Development of a resilience framework for urban stormwater services

João Pedro Lopes Barreiro

Key information

Authors:

João Pedro Lopes Barreiro (João Pedro Lopes Barreiro)

Supervisors:

José Manuel De Saldanha Gonçalves Matos (José Manuel De Saldanha Gonçalves Matos); Filipa Maria Santos Ferreira (Filipa Maria Santos Ferreira)

Published in

09/23/2024

Abstract

The increasing challenge of managing urban stormwater systems under the exacerbated pressures of climate change and urbanization demands innovative solutions for adequately dealing with rainfall events and actively mitigating negative impacts on the cities. The concept of resilience allows a paradigm shift from conventional “fail-safe” to holistic “safe-to-fail” management, anticipating and planning for failure under exceptional conditions. This thesis introduces "RESILISTORM," a resilience framework for stormwater services devised to assist utilities, researchers, and practitioners in assessing and enhancing urban stormwater services' response, adaptation, and transformation capacity. The framework includes a Strategic Dimension – emphasizing the system’s organizational and planning capacity to reach the desired resilience objectives by assessing 43 question-oriented indicators - and a Performance Dimension - focusing on the service’s ability to maintain core functions and minimize the impact of disturbances, namely, urban flooding, through assessment of context-dependent performance indicators. Besides providing segmented and overall resilience ratings, the framework presents a clear roadmap for identifying critical points that undermine the service’s resilience. An open-source digital tool (RESILISTORM-tool) was developed alongside the framework elaboration, allowing expedited answering, data integration, and analysis of results. A 1D/2D hydrodynamic simulation model was developed, integrating the open-source models EPA SWMM and MOHID Land. Thus, the developed 1D/2D model simulates the behavior of drainage systems and surface runoff in an integrated approach by accounting for the flow exchanges between them. The usefulness and versatility of the framework were validated through its application to two critical drainage catchments in Lisbon: the Historical downtown catchment, crucial for its centrality in urban space, and the Alcântara catchment, the largest in Lisbon’s drainage system. These applications not only proved the practicality of RESILISTORM but also highlighted its flexibility in adapting to the specific objectives of each case, significantly contributing to the city's overall resilience. Os desafios de gestão da drenagem urbana de águas pluviais, nomeadamente face à pressão dos efeitos das alterações climáticas e da urbanização e ocupação do solo, exigem soluções inovadoras para lidar adequadamente com eventos de precipitação e mitigar ativamente os seus impactos negativos nas cidades. A presente tese introduz o "RESILISTORM", um quadro de resiliência para serviços de águas pluviais desenvolvido para auxiliar entidades gestoras, investigadores e profissionais na avaliação e melhoria da capacidade de resposta, adaptação e transformação dos serviços urbanos de águas pluviais. Este quadro inclui uma Dimensão Estratégica – enfatizando a capacidade organizacional e de planeamento do sistema para alcançar os objetivos de resiliência - e uma Dimensão de Desempenho - focada na capacidade do serviço em manter funções essenciais e minimizar o impacto das perturbações, nomeadamente, inundações urbanas. Além de fornecer classificações de resiliência segmentadas e globais, o quadro revelase um processo útil para identificar pontos críticos que comprometem a resiliência do serviço. Foi desenvolvida uma ferramenta digital de código aberto (RESILISTORM-tool), permitindo responder aos indicadores, integrar dados e analisar os resultados de forma expedita. Foi também desenvolvido um modelo de simulação hidrodinâmica 1D/2D, integrando os modelos de código aberto EPA SWMM e MOHID Land, que simula o comportamento dos sistemas de drenagem e do escoamento superficial de forma integrada. O quadro desenvolvido foi validado através da sua aplicação a duas bacias de drenagem críticas da cidade de Lisboa: a bacia do centro histórico, crucial pela centralidade na cidade, e a bacia de Alcântara, a maior do sistema de drenagem de Lisboa. Os estudos de caso não só comprovaram o potencial de aplicação do RESILISTORM, mas também evidenciam a sua flexibilidade de adaptação a objetivos específicos de cada aplicação, e que podem contribuir para estratégias de melhora da resiliência global da cidade.