1  

Flood Improvement and LID Modeling Using XP‐SWMM 

Andrew Juan1, Nick Fang2, and Philip Bedient3  

Rice University August, 2013 

Introduction 

First developed in 1971, the EPA's Storm Water Management Model (SWMM) has been widely used in 

urban areas for planning, analysis, and design related to stormwater runoff, combined sewers, sanitary 

sewers, and other drainage systems. XP‐SWMM, published by XP Solutions  Inc., uses  the EPA SWMM 

model as the primary runoff hydrograph simulator for runoff quantity and quality. The major advantage 

of XP‐SWMM over other software packages is its ability to combine a 1D river hydraulic model with a 2D 

rainfall‐runoff model to generate floodplain maps.  In addition, XP‐SWMM is approved by FEMA for the 

hydrologic and hydraulic applications detailed in this study.  

There  are  three  separate modules  present  in  XP‐SWMM:  runoff,  sanitary,  and  hydraulic.  The  runoff 

module includes subcatchment areas for hydrologic modeling. The sanitary module allows for pollutant 

loading and water quality analyses, and the hydraulic module is capable of simulating the hydraulics of 

channels  and  storm  sewers. Most  of  the work  for  Rice University’s  flood  improvement  project was 

accomplished in XP‐SWMM’s hydraulic module, while the LID modeling was conducted using the runoff 

module. 

Harris Gully Watershed 

Rice  University  is  located  within  the  Harris  Gully  watershed,  which  covers  a  drainage  area  of 

approximately 5 square miles, consisting mostly of fully‐developed residential and light commercial land 

                                                            1 Graduate student, Civil and Environmental Engineering Department, Rice University, PH (713) 348‐4221, Email: Andrew.juan@rice.edu  2 Project Manager, Civil and Environmental Engineering Department, Rice University, PH (713) 348‐2398, Email: nickfang@rice.edu  3 Professor, Civil and Environmental Engineering Department, Rice University, PH (713) 348‐4953, Email: bedient@rice.edu  

 

use. The a

the world

which bei

entire wa

downstre

After TS A

improvem

1). Locate

improvem

distribute

watershed

 

 

 

area is also ho

d. A number o

ing Tropical S

atershed,  resu

am portions o

Allison and as

ment efforts w

ed at Kirby D

ments were  d

e  it  along  Br

d have been 

Figure 1: Th

ome to Herm

of severe sto

Storm Allison 

ulting  in  roug

of Harris Gull

part of the T

were conduct

r., McGregor

designed  to  d

rays  Bayou.   

incorporated

he Harris Gully

mann Park and

orms have  im

in 2001. TS A

ghly $5 billio

y, where Rice

Tropical Storm

ted to mitigat

r Dr.  (now ca

divert  stormw

These  impr

 into this stud

y Watershed

d the Texas M

pacted the H

Allison cause

n  in damage

e University a

m Allison Reco

te future floo

alled Cambrid

water  away 

rovements  an

dy. 

with drainag

Ri

Medical Cente

Harris Gully w

ed severe floo

s.    Inundatio

and the Texas

overy Project

oding problem

dge Dr.), and 

from  the  pri

nd  other  cha

 

ge improveme

ice 

TMC 

er, the largest

watershed, th

oding problem

on was espec

s Medical Cen

t (TSARP), a n

ms in the wat

Hermann Dr

imary  Harris 

anges  within

 

ents depicted 

t medical cen

he most nota

ms throughou

ially  severe a

nter are locate

umber of dra

ershed (see F

r.,  these stru

Gully  culver

n  the  Harris 

 

in blue.

2 

nter in 

ble of 

ut the 

at  the 

ed.  

ainage 

Figure 

ctural 

rt  and 

Gully 

3  

Rice University Flood Improvement Project 

The main purpose of the project was to represent Rice University’s existing storm water network using a 

1D/2D hydraulic model  (XP‐SWMM) and to evaluate the effects of a proposed drainage alternative on 

Rice’s 100yr floodplain, focusing specifically on the area adjacent to Alumni Drive. The pipe network of 

Rice  University  was  represented  as  a  system  of  links  and  nodes  in  XP‐SWMM.  In  the  proposed 

alternative, new 48” pipes would be connected to existing 48” sewers under the Center Quadrangle. The 

pipes would then be run along Alumni Drive, underneath the intramural fields and stadium parking lots, 

and into Harris Gully. A comparison between the existing and proposed alternatives is depicted in Figure 

2.  

 

4  

 

Figures  2(a)  and  (b):  Existing  (top)  and  proposed  (bottom)  storm  water  network  on  Rice  Campus. 

Changes to the existing network are highlighted in blue in 2b. 

To  create  the  base  XP‐SWMM model,  Tropical  Storm  Erin  (August  16,  2007) was  used.  The  primary 

reason  for  the  selection  of  this  storm was  the  availability  of  high water marks  at  several  locations 

throughout  the Rice campus. These  records  later proved  to be  instrumental  in model calibration. The 

rainfall  data  for  this  event  were  obtained  from  a  HCOEM  rain  gauge  at  Holcombe  (OEM400)  that 

recorded a total rainfall depth of 6.2 in. The rainfall data are shown in Figure 3 below. 

 

Land use 

highly  imp

imperviou

represent

was  categor

pervious area

usness—was 

ted in XP‐SWM

Figure 3

rized within  X

as, mainly the

categorized 

MM. 

: Cumulative 

XP‐SWMM  as

e buildings o

as  LoFrictio

Rainfall from

s  either HiFr

n Rice campu

on.  Figure  4

m HCOEM Gau

riction or  LoF

us. The rest o

shows  Rice

uges. 

Friction. HiFri

of the Rice—t

’s  land  use 

iction  repres

the areas of 

characteristi

5 

 

ented 

lower 

ics  as 

 

After runn

compared

generally 

compariso

Figure 5: 

Figure 4. L

ning the base

d  with  obser

corresponde

on between t

Comparison 

and use chara

e model with 

rved  high  wa

d well with th

the simulated

between XP‐S

acteristics of 

TS Erin, the s

ater  marks  a

he observed h

d and observe

SWMM mode

Rice Universi

simulated wat

at  various  lo

high water m

ed water surfa

  

eled high wat

ity as represe

ter surface el

ocations.  The

marks along Al

ace elevation

     

ter marks and

ented by XP‐SW

levations from

  simulated  i

lumni Drive. F

ns at Alumni D

d those observ

 

WMM. 

m XP‐SWMM

nundation  d

Figure 5 show

Drive for TS E

ved during TS

6 

 were 

epths 

ws the 

rin.  

 

S Erin. 

 

To compa

design sto

inundatio

reduction

several of

and/or  va

Biological

 

 

are the perfo

orm was simu

on levels along

n was observe

f the existing

aluable  equip

 Laboratories

Figure 6: 1

ormances of e

ulated. The pr

g Alumni Dr. 

ed as illustrat

g buildings ad

pment  and  re

s as well as th

100‐yr flood l

existing and p

roposed alter

for the desig

ted in Figures

djacent to Alu

esearch mate

he Space Scien

levels from Ex

proposed con

rnative was fo

gn storm. In g

s 6 and 7. Thi

umni Drive, e

erial,  such  as

nce and Tech

xisting (left) a

nditions of th

ound to be su

general, appr

s flooding red

especially tho

s  the  Keith‐W

nology Buildi

and Proposed

he Rice camp

uccessful in re

oximately 0.5

duction woul

ose with base

Weiss Geolog

ing. 

d (right) Condi

pus, the 100y

educing the o

5‐1ft of inund

ld be benefic

ement  labora

ical  and And

itions. 

7 

yr24hr 

overall 

dation 

ial for 

tories 

erson 

 

 

Figures 7(

network p

is depicte

(a) and (b): S

performance 

d by the blue 

tage Compar

is symbolized

curve. 

risons at Selec

d by the oran

cted Nodes fo

ge curve. Per

or 100yr24hr S

rformance wi

Storm. The ex

ith the propo

 

xisting storm

osed improvem

8 

water 

ments 

 

LID Mode

In  additio

strategy f

practices.

strategies

runoff as 

such as gr

urbanizat

capabilitie

LID adopt

module o

Drive. The

Comparis

(green  ro

eling 

on  to  increas

for flood miti

  Since  the  la

s. However, u

close as poss

reen roofs, bi

ion  on  natu

es and ease o

tion.  In this p

of XP‐SWMM.

e green roofs,

ons were ma

ofs) by using

sing  drainage

gation on Ric

ate  1990s,  LI

unlike most tr

sible to its ori

io‐swales, an

ural  resourc

of use of XP‐S

preliminary st

. Analysis wa

, as modeled 

Figure 

ade between

g  the  Soil Co

  capacities  t

ce’s campus i

D  has  emerg

raditional me

igin. This is ac

d rain garden

es  by  main

SWMM make 

tudy, a hypot

s focused on

in XP‐SWMM

8: Green roof

  the base  sce

nservation  Se

hrough  the  i

is the implem

ged  as  an  alt

thodologies, 

ccomplished 

ns, with the e

ntaining  pre‐

it quite suita

thetical green

n the four bui

M, are shown 

f modeling us

enario  (tradit

ervice  (SCS) C

installation  o

mentation of 

ternative  to  t

LID features 

through the 

end goal of re

‐developmen

able for quant

n roof scenar

ildings that d

in Figure 8 be

sing XP‐SWM

tional concre

Curve Numb

of  new  pipes,

Low Impact D

traditional  ur

are designed

use of distrib

educing the n

t  hydrologic

tifying the po

rio was simul

drained to no

elow.  

MM. 

ete  roofs) and

er  (CN) meth

,  another  po

Development

rban  develop

d to manage s

buted techno

egative impa

c  conditions.

otential bene

lated  in the r

ode 335 on A

d  the  LID  sce

hod  to dictat

9 

ossible 

t (LID) 

pment 

storm 

logies 

acts of 

.  The 

fits of 

runoff 

Alumni 

enario 

te  the 

 

hydrologi

models  to

appropria

a Curve N

and mois

scenarios 

 For this p

while  the

between 

After sim

green  roo

addition, 

timing of 

decreased

conclusive

c performanc

o  simulate w

ate volume of

Number or CN

ture  conditio

using Green 

particular stud

e  concrete  ro

two differen

ulating sever

ofs were able

it was  obser

peak flows. S

d peak  flows 

e, indicating t

Figure 9: Pre

ce of each  ro

watershed  run

f stormwater 

, a paramete

ons  on  runof

Roofs and tra

dy, the green

oofs were  rep

t  runoff met

al design sto

e  to  reduce p

rved  differen

Specifically,  i

when compa

that more stu

eliminary Res

oof  type. The

noff.  The me

runoff for a g

r that represe

ff  generation

aditional hydr

 roofs in the 

presented  by

thods:  the  SW

rms (1in rain

peak  flows as

nt  routing me

t was found 

ared  to  the k

udies need to 

sults from Gre

e SCS CN met

ethod  applies

given area by

ents the com

.  Figure  9  pr

rologic mode

LID scenario

y  SCS  Curve 

WMM  runoff 

fall, 2yr‐3hr, 

s well as  tota

ethods  result

that the SWM

kinematic wa

be conducte

een Roofs vs.

thod  is comm

s  an  empiric

y characterizi

bined impact

resents  some

eling schemes

were represe

Number  77. 

f method and

10yr‐12hr), i

al  runoff volu

ted  in  discre

MM runoff m

ve method. T

ed to validate

Traditional M

monly used  in

cal  approach 

ng its hydrolo

ts of soil type

e  preliminary

s in XP‐SWMM

ented by SCS 

Comparisons

d  the  kinema

nitial results 

ume by appr

pancies  in  th

method result

These results

these finding

Models in XP‐S

n many hydro

to  determin

ogic response

e, vegetative c

y  results  from

M.  

Curve Numb

s were  also 

atic wave me

indicated tha

roximately 20

he magnitude

ted  in delaye

s are by no m

gs. 

SWMM. 

10 

ologic 

e  the 

e with 

cover, 

m  the 

er 86, 

made 

ethod. 

at the 

0%.  In 

e  and 

d and 

means 

 

11  

Conclusions and Work in Progress 

Overall, XP‐SWMM was found to be instrumental in simulating and depicting the drainage conditions for 

the  Rice  flood  improvement  project;  and  based  on  the  preliminary  results,  it  also  has  potential  for 

application  in  the design and evaluation of different  LID  features. Currently, Rice  is  in  the process of 

constructing  several  new  buildings  throughout  campus,  and  it  is  likely  that  this  activity  will  impact 

existing hydrologic conditions. Therefore,  it  is paramount  that more  studies are conducted  to  further 

improve our understanding of drainage performance at Rice. Future analyses may include performing a 

more detailed hydrology/hydraulics study in the areas beyond Alumni Drive as well as the evaluation of 

other LID features, including porous pavements, swales, and infiltration strips.