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

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

Avaliação de fontes de incerteza em estudos de rompimentos de barragens

Este trabalho consiste numa avaliação de como as incertezas de determinados dados de entrada utilizados em estudos de rompimento de barragem afetam determinados resultados utilizados para avaliação da onda de cheia, para seções localizadas em diferentes locais ao longo de cursos hídricos, em áreas de estudo com características constrastantes. Os dados de entrada perturbados foram o coeficiente de Manning, parâmetros de brecha, volume do reservatório, topografia de jusante (representada por Modelos Digitais de Elevação - MDEs), e tipo de modelo hidrodinâmco adotado. Os parâmetros de avaliação considerados foram a vazão de pico, o tempo de pico, a profundidade máxima e a velocidade máxima da onda de cheia. Sendo assim, foram perturbados os dados de entrada dentro de uma faixa esperada de utilização, e resultados oriundos das simulações confrontados a fim de se identificar quais foram os parâmetros de avaliação mais afetados frente a incertezas dos dados de entrada em diferentes seções ao longo dos cursos hídricos avaliados. Foram consideradas duas áreas de estudo com características distintas de vales de jusante: A Barragem da Usina Hidrelétrica de Canastra, localizada em Canela/RS, que apresenta um vale com declividades da ordem de 40m/km, e a Barragem Lomba do Sabão, localizada em Porto Alegre/RS, que conta com declividades da ordem de 4m/km. Para a área com altas declividades foram realizadas 182 simulações hidrodinâmicas em 2 dimensões no modelo HEC-RAS 5.03, considerando MDEs de diversas fontes, incluindo os MDEs globais provenientes do SRTM e do AW3D30. Alguns deles foram pós-processados com a inserção de seções topográficas reais obtidas via processamento de imagens aéreas levantadas por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) e calhas de rio fictícias. Para a área de estudo com menores declividades foram realizadas 13 simulações, que foram utilizadas para contrapor os resultados obtidos para a primeira área de estudo. Para esta área de estudo foram utilizados MDEs globais oriundos do SRTM e também um levantamento LiDAR realizado para a cidade de Porto Alegre, que gerou MDEs de alta precisão, com resoluções de 1 metro. Os resultados obtidos sugerem que estudos de rompimento de barragem realizados a partir da utilização de informações topográficas pouco confiáveis podem ter as incertezas oriundas da caracterização da topografia de jusante compensadas por subestimativas ou superestimativas de outros dados de entrada utilizados em estudos de rompimento. Além disso, foi realizado o mapeamento do peso exercido pelas incertezas de diferentes dados de entrada em estudos de rompimentos de barragens, para vales com características topográficas contrastantes em seções próximas ou distantes dos barramentos, mostrando que nem sempre as incertezas relativas à topografia são mais importantes que outros dados de entrada.This work consists of a sensitivity evaluation of how uncertain input data used in dam brake studies affect certain parameters of flood wave for sections located at different locations along water courses, for two different watershed. The input data used were Manning coefficient, dam breach parameters, reservoir volume, downstream topography (represented by Digital Elevation Models (DEMs), and equation adopted. The evaluation parameters considered were the peak flow, the peak time, the maximum depth and the maximum speed of the flood wave. Thus, perturbation groups of the input data were created within an expected range of use, whose results from the simulations were confronted in order to identify the most affected hydraulic parameters for different input data in different sections of water courses evaluated. Two study areas with distinct characteristics of downstream valleys were considered: The Canastra Dam, located in Canela / RS, which presents a valley with slopes of 40 m/km and the Lomba do Sabão Dam, located in Porto Alegre / RS, which has slopes of the order of 4 m/km. For the area with high slopes, 182 hydrodynamic simulations were performed in 2 dimensions in HEC-RAS 5.03 software, considering DEMs from several sources, including global DEMs from SRTM and AW3D30. Some of them were post-processed with the insertion of real topographic sections obtained through aerial image processing raised by Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). For the study area with smaller slopes, 13 simulations were performed, which were used to counterbalance the results obtained for the first study area. For this area of study, global DEMs from the SRTM were used, as well as LiDAR survey carried out for the city of Porto Alegre, which generated high precision DEMs, with resolutions of 1 meter. As a result, it was observed that in Action Emergency Plans, the uncertainties generated by a given input data can be compensated by conservative values adopted in another input data. In addition, we carried out the mapping of the weight exerted by the uncertainties of different input data in dam break studies, for valleys with contrasting topographic characteristics in sections near or distant from the dams, showing that uncertainties related to the topography are not always more important than other input data

Use of large-scale hydrological models to predict dam break-related impacts

In this research study, the MGB-IPH (acronym for Large Scale Model in Portuguese - Modelo de Grandes Bacias) was used to simulate the propagation of a dam breach hydrograph estimated from predictor equations for the Três Marias Hydropower Dam, considered one of the largest in South America. The results of the peak flow, peak time and flood spot were compared with results of the Hec-Ras 5.06 model, typically used for local-scale dam break studies. As for the extent of the flood, a hit rate of 84% and a median error of 2.1 meters deep, along 4,055 km2 of the flooded area downstream was obtained. Maximum errors of 13% were observed in the prediction of the peak flow and of 20% for the peak time in distant locations up to 526 km downstream from the dam, thus establishing itself within the limits of the typical uncertainties associated with dam break studies. Thus, the potential of using this type of approach in previous studies of large dam failures is explored, configuring this method as an alternative to the use of robust or simplified models for determining downstream areas potentially affected by these disasters.Neste trabalho, foi utilizado o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH) para simular a propagação de um hidrograma de ruptura estimado a partir de equações preditoras para a barragem da UHE Três Marias, considerada uma das maiores da América do Sul. Os resultados, quanto à vazão de pico, tempo de pico e mancha de inundação foram comparados com os resultados advindos do modelo Hec-Ras 5.06, tipicamente utilizado para estudos de rompimento de barragens em escala local. Quanto à extensão da mancha de inundação, obteve-se um índice de acerto de 84% e um erro mediano de 2,1 metros de profundidade, ao longo de 4.055 km2 de área inundada a jusante. Observaram-se erros máximos de 13% na predição da vazão de pico e de 20% para o tempo de pico em locais distantes até 526 km a jusante da barragem, estabelecendo-se, portanto dentre os limites das incertezas típicas associadas a estudos de rompimento de barragens. Desta forma, o uso potencial deste tipo de abordagem em estudos prévios de rompimento de barragens é explorado, configurando-se este método como uma alternativa ao uso de modelos robustos ou simplificados para determinação de áreas de jusante potencialmente afetadas por estes desastres