Nouveau modèle de transport des contaminants pour les réseaux de drainage urbains et naturels : équation instationnaire d'advection-réaction-diffusion couplée à un modèle hydraulique dynamique complet
New contaminant transport model for urban and natural drainage networks: unsteady advection-reaction-diffusion equation paired with a full dynamic hydraulic model
- Auteurs
- Min-Gyu Kim, Matthew Bartos
- Résumé court
- De nombreuses masses d'eau alimentées par des réseaux de drainage urbain sont confrontées à des charges polluantes accrues dues à l'urbanisation et au changement climatique, entraînant une dégradation de la qualité de l'eau et la destruction des habitats aquatiques. Pour faire face à ce problème, les gestionnaires de l'eau ont besoin de modèles intégrés qui simulent avec précision le devenir et le transport des contaminants dans des conditions hydrauliques instables. Dans cette étude, nous développons un nouveau modèle de qualité de l'eau pour les réseaux d'eaux pluviales qui s'associe à un modèle hydraulique dynamique complet basé sur les équations de Saint-Venant. Le nouveau modèle utilise l'équation d'advection-réaction-diffusion et adapte l'algorithme SUPERLINK pour résoudre efficacement la dynamique de la qualité de l'eau dans les grands systèmes de drainage en réseau. Pour vérifier la fiabilité du nouveau modèle, nous comparons les résultats à la fois aux solutions analytiques et au modèle de gestion des eaux pluviales de l'EPA (EPA SWMM). Pour les simulations dans un seul canal, le nouveau modèle démontre des résultats précis et stables à des résolutions spatiales et temporelles fines, tandis que le modèle EPA SWMM montre des limites dans la réplication de la solution analytique. Pour le cas des réseaux de drainage dendritiques, le nouveau modèle montre des résultats similaires au modèle EPA SWMM, mais capture également avec succès le mouvement rétrograde des contaminants dû aux effets de diffusion et de reflux. Conçu pour une utilisation interactive et programmatique, nous nous attendons à ce que le nouveau modèle fournisse un outil fondamental pour la construction de modèles jumeaux numériques de qualité de l'eau qui permettent le suivi en ligne des polluants, des systèmes d'alerte précoce pour les déversements de contaminants et le contrôle en temps réel des infrastructures hydrauliques pour l'atténuation des polluants.
- Summary
- Many water bodies fed by urban drainage networks face increased pollutant loads due to urbanization and climate change, leading to water quality degradation and destruction of aquatic habitats. To cope with this problem, water managers need integrated models that accurately simulate contaminant fate and transport under unsteady hydraulic conditions. In this study, we develop a novel water quality model for stormwater networks that pairs with a full dynamic hydraulic model based on the Saint-Venant equations. The new model uses the unsteady advection-reaction-diffusion equation and adapts the SUPERLINK algorithm to efficiently solve water quality dynamics in large, networked drainage systems. To verify the reliability of the new model, we compare the results both against analytical solutions and against the EPA Stormwater Management Model (EPA SWMM). For simulations in a single channel, the new model demonstrates accurate and stable results at fine spatial and temporal resolutions while the EPA SWMM model shows limitations in replicating the analytical solution. For the case of dendritic drainage networks, the new model shows results similar to the EPA SWMM model, but also successfully captures retrograde motion of contaminants due to diffusion and backwater effects. Designed for interactive and programmatic use, we expect that the new model will provide a fundamental tool for building water quality digital twin models that enable online pollutant tracking, early warning systems for contaminant spills, and real-time control of water infrastructure for pollutant mitigation.
- Mots-clés
- Modélisation du transport des contaminants, Équation d'advection-réaction-diffusion, Réseaux de drainage, Jumeaux numériques