Abordagem de grande escala para simulações de cheias geradas por rompimentos de barragens de armazenamento de água

Abstract

Barragens são estruturas que fizeram, fazem e farão parte da sociedade. Se por um lado elas são capazes de trazer inúmeros benefícios, por outro, podem ser também responsáveis por grandes impactos, dos quais se destacam os rompimentos. O grande número de rupturas de barragens observados no passado trazem à tona uma discussão acerca da necessidade de identificação dos possíveis impactos associados a rupturas de barragens estabelecidas em vastos territórios, como o Brasil. Considerando o elevado número de barragens em território nacional (que ultrapassava 22.000 no ano de 2020), torna-se um grande desafio a identificação desses possíveis impactos, inicialmente definidos a partir da classificação de barragens quanto ao chamado Dano Potencial Associado (DPA). Dessa forma, essa Tese de Doutorado procura explorar técnicas de mapeamento sistemático e preliminar de áreas possivelmente impactadas por ruptura de diversas barragens de armazenamento de água sob uma abordagem hidrodinâmica de grande escala, que é discutida sob a óptica recentemente adotada em Modelos Hidrológicos de Grande Escala (MHGEs). Esses modelos utilizam o esquema de propagação inercial, que despreza apenas o termo de inércia advectiva das equações de Saint-Venant, associado a uma abordagem de descrição topológica de terreno (que utiliza curvas Cota-Área-Volume definidas ao longo do trecho de interesse) para simular e representar cheias naturais. Geralmente associado a uma majoração da vazão de pico, subestimativas nas profundidades calculadas, atrasos no tempo de chegada de cheia e adiantamentos no tempo de chegada de vazão de pico, o modelo inercial foi utilizado na constituição de um novo modelo matemático hidrodinâmico unidimensional de planície ativa retangular com largura variável e que conta com troca de fluxo entre canal e planície, chamado de DB-HiFlow (acrônimo de Dam Break Hydrodynamic Inertial Flow Model). Esse modelo (em sua segunda versão) foi capaz de reproduzir manchas de inundação de ruptura de barragens geradas a partir do modelo HEC-RAS 6.1 com acurácia que variou entre 79,5% e 84%, associadas a diferenças típicas da ordem de +-15% para o tempo de chegada de pico e de -16% a +9% para a vazão de pico calculada em diferentes seções das barragens analisadas. Tendo sido concebido para aplicações de grande escala, esse modelo foi capaz de gerar informações como mapas de inundação e mapa de tempo de chegada de vazão de pico para 26 pequenas barragens localizadas em diferentes pontos na bacia do Lago Guaíba em apenas 6 horas de simulação, com pouca intervenção humana, se demonstrando útil no âmbito de classificação rápida de diversas barragens quanto ao DPA por parte de organismos de controle, entre outras aplicações. Dessa forma, as técnicas aqui apresentadas podem ser vistas como uma alternativa hidrodinâmica complementar aos comumente adotados métodos simplificados de rompimento de barragens (que em geral são restritivos na representação dos impactos de ondas de ruptura em locais com determinadas características), trazendo aos órgãos regulamentadores uma opção adicional de análise rápida e simplificada de potenciais danos sociais econômicos e ambientais associados a ruptura de barragens.

Dams are structures that were, are and will be part of society. If, on the one hand, they are capable of bringing numerous benefits, on the other hand, they can also be responsible for major impacts, of which ruptures can be highlighted. The large number of dam failures observed in the past brings up a discussion about the need to identify the possible impacts associated with dam failures established in vast territories, such as Brazil. Considering the high number of dams in the national territory (which exceeded 22,000 in 2020), it is a great challenge to identify these possible impacts, initially defined from the classification of dams in terms of the so-called Associated Potential Damage (APD). Thus, this PhD Thesis seeks to explore systematic and preliminary mapping techniques of areas possibly impacted by the failure of several water dams under a large-scale hydrodynamic approach, which is discussed from the perspective recently adopted in Large-Scale Hydrological Models (LSHMs). These models use the inertial propagation scheme, which ignores only the advective inertia term of the Saint-Venant equations, associated with a topological terrain description approach (which uses Elevation-Area-Volume curves defined along the stretch of interest) to simulate and represent natural floods. Generally associated with a higher peak flow, underestimations in the calculated depths, delays in the time of arrival of the flood and small time of arrival of the peak flow, the inertial model was used in the constitution of a new one-dimensional hydrodynamic mathematical model of active rectangular floodplain with variable width and that has flow exchange between channel and floodplain, called DB-HiFlow (acronym for Dam Break Hydrodynamic Inertial Flow Model). This model (in its second version) was able to reproduce dam failure flood patches generated from the HEC-RAS 6.1 model with an accuracy that varied between 79.5% and 84%, associated with differences of the order of +- 15% for the peak arrival time and from -16% to +9% for the peak flow calculated for different sections of the analyzed dams. Having been designed for large scale applications, this model was able to generate information such as flood maps and peak flow arrival time map for 26 small dams located at different points in the Guaíba Lake watershed in just 6 hours of simulation, with little human intervention, proving to be useful in the scope of rapid classification of several dams in terms of APD by regulatory agencies. In this way, the techniques presented here can be seen as a hydrodynamic alternative complementary to the commonly adopted Dam-Break simplified methods (which in general are restrictive in the representation of the impacts of rupture hydrograms in downstream valleys with certain characteristics), providing regulatory agencies with an additional option for a quick and simplified analysis of potential social, economic and environmental damages associated with dam failure.