Paper enviado al congreso CCWI 2023 - Effect of pipe roughness in sewer networks design located hilly regions

The present work aims to study the effect of pipe roughness on the construction cost of sewer networks with drop manholes.

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/b1ac5b4642754654b74ed4a03ecd36e4/index-html.html
background image

Title: 

Effect of pipe roughness in sewer networks design located hilly regions 

Authors: 

Juan Saldarriaga (jsaldarr@uniandes.edu.co) 

Sara Criollo (sc.criollo@uniandes.edu.co) 

Santiago Acosta (sc.criollo@uniandes.edu.co) 

Keywords: 

drop manholes; hilly regions; pipe roughness; sensitivity analysis; sewer network design 

Highlights: 

•  Sensitivity analysis of the effect of the pipe roughness in the cost of sewer networks. 
•  Application of an optimal sewer network design methodology that includes drop manholes. 
•  Identifying the optimal pipe roughness for sewer network design with drop manholes. 

Purpose: 

The  present  work  aims  to  study  the  effect  of  pipe  roughness  on  the  construction  cost  of  sewer 
networks with drop manholes. A previous study suggested that there is an optimal roughness with 
which the construction cost is the lowest in sewer networks located in hilly regions. The current work 
seeks to prove this hypothesis with a sensitivity analysis in which eight material roughnesses were 
tested on four hilly slopes. 

Materials and Methods: 

To perform the sensibility analysis, two sewer networks of two sectors in Bogotá, Colombia were 
used as case studies: Chicó and Cedritos. The original terrain elevation of both networks was modified 
to simulate four hilly slopes (2.5, 5, 7.5, and 10%). With each hilly slope, the sewer networks were 
designed using eight pipe roughness (0.0015, 0.008, 0.03, 0.1, 0.3, 1, 3, and 6 [mm]) to achieve eight 
designs per hilly slope, per sewer network. Also, the procedure was executed using two cost functions: 
the one proposed by Li and Matthew (1990) and the one proposed by Maurer et al. (2010). 

To design the sewer networks under the conditions mentioned, the methodology of Saldarriaga et al. 
(2023) was employed. This methodology  expands the work of Duque et al. (2020)  by adding the 
possibility of including drop manholes in the sewer network design. This is especially useful in hilly 
regions, where energy dissipation is necessary to comply with all hydraulic constraints that guarantee 
adequate operation of the sewer network. 

Duque  et  al.  (2020)  models  the  hydraulic  design  as  a  directed  graph,  where  the  nodes  represent 
feasible combinations of pipe diameters and excavation depths, and the arcs represent the diameter 
and excavation depth of a particular pipe. These authors proposed to use a shortest path algorithm to 
determine the optimal diameters and depths for all pipes in the network, leading to the lowest cost 
design. 

Saldarriaga et al. (2023) extended this methodology by introducing a new type of arc that represents 
drop manholes in the directed graph used for hydraulic design. Through these new arcs, the shortest 
path algorithm determines not only the optimal diameters and excavation depths, but also the optimal 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/b1ac5b4642754654b74ed4a03ecd36e4/index-html.html
background image

number of drop manholes, their locations within the network, and the appropriate drop heights to 
meet the hydraulic constraints. 

Results and Discussion: 

The results achieved are presented in Figure 1. This figure illustrates the cost of the designs obtained 
in the two case studies using the two cost functions. 

 

Figure 1. Results of the sensitivity analysis 

Figure 1 illustrates that designs with steeper slopes and lower roughness resulted in higher costs. This 
is because these conditions require more energy dissipation to meet hydraulic constraints, resulting 
in a greater need for drop manholes, ultimately increasing the overall cost of the design. 

Additionally, the results showed that there is an optimal range of roughness values for achieving the 
lowest cost design, but this optimal roughness varies for each sewer network. For example, in the 
Chicó network, the lowest cost designs were obtained with a roughness value of 0.1 mm, while in the 
Cedritos  network,  the  lowest  costs  were  achieved  with  a  roughness  less  than  0.1  mm, except  for 
designs with a 10% slope where drop manholes were required in low roughness conditions. For this 
slope, the lowest cost designs were found to be around 0.1 mm. 

Moreover, Figure 1 indicates that the cost function has little effect on the results, as the graphs for 
each network display similar behavior. 

 

 

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/b1ac5b4642754654b74ed4a03ecd36e4/index-html.html
background image

Conclusion and Perspectives: 

•  There  is  an  optimal  range  or  value  of  roughness  where  the  lowest  construction  cost  are 

obtained. However, this optimal roughness varies in each sewer network. 

•  Drop  manholes  increase the  overall  cost  of the  sewer  networks,  but  under  certain  terrain 

conditions, these structures are necessary to meet all hydraulic constraints. 

•  Designs with steeper slopes typically require more energy dissipation, resulting in a greater 

need for drop manholes to ensure proper hydraulic operation. 

•  Any cost function could be used in the methodology for the sewer network design in hilly 

regions, since it has little effect in the results achieved. 

References: 

Duque, N., Duque, D., Aguilar, A., & Saldarriaga, J. (2020). Sewer Network layout selection and 

hydraulic design using a mathematical optimization framework. Water12(12), 3337. 
https://doi.org/10.3390/w12123337  

Li, G., & Matthew, R. G. (1990). New approach for optimization of Urban Drainage Systems. Journal 

of  Environmental  Engineering,  116(5),  927–944.  https://doi.org/10.1061/(asce)0733-
9372(1990)116:5(927)  

Maurer,  M.,  Wolfram,  M.,  &  Anja,  H.  (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  

Saldarriaga, J., Herrán, J., & Iglesias-Rey, P. L. (2023). Optimal Sewer Network Design for Cities in 

Hilly Regions. [Manuscript submitted for publication]. 

 

 

¿Quiere saber más? Contáctenos

Declaro haber leído y aceptado la Política de Privacidad
contactenos