MAPEAMENTO DAS ZONAS DE INUNDAÇÃO OCASIONADA PELA RUPTURA HIPOTÉTICA DA BARRAGEM JABURU I, TIANGUÁ/CE

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1 MAPEAMENTO DAS ZONAS DE INUNDAÇÃO OCASIONADA PELA RUPTURA HIPOTÉTICA DA BARRAGEM JABURU I, TIANGUÁ/CE José Alves Carneiro Neto 1 & Lucrécia Nogueira de Sousa 2 & Itamara Mary Leite de Menezes Taveira* 3 Resumo O mapeamento das zonas de inundação originadas a partir da ruptura hipotética de uma barragem permitem avaliar os efeitos que o acidente pode ocasionar caso se concretize, permitindo o adequado planejamento por parte das autoridades de defesa civil e a definição das responsabilidades para cada ação ou tomada de decisão. Neste trabalho simulou-se a ruptura da barragem Jaburu I, localizada no município de Tianguá, Estado do Ceará. Foi utilizado um modelo hidrodinâmico para obtenção das vazões e os níveis máximos de inundação e software de geoprocessamento para importação das informações e mapeamento das zonas de inundação. A envoltória máxima de inundação ao longo do vale de jusante da barragem foi obtida, mesmo com as incertezas da conformação do terreno, associadas principalmente ao modelo SRTM. A profundidade média de inundação encontrada foi de 1,9 metros acima do fundo da calha fluvial para uma velocidade máxima de 6,66 m/s a uma distância de 25 km a jusante da barragem. Palavras-Chave Mapas de inundação e modelo hidrodinâmico. MAPPING OF FLOOD AREAS ARISING OF BREAK HYPOTHETICAL OF THE JABURU I DAM, TIANGUÁ/CE Abstract The mapping of flood zones arising from the hypothetical break of a dam allow assess the effects that the accident may result if to happen, allowing proper planning by the civil defense authorities and the definition of responsibilities for each action or decision-making. In this work was simulated the break the Jaburu I dam, located in the city of Tianguá, State of Ceará. It used a hydrodynamic model to obtain the flow rates and the maximum flood levels and GIS software to import the information and mapping of flood zones. The maximum area flooding in the downstream valley of dam was obtained despite the uncertainties of the ground conformation, associated mainly to the SRTM model. The average depth of flooding found was 1,9 m above the river channel bottom to a top speed of 6,66 m/s at a distance of 25 km downstream. Keywords Flood maps and hydrodynamic model. 1 Analista de Gestão em Recursos Hídricos, COGERH, Rua Adualdo Batista 1550, Fortaleza/CE, alves.neto@cogerh.com.br 2 Analista de Gestão em Recursos Hídricos, SRH, Av. General Afonso Albuquerque Lima, S/N, Fortaleza/CE, lucrecia.nogueira@srh.ce.gov.br 3 Analista de Gestão em Recursos Hídricos, COGERH, Rua Adualdo Batista 1550, Fortaleza/CE, itamara.taveira@cogerh

2 1. INTRODUÇÃO A Política Nacional de Segurança de Barragens, regulamentada pela Lei nº de 20 de setembro de 2010, estabelece como um de seus instrumentos o Plano de Segurança de Barragem, de implementação obrigatória pelo Empreendedor, cujo o objetivo é auxiliá-lo na gestão da segurança da barragem. Um dos aspectos contemplados no Plano de Segurança de Barragem é o Plano de Ação de Emergência (PAE) que tem como finalidade apresentar e descrever os procedimentos necessários à atuação em situações de emergência. A segurança de uma barragem está diretamente associada ao risco e ao gerenciamento das ações a serem tomadas antes, durante e depois da detecção de uma possível situação de perigo para uma obra (Uemura e Martins, 2009). No planejamento de emergência, são realizados estudos de propagação baseados em cenários de ruptura da barragem, as representações gráficas desse zoneamento em imagens aéreas ou em mapas cartográficos que compõem os mapas de inundação. O objetivo dos mapas de inundação é mostrar a extensão e o tempo esperado de uma cheia proveniente da ruptura de barragem, auxiliando o gerenciamento das ações de emergências por parte das autoridades e proprietários de barragens. Esses mapas devem fornecer informações para que as autoridades do vale a jusante possam preparar os sistemas de alerta, os planos de emergência e organizar a ocupação urbana ao longo do vale (Balbi, 2008).Os mapas de inundação auxiliam na avaliação de danos provenientes de um desastre e na determinação dos procedimentos de comunicação com as autoridades responsáveis pela defesa civil ao longo do vale. Neste contexto a Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (COGERH/CE) vem implementando estudos de modelagem para eventos extremos, através do desenvolvendo de metodologias de gestão de riscos induzidos por ruptura de barragens com vistas à criação de sistemas que permita o traçado das zonas inundáveis, destacando a extensão dos danos causados pelo rompimento de um barramento. O objetivo deste trabalho é o mapeamento das zonas de inundação originadas a partir da ruptura hipotética da barragem Jaburu I localizada no município de Tianguá, Estado do Ceará. Estes estudos serão o ponto de partida para o desenvolvimento do Plano de Ação de Emergência da barragem. 2. ÁREA DE ESTUDO A Barragem Jaburu I localizada na Serra da Ibiapaba no município de Tianguá, Estado do Ceará, será o objeto de estudo deste trabalho. Construída pelo governo do Estado, no período de 1981 a 1983, este reservatório é responsável pelo abastecimento pessoas. A barragem executada no rio Jaburu, com uma bacia de contribuição de cerca de 316 km², possibilitou a criação de um reservatório com 138 hm³ e é constituída basicamente por um maciço de terra zoneado (com emprego de solo laterítico no espaldar de jusante), tendo 46 m de altura máxima acima do leito do rio, 6 m de largura do coroamento (situado na cota 720,20) e 770 m de comprimento (Figura 1).O talude de montante deste maciço possui inclinação 1,5:1 e 2:1, respectivamente acima e abaixo da cota 713,70, com uma berma. Já o talude de jusante tem inclinação de 2:1 com duas bermas e um enrocamento de pé ( Rock-Fill ). O sistema de drenagem interna consiste de drenos verticais e horizontais que descarregam no enrocamento de pé. O vertedouro implantado na ombreira direita separado do corpo da barragem, portanto sem interferência direta com o aterro da mesma.

3 Figura 1- Barragem Jaburu I (Fonte: COGERH) 3. METODOLOGIA Para o mapeamento das zonas de inundação ocasionada pela ruptura hipotética de uma barragem deve ser realizado, inicialmente, a definição dos parâmetros da brecha de ruptura e desenvolvido o hidrograma de ruptura. Em seguida faz-se a propagação da onda de cheia no vale de jusante, esta etapa é realizada através de modelos hidráulicos e por fim tem-se o mapeamento das áreas potencialmente inundáveis. Estas etapas encontram-se descritas a seguir: 3.1 Hidrograma de ruptura Para simular o evento de ruptura, é necessário primeiramente elaborar o hidrograma da vazão defluente no momento da ruptura. As características principais a serem determinadas referem-se à forma da brecha e ao tempo de formação da mesma. Em barragens de terra a previsão do colapso da estrutura por galgamento ou piping é complexa, segundo Froehlich (1987) a forma mais frequente das brechas, segundo dados históricos, é a trapezoidal. A Error! Reference source not found. 2 apresenta o processo de formação da brecha e as variáveis geométricas envolvidas, sendo que b s é a largura da base da brecha; B é a largura média da brecha; h b é a altura da brecha; h w é a altura do nível de água no reservatório no momento da ruptura e z b é o parâmetro geométrico referente à declividade dos taludes da brecha. Figura 2 - Processo de formação de uma brecha ruptura. Fonte: adaptado de FREAD e LEWIS (1998)

4 A ocorrência da rotura de uma barragem induz um rápido aumento de caudal a jusante da estrutura. Em geral, é superior ao caudal de cheia máxima de projeto, porém depende do nível de água no reservatório no momento da ruptura (Carneiro Neto et al, 2010). Dentre as diversas fórmulas empíricas existentes na bibliografia para o cálculo da vazão máxima efleuente, optou-se por utilizar a fórmula de Lou (1981): Q M =7,683 H 0 1,909 (1) Sendo: Q M a vazão de máxima devido à formação da brecha (m³/s) e H 0 a altura inicial de água acima da cota final da brecha (m). O hidrograma de falha da barragem pode ser estimado por um hidrograma de ruptura triangular simplificado, na qual a equação utilizada para o cálculo do tempo de base do hidrograma de ruptura é dada por: Q M ax = 2 V r T b, para T p = 0 (2) Sendo, Q Max a descarga máxima efluente da barragem em ruptura (m³/s); V r é o volume do reservatório no momento da ruptura (m³) e T p representa o tempo de pico (s) e T b o tempo de base (s). 3.2 Propagação da onda de ruptura Para modelar a propagação da onda de cheia causada pela ruptura da barragem, será utilizado o modelo hidráulico HEC-RAS, trata-se de um modelo hidráulico desenvolvido pelo Hydrologic Engineering Center (HEC) do U. S. Army Corps of Engineers (HEC-RAS, 2008). O modelo HEC- RAS é utilizado para o cálculo da onda de cheia na simulação de fluxo não permanente, baseado na solução das equações completas unidimensionais de Saint-Venant, por meio de métodos implícitos de diferenças finitas. Devendo ser observado que apesar de tratar da propagação de uma onda de ruptura, o modelo não isola a onda de choque que pode ocorrer devido ao colapso de uma barragem, nem utiliza outras equações que não as de Saint-Venant nas regiões do choque. Para uma abordagem unidimensional as equações de Saint-Venant podem ser descritas por relações matemáticas, sendo a Equação de Conservação da Massa (3) e Equação de Conservação da Quantidade de Movimento (4) (Lauriano, 2008): h t + u h x + h u u =0 (3) u t + u u x + g h x =g ( S S ) 0 f (4) Onde t é a variável independente relativa ao tempo (s); x é a variável independente relativa à direção do escoamento (m); u é a velocidade média do escoamento (m/s); g é a aceleração da gravidade (m/s²); h é a espessura da lâmina líquida (m); S 0 é a declividade média da calha fluvial ou do fundo do canal (m/m); S f é a declividade da linha de energia (m/m). 3.3 Mapeamento de áreas potencialmente inundáveis Após a modelagem da onda de inundação gerada pela ruptura da barragem, a saída numérica pode ser associada à cartografia do vale a jusante, de maneira a delimitar as áreas susceptíveis de serem inundadas. A extensão HEC-GEORAS é projetada, especificamente, para processar dados de

5 informação geográfica a serem aplicados no modelo hidráulico HEC-RAS, permitindo vinculação com ambientes SIG. Portanto, o GEO-RAS é uma ferramenta do HEC-RAS e uma extensão do software ArcGis da Environmental Systems Research Institute (ESRI) que estabelece a ligação entre os programas ArcGis (onde os dados referentes à componente geométrica poderão ser tratados e analisados com as informações topográficas do leito do rio ou canal) e HEC-RAS (para que este, com base na informação topográfica recebida e com a informação do caudal ou nível da água, possa proceder ao cálculo do modelo de inundação) (Belo, 2012). A importação dos resultados do modelo hidráulico para a extensão, em conjunto com o MDT, permitem o processamento do perfil da superfície livre ao longo da linha de água, delimitando a superfície do solo inundada. 4. RESULTADOS A barragem assentada sobre fundação em rocha arenítica, com sangradouro escavado em rocha, tem sofrido constantes intervenções visando à recuperação das boas condições de segurança em razão de dificuldades na drenagem e estabilidade que tem apresentado. Foram executadas obras de recuperação da barragem que incluem entre outras ações, estabilização e tratamento de fundação com injeções de cimento e obras de drenagem. Para a modelagem considerou-se que com o início do processo de erosão na zona mais fraca devido a elevada taxa de erosão na vertical, simultaneamente, ocorrerá à erosão lateral e a formação da brecha, que se expande até atingir uma situação de equilíbrio. Neste caso, considerou-se que a brecha expandirá até uma altura de 90% da altura do maciço para uma lâmina média de 50 cm sobre a crista da barragem. Os parâmetros da brecha de ruptura foram determinados a partir das equações definidas por Froehlich (1987) e encontram-se descritos na Tabela 1. A vazão máxima efluente encontrada foi de 9267,44 m³/s e o tempo de base do hidrograma de ruptura 10,158 horas, como podem ser observados na Figura 3. Tabela 1- Parâmetros da brecha de ruptura Parâmetro Abertura da brecha por galgamento Abertura da brecha por erosão interna (pinping) Tempo para o desenvolvimento da brecha Tempo para ruptura total Valor 223,25 m 159,46 m 2,06 horas 2,22 horas Vazão (m³/s) Tp y=4177,57x Tempo (hr) Figura 3 - Hidrograma de ruptura y=-1163,3x+11848

6 Os coeficientes de rugosidade foram estimados em função das características do solo, revestimento vegetal presente e através de pesquisas bibliográficas em canais com características similares; imagens de satélite foram utilizadas para zonear as áreas análogas para a aplicação de valores do coeficiente de rugosidade de Manning. Sendo assim, considerou-se como valor único para o número de Manning: 0,30 para calha fluvial; 0,40 para áreas mediamente florestadas e 0,80 para zonas urbanizadas. Utilizou-se o software ArcGIS 9.3 extensão 3D Analyst para geração do MNT (Modelo Numérico do Terreno) a partir da importação das seções transversais obtidas nos levantamentos topográficos. Devido à quantidade de dados planialtimétricos ser insuficiente para recobrir todo o vale optou-se por combinar, através de interposição de planos, o modelo SRTM 3 arco segundos com o software Global Mapper Foi realizado o rebaixamento da superfície d água do reservatório para um novo nível de fundo, adequando um plano inclinado iniciando na cota mínima do talude de jusante (674,49 m) até a cota de sangria (716,38 m). O software ArcGIS 9.3 extensão GEO-HecRAS foi utilizado para delinear o curso principal do rio, gerado com base no MDT através da identificação das linhas de fluxo que constituem o talvegue. As margens são geradas com base em imagens de satélite identificando as linhas que definem o canal natural principal. As linhas de escoamento são traçadas de modo a identificar o escoamento nas margens e no canal principal. A delimitação das zonas inundáveis é obtida pela intercepção entre o MDT e a superfície livre. As imagens a seguir representam o polígono da zona inundável sobre uma imagem Geocover 2000, com características da onda de cheia. Figure 1 - Figura 6 - Mapeamento dos níveis máximos de elevação d'água

7 Figure 2- Mapeamento das zonas potenciais de riscos e respectivas variações de escoamento De acordo Carneiro Neto et al (2010) a simulação do modelo hidrodinâmico depende de diversos ajustes, adequando as velocidades e os hidrogramas de respostas a interpolação de seções transversais até um ajuste fino nos tempos de processamento. O processo é encerrado quando os padrões de formação da brecha e as características das seções permaneceram inalterados, apresentando continuidade no hidrograma de resposta, padrões admissíveis de velocidade (análogos aos obtidos na simulação com fluxo permanente) e estabilidade aparente nos deslocamentos da massa d água. 5. CONCLUSÕES Este trabalho foi realizado com o intuito de identificar os pontos críticos provocados pela onda de cheia nas comunidades ribeirinhas e marginais localizadas no vale a jusante da barragem Jaburu I, para o controle de inundação ao longo do trecho de 25 km pelo curso natural do riacho Jaburu. Foi possível representar a envoltória máxima de inundação, mesmo com as incertezas da conformação do terreno, associadas principalmente ao modelo SRTM. Como o modelo adaptado deriva de um MDE (Modelo de Elevação do Terreno) o mesmo considera estruturas civis de médio e grande porte como parte do relevo natural, além de apresentar para o trecho em estudo planícies de inundação de pequena declividade com grandes áreas de armazenamento. Fato que, originalmente, levou a considerações mais abrangentes sobre o coeficiente de rugosidade adotado para áreas urbanizadas. A análise do risco associado à ruptura da barragem de Jaburu I é baseada nos parâmetros que caracterizam a onda de cheia, observando que a profundidade média de inundação obtida é de 1,9

8 metros acima do fundo da calha fluvial para uma velocidade máxima de 6,66 m/s a uma distância de 25 km a jusante das estruturas. Ressalta-se a importância do refinamento para diminuir as incertezas dos atuais resultados, possibilitando a inclusão de outros cenários que associem a ruptura com eventos de cheia natural através da incorporação de estudos hidrológicos nas bacias de contribuição. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALBI, D.A. (2008). Metodologias para a elaboração de Planos de Ações Emergenciais para inundações induzidas por barragens. Estudo de caso: Barragem de Peti MG. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais, 354, Belo Horizonte, MG. BRASIL, Lei 12334, de 20 de setembro de Estabelece a Política Nacional de Segurança de Barragens. BELO, J.P.R. (2012). Os SIG aplicados à análise do risco de inundação progressiva do rio Tejo, entre Belver e Vila Nova da Barquinha, região do Médio Tejo. Dissertação de Mestrado em Sistemas de Informação Geográfica da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro. Vila Real, Portugal. CARNEIRO NETO, J.A.; CASTRO, M.A.H.; LEME, R. F.; TEIXEIRA, F.A.A. (2010). Simulação de rompimento de barramento: Barragem Olho D Água, Várzea Alegre, Ceará. In: X Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, 2010, Fortaleza, CE. FREAD, D. L., LEWIS, J. M. NWS FLDWAV model: theoretical description and user documentation. Maryland: National Weather Service, FROEHLICH, D. C. (1987) Embankment-Dam Breach Parameters. National Conference on Hydraulic Engineering ASCE, Nova Iorque (EUA). HEC-RAS - River Analysis System (2008). User s Manual. Version 4.0. United States Army Corps of Engineers. Davis: Hydrologic Engineering Center. LAURIANO, A. W., MONTE-MOR, R. C. A., BRASIL, L. S. S., PALMIER, L. R., NASCIMENTO, N. O., SOUZA, N. E CANELLAS, A. V. B. Propagação da onda de cheia proveniente de ruptura hipotética de barragem e mapeamento de áreas inundáveis estudo de caso: Usina Hidrelétrica de Funil RJ. In I Simpósio de Recursos Hídricos da Bacia do Rio Paraíba do Sul, Resende, Rio de Janeiro, LOU, W. C. (1981) Mathematical modeling of earth dam breaches. Tese de Doutorado em Engenharia. Universidade do Estado do Colorado. Colorado, Estados Unidos. UEMURA, S.; MARTINS, J. R. S.(2009). Instrumentos de Avaliação e Gestão de Impactos Gerados por Ruptura de Barragens. In: XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 2009, Campo Grande.