Gean Paulo Michel 2

III Encontro Nacional de Desastres (ISSN 2764-9040) ¹

SIMULAÇÃO HIDRODINÂMICA DA RUPTURA DE UMA PEQUENA ESTRUTURA DE TERRA A PARTIR DE DADOS MEDIDOS EM CAMPO:

ESTUDO DE CASO DO ARROIO BAIO

Fernando de Oliveira Fraga ¹; Gean Paulo Michel ²

Palavras-Chave – HEC-RAS, Ruptura de Barragem, Monitoramento Hidrológico.

INTRODUÇÃO

Em construções de estradas vicinais, é habitual a utilização de aterros, quando se faz necessário cruzar rios de pequeno porte. Para conduzir a vazão do local através do aterro é comum a utilização de bueiros, de forma a manter o escoamento do rio sem que haja a acumulação de água a montante da estrutura. Entretanto, a falta de manutenção, como normalmente ocorre em estradas vicinais, pode acabar causando o assoreamento ou o entupimento dos bueiros e, consequentemente, a acumulação de água a montante acabará gerando a criação de um reservatório. Deste modo, a estrutura passa a trabalhar de forma análoga à uma barragem, podendo levar ao seu rompimento e gerar efeitos similares ao de um rompimento de uma pequena barragem

No presente estudo, as simulações foram conduzidas através do software HEC-RAS 2D (USACE, 2022), que possui extensa quantidade de material disponível para pesquisa acerca de seu funcionamento, além de ter uma boa interface visual e permitir a integração de softwares de geoprocessamento, se tornando um dos modelos mais utilizados em estudos de Dam- Break atualmente (FERLA, 2018). A topografia utilizada em tais estudos consiste em um dos principais dados de entrada do modelo (MATOS & RESENDE, 2019). Nesta conjuntura, buscou-se avaliar a influência que a resolução espacial de um Modelo Digital de Terreno (MDT) exerce na modelagem hidrodinâmica através do uso de duas bases topográficas com resoluções espaciais de 1 metro (MDT1) e 3 centímetros (MDT003).

Estudos de rompimento hipotético de barragens são regidos por equações empíricas, as quais fornecem parâmetros acerca da formação da brecha e do hidrograma de ruptura a partir de relações desenvolvidas com base em dados coletados em rupturas históricas (U.S. BUREAU OF RECLAMATION, 1988; FROEHLICH, 1995; MACDONALD AND LANGRIDGE-MONOPOLIS, 1984; WAHL 2004). Entretanto, a estrutura estudada está localizada em uma área com medições hidrológicas contínuas, dispensando o uso de tais equações.

METODOLOGIA

A estrutura estudada está localizada na bacia do Arroio Baio em uma área com medições hidrológicas, permitindo assim, o registro de todo o evento de ruptura através de medições discretizadas em intervalos de 5 minutos. O evento ocorreu no dia 07/07/2020, em uma estrada vicinal que cruza o Arroio Baio através de um aterramento de aproximadamente 2 metros de altura, responsável por elevar a estrada e, constitui-se por 2 bueiros circulares, responsáveis por conduzir a vazão a jusante da estrutura. Ao romper, a onda de cheia propagada provocou o aumento abrupto dos níveis de água e vazão no exutório, local onde o monitoramento hidrológico vinha ocorrendo de forma contínua.

Foram utilizadas duas bases topográficas nas simulações, o MDT1 foi adquirido através da empresa NTT DATA Corporation, em fevereiro de 2017. O MDT003, foi adquirido através de um levantamento aerofotogramétrico com o uso de um drone e de um processamento de fotogrametria

1) Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH-UFRGS), fernandodof@ufrgs.br 2) Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH-UFRGS), gean.michel@ufrgs.br

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através do software Agisoft Metashape, que possibilita a criação de um MDT a partir da remoção da vegetação presente no modelo. Afim de comparar as cotas dos MDTs com a cota real do terreno, utilizou-se um levantamento topobatimétrico realizado a partir de um RTK e estação total, do qual se levantou 331 pontos.

Como condição de contorno de montante do modelo, foi utilizado o hidrograma de ruptura medido ao longo do evento. Entretanto, para que a simulação pudesse representar o cenário da maneira mais fidedigna possível foram realizadas alterações no hidrograma. Primeiramente, realizou- se a exclusão do pico do hidrograma causado pela ruptura do barramento, reduzindo o volume total do hidrograma. Para compensar a redução do volume, se calculou o volume eliminado e distribuiu- se este ao longo do início do hidrograma até o momento da ruptura, igualando o volume do hidrograma observado com o do hidrograma utilizado como condição de contorno. Já para a condição de contorno de jusante, se optou por utilizar a declividade média do trecho do rio, sendo de 0,021. As características da abertura da brecha foram obtidas através de registros realizados após o evento, do qual indicou uma brecha com uma altura de 2 metros e largura da base de 2,3 metros.

A topografia utilizada na calibração foi dada pelo MDT1 uma vez que apenas este possui informações topográficas no exutório da bacia e, com a calibração concluída, todos os parâmetros e condições do modelo, com exceção da topografia, foram fixados para aplicação do modelo com o MDT003. A calibração foi dada em duas etapas, a primeira delas manteve-se fixado o coeficiente de Manning estimado inicialmente em 0,1 para o leito do rio e 0,08 para as margens, alterando o tempo de abertura da brecha, visto que esse parâmetro se mostrou mais sensível ao comportamento do pico do hidrograma. Na segunda etapa da calibração, se alterou o coeficiente de Manning do leito do rio e das margens, a fim de coincidir a vazão de pico do hidrograma simulado com o pico do hidrograma observado.

Para a comparação dos resultados entre as duas bases topográficas, se utilizou 5 seções transversais ao longo do canal e a partir da propagação da onda de cheia, foram extraídos valores de vazão de pico do hidrograma, profundidade da lâmina d’água máxima, velocidade máxima na seção e o tempo de chegada da onda e do pico da onda de cheia para cada uma das seções de referência.

RESULTADOS

A partir da comparação das cotas dos MDTs em relação aos pontos topográficos levantados, se observou um coeficiente de determinação R² de 77,19% para o MDT1 e 98,03% para o MDT003, evidenciando bons resultados para a representação topográfica dos MDTs, sobretudo para o processamento e remoção da vegetação das imagens obtidas no aerolevantamento do MDT003.

A calibração do modelo se iniciou pelo tempo de abertura da brecha que ao variar em intervalos de 0,1 horas, entre 0,1 e 1 hora, se verificou um tempo de abertura ideal dentro do intervalo entre 0,5 e 0,6 horas. Por fim, ao variar valores dentro desse intervalo, se concluiu que o tempo de abertura da brecha ideal fosse de 0,517 horas ou de 31 minutos. A segunda e última etapa da calibração foi realizada a partir do coeficiente de Manning, buscando-se coincidir a vazão de pico do hidrograma de ruptura observado com o hidrograma de ruptura simulado, sendo esta vazão, de 1,24 m³/s. Dessa forma, se chegou em valores de Manning de 0,106 para o leito do rio e 0,126 para as margens. Com o modelo calibrado, foi calculado o coeficiente de determinação R² do hidrograma simulado e do seu respectivo pico em relação ao hidrograma observado, do qual se calculou um R² de 99,79% e 97,63%, respectivamente, evidenciando uma calibração muito efetiva com os valores coerentes com a realidade do local e a literatura.Entretanto, o resultado obtido na calibração só foi possível devido ao monitoramento hidrológico realizado no local durante o evento de ruptura e, sendo assim, hidrogramas de ruptura hipotéticos e equações empíricas para o plano de ruptura não foram necessários. Caso contrário, a calibração resultante provavelmente não teria a mesma efetividade.

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Tabela 1 – Resultados da propagação da onda de cheia para as seções de referência.

Seção

Distância do Barramento

(m)

Vazão de Pico (m³/s)

Profundidade Máxima na

Seção (m)

Velocidade Máxima na Seção (m/s)

Tempo Para Chegada da Onda* (min)

Tempo Para Chegada do pico

da Onda* (min) MDT1 MDT003 MDT1 MDT003 MDT1 MDT003 MDT1 MDT003 MDT1 MDT003

S1 13,2 1,37 1,38 0,46 0,38 0,67 0,71 17 14 26 22

S2 70,2 1,32 1,36 0,48 0,58 0,62 0,75 19 15 27 23

S3 140 1,31 1,35 0,37 0,59 0,94 1,45 20 16 29 25

S4 194 1,31 1,34 0,57 0,57 0,30 0,60 21 17 30 26

S5 269 1,25 1,33 0,26 0,56 0,92 1,04 23 18 32 27

Ao analisar a Tabela 1, percebe-se mudanças significativas nas profundidades das seções S3 e S5, na ordem de 22 cm e 30 cm, respectivamente, o que pode ser considerada uma variação relevante já que a profundidade média do Arroio Baio em circunstâncias normais é de aproximadamente 30 cm. A velocidade máxima na seção apresentou as maiores variações entre as seções S2 e S4, destacando-se a seção S3 que apresentou uma diferença de 0,51 m/s. Nesse trecho se verificou que a calha do rio está melhor representada pela topografia do MDT003. Dessa forma, ao estreitar a área do escoamento as velocidades se tornam maiores. Além disso, houve um retardo no tempo de propagação da onda de cheia de 3 a 5 minutos por parte do MDT1, que pode ser justificado pelas velocidades mais altas do MDT003 em relação ao MDT1. Com base nisso, se notou que ao representar com mais detalhes o perfil da calha do rio, o MDT003 encurta a disposição do fluxo do escoamento, obtendo maiores profundidades e velocidades no leito do rio. Em contrapartida, o MDT1 por possuir um perfil mais retilíneo sem detalhamento acaba distribuindo o escoamento mais uniformemente ao longo das seções, fazendo com que as profundidades e velocidade sejam menores. Ao gerar maiores velocidades, a onda de cheia e o seu pico, acabam percorrendo mais rapidamente o trecho, fazendo com que alcancem mais rapidamente as seções de referência, onde se verificou o adiantamento médio de 4 minutos quando propagadas na topografia do MDT003.

Figura 1. Comparação entre as manchas de inundação simuladas. Fonte: autoria própria.

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A partir da Figura 1 é possível analisar mudanças significativas nas bordas da inundação, não havendo padrão algum. Em certos momentos a mancha gerada pelo MDT003 inunda uma área mais larga, em outros uma área mais estreita. Uma vez que o perfil longitudinal dos MDTs apresentou discrepâncias ao longo do trecho, as células da malha computacional acabaram sendo alagadas de maneiras distintas, tendo como influência direta a resolução espacial dos MDTs utilizados.

Em termos de área alagada, se notou pouca diferença na área total inundada entre os MDTs.

Enquanto o MDT1 somou uma área de 3195,83 m², o MDT003 somou uma área de 3077,42 m², resultando uma diferença de 118,41 m², correspondente a 3,7% em relação à maior mancha de inundação gerada. Dessa forma, a mancha de inundação da topografia de menor resolução apresentou a maior área, comportamento similar ao estudo proposto por Matos & Resende (2019), onde três topografias de baixa resolução apresentaram as maiores áreas inundadas quando comparadas com a topografia de alta resolução.

CONCLUSÕES

Embora as bases topográficas possam ser consideradas de alta resolução, ao comparar resoluções espaciais de 1 metro e 3 centímetros, percebe-se diferenças significativas nos parâmetros hidráulicos do escoamento e na mancha de inundação geradas pela ruptura de uma pequena barragem de terra. A calibração do modelo se mostrou muito efetiva, com altos coeficientes de determinação.

Entretanto, tais resultados se justificam pelo uso de dados oriundos de um monitoramento hidrológico contínuo no local, dispensando o uso de equações empíricas para a obtenção de parâmetros acerca da abertura da brecha e do hidrograma de ruptura. Por fim, observa-se a importância do monitoramento para correto entendimento da hidrodinâmica do rompimento de estruturas hidráulicas e a necessidade de bases topográficas confiáveis para conduzir simulações.

REFERÊNCIAS

FERLA, Rute et al. (2018) “Metodologia Simplificada Para Análise De Aspectos Hidráulicos Em Rompimento De Barragens”. Dissertação (Mestrado). IPH/UFRGS, Porto Alegre (RS). 223 f.

FROEHLICH, D. C. (1995a). “Embankment dam breach parameters revisited.” Proc., Water Resources Engineering, in ASCE Conf. On Water Resources Engineering, New York, 887–891.

MACDONALD, T. C., AND LANGRIDGE-MONOPOLIS, J. (1984). “Breaching characteristics of dam failures” Journal of Hydraulic Engineering. V. 110, No. 5, 567—586.

RESENDE, A; MATOS, T. (2019). “Análise Comparativa Entre Bases Topográficas na Determinação da Área de Inundação em Eventos de Ruptura de Barragens. Estudo de Caso:

Barragem da Pampulha” in XXIII SBRH - Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Foz do Iguaçu, Paraná, 2019.

USACE – U.S.Army Corps of Engineers. (2022). “HEC-RAS User’s Manual, River Analysis System.

Version 6.2”. Davis, California. 720 p.

U.S. BUREAU OF RECLAMATION. (1988). “Downstream Hazard Classification Guidelines.”

ACER Technical Memorandum No. 11, Denver, Colorado. 56 p.

WAHL, T. L. (2001). “The Uncertainty of Embankment Dam Breach Parameter Predictions Based on Dam Failure Case Studies” in USDA/FEMA, Workshop on Issues, Resolutions and Research Needs Related on Dam Failure Analysis. Oklahoma. 16 p.

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos ao Grupo de Desastres Naturais (GPDEN – IPH/UFRGS) pelo apoio e colaboração.