City Water Balance

Basic Ideas and Model BuildingBasic Ideas and Model Building

ObjectivesObjectives

• To understand the basic concepts adopted in CWB

• To install CWB and to carry out a basic simulationTo install CWB and to carry out a basic simulation– Alexandria 

• To understand the data structures for CWB

• To know how to set up the spatial data usingTo know how to set up the spatial data using ARCGIS

T d t d l t t t lt ti f t d t• To adapt a model to test alternative futures and to observe the results.

PART 1 – MODEL CONCEPTS

Core Concepts (Spatial Heirarchy)Core Concepts (Spatial Heirarchy)

• Spatial Discretisation– Unit Block

• A basic land unit area

– Minicluster• A land area covered by unit blocks of the same type

– Sub‐catchmentSub catchment• A common drainage area

– Study Area (=City)Study Area ( City)• The whole area to be modelled

Core Concepts (Unit Blocks)Core Concepts (Unit Blocks)

• The unit block consists of pervious and impervious areas and a water demand profile.  

• An example of a unit block is a detached house that has roof, paved and garden area as well as an indoor water and possible irrigation demand. 

Core concepts (Sub catchments)Core concepts (Sub catchments)

• Sub‐catchments define h d i i fthe drainage in terms of both stormwater and waste waterwaste water

• Rules govern the connections between subconnections between sub‐catchments.– High number catchmentsHigh number catchments cannot flow to low number catchments.

Core Concepts( Default Unit Block Types)Core Concepts( Default Unit Block Types)

Main category Sub‐category Main category Sub‐category

Cit t N R id ti l M iCity centre None Residential Mansion

Fire station None Detached (Large garden)

Hospital None Detached (Small garden)p ( g )

Hotel Hotel Semi‐detached (Large garden)

Hotel with grounds Semi‐detached (Small garden)

Industry Industry Terraced (Large garden)

Industry disused Terraced (Small garden)

lDepot Flats

Garage None Home (Retirement & Nursing)

Office None High‐riseOffice None High rise

Core Concepts (Time)Core Concepts (Time)• A daily timestep is appropriate for• A daily timestep is appropriate for 

this type of model.  • Although this level of aggregation 

results in the loss of diurnal flow 50

60

Daily rainfall for 2008 (Winterbourne Climate Station)

results in the loss of diurnal flow variations, it still provides sufficient information for the comparison of different water management options 40

50

mm)

• Flooding cannot be modelled with this timestep

• Missing  historical climate data must b i fill d 20

30

Daily Rainfall (m

Rainfall

be infilled.  • Future climate data must be 

simulatedI b d f h l

10

20

• It can be used for the long‐term simulations necessary for sustainability assessments.

0

0 100 200 300 400

Day

Core Concepts (Demand)Core Concepts (Demand)

• Four  Generic Indoor Water uses

• Use is defined as a daily rate per unit quantity

– Correspond to uses demanding different water 

lit

• For domestic dwellings– Unit quantity = person

quality

– Indoor Use 1 – Toilet

U 2 Ki h

• For industrial dwellings– Either person or area– Use 2 – Kitchen

– Use 3 – Bath 

d

Either person or area

• Variations within a year can be defined on a– Use 4 ‐ Laundry

• + Irrigation

can be defined on a monthly basis.

Core Concepts (satisfying demand)Core Concepts (satisfying demand)

W l f i S l ibl• Water surpluses from previous days for Water Management Options can be used to satisfy 

• Several possible water sources…  demand is satisfied in the following orderp y

the following days demands….• Certain water sources can only 

b d i

g– Unitblock (UB) Wastewater store– UB Raintank

UB B h lbe used to meet certain demands– E.g. rainwater harvesting OK for

– UB Borehole– Minicluster (MC) Wastewater 

storeE.g. rainwater harvesting OK for Irrigation and WC’s but not OK for Potable water.

• Water generated in an area

– MC Stormwater store– Large Wastewater store– Large Stormwater store• Water generated in an area 

can only be used in that area….Large Stormwater store

– Large Borehole– Mains supply

Core Concepts (Supply)Core Concepts (Supply)

Th i l d d i W i li d fi d• The mains supply demand is calculated as the sum of the minicluster demands that

• Water is supplied at fixed contaminant concentration and with a fixed energy andminicluster demands that 

are not met by decentralised schemes.  

and with a fixed energy and economic cost.

• A proportion of the supply is • The user can specify a 

percentage of the demand h i i fi d i l i

p p pp ylost as leakage within the system boundary.

that is satisfied, simulating a drought.

• Leakage can be made to vary on a weekly basis

k• Leakage goes to Groundwater

RunoffRunoff

Fi t f f th t Th ff ti i d fi d• Five types of surface that can generate runoff in CWB: – roof, 

• The effective area is defined as the proportion of the total area generating runoff ,

– pavement, – garden, 

road and

g gthat goes directly to the stormwater system.  

• Runoff from non effective– road and – Public Open Space (POS).  

• In each minicluster, the 

• Runoff from non‐effective areas (NEAR) flows onto nearby pervious space or 

i bl b d i,

degree to which these surfaces are connected to the piped stormwater

sustainable urban drainage systems (SUDS), if available.

• NEAR is only applicable tothe piped stormwatersystem varies.

NEAR is only applicable to impervious surfaces (road, roof and paved).    

Initial LossesInitial Losses

• The three impervious surface types (roof, paved, 

• The pervious areas (garden, POS and 

road) have an initial loss associated with them, 

infiltration urban drainage systems) rainfall is subject 

representing depression storage and subsequent 

to interception loss (if the area is wooded) and 

evaporation.  infiltration.

Runoff to SewersRunoff to Sewers

A i A i i h• A proportion (Inflow_prop) of any runoff after the MC

• A cross‐connection is the mistaken connection of a stormwater pipe to therunoff after the MC 

soakaway (if present) is diverted to the

stormwater pipe to the foul sewer system.

• Combined sewer systemsdiverted to the wastewater system, representing cross‐

• Combined sewer systems can be modelled by setting the value ofp g

connections and leakage through manhole covers

setting the value of Inflow_prop to one.

• the remainder enters to the stormwater system.

Soil Stores (partial area)Soil Stores (partial area)

Soil stores (Two Layer)Soil stores (Two Layer)

Water Bodies (including groundwater)Water Bodies (including groundwater)

Study areaStormwaterdischarges

Fixed inputflow rate

Flow out of study area

Ri

LakeSegment 1 Segment 2 Segment 3Fixed inputflow rate

Flow out of study area

River

Water ManagementWater Management

• Scales– Unit Block

• Types– Rain tanks

– Minicluster

– Sub‐Catchment

– Waste water stores

– Stormwater stores

– BMP’s(SUDS)

– Boreholes

– Demand management

For any WMOFor any WMO

• Define alternatives by defining characteristic parameters of the WMO

• Save as new alternatives

• Assign type to Unit Block, Minicluster or Whole c us e o o eModel.

PART 2 – RUNNING CWB

Installing CWBInstalling CWB

1 C F ld CWB bli h d t PC1. Copy Folder CWB_published to your PC2. Copy the Folder Longbridge_demo to your PC3 Double click the CWB 1 icon (and wait until the model runs)3. Double click the CWB_1 icon (and wait until the model runs)

– At this point the setup has added CWB_1 to your list of applications on the Start MenuT CWB i i ti l t h Mi ft Offi 2007 i t ll d– To run CWB is is essential to have Microsoft Office 2007 installed.  Earlier Microsoft versions do not run with the software

4. Note that you can remove CWB using Add/Remove programs in the Control Panel.

5. Note also that CWB makes use of Excel and Powerpoint for input and outputinput and output.

Running CWBRunning CWB

• For a basic model run– Load a project (a previously developed textfile folder)

– Load an assignment file (i l d d i th d t t)(included in the data set)

– Select a pervious store modelmodel

– Select Run

Run SimulationRun Simulation

• Select outputs required 

• All – means outputs for the whole simulation period

• Deselect [Display previous results]

• Select <Run Simulation>  and wait until simulation completes [three 

f l ll bpowerpoint files will be produced  ‐ but not saved]

Precipitation EvapotranspirationImported water

Key:123 current (mm)

Inflow

123 previous (mm)

Mains deficit

206 0

484914

480

141 128210411 23

40195

Road Paved Roof

OutdoorWater Use

Leakage

intank

206

0

183

68 102 13 285

141 128210

0

Pervious SoilStore

Road Paved Roof

Waterbodies

Rai

IndoorWater Use

2060 15

60 104684

13 665 0

0

00

GroundwaterSUDS

206

9

206

000

0

0

0

0

0

Surface Runoff

GroundwaterThroughOver206

00

0

00

0

Combined sewer

DischargeOverflow84 290

4220

0

Total Discharge

Stormwater Store

2976 4053

60

0

0

PrecipitationEvapotranspiration Imported water

Key:123 (kg/Ha)

Contaminant species: 

Inflow

TSS

123 (mg/l)123 previous

0.5

0.09.1

4.8

1 4 1 3 2 14.1 0.2

3014.6

Road Paved Roof

OutdoorWater Use

Leakage

intank

0.5

0.0

0.0 0.00.0 0.0

1.4 1.3 2.1

0.0

IndoorWater Use

Pervious SoilStore

Road Paved Roof 

Waterbodies

Rai 0.5

0.0 0.0

39.2 64.130.754.8

8.7 3.4 42.7 0.00.0

0 00.0

0 00 72.71

GroundwaterSUDS0.0

2345.66.1

0.00.00.0

0.0

0.0

0.0

0 0

0.00

Surface Runoff

GroundwaterOver Through

WW store

0.00.0

0.0

0.00.0

0.0

0

NaN

Combined sewer

Overflow Discharge28.1 2373.7

140.30.0

0.0

Total Discharge

Stormwater Store

2374.30.7 302

5.90.0

0.0

0.0

Mains Supply Precipitation373

0

Water UseDecentralised WM Options

Runoff

0Water heating:

0

0967

0

WW TreatmentAnnual Totals: 537

0

WW Treatment

Key:123 ‐ Energy usage (MWh/yr)123 NPV Cost (Millions £/yr)

0911

0

123 – NPV Cost (Millions £/yr)123 – Previous results

Output ResultsOutput Results

I ddi i h 3• In addition to the 3 summary PPTs

S i il bl– Some views are available from the View>Results menu

• The adjacent slide shows View>Results>Study yArea>Volume 

• Other data need to be viewed using Excel – See Notes on output files

Data Concepts 1Data Concepts 1.

• The model functions at 4 scales

• A study area comprises one or more sub catchments

– Unit Block

– Minicluster

S b t h t

• A sub catchment comprises one or more miniclusters

– Sub‐catchments

– Study Area• A minicluster comprises one 

or more unit Blocks

• A unit Block has a general form that can be tailored to d b l ddescribe most land uses

Data Concepts 2Data Concepts 2.

• Unit Block– Land area is the sum of 

f

– Water use is per occupant or per unit area• Roof 

• Paved (e.g Hardstanding)

• Pervious (e.g garden)

per unit area• Occupancy factor

– Outdoor use is dependent on ( g g )

– Water use is split into 4 internal uses [dependent on 

pirrigation of the pervious space

P t i i t dwater quality changes] • Toilet  [Use 1]

• Kitchen [Use 2]

• Percentage irrigated area

• Trigger to irrigate [soil dryness]

– Wasteflows are defined byKitchen [Use 2]

• Bathroom [Use 3]

• Laundry [Use 4]

Wasteflows are defined by water use and by effective areas for precipitation

Data Concepts 3Data Concepts 3.

• Additional Unit Block Data– to define land use for 

Minicluster – Example Schematic

miniclusters• Percent Road

• Percent Public Open SpacePOS (0.25)

• Percent Public Open Space

– Public Open Space• Split into wooded or non

Prop Wood(0.25)

• Split into wooded or non wooded

– Water Use for POSArea for Unit Blocks (<=0.65)

Must always be a whole number

Road (0.1)

• Percent area irrigated

• Trigger to irrigate

yOf unit blocks in a minicluster –Wasted area is treated as POS

Data Concepts 4Data Concepts 4

• Sub Catchments– Miniclusters cannot cross a  – Stormwater flows can also subcatchment boundary

– Subcatchments are defined b t t d

go to rivers or other water bodies.

• Stormwater to rivers is takenby wastewater and stormwater catchments

• E g Drainage Study Areas

• Stormwater to rivers is taken from individual miniclusters

– Sub Catchments are • E.g. Drainage Study Areas

– Wastewater and Stormwater flows have to 

numbered from 1 to Number of SC’s.

follow the same path between sub‐catchments

• Flows must always be from lower number SC’s to higher number SC’s.