Avaliação de ruptura hipotética de barragens com diferentes metodologias e bases topográficas

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo avaliar a influência de diferentes Modelos Digitais de Elevação (MDEs) e metodologias de modelagem na estimativa de variáveis hidrodinâmicas, incluindo vazão máxima, profundidade máxima, velocidade máxima, largura superficial máxima da inundação e tempo de pico, e na delimitação das manchas de inundação decorrentes da ruptura hipotética de barragens, considerando a aplicação de abordagem hidrodinâmica bidimensional (HEC-RAS 2D) e de método simplificado (LNEC), em vales a jusante com características geomorfológicas distintas. A questão central da pesquisa reside nas incertezas associadas à escolha da base topográfica e da metodologia de cálculo, especialmente diante da ampla disponibilidade de MDEs de diferentes origens, resoluções e níveis de detalhamento, bem como da utilização de métodos simplificados para fins de classificação preliminar do Dano Potencial Associado (DPA). Para isto, foram analisadas quatro barragens localizadas no estado do Rio Grande do Sul, Brasil, considerando seis bases topográficas com diferentes níveis de detalhamento, quatro obtidas in situ (três levantamentos LiDAR com batimetria e um modelo derivado de aerofotogrametria) e duas de uso livre (FABDEM e ANADEM), nas simulações realizadas tanto no modelo hidrodinâmico (HEC-RAS 2D) quanto no método simplificado (LNEC), sendo adotado o MDE LiDAR de 1 m como referência para comparação dos resultados. A avaliação foi realizada por meio de gráficos adimensionais, métricas integradas de erro e desvios relativos de área, complementadas por análise estatística descritiva, incluindo coeficiente de variação e correlação linear. Os resultados indicam que a base topográfica exerce influência direta e sistemática sobre os parâmetros hidráulicos, especialmente aqueles associados à geometria da inundação, como profundidade, velocidade e largura, enquanto a vazão máxima apresenta menor sensibilidade. As diferenças entre os MDEs mostraram-se mais expressivas para largura e área inundada, com variações que, nos casos mais críticos, atingem ou superam a ordem de 20% a 30%, enquanto as variáveis associadas à propagação longitudinal apresentaram menor dispersão. O modelo hidrodinâmico apresentou maior capacidade de representação espacial e tendência a estimar maiores magnitudes e extensões de inundação, enquanto o método simplificado apresentou menor variabilidade interna e estimativas mais restritivas. Conclui-se que a escolha da metodologia e da base topográfica deve considerar o contexto geomorfológico do vale a jusante, uma vez que este se apresenta como fator determinante para o comportamento do escoamento e para a magnitude das diferenças entre métodos e bases topográficas, influenciando diretamente a confiabilidade das estimativas hidráulicas e a delimitação das áreas inundáveis em estudos de ruptura de barragens.

The objective of this dissertation is to evaluate the influence of different Digital Elevation Models (DEMs) and modeling approaches on the estimation of hydraulic parameters, including peak discharge, maximum depth, maximum velocity, maximum flood width, and time to peak, as well as on the delineation of flood extents resulting from hypothetical dam-break scenarios. The study considers both a two-dimensional hydrodynamic approach (HEC-RAS 2D) and a simplified method (LNEC), applied to downstream valleys with distinct geomorphological characteristics. The central issue addressed in this research concerns the uncertainties associated with the selection of topographic data and modeling methodology, particularly given the wide availability of DEMs with varying sources, resolutions, and levels of detail, as well as the use of simplified approaches for preliminary dam safety classification. Four dams located in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, were analyzed using six terrain datasets with different levels of detail: four obtained in situ (three LiDAR surveys with bathymetry and one model derived from aerial photogrammetry) and two freely available global datasets (FABDEM and ANADEM). Simulations were performed using both the hydrodynamic model and the simplified method, adopting the 1 m LiDAR DEM as the reference dataset for comparison. The evaluation was based on dimensionless analysis, integrated error metrics, and relative area deviations, complemented by descriptive statistical measures, including coefficient of variation and linear correlation. The results indicate that topographic data exert a direct and systematic influence on hydraulic parameters, particularly those associated with flood geometry, such as depth, velocity, and flood width, while peak discharge shows lower sensitivity. Differences between DEMs were more pronounced for flood width and inundated area, with variations that, in the most critical cases, reach or exceed on the order of 20% to 30%, whereas variables related to longitudinal flow propagation exhibited lower dispersion. The hydrodynamic model demonstrated a greater ability to represent the spatial dynamics of flooding and tended to estimate larger flood extents and magnitudes, while the simplified method showed lower internal variability and more restrictive estimates. It is concluded that the selection of both modeling approach and topographic data should consider the geomorphological characteristics of the downstream valley, as these play a key role in controlling flow behavior and the magnitude of differences between methods and terrain representations, directly affecting the reliability of hydraulic estimates and the delineation of flood-prone areas in dam-break studies.