Hydrograph Separation Method (HSM) for the design of storm drain inlets

Abstract

Urban stormwater drainage systems are part of the urban drainage infrastructure. They encompass the transportation system, structural surroundings, and the topography of the adjacent environment. Adequate stormwater drainage design prevents flooding hazards and protects life and properties. This research proposes a methodology to improve stormwater drainage design named the Hydrograph Separation Method (HSM).

The Hydraulic Engineering Circular No. 22 drainage manual (FHWA, 2013) defines storm drain inlet efficiency through a series of semi-theoretical equations. Efficiency is the effectiveness of an inlet to collect the discharge along a street gutter as compared with the total discharge flowing on the street. This project used those relations and developed an algorithm that takes the street runoff hydrograph and separates it into intercepted flow by the inlet, and carryover flow bypassing the inlet and continuing along the roadway. The software is written in MS Excel Visual Basic for Applications (VBA). It facilitates the design process of street drainage systems and allows the analysis of different alternatives and how they impact the system’s performance. A sensitivity analysis provided additional information regarding individual parameter impact on overall inlet efficiency and flood levels, concluding that longitudinal slopes and cross slopes have the least and most effect, respectively, on horizontal flow spread and inlet efficiency. It also showed that grate width has a greater impact on grate interception efficiency than grate length, suggesting a correct orientation when installing them.

Stormwater levels on the streets will be estimated with higher precision and, the minor system design will be improved by having better estimates of inlet discharges. Results from the HSM are incorporated in stormwater simulation programs, such as EPA SWMM, for better design of the minor and major drainage systems. Design of low-impact development (LID) measures will benefit from the HSM by having better estimates of flows into areas with vegetation or infiltration sites.

Sistemas urbanos de drenaje pluvial son parte de la infraestructura de drenaje urbana. Incluyen los sistemas de transportación, los alrededores de las estructuras y la topografía del ambiente adyacente. Un diseño adecuado de los sistemas de drenaje pluvial previene inundaciones y protege vidas y propiedades. Esta investigación propone una metodología para mejorar el diseño de drenajes pluviales, nombrado el Método de Separación de Hidrogramas (HSM, por sus siglas en inglés).

El manual de drenaje urbano Hydraulic Engineering Circular No. 22 (por sus siglas en inglés) (FHWA, 2013) define la eficiencia de entradas pluviales a través de ecuaciones semi-teóricas. Eficiencia es la efectividad de un poceto para recolectar la descarga de agua en una cuneta, comparada con la descarga total que fluye por la carretera. En este proyecto se utilizaron esas relaciones y se desarrolló un algoritmo que, dado un hidrograma de escorrentía, lo separa en el flujo interceptado por el poceto y el flujo que continua a lo largo de la carretera. El programa de computadora está escrito en MS Excel Visual Basic for Applications (VBA). Él facilita el proceso de diseño de sistemas de drenaje pluvial, permite el análisis de distintas alternativas y cómo estas afectan el rendimiento del sistema. Un análisis de sensibilidad proveyó información adicional sobre el impacto individual de los parámetros de diseño en la eficiencia del drenaje y los niveles de inundación, concluyendo que pendientes longitudinales y transversales tienen el menor y mayor efecto respectivamente en el alcance horizontal del flujo y la eficiencia de las entradas. También mostró que el ancho de un poceto tiene mayor impacto en su eficiencia que su largo, sugiriendo una orientación correcta al instalarse.

Con esta herramienta los niveles de escorrentía sobre las carreteras se estimarán con mayor precisión y el diseño del sistema menor mejorará al tener mejores estimados de descargas interceptadas. Resultados del HSM serán incorporados en programas de simulación de escorrentía, tal como EPA SWMM, para mejorar el diseño de sistemas mayores y menores de drenaje. El diseño de medidas de desarrollo de bajo impacto (LID, por sus siglas en inglés) se beneficiará del HSM al tener mejores estimados de flujo hacia áreas vegetativas o de infiltración.