Proposição de modelo para simulação de fluxo de detritos em escala de bacia

Abstract

Os fluxos de detritos são movimentos de massa com altas velocidades e longo alcance, com grande capacidade de provocar perdas humanas e danos sociais, econômicos e ambientais. Portanto, o entendimento do fenômeno e a capacidade de prever áreas que possam ser afetadas é de extrema importância para prevenir desastres causados por fluxos de detritos. Uma das formas de prevenção se dá por meio da elaboração de mapas de perigo, os quais permitem delimitar regiões com potencial de ocorrência de um fluxo de detritos. Para tanto, podem ser utilizados modelos fisicamente embasados, que procuram representar os processos e dinâmicas desse fenômeno. Nesse contexto, o trabalho propõe um modelo para a simulação de fluxo de detritos, que requer poucos parâmetros de entrada e é capaz de oferecer informações sobre alcance, velocidades e alturas das deposições. O modelo consiste no acoplamento de um modelo de balanço de massa com um método de direcionamento de fluxo. O modelo foi aplicado na bacia do rio Mascarada (RS), em uma área de 3 km², para simular um fluxo de detritos ocorrido em janeiro de 2017. Foram testados os efeitos de diferentes algoritmos de direcionamento (D8, D-inf e MFD de Freeman) e abordagens reológicas (fluido newtoniano, dilatante, Herschel-Bulkley e plástico de Bingham). O MFD mostrou-se mais adequado para representar a mancha de um fluxo de detritos, combinada a reologia dilatante e viscosidade cinemática de 0,5 m²/s, com taxa de acertos de 83% e escore de Heidke de 0,65. A combinação otimizada foi aplicada a outros 3 fluxos de detritos, também situados na bacia do rio Mascarada. Dois deles foram simulados conjuntamente, resultando em manchas simuladas com 84% de acerto e Hs de 0,52, apresentando aplicabilidade em escala de bacia. O terceiro caso, de um fluxo de detritos que atinge o canal, tiveram 52% de acerto e Hs de 0,22. No geral, o modelo conseguiu representar adequadamente os alcances dos fluxos de detritos, formando manchas semelhantes às observadas e utilizando apenas dois parâmetros físicos de calibração (viscosidade e expoente da equação reológica do fluido dilatante). Portanto, o modelo proposto configura-se em uma ferramenta de fácil aplicação para a avaliação de suscetibilidade a fluxo de detritos em áreas com baixa disponibilidade de dados.

Debris flows are mass movements with high reach and velocity, having the capacity to cause social, economic and environmental loss. Thus, it is important to understand this phenomenon and to predict affected areas in order to prevent disasters driven by debris flows. The prevention can be achieved through the development of debris flow hazard maps, which can indicate areas prone to such events. To this end, physically based models that seek to represent debris flow processes and dynamics can be utilized. In this regard, this study proposes a debris flow simulation model that requires few inputs and is capable to provide information about reach, velocity and depth of deposition. The model is a coupling of a mass balance equation and a flow direction algorithm. The study was undertaken at rio Mascarada (RS) basin, in a 3 km² area, simulating a debris flows event occurred in January, 2017. The behavior of different flow direction algorithms (D8, D-inf, Freeman’s MFD) and different rheological approaches (Newtonian, dilatant, Bingham plastic and Herschel-Bulkley) was tested. MFD, associated to a dilatant rheology and kinematic viscosity of 0.5 m²/s, was the most adequate flow direction algorithm to represent debris flow. This simulation had a success rate of 83% and Heidke’s score of 0.65. The optimized combination was tested in 3 other debris flows, also situated in Mascarada basin. Two of them were simulated together, resulting in a success rate of 84% and Hs of 0.52, presenting the model’s applicability at basin level. The third debris flow, which reached the channel, resulted in success rate of 52% and Hs of 0,22. In general, the model properly represented debris flow reach, resulting in simulated areas similar to most of the studied cases with just two calibratable physical parameters (viscosity and dilatant rheological exponent). Therefore, the proposed model sets up as an easy-to-use tool to assess debris flow susceptibility in areas with low data availability.