Avaliação da influência da inserção da batimetria e resolução topográfica na propagação da onda de cheia gerada pela ruptura hipotética de barragens com vale moderadamente encaixado

Abstract

A obtenção de dados batimétricos para simulações de ruptura de barragens enfrenta desafios técnicos, logísticos e econômicos, fazendo com que os impactos da batimetria real nas simulações hidrodinâmicas sejam pouco conhecidos. Esta pesquisa avaliou a influência da batimetria e da resolução dos Modelos Digitais de Elevação (MDEs) nos resultados de simulações de ruptura hipotética em uma barragem, tendo como estudo de caso um trecho de vale de morfologia comum no cenário nacional. Quatro MDEs foram analisados: LiDAR com batimetria (LiDAR-CB); LiDAR sem batimetria (LiDAR-SB); modelo derivado de aerofotogrametria (100m-SB) e modelo global de livre acesso (FABDEM). Para isso, foram utilizadas simulações bidimensionais no software HEC-RAS divididas em duas etapas: preliminares e finais. As simulações preliminares consistiram na variação da largura e do tempo de formação da brecha de ruptura, com o intuito de se obter os cinco cenários de ruptura hipotética (QP1 a QP5) a serem propagados nas simulações finais. A largura final da brecha revelou-se o principal fator de controle da severidade do evento simulado, influenciando diretamente os hidrogramas de ruptura e resultando em diferenças de até 70% na vazão de pico quando adotadas larguras inferiores às recomendadas pelas diretrizes técnicas. Nas simulações finais, a análise dos resultados foi conduzida em três etapas: (i) avaliação topográfica dos modelos; (ii) comparação dos parâmetros hidráulicos — vazão máxima, tempo de pico, profundidade e velocidade; e (iii) análise espacial da inundação através da delimitação das manchas de inundação e do risco hidrodinâmico (RH) em todos os cenários simulados. Os resultados das simulações finais demonstraram que o modelo LiDAR, mesmo sem batimetria, apresentou excelente concordância, com diferenças inferiores a 1% nos principais parâmetros, incluindo vazão de pico, tempo de chegada e área inundada. Esses resultados estendem-se também ao modelo 100m-SB, que apresentou comportamento bastante semelhante ao LiDAR-SB, com divergências pontuais e localizadas. Já o FABDEM apresentou os comportamentos mais divergentes. Em certos trechos, as profundidades foram subestimadas em mais de 13 metros, enquanto as velocidades apresentaram variações superiores a 30%. Ainda assim, nos parâmetros mais relevantes para estudos de ruptura hipotética — como vazão de pico, tempo de chegada e área inundada — o FABDEM demonstrou um comportamento conservador do ponto de vista da segurança, ao prever vazões cerca de 9% maiores, manchas de inundação até 12% mais extensas e tempos de resposta mais curtos em relação aos demais MDEs. Ainda, observou-se que os efeitos da ausência de batimetria se intensificam em cenários de menor vazão, e que a profundidade relativamente rasa do trecho estudado pode ter subestimado o impacto da batimetria nas simulações. Recomenda-se que estudos futuros explorem outros casos, com trechos com morfologias distintas e profundidades maiores, considerem MDEs com diferentes batimetrias, e incluam cenários de vazões de menor magnitude para aprofundar a avaliação da sensibilidade da batimetria em diferentes contextos hidrodinâmicos.

Obtaining bathymetric data for dam break simulations faces technical, logistical, and economic challenges, causing the impacts of actual bathymetry on hydrodynamic simulations to be poorly understood. This research assessed the influence of bathymetry and the resolution of Digital Elevation Models (DEMs) on the results of hypothetical dam break simulations, using a case study of a valley reach with a morphology common in the national scenario. Four DEMs were analyzed: LiDAR with bathymetry (LiDAR-CB); LiDAR without bathymetry (LiDAR-SB); a model derived from aerial photogrammetry (100m-SB); and a freely available global model (FABDEM). For this, two- dimensional simulations were performed in the HEC-RAS software, divided into two stages: preliminary and final. The preliminary simulations consisted of varying the breach width and formation time in order to obtain the five hypothetical breach scenarios (QP1 to QP5) to be propagated in the final simulations. The final breach width was found to be the main controlling factor for the severity of the simulated event, directly influencing the breach hydrographs and resulting in differences of up to 70% in peak discharge when widths smaller than those recommended by technical guidelines were adopted. In the final simulations, the analysis of the results was conducted in three steps: (i) topographic evaluation of the models; (ii) comparison of hydraulic parameters—peak discharge, arrival time, depth, and velocity; and (iii) spatial analysis of the inundation by delineating the flood extent and hydrodynamic risk (RH) in all simulated scenarios. The results of the final simulations demonstrated that the LiDAR model, even without bathymetry, showed excellent agreement, with differences of less than 1% in the main parameters, including peak discharge, arrival time, and inundated area. FABDEM, however, presented the most divergent behaviors. In certain reaches, depths were underestimated by more than 13 meters, while velocities showed variations greater than 30%. Nevertheless, for the most relevant parameters in hypothetical breach studies—such as peak discharge, arrival time, and inundated area—FABDEM demonstrated conservative behavior from a safety standpoint, predicting flows about 9% higher, flood extents up to 12% larger, and shorter response times compared to the other DEMs. Furthermore, it was observed that the effects of the absence of bathymetry are intensified in low-flow scenarios, and that the relatively shallow depth of the studied reach may have underestimated the impact of bathymetry on the simulations. It is recommended that future studies explore other cases with different morphologies and greater depths, consider DEMs with different bathymetries, and include lower magnitude flow scenarios to deepen the assessment of bathymetry's sensitivity in different hydrodynamic contexts.