Medición y evaluación de resiliencia y confiabilidad en diseños óptimos de redes de drenaje urbano

Los sistemas de alcantarillado se encargan de evacuar las aguas residuales y pluviales con el fin de evitar problemas de contaminación, olores y enfermedades

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

TESIS DE MAESTRÍA  

INGENIERÍA CIVIL 

 

MEDICIÓN Y EVALUACIÓN DE RESILIENCIA Y CONFIABILIDAD EN 

DISEÑOS ÓPTIMOS DE REDES DE DRENAJE URBANO

 

 

 

PRESENTADO POR: 

JUANA MARÍA HERRÁN MURCIA 

 

 

ASESOR: JUAN SALDARRIAGA VALDERRAMA 

 

 

 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 

FACULTAD DE INGENIERÍA 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL 

MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL 

BOGOTÁ D.C. 

2022 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

TABLA DE CONTENIDO 

Introducción .................................................................................................................... 2 

Versión resumida del artículo ......................................................................................... 4 

Referencias .................................................................................................................... 22 

 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

1  INTRODUCCIÓN 

Los sistemas de alcantarillado se encargan de evacuar las aguas residuales y pluviales con el 
fin de evitar problemas de contaminación, olores y enfermedades. A pesar de la importancia 
de  este  servicio,  en  el  2017,  aproximadamente  2000  millones  de  personas  en  el  mundo 
carecían  de  acceso  a  servicios  básicos  de  saneamiento  (United  Nations  Children’s  Fund 
(UNICEF)  &  World  Health  Organization,  2019).  En  el  caso  de  Colombia,  algunos 
departamentos  están  distantes  de  lograr  una  cobertura  total  de  este  servicio.  Por  ejemplo, 
según el censo del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) del 2018, 
departamentos como Vichada, Guainía y Chocó tienen un cobertura de alcantarillado menor 
al 30% (Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE), 2018). 

Una de las  razones  principales  de la  falta de cobertura de alcantarillado  es  el  presupuesto 
limitado, en especial en países en desarrollo. Por esta razón, es de gran importancia diseñar 
redes de mínimo costo que cumplan con todas las restricciones hidráulicas para una adecuada 
operación.  La  reducción  de  costos  que  puede  lograr  un  diseño  de  mínimo  costo  es  muy 
significativa debido a la gran cantidad de diseños posibles, incluso, se sabe que la diferencia 
del costo entre dos trazados diferentes de una red de alcantarillado puede variar hasta en un 
50% (Saldarriaga, Cuero, Montaño, Corrales, & Luna, 2014). 

Además del presupuesto limitado, en las últimas décadas, los sistemas de alcantarillado se 
han enfrentado a nuevos retos como el cambio climático y la urbanización, los cuales pueden 
aumentar la probabilidad de inundación de los sistemas. Debido a lo anterior, al momento de 
diseñar  sistemas  de  alcantarillado  se  debe  buscar  obtener  el  diseño  de  menor  costo,  pero 
también garantizar que este sea resiliente y confiable. 

La resiliencia y confiabilidad son dos conceptos que describen a un sistema que busca evitar 
fallas  en  su  operación,  que  en  este  caso  se  entienden  como  inundaciones.  Si  bien  ambos 
conceptos están relacionados, no tienen la misma definición. Según Butler et al. (2014), la 
confiabilidad se define como el grado en que el sistema minimiza la frecuencia de los fallos 
de nivel de servicio a lo largo de su vida útil cuando se somete a cargas estándar, mientras 
que  la  US  National  Infrastructure  Advisory  Council  (2009)  define  la  resiliencia  como  la 
habilidad del sistema para reducir la magnitud o duración del evento de falla. 

El presente trabajo propone una metodología para evaluar la resiliencia y confiabilidad de 
diseños de redes de alcantarillado que busca ser una herramienta para encontrar diseños de 
bajo costo y alta resiliencia y/o confiabilidad. Para obtener diseños de bajo costo se utilizó la 
metodología de diseño optimizado de redes de alcantarillado desarrollada en el  Centro de 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados (CIACUA) y para la medición de resiliencia 
y confiabilidad se utilizaron índices propuestos anteriormente en la literatura. La metodología 
se probó en dos redes de alcantarillado utilizadas en la literatura. Asimismo, se utilizaron dos 
ecuaciones de costo para modelar los costos de construcción de la red. 

El trabajo se ha escrito para ser sometido a la revista “Urban Water Journal”. Para respetar 
el código de ética de la revista, se ha preparado una versión resumida del artículo, la cuál se 
presenta a continuación. En la versión resumida se han omitido algunas secciones y figuras 
del artículo. No obstante, el trabajo completo se podrá encontrar en la revista o contactando 
a los autores. 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

2  VERSIÓN RESUMIDA DEL ARTÍCULO 

Measurement and evaluation of resilience and reliability in optimal sewer 

networks designs 

Juana Herrán

a

* and Juan Saldarriaga

a

 

a

Department  of  Civil  and  Environmental  Engineering,  Water  Distribution  and  Sewerage 

Systems Research Center, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. 

*correspondence: jm.herran10@uniandes.edu.co 

 

1.  Introduction 

The sewer network design problem can be divided into two subproblems: the layout selection 

and the hydraulic design. The layout selection establishes the three-structure of the network, 

which indicates the flow rate and flow direction in pipes, and the hydraulic design determines 

the  diameters  and  invert  elevations  of  pipes.  The  objective  of  the  sewer  network  design 

problem is to find the solution of the two subproblems that lead to the lowest cost design, 

i.e.,  the  optimal  design.  This  is  a  complex  task  due  to  the  immense  number  of  feasible 

solutions, and because of the presence of discrete variables, such as the diameter of pipes, 

that depend on the commercially available list of diameters.  

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

Due to the complexity of the problem, finding the optimal sewer network design has 

become  a  challenge  for  the  researchers  of  the  field.  Among  the  first  authors  to  propose  a 

method to solve the problem were Li and Matthew  (1990), who selected the layout of the 

network  with  the  searching  direction  method  and  used  discrete  Differential  Dynamic 

Programming  (DDDP)  for  the  hydraulic  design.  These  authors  also  presented  a  sewer 

network  that  has  become  a  popular  case  study  in  the  international  literature.  Another 

approach was the proposed by Moeini and Afshar (2012, 2017, 2018) who intended using 

ant  algorithms  combined  with  the  Tree  Growing  Algorithm  (TGA)  and  Nonlinear 

Programming (NLP) for the layout selection and hydraulic design of sewer networks. Also, 

Haghighi  and  Bakhshipour  (2015)  used  the  loop-by-loop  cutting  algorithm  for  the  layout 

selection and Tabu Search (TS) for the hydraulic design. Duque et al.  (2020) used mixed-

integer  programming  (MIP)  for  the  layout  selection  and  Dynamic  programming  (DP). 

Saldarriaga  et  al.  (2021)  included  topographic  criteria  to  the  last  methodology  which 

managed to obtain the lowest cost designs published in the literature for the Li and Matthew 

network. Other studies that solve both subproblems  of the sewer network design  problem 

include (Diogo and Graveto 2006; Haghighi and Bakhshipour 2012; Navin and Mathur 2016; 

Steele et al. 2016; Alfaisal and Mays 2021). 

Although it is important to minimize the cost of sewer networks, over the past years 

new  challenges  that  threaten  the  service  of  sewer  systems  have  emerged,  such  as  climate 

change  and  urbanization.  For  this  reason,  incorporating  concepts  like  reliability  and 

resilience is important to provide a better service in sewer networks.  

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

The reliability and resilience are two concepts that have positive correlation but are 

not  the  same.  Alternatives  that  give  the  greatest  resilience  do  not  necessarily  provide  the 

greatest reliability (Asefa et al. 2014, as cited in Sweetapple, Fu, and Butler 2017). According 

to Butler et al. (2014), the reliability is defined as “the degree to which the system minimizes 

level of service failure frequency over its design life when subject to standard loading”, while 

the resilience is defined by the US National Infrastructure Advisory Council (NIAC) (2009) 

as “the ability to reduce the magnitude and/or duration of disruptive events.” 

The reliability of sewer networks has been studied in previous works. For example 

Mista-Kruk  (2016)  analysed  the  reliability  related  to  elements  of  pressure,  vacuum  and 

gravity  systems  based  on  data.  Tee  et  al.  (2014)  estimated  the  reliability  with  respect  to 

corrosion in pipes. Haghighi and Bakhshipour (2016) proposed a reliability index, this study 

is different from the others because the proposed index is meant to be consider in the design 

of  the  network.  As  for  the  resilience,  many  works  have  proposed  indices  to  measure  this 

concept, most of them using flooding volume (Lee and Kim 2017; Lee, Choi, and Kim 2019; 

Chen and Leandro 2019; Mugume et al. 2015). From these indices, the proposed by Mugume 

et al. stands out for its simplicity and easy implementation in any sewer network. 

The present work proposes an approach to evaluate resilience, reliability, and cost in 

sewer networks designs obtained with an optimal design methodology. The approach aims 

to be a tool for finding minimum cost designs with high resilience and reliability. It also seeks 

to allow the analysis of the relationship between these three aspects in sewer networks. The 

proposed methodology was applied in two sewer networks that have been used before in the 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

literature  to  test  sewer  network  design  methodologies.  The  methodology  was  also  tested 

using two cost functions from the literature. 

2.  Methods 

2.1.First approach: multiobjective optimization 

The  first  approach  proposed  to  evaluate  cost  and  reliability  in  sewer  networks  was  a 

multiobjective optimization model that sought to minimize cost and maximize reliability. For 

this purpose, the Non-Inferior Set Estimation (NISE) algorithm proposed by Medrano and 

Church  (2015)  was  used.  NISE  consists  of  obtaining  a  single  objective  function  from  the 

weighting  of  the  objective  functions  of  interest.  Such  weighting  is  performed  through 

Equation (1), where 

𝑧

𝑐

 is the new objective function, 

𝑧

1

 is objective function 1 (minimize 

cost), 

𝑧

2

 is objective function 2 (maximize reliability), and α is the weight. 

𝑧

𝑐

= 𝛼 ∗ 𝑧

1

+ (1 − 𝛼) ∗ 𝑧

2

 

(1) 

The NISE algorithm starts by assigning the value of 1 to α to find a solution that only 

considers  objective  function  1,  then  α  takes  the  value  of  0  to  find  the  solution  that  only 

considers objective function 2. Subsequently, α is calculated with Equation (2) to find new 

solutions iteratively until it is not possible to find solutions that have higher reliability and 

lower cost than the existing ones. In Equation (2), 

𝜎

𝑖

 and 

𝜎

𝑗

 correspond to previous solutions. 

𝛼 =

𝑧

2

(𝜎

𝑖

) − 𝑧

2

(𝜎

𝑗

)

(𝑧

2

(𝜎

𝑖

) − 𝑧

2

(𝜎

𝑗

)) + (𝑧

1

(𝜎

𝑗

) − 𝑧

1

(𝜎

𝑖

))

 

(2) 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

Using  multiobjective  optimization  in  sewer  design  is  challenging  because  the 

problem is divided into two subproblems. Given that the reliability index relies exclusively 

on  layout  variables,  the  multiobjective  methodology  was  applied  in  the  layout  selection 

model (i.e., MIP model). Thus, the MIP objective function and the reliability index are the 

objective functions to optimize in the multiobjective algorithm. 

The  multi-objective  optimization  produces  a  Pareto  front,  where  each  solution 

corresponds to a different layout with its own MIP objective function and reliability. Because 

the cost of the network is unknown in the layout, the optimal hydraulic design was calculated 

for each layout that composes the Pareto front. In this way, the cost and reliability of various 

designs of the same network were obtained. 

However,  when  the  multiobjective  optimization  was  performed,  it  was  discovered 

that the MIP objective function is not proportional to the network cost, i.e., layouts with a 

low MIP objective function do not correspond to low-cost networks. As a result, when using 

the first approximation, a Pareto front was obtained for the layout selection model, but no 

relationship between network cost and reliability was discovered. In other words, the most 

expensive designs were not necessarily the most reliable. Figure 1 shows the results obtained 

using the first approximation, which show the aforementioned. The Chicó network's results 

are shown in blue, while the Li and Matthew network's results are shown in red. 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

 

 

Figure 1. Results of the first approach. a) Pareto front of the layout selection and b) cost and reliability of the 

designs of the Chicó network. c) Pareto front of the layout selection and d) cost and reliability of the 

designs of the Li and Matthew’s network. 

Based on the results of the first approach, it was determined that there is no trade-off 

between  the  network's  cost  and  reliability;  that  is,  a  network  with  higher  reliability  is  not 

necessarily  more  expensive.  As  a  result,  it  was  decided  to  develop  a  second  approach  in 

which multi-objective optimization was not used, but instead, a reliability measurement on a 

variety of designs for the same network was performed. The relationship between cost and 

reliability was examined, and low-cost and high-reliability designs were sought without the 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

10 

 

use of a multi-objective algorithm. Furthermore, the concept of resilience was included in 

the analysis because it integrates reliability with the magnitude and/or duration of a failure 

event. 

2.2.Final approach: Evaluation of resilience and reliability in sewer networks 

designs 

The second approach was to evaluate the resilience and reliability of various low-cost sewer 

network designs. New designs were obtained by modifying 

𝑏

𝑖𝑗𝑡

 in the objective function of 

the layout selection. 

Initially, the four designs corresponding to the iterations of the original methodology 

of Saldarriaga et al. were made. From these, new designs were obtained by modifying the 

parameter 

𝑏

𝑖𝑗𝑡

. The modifications were made depending on how the parameter was originally 

calculated. In the case of the designs found with criterion 1 or 2, the modification consisted 

of changing the value of the penalty µ. In the case of criterion 3 and the fourth iteration, the 

way in which the distance and excavation costs were calculated were modified, respectively. 

When parameter 

𝑏

𝑖𝑗𝑡

 was changed, it was discovered that there was no relationship 

between the magnitude of the change and the cost of the resulting design. Furthermore, it 

was found that a design could be achieved many times using different modifications in 

𝑏

𝑖𝑗𝑡

As a result, the value of the changes made in 

𝑏

𝑖𝑗𝑡

 was randomized until the desired number 

of designs was obtained. 

Moreover,  we  attempted  to  obtain  a  range  of  costs  in the  new  designs  in  order  to 

investigate the relationship between cost, resilience, and reliability. To search for low-cost 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

11 

 

designs, the designs of iterations with lower costs were used as a basis, and vice versa, to 

search for high-cost designs, the designs of iterations with higher costs were used as a basis.  

After  obtaining  the  desired  number  of  designs,  the  resilience  calculation  was 

performed.  To  do  this,  the  design  was  first  modeled  in  SWMM.  Then,  the  flood  volume 

obtained by clogging each of the inner-branch pipes of the network was calculated. Next, the 

resilience  of  each  pipe  was  calculated  with  the  flood  volume  and  inflow  volume  of  the 

network. Finally, the resilience of the network was calculated as the average of the resilience 

of the inner-branch pipes. After that, reliability was calculated for these same designs using 

the Haghighi and Bakhshipour index. The results were organized into two graphs, one of cost 

vs. resilience and the other of cost vs. reliability.

 

3.  Case studies 

The methodology was tested in two sewer networks previously used in the literature as case 

studies.  The  first  one  is  labelled  Chicó  and  is  part  of  the  real  sewer  network  of  Bogotá, 

Colombia. This sewer network is composed of 109 manholes and 160 pipes, and it only has 

one outfall with a total flow rate of 1.525 m

3

/s. The other sewer network is the one proposed 

by Li and Matthew, which is composed of 57 manholes, 79 pipes, and one outfall with a total 

flow rate of 0.338 m

3

/s. 

The  sewer  network  design  methodology  must  comply  with  the  required  hydraulic 

constraints to ensure proper operation of the network. In the present work, the constraints 

proposed by Li and Matthew (1990) were used, which are presented in Table 1. 

Table 1. Hydraulic constraints 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

12 

 

Constraint 

Value 

Condition 

Minimum diameter 

0.2 m 

Always 

Maximum filling ratio 

0.6 

𝑑 ≤ 0.3 m 

0.7 

0.35 m ≤ 𝑑 ≤ 0.45 𝑚 

0.75 

0.5 m ≤ 𝑑 ≤ 0.9 𝑚 

0.8 

𝑑 ≥ 1 𝑚 

Minimum velocity 

0.7 m/s 

𝑑 ≤ 0.5 m and Flow rate > 0.015 m

3

/𝑠 

0.8 m s

⁄  

𝑑 > 0.5 m and Flow rate > 0.015 m

3

/𝑠 

Maximum velocity 

5 m s

⁄  

Always 

Minimum gradient 

0.003 

Flow rate < 0.015 𝑚

3

/𝑠 

Minimum depth 

1 m 

Always 

 

The list of commercially available diameters used is: {0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.38, 0.4, 

0.45, 0.5, 0.53, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.05, 1.20, 1.35, 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4} in meters, 

and the material used for pipes was concrete with a Manning’s n equal to 0.014. 

As  for  the  equations  to  model  the  construction  cost  of  the  sewer  networks,  two 

equations that have been previously used in the literature were implemented. One of them 

was proposed by Maurer, Wolfram, and Anja (2010) and is presented in Equation (3), where 

is the construction cost of one pipe in U.S. dollars, d is the diameter of the pipe in meters, 

is the length of the pipe in meters, is the average depth of the pipe in meters, and 

𝑚

𝛼

𝑚

𝛽

𝑛

𝛼

, and 

𝑛

𝛽

 are constants defined by the authors. The values of these constants are in 

Table 2. 

𝐶 = ((𝑚

𝛼

𝑑 + 𝑛

𝛼

)ℎ + (𝑚

𝛽

𝑑 + 𝑛

𝛽

)) ∗ 𝐿 

(3) 

Table 2. Constants of the equation of Maurer, Wolfram, and Anja. 

Constant 

Value 

Units 

𝑚

𝛼

 

110 

USD ∗ m

−3

 

𝑚

𝛽

 

1200 

USD ∗ m

−2

 

𝑛

𝛼

 

127 

USD ∗ m

−2

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

13 

 

𝑛

𝛽

 

−35 

USD ∗ m

−1

 

 

The other cost equation was proposed by Li and Matthew (1990) and is presented in 

Equations (4), and (5) where 

𝑓

𝑝

 and 

𝑓

𝑚

 are the construction cost of a pipe and a manhole in 

yuan, respectively; d is the diameter of the pipe in meters (the downstream pipe in the case 

of Equation (5)), is the length of the pipe in meters, and is the depth in meters. 

𝑓

𝑝

=

{

 

 

 

 

(4.27 + 93.59𝑑

2

+ 2.86𝑑ℎ + 2.39ℎ

2

)𝐿       𝑖𝑓 𝑑 ≤ 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ ≤ 3 𝑚

(36.47 + 88.96𝑑

2

+ 8.70𝑑ℎ + 1.78ℎ

2

)𝐿       𝑖𝑓 𝑑 ≤ 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ > 3 𝑚

(20.50 + 149.27𝑑

2

− 58.96𝑑ℎ + 17.75ℎ

2

)𝐿       𝑖𝑓 𝑑 > 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ ≤ 4 𝑚

(78.44 + 29.25𝑑

2

+ 31.80𝑑ℎ − 2.32ℎ

2

)𝐿       𝑖𝑓 𝑑 > 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ > 4 𝑚

 

}

 

 

 

 

 

(4) 

𝑓

𝑚

=

{

 

 

 

  136.67 + 166.19𝑑

2

+ 3.50𝑑ℎ + 16.22ℎ

2

      

𝑖𝑓 𝑑 ≤ 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ ≤ 3 𝑚

132.91 + 790.94𝑑

2

− 280.23𝑑ℎ + 34.97ℎ

2

      

𝑖𝑓 𝑑 ≤ 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ > 3 𝑚

209.74 + 57.53𝑑

2

+ 10.93𝑑ℎ + 19.88ℎ

2

      

𝑖𝑓 𝑑 > 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ ≤ 4 𝑚

210.66 − 113.04𝑑

2

+ 126.43𝑑ℎ − 0.60ℎ

2

      

𝑖𝑓 𝑑 > 1 𝑚 𝑎𝑛𝑑 ℎ > 4 𝑚

 

}

 

 

 

 

 

(5) 

To resume, four scenarios were evaluated varying the sewer network and the cost function. 

These scenarios are summarized in Table 3. 

Table 3. Evaluated scenarios 

Scenario 

Sewer network 

Cost function 

Chicó 

Maurer, Wolfram, and Anja 

Chicó 

Li and Matthew 

Li and Matthew 

Maurer, Wolfram, and Anja 

Li and Matthew 

Li and Matthew 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

14 

 

4.  Results 

4.1. Scenario 1: Chicó network with the cost function of Maurer, Wolfram, and 

Anja. 

Figure 2 present the cost, resilience, and reliability of 15 designs of a sewer network. In this 

figure, a) presents the cost against resilience of the designs, and b) presents the cost against 

reliability of the same designs. 

The design  labelled as “MIP and DP”  correspond to  the design  achieved with  the 

methodology of Duque et al. (2020). The 4 designs referenced as “MIP and DP extension” 

correspond to the solution of the 4 iterations of the methodology proposed by Saldarriaga et 

al. (2021). The remaining 10 designs correspond to those obtained with the strategies of the 

present work. 

Also,  the  design  considered  as  the  “Best  design”  is  marked  with  an  X.  The  best 

designs  are  considered  the  ones  with  the  lowest  cost  and  highest  resilience,  or  reliability. 

Selecting  which  design  is  the  best  can  be  subjective.  It  depends  on  how  much  cost  the 

decision maker is willing to accept to increment the resilience or reliability. In the present 

work, the best designs were chosen with the authors criterion to illustrate an example of how 

the methodology can be useful to select designs with low cost and high resilience/ reliability.  

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

15 

 

 

Figure 2. Cost vs. a) resilience and b) reliability in near-optimal designs of the scenario 1. 

Also, since from the first approach it was concluded that the reliability index used and the 

cost did not have a positive correlation as expected, it was decided to analyse the correlation 

coefficient between the cost, resilience, and reliability of the designs. Table 4 presents these 

results for the case of the Chicó network and the cost function of Maurer, Wolfram, and Anja. 

Table 4. Correlation matrix between the cost, resilience, and reliability of the scenario 1. 

 

Cost

 

Resilience

 

Reliability

 

Cost

 

1

 

 

 

Resilience

 

0.285

 

1

 

 

Reliability

 

0.193

 

0.562

 

1

 

 

5.  Conclusions 

This paper proposes a methodology to evaluate the cost, resilience and reliability of sewer 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

16 

 

network designs obtained with optimized design methodologies. The following conclusions 

are presented based on the results obtained: 

•  Significantly  more  expensive  designs  have  higher  resilience  but  not  necessarily 

higher reliability. In contrast, when the cost difference between two designs is not 

very large, the design with higher resilience is not necessarily the more expensive 

one. 

•  The  methodology  allowed  finding  designs  that  were  more  resilient  and  less 

expensive than those that had already been published. This shows that inexpensive 

networks can be very resilient, in some cases even more than expensive designs. 

•  Although the correlation between resilience and reliability is positive, it is not very 

high. Resilience is recommended over reliability if one must choose between the two 

as  a  criterion  to  determine  which  design  is  better  since  this  concept  takes  both 

reliability  and  the  magnitude  of  the  failure  event  into  account.  Furthermore, 

reliability is less sensitive to modifications in network design. 

From the findings regarding the relationship between cost, resilience, and reliability in sewer 

networks,  it  is  suggested  to  use  cost  and  resilience  as  criteria  to  determine  which  sewer 

network design is preferable. It is also recommended for future studies to use an algorithm 

that automates the process of finding new designs in order to take advantage of computer 

resources to explore a larger number of designs. 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

17 

 

References 

Alfaisal, Faisal M., and Larry W. Mays. 2021. “Optimization Models for Layout and Pipe 

Design for Storm Sewer Systems.” Water Resources Management 35 (14): 4841–54. 

https://doi.org/10.1007/s11269-021-02958-5. 

Asefa, Tirusew, John Clayton, Alison Adams, and Damann Anderson. 2014. “Performance 

Evaluation of a Water Resources System under Varying Climatic Conditions: 

Reliability, Resilience, Vulnerability and Beyond.” Journal of Hydrology 508: 53–65. 

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.10.043. 

Butler, D., R. Farmani, G. Fu, S. Ward, K. Diao, and M. Astaraie-Imani. 2014. “A New 

Approach to Urban Water Management: Safe and Sure.” Procedia Engineering 89: 

347–54. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.198. 

Chen, Kai Feng, and Jorge Leandro. 2019. “A Conceptual Time-Varying Flood Resilience 

Index for Urban Areas: Munich City.” Water (Switzerland) 11 (4). 

https://doi.org/10.3390/w11040830. 

Diogo, A. Freire, and Victor M. Graveto. 2006. “Optimal Layout of Sewer Systems: A 

Deterministic versus a Stochastic Model.” Journal of Hydraulic Engineering 132 (9): 

927–43. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:9(927). 

Duque, Natalia, Daniel Duque, Andrés Aguilar, and Juan Saldarriaga. 2020. “Sewer 

Network Layout Selection and Hydraulic Design Using a Mathematical Optimization 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

18 

 

Framework.” Water (Switzerland) 12 (12). https://doi.org/10.3390/w12123337. 

Haghighi, Ali, and Amin E. Bakhshipour. 2016. “Reliability-Based Layout Design of 

Sewage Collection Systems in Flat Areas.” Urban Water Journal 13 (8): 790–802. 

https://doi.org/10.1080/1573062X.2015.1036085. 

Haghighi, Ali, and Amin E Bakhshipour. 2012. “Optimization of Sewer Networks Using an 

Adaptive Genetic Algorithm.” Water Resources Management 26 (12): 3441–56. 

https://doi.org/10.1007/s11269-012-0084-3. 

———. 2015. “Deterministic Integrated Optimization Model for Sewage Collection 

Networks Using Tabu Search.” Journal of Water Resources Planning and 

Management 141 (1): 4014045. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-

5452.0000435. 

Lee, Eui Hoon, Young Hwan Choi, and Joong Hoon Kim. 2019. “Real-Time Integrated 

Operation for Urban Streams with Centralized and Decentralized Reservoirs to 

Improve System Resilience.” Water (Switzerland) 11 (1). 

https://doi.org/10.3390/w11010069. 

Lee, Eui Hoon, and Joong Hoon Kim. 2017. “Development of Resilience Index Based on 

Flooding Damage in Urban Areas.” Water (Switzerland) 9 (6): 1–15. 

https://doi.org/10.3390/w9060428. 

Li, Guiyi, and Matthew Robert G. S. 1990. “New Approach for Optimization of Urban 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

19 

 

Drainage Systems.” Journal of Environmental Engineering 116 (5): 927–44. 

https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1990)116:5(927). 

Maurer, Max, Martin Wolfram, and Herlyn Anja. 2010. “Factors Affecting Economies of 

Scale in Combined Sewer Systems.” Water Science and Technology 62 (1): 36–41. 

https://doi.org/10.2166/wst.2010.241. 

Medrano, Fernando Antonio, and Richard Lee Church. 2015. “A Parallel Computing 

Framework for Finding the Supported Solutions to a Biobjective Network 

Optimization Problem.” Journal of Multi-Criteria Decision Analysis 22 (5–6): 244–

59. https://doi.org/10.1002/mcda.1541. 

Miszta-Kruk, Katarzyna. 2016. “Reliability and Failure Rate Analysis of Pressure, Vacuum 

and Gravity Sewer Systems Based on Operating Data.” Engineering Failure Analysis 

61: 37–45. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.07.034. 

Moeini, R, and MH Afshar. 2012. “Layout and Size Optimization of Sanitary Sewer 

Network Using Intelligent Ants.” Advances in Engineering Software 51: 49–62. 

https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2012.05.003. 

———. 2017. “Arc Based Ant Colony Optimization Algorithm for Optimal Design of 

Gravitational Sewer Networks.” Ain Shams Engineering Journal 8 (2): 207–23. 

https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.asej.2016.03.003. 

———. 2018. “Extension of the Hybrid Ant Colony Optimization Algorithm for Layout 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

20 

 

and Size Optimization of Sewer Networks.” Journal of Environmental Informatics 33 

(2): 68–81. https://doi.org/10.3808/jei.201700369. 

Mugume, Seith N., Diego E. Gomez, Guangtao Fu, Raziyeh Farmani, and David Butler. 

2015. “A Global Analysis Approach for Investigating Structural Resilience in Urban 

Drainage Systems.” Water Research 81: 15–26. 

https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.05.030. 

National Infrestructure Advisory Council. 2009. “Critical Infrastructure Resilience Final 

Report and Recommendations.” 

Navin, Praveen K, and Yogesh P Mathur. 2016. “Layout and Component Size Optimization 

of Sewer Network Using Spanning Tree and Modified PSO Algorithm.” Water 

Resources Management 30 (10): 3627–43. https://doi.org/10.1007/s11269-016-1378-

7. 

Saldarriaga, Juan, Jesús Zambrano, Juana Herrán, and Pedro L. Iglesias-Rey. 2021. “Layout 

Selection for an Optimal Sewer Network Design Based on Land Topography, Streets 

Network Topology, and Inflows.” Water (Switzerland) 13 (18): 1–20. 

https://doi.org/10.3390/w13182491. 

Steele, Joshua C, Kurt Mahoney, Omer Karovic, and Larry W Mays. 2016. “Heuristic 

Optimization Model for the Optimal Layout and Pipe Design of Sewer Systems.” 

Water Resources Management 30 (5): 1605–20. https://doi.org/10.1007/s11269-015-

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

21 

 

1191-8. 

Sweetapple, Chris, Guangtao Fu, and David Butler. 2017. “Reliable, Robust, and Resilient 

System Design Framework with Application to Wastewater-Treatment Plant Control.” 

Journal of Environmental Engineering 143 (3): 04016086. 

https://doi.org/10.1061/(asce)ee.1943-7870.0001171. 

Tee, Kong Fah, Lutfor Rahman Khan, Hua Peng Chen, and Amir M. Alani. 2014. 

“Reliability Based Life Cycle Cost Optimization for Underground Pipeline 

Networks.” Tunnelling and Underground Space Technology 43: 32–40. 

https://doi.org/10.1016/j.tust.2014.04.007. 

 

 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/fe52c5a892551da2ee77b830e8ac1354/index-html.html
background image

 

Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Medición y Evaluación de Resiliencia y Confiabilidad en Diseños Óptimos 
de Drenaje Urbano

 

MIC 2022-10 

 

 

Juana María Herrán Murcia 

Tesis II 

22 

 

3  REFERENCIAS 

Butler,  D.,  R.  Farmani,  G.  Fu,  S.  Ward,  K.  Diao,  and  M.  Astaraie-Imani.  2014.  “A  New 

Approach to Urban Water Management: Safe and Sure.” Procedia Engineering 89: 
347–54. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.198. 

Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE). (2018). Servicios públicos

Obtenido 

de 

https://dane.maps.arcgis.com/apps/MapSeries/index.html?appid=2749922ca5f8469
db9990986c02b1b93 

National  Infrestructure  Advisory  Council.  2009.  “Critical  Infrastructure  Resilience  Final 

Report and Recommendations.” 

Saldarriaga,  J.,  Cuero,  P.,  Montaño,  L.,  Corrales,  E.,  &  Luna,  D.  (2014).  Metodología  de 

selección de trazado de una red de drenaje urbano optimizada, usando el concepto 
de 

mínima 

masa-longitud 

transportada. 

Obtenido 

de 

https://pavcowavin.com.co/metodologia-de-seleccion-del-trazado-de-una-red-de-
drenaje-urbano-optimizada 

United Nations Children’s Fund (UNICEF) & World Health Organization. (2019). Progress 

on  household  drinking  water,  sanitation  and  hygiene  2000-2017:  Special  focus  on 
inequalities.
 New York. 

 

  

¿Quiere saber más? Contáctenos

Declaro haber leído y aceptado la Política de Privacidad
contactenos