Mapeamento de perigo potencial associado a rompimentos de barragens sob efeito cascata

Abstract

Barragens são estruturas que, mediante o contexto histórico dos recursos hídricos, possuem um papel extremamente relevante para a sociedade. Se, por um lado, as construções desses reservatórios trazem benefícios, por outro lado, possíveis rompimentos dessas estruturas resultam em potenciais danos que podem se intensificar em rios que possuem reservatórios em cascata. Os grandes desastres ocorridos no passado levantaram a discussão sobre a importância da criação de mapas de perigo em grande escala para auxiliar na gestão e prevenção desses eventos. Considerando o crescente aumento no número de barragens no Brasil, torna-se um grande desafio elaborar mapas com índices simples, intuitivos e que também apresentem embasamento físico para identificar possíveis impactos ocasionados por acidentes dessa natureza. Em vista disso, este estudo apresenta uma alternativa para mapear o perigo de inundações de rompimentos de barragens sob efeito cascata, através do desenvolvimento e aplicação de um modelo físico que prevê a atenuação da vazão de pico da onda de cheia à medida que ela se propaga para jusante. O modelo pode ser facilmente aplicado com parâmetros comumente disponíveis relacionados às características do rio e do hidrograma afluente. A proposta de elaboração dos mapas de perigo apresenta etapas para estimar as vazões de pico, aplicar o modelo de atenuação de forma recursiva ao longo dos segmentos de comprimento do rio, determinar o tempo de propagação da onda de cheia e propor a obtenção dos períodos de retorno das vazões de pico. A validade e precisão do modelo foram demonstradas através de três análises diferentes. Quando testado, ele replicou soluções numéricas das equações de Saint-Venant, mostrou precisão na reprodução das observações históricas de vazão de pico e foi consideravelmente mais preciso que um modelo empírico simplificado. Além disso, forneceu previsões de atenuação equivalentes às fornecidas por um modelo hidrodinâmico detalhado e observações in situ para uma cheia real. Os produtos da aplicação da metodologia foram distribuídos espacialmente em formato de mapas de perigo, com informações atraentes e também embasadas fisicamente por meio de índices de vazão máxima, tempo de propagação e período de retorno da onda de cheia. O mapa de vazões máximas de ruptura apresentou as vazões de pico diminuindo à medida que se propagam para jusante, conforme o comportamento proposto no modelo de atenuação. O produto do tempo de propagação da onda de cheia apresentou informações que podem ser necessárias para a elaboração de planos de evacuação mediante a ocorrência de acidentes, e o mapa de período de retorno das cheias expôs alto grau de perigo para a maioria dos cursos d’água, com cheias que podem comprometer a segurança das estruturas construídas. O principal propósito desta dissertação foi a elaboração de mapas de perigo em grande escala, com o intuito de fomentar a comunicação sobre os riscos de inundações decorrentes de possíveis rupturas de barragens sob efeito cascata e auxiliar na tomada de decisões.

Dams are structures that, within the historical context of water resources, play an extremely relevant role for society. While the construction of these reservoirs provides benefits, potential failures of these structures can result in significant damage, particularly in rivers with cascading reservoirs. The occurrence of major disasters in the past has sparked a discussion about the importance of creating large-scale hazard maps to assist in the management and prevention of such events. As the number of dams in Brazil continues to rise, developing maps with simple, intuitive indices that have a solid physical basis to identify potential impacts resulting from accidents of this nature presents a significant challenge. Therefore, this study presents an alternative approach to mapping the hazard of flooding resulting from cascading dam breaks by developing and applying a physical model that predicts the attenuation of the peak flow of the flood wave as it propagates downstream. The model can be easily applied with commonly available parameters related to the characteristics of the river and the inflow hydrograph. The proposed methodology for developing hazard maps includes steps such as estimating peak flows, recursively applying the attenuation model along the river's length segments, determining the propagation time of the flood wave, and obtaining the return periods of peak flows. The validity and accuracy of the model were demonstrated through three different analyses. When tested, it replicated numerical solutions of the Saint-Venant equations, showed accuracy in reproducing historical observations of peak flow, and was considerably more accurate than a simplified empirical model. Furthermore, it provided attenuation predictions equivalent to those provided by a detailed hydrodynamic model and in-situ observations for a real flood event. The methodology outputs were spatially distributed as hazard maps with appealing information and also physically supported by maximum flow indices, wave travel time and flood wave return period. The maximum flows map showed peak flows decreasing as they propagate downstream, according to the proposed behavior of the attenuation model. The flood wave travel time product provided information that may be necessary for the development of evacuation plans in case of accidents, and the flood return period map showed a high degree of hazard for most watercourses, with floods that can compromise the safety of built structures. The main purpose of this work was to develop largescale hazard maps in order to promote communication about the risks of floods resulting from possible dam breaks under cascading effect and assist in decision-making.