ANÁLISE DO ROMPIMENTO HIPOTÉTICO DE UMA BARRAGEM NA SERRA GAÚCHA ANALYSIS OF A HYPOTHETICAL DAM BREAK IN SOUTHERN BRAZIL

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1 ANÁLISE DO ROMPIMENTO HIPOTÉTICO DE UMA BARRAGEM NA SERRA GAÚCHA Camila Monteiro Pereira 1 *; Taison Anderson Bortolin 2 Resumo O aumento na frequência de rompimentos de barragens no mundo a partir da década de 1950 fez com que diversos países passassem a adotar medidas que garantissem a segurança de suas barragens. No início dos anos 2000, o Brasil desenvolveu documentos importantes que apresentam elementos referentes ao planejamento de ações emergenciais, no caso de acidentes. Este trabalho teve como objetivo simular 3 cenários de acidentes e gerar seus respectivos mapas de inundação para uma barragem localizada no estado do Rio Grande do Sul. Para tal, foram utilizados dois softwares: para a modelagem hidráulica o software HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center River Analysis System), já para obtenção dos dados geométricos e geração dos mapas de inundação, o software de SIG ArcMap. Todos os cenários foram simulados considerando fluxo não permanente, os cenários B e C simularam os rompimentos parcial e total, respectivamente, enquanto o cenário A considerou a vazão máxima suportada pelo vertedouro, sem que houvesse ruptura. Os resultados são apresentados em forma de mapas que ilustram as áreas atingidas por cada cenário. Conclui-se, portanto, que a geração de mapas de inundação que considerem diferentes situações de emergência é essencial para o desenvolvimento de um Plano de Ação Emergencial (PAE). Palavras-Chave barragem, rompimento, PAE. ANALYSIS OF A HYPOTHETICAL DAM BREAK IN SOUTHERN BRAZIL Abstract The significant increase on dam breaks around the world has forced many countries to develop strategies to ensure dam safety. In the early 2000s, Brazil has developed important documents that include basic elements such as planning emergency actions in case of any incidentes. This study aimed to simulate three different accident scenarios and generate flooding maps to a dam located in southern Brazil. In order to perform the simulations needed two softwares were used. The hydraulic modeling step was performed by using the software HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System). The geometric data and the flooding maps were obtained using ArcMap. All scenarios were simulated considering unsteady flow, scenarios B and C simulated partial and full dam break, respectively, whilst scenario A took into account the maximum flow supported by the spillway.. The results are presented as maps, which illustrate the areas affected by each simulation. Scenario A presents minor consequences, whereas, scenario C shows catastrophic consequences, this is mainly due to the elevation reached by the flood wave, which can go up to 50 meters in scenario C. In conclusion, generating flooding maps is essential to the development of an Emergency Action Plan (EAP). Keywords dam, dam break, EAP 1 Universidade de Caxias do Sul, e.camilamonteiro@gmail.com 2 Universidade de Caxias do Sul, tabortol@ucs.br * Autor Correspondente: autor responsável pela submissão. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1 INTRODUÇÃO Existem registros de acidentes com barragens desde os anos Contudo, a partir da década de 1950, houve um significativo aumento na frequência de incidentes com barragens ao redor do mundo. Seguindo a tendência mundial de aprimoramento das legislações pertinentes, o Brasil desenvolveu em 2001 Critérios de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, coordenado pela Eletrobrás e, em 2002 o Ministério da Integração Nacional lançou o Manual de Segurança e Inspeção de Barragens. Ambos trazem elementos referentes ao planejamento de ações emergenciais no caso de acidentes envolvendo barragens Balbi (2008). Entre as documentações, destacam-se os planos de ação emergencial ou plano de atendimento à emergência PAE. O PAE deve descrever as ações a serem tomadas pelos responsáveis pela barragem, no caso de uma emergência CBCD (2001). Portanto, este trabalho teve como objetivo simular diferentes cenários de rompimento e gerar seus respectivos mapas de inundação para uma barragem localizada no estado do Rio Grande do Sul. Para tal foram utilizados dois softwares: para a modelagem hidráulica utilizou-se o software HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center River Analysis System), já para obtenção dos dados geométricos e geração dos mapas de inundação utilizou-se o software de SIG ArcMap. 2 ÁREA DE ESTUDO A barragem utilizada como objeto de estudo localiza-se em um município da Serra Gaúcha, situada a nordeste do estado do Rio Grande do Sul, e tem por finalidade o abastecimento público. Atendendo à solicitação do empreendedor, o verdadeiro nome da barragem não será revelado, sendo assim o nome fictício de Novo Horizonte será utilizado para designar a mesma. Estima-se que a população atual do município seja de aproximadamente habitantes IBGE (2015), sendo que a barragem é responsável pelo abastecimento de 22% da população com um volume captado de 325 L.s-1. A barragem ainda não dispõe de Plano de Segurança de Barragem, conforme disposto pela Lei Federal nº /2010, e Plano de Ação Emergencial. Atualmente, apenas o nível da barragem é monitorado. A Figura 1 apresenta a barragem e o reservatório avaliado. 2.1 Descrição geral da barragem Figura 1- Barragem Novo Horizonte Os principais dados da barragem Novo Horizonte são: área da bacia: hectares; área alagada: 54 hectares; volume acumulado: 4,99 x 10 6 m³; nível de água máximo no reservatório: XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 730 m; altura máxima da barragem: 31,80 m; cota da crista do vertedouro: 728 m; nível das fundações: 700 m; nível do topo da laje de fundo do dissipador de energia do descarregador de cheias: 697 m e ano de construção: De acordo com metodologia proposta pela Resolução nº 143 CNRH (2012), a barragem Novo Horizonte é classificada como categoria de risco médio, e dano potencial associado alto, com uma pontuação igual a 36 e 21 pontos, respectivamente. 2.2 Caracterização do vale à jusante da barragem O vale à jusante da barragem Novo Horizonte é ocupado por moradias residenciais, postos de saúde, escolas, empresas, entre outros, possuindo elevado índice de ocupação. Com base na possível zona de inundação, são aproximadamente 5 (cinco) bairros que constituem a região passível de sofrer danos caso a barragem se rompa. Os mesmos serão denominados como bairros A, B, C, D e E, sendo o bairro E o mais afastado da barragem e com menor probabilidade de ser atingido. Segundo o último censo demográfico IBGE (2010) a população destes bairros soma aproximadamente habitantes. O bairro A possui 404 habitantes, enquanto o bairro B, com o maior número de habitantes no município, possui aproximadamente habitantes. O bairro C está totalmente inserido no vale e conta com cerca de 262 habitantes. Os bairros D e E encontram-se parcialmente inseridos no vale e possuem 860 e habitantes, respectivamente IBGE (2010). Na Figura 2 apresenta-se a localização dos bairros no vale à jusante do barramento. Figura 2 - Localização dos bairros à jusante do barramento. Fonte: Adaptado GeoCaxias (2015) Ainda segundo o censo demográfico IBGE (2010) a média de moradores em domicílios particulares permanentes nos bairros destacados acima é: bairro A 2,77; bairro B 3,37; bairro C 3,08; bairro D 3,05 e bairro E 3,17. A fim de facilitar o cálculo do número de pessoas atingidas pelo hipotético rompimento da barragem Novo Horizonte, adotou-se o valor de 3 como a média de moradores por domicílio. 3 METODOLOGIA Primeiramente, os dados geométricos foram obtidos por meio do software de SIG ArcMap, sendo em seguida exportados para o software HEC-RAS onde foi realizada a modelagem hidráulica. Foram simulados três cenários distintos, para o cenário A considerou-se a vazão máxima suportada pelo vertedouro sem que houvesse rompimento. O cenário B considerou a formação de uma brecha parcial e utilizou 50% da vazão de pico obtida por meio da metodologia de Singh & Snorrason (1984) apud Pierce (2010), já o cenário C considerou a ruptura total do barramento e a vazão de pico obtida por Singh & Snorrason (1984). O tipo de escoamento definido para todos os cenários foi o não permanente. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Para calcular a vazão máxima suportada pelo vertedouro utilizou-se a equação de Creager. Além disso, arbitrou-se, com base na cota do vertedouro, que a altura máxima da lâmina d água sustentada pelo vertedouro, sem que haja galgamento da estrutura, é de aproximadamente 2,5 metros. Finalmente, considerando L igual a 30 metros, e H igual a 2,5 metros, aplicou-se a Equação 01. Q = 2,2 x L x H 3 2 Onde: Q: vazão (m³/s); L: comprimento do vertedor (m); H: altura da lâmina d água sobre a estrutura (m). (1) Sendo assim, a vazão máxima que o vertedouro é capaz de escoar é 260,9 m³/s, sendo a mesma utilizada como condição de contorno para a simulação do cenário A. A vazão de pico para os rompimentos parcial e total do barramento, utilizada como condição de contorno, foi obtida através da metodologia de Singh & Snorrason (1994) apud Pierce (2010). Assim, considerou-se o volume total de armazenamento do reservatório, cerca de 4,99 x 10 6 m³, assumindo, portanto, que no momento da ruptura a barragem opera com sua capacidade máxima. A Equação 2 foi desenvolvida por Singh & Snorrason e é apresentada abaixo, a mesma foi obtida por meio da análise de 8 simulações de ruptura. Q = 1,776 V 0,47 (2) Onde: Q: vazão de ruptura (m³/s); V: volume do reservatório em condições normais (m³). O valor obtido para a vazão de pico do rompimento da barragem Novo Horizonte foi 2.449,2 m³/s. Os resultados obtidos no software HEC-RAS foram exportados novamente para o software ArcGIS, onde foram gerados os mapas de inundação. 4 RESULTADOS 4.1 Cenário A: vazão máxima do vertedouro O hidrograma de saída gerado pelo software HEC-RAS, considerando um regime não permanente, ou seja, em que a profundidade varia em função do tempo, é calculado a partir de um sistema de equações hidrodinâmicas, composto pela equação da continuidade e pela equação da conservação dos momentos. A solução destas equações é feita pelo método numérico de discretização por diferenças finitas com esquema implícito Canholi (2014). O mesmo raciocínio vale para a geração dos hidrogramas de ruptura dos cenários B e C. O hidrograma de saída gerado pelo software pode ser visualizado na Figura 3. A vazão de pico foi 187,94 m³/s, ocorrendo 2 horas após o início do evento. Além disso, percebe-se que durante a primeira hora da simulação a vazão aumenta rapidamente, a partir daí até o momento do pico há um crescimento gradativo, sendo que após as 2 horas a vazão começa a diminuir drasticamente até o final da simulação. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Vazão [m³/s] 00:00 00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 01:00 01:10 01:20 01:30 01:40 01:50 02:00 02:10 02:20 02:30 02:40 02:50 03:00 03: Duração da simulação (horas) Figura 3 - Hidrograma de saída do cenário A A área de inundação resultante da simulação do cenário A é apresentada na Figura 4. A profundidade máxima da onda é cerca de 15 metros, sendo a cota máxima atingida 707,52 metros. Devido à área a jusante do barramento ser um vale encaixado, com uma declividade de aproximadamente 1,6%, ao longo dos 8,24 km considerados na simulação, as cotas atingidas pela água variam significativamente ao longo do trecho analisado. É importante ressaltar que os resultados obtidos indicam que somente a capacidade máxima de operação do vertedouro já é capaz de extrapolar a calha do arroio, inundando parte do vale a jusante da barragem. Os polígonos representados pela cor cinza correspondem às áreas edificadas, que incluem residências, indústrias, comércio e prestadores de serviço, estradas entre outras estruturas. A estação de bombeamento de água bruta, localizada no pé da barragem seria fortemente afetada. As indústrias que estão próximas do arroio também seriam atingidas. No total, aproximadamente 50 estruturas são atingidas, sendo que 45% são residências, com uma população estimada em 69 habitantes. As demais áreas são cobertas por campo ou mata, além de duas áreas de lazer que, provavelmente, não são habitadas permanentemente Cenário B: ruptura Parcial Figura 4 - Área atingida pela inundação do cenário A O hidrograma de ruptura gerado pelo software pode ser visualizado na Figura 5. A vazão de pico no hidrograma de ruptura foi de m³/s, ocorrendo 2 horas após o início do evento e 30 minutos após a formação completa da brecha. O aumento da vazão durante a primeira hora de simulação e o decréscimo da mesma, após as 2 horas de evento, ocorre de forma abrupta. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Vazão [m³/s] 00:00 00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 01:00 01:10 01:20 01:30 01:40 01:50 02:00 02:10 02:20 02:30 02:40 02:50 03:00 03: Duração da simulação (horas) Figura 5 - Hidrograma de ruptura cenário B A área de inundação resultante da simulação do cenário B é apresentada na Figura 6. A profundidade máxima da onda é cerca de 20 metros, sendo a cota máxima atingida 713,16 metros. Devido à área a jusante do barramento ser um vale encaixado, com uma declividade de aproximadamente 1,6%, ao longo dos 8,24 km considerados na simulação, as cotas atingidas pela água variam significativamente ao longo do trecho analisado. As áreas de maior risco encontram-se a jusante do barramento, observando que as mais críticas estão muito próximas ao pé da barragem, por isso dispõem de menor tempo de resposta ao evento. É possível constatar que a onda afluente atinge uma grande área de vegetação, coberta principalmente por matas. Os polígonos representados pela cor cinza correspondem às áreas com edificações, incluindo residências, indústrias, comércio e prestadores de serviço, uma estação de tratamento de esgoto, estradas e outras vias de acesso. Além disso, no pé da barragem há uma estação de bombeamento de água bruta. O número de estruturas atingidas é aproximadamente 100, das quais cerca de 70 são residências com uma população estimada em 210 habitantes. 4.3 Cenário C: ruptura Total Figura 6 - Área atingida pela inundação do cenário B Como nos cenários A e B a simulação realizada considerou o fluxo da onda afluente como não permanente. O hidrograma de ruptura gerado pelo software pode ser visualizado na Figura 7. A vazão de pico no hidrograma de ruptura foi de m³/s, ocorrendo 3 horas após o início do XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Vazão [m³/s] evento, quando a formação da brecha se completa. A partir daí a vazão começa a diminuir gradativamente, infere-se que isto ocorre devido ao rebaixamento no nível do reservatório :00 00:40 01:20 02:00 02:40 03:20 04:00 04:40 05:20 06:00 Duração da simualação (horas) Figura 7 - Hidrograma de ruptura do cenário C Nota-se que dos três cenários simulados, o que representa a ruptura total do barramento resulta na maior onda de cheia, afetando um número maior de pessoas e estruturas. A área de inundação resultante da simulação do cenário C é apresentada na Figura 8. De acordo com os resultados da simulação a profundidade máxima da onda é cerca de 50 metros, sendo a cota máxima atingida 730 metros. Devido à área a jusante do barramento ser um vale encaixado, com uma declividade de aproximadamente 1,6%, ao longo dos 8,24 km considerados na simulação, as cotas atingidas pela água variam significativamente ao longo do trecho analisado. As áreas de maior risco encontram-se a jusante do barramento, observando que as mais críticas estão muito próximas ao pé da barragem, por isso dispõem de menor tempo de resposta ao evento. Observa-se que a onda de cheia atinge uma vasta área de vegetação, além de diversas áreas de adensamento populacional. Os polígonos representados pela cor cinza correspondem às áreas residenciais, contudo não incluem apenas residências, mas indústrias, comércio e prestadores de serviço, e uma estação de tratamento de esgoto, sendo essa uma possível fonte de contaminação. A área inundada também possui uma estação de bombeamento de água bruta, que está localizada no pé da barragem, além de uma mineradora (representada pela cor rosa) do lado direito do barramento. O número de estruturas atingidas gira em torno de 500, sendo aproximadamente 400 residências com uma população estimada em Figura 8 - Área atingida pela inundação do cenário XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho teve como objetivo apresentar os mapas de inundação considerando diferentes situações de emergência. Observou-se que o cenário C apresentou os resultados mais devastadores justamente por considerar a ruptura total do barramento. Apesar da probabilidade de rompimento ser pequena a implantação do PAE se faz necessária em função da ocupação permanente do vale a jusante da barragem. Contudo, os resultados apresentados neste trabalho ainda podem ser refinados através da utilização de dados de entrada mais precisos, como por exemplo, o coeficiente de Manning e as seções transversais que podem ser calibrados através de dados observados. Portanto, conclui-se que o desenvolvimento de um PAE é de extrema importância, bem como a geração de mapas de inundação que consideram diferentes situações, pois com base nestes resultados é que serão identificadas as áreas que deverão ser atendidas e protegidas na eventual ocorrência de um acidente. REFERÊNCIAS BALBI, D. A. F. (2008). Metodologias para a elaboração de planos de ações emergenciais para inundações induzidas por barragens. Estudo de caso: barragem de Peti MG. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte. BRASIL. Lei nº , de 20 de setembro de Estabelece a Política Nacional de Segurança de Barragens destinadas à acumulação de água para quaisquer usos, à disposição final ou temporária de rejeitos e à acumulação de resíduos industriais, cria o Sistema Nacional de Informações sobre Segurança de Barragens e altera a redação do art. 35 da Lei 9433, de 8 de janeiro de 1997, e do art. 4o da Lei 9984, 4 de julho de Brasília DF, CANHOLI, A. P. Drenagem urbana e controle de enchentes. 2 ed. São Paulo: Oficina de Textos, p. CONSELHO NACIONAL DE RECURSOS HÍDRICOS. Resolução nº 143, de 10 de julho de Estabelece critérios gerais de classificação de barragens por categoria de risco, dano potencial associado e pelo seu volume, em atendimento ao art. 7 da Lei n , de 20 de setembro de Brasília, DF COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS. Guia Básico de Segurança de Barragens. São Paulo: CBDB, p. ESTATÍSTICAS CAXIAS DO SUL. População. Disponível em: cascaxiasdosul.blogspot.com.br/2013/03/caxias-do-sul-censo-emografico2010.htm. Acesso em: 1 nov INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA IBGE. Cidades. Disponível em: 510&search= infogr%e1ficos:-informa%e7%f5es-completas. Acesso em 20 out INTERNATIONAL COMMISSION ON LARGE DAMS - ICOLD. Number of dams by country member. Disponível em: eral_synthesis.asp?ida =206. Acesso em 28 nov PIERCE, M. W. et al. (2010). Predicting peak outflow from breached embankment dams. Colorado State University, Fort Collins, CO. SINGH, K. P., SNORRASON, A. (1984). Sensitivity of outflow peaks and flood stages to the selection of dam breach parameters and simulation models. Journal of Hydrology, 68. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8