados (IUDS) tem sido investigada com o propósito de melhorar o seu desempenho, particularmente, durante eventos de precipitação. Esta abordagem baseia-se maioritariamente na minimização do volume das descargas de emergência (CSOs) e dos custos de investimento no controlo de CSO e em novas infraestruturas projetadas para mitigar estas ocorrências e a deterioração dos emissários. As estratégias de RTC podem ser fundamentalmente baseadas em controlo heurístico e de otimização, distinguindo-se o RTC baseado em regras (RB-RTC) e modelo de controlo preditivo (MPC), respetivamente. Embora esteja associada a incertezas, a previsão de precipitação foi introduzida em IUDS para investigar a sua combinação com o RTC, nomeadamente os benefícios e os riscos. Estas estratégias apresentam resultados razoáveis relativamente ao controlo de CSO, mas, apenas as de otimização foram aplicadas com previsões. Esta dissertação avalia o potencial do controlo preditivo heurístico em IUDS, através da aplicação de RB-RTC com previsão de precipitação por radar num estudo de caso nos Países Baixos. Para isso, um modelo de drenagem urbana desenvolvido para o IUDS selecionado para este estudo foi utilizado e suficientemente calibrado para produzir resultados razoáveis, comparativamente a medições de monitorização. A precisão da previsão também foi avaliada e comparada com medições, e a mesma prevê corretamente um número considerável de eventos de precipitação. Uma das duas estratégias de controlo heurístico desenvolvidas demonstrou constituir um benefício para um melhor desempenho dos IUDS, uma vez que contribui para a redução do volume de CSO e evita a sobrecarga da estação de tratamento de águas residuais (WWTP). Esta estratégia pode também contribuir para um aumento da qualidade dos emissários, prevenir inundações urbanas e maximizar a eficiência da operação das WWTP. Por fim, são disponibilizadas recomendações para investigar e melhorar o controlo preditivo heurístico.