Aplicação de metodologia probabilística de previsão de brecha de ruptura de barragem integrada a estimativa do potencial de perda de vidas

Abstract

As barragens são estruturas que oferecem inúmeros benefícios, incluindo proteção contra enchentes, abastecimento de água, geração de energia hidrelétrica, irrigação e recreação. Todavia, estas estruturas criam também um risco potencial para pessoas e propriedades em caso de ocorrência de falhas, levando a uma liberação descontrolada da água reservada. Os efeitos potenciais desses acidentes precisam ser mensurados para que se possam estabelecer os impactos associados e as ações de preparação cabíveis, particularmente para os habitantes a jusante que seriam afetados. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo analisar a estimativa de perda de vida associada ao rompimento hipotético de uma barragem, empregando uma metodologia probabilística de previsão de brecha de ruptura, com vistas a avaliar a efetividade da preparação para o evento. A estrutura de estudo, a Barragem Sul, fica localizada na cidade de Ituporanga, na região do Vale do Itajaí no estado de Santa Catarina. A seleção da premissa de ruptura da barragem, por mecanismo de piping, partiu da execução da metodologia de APMR e representou o resultado de um entendimento coletivo da equipe da DCSC participante do processo. A avaliação probabilística das brechas de ruptura foi conduzida com o modelo McBreach, dotado da capacidade de amostragem aleatória dos parâmetros de brecha, sobre distribuições estatísticas predefinidas, através de simulações de Monte Carlo. Com base nos conjuntos dos parâmetros de brecha, foram construídos os eventos de propagação da onda de inundação associados as probabilidades de excedência, por meio de simulação hidráulica com o software HEC-RAS. A caracterização da população inserida no vale a jusante procedeu- se por meio de uma análise de vulnerabilidade e exposição na área de risco de inundação, com emprego de dados do censo demográfico do IBGE e utilização de técnicas de transferência de dados por desagregação. A avaliação das estimativas de perda de vida foi conduzida com o software HEC-LifeSim. Para cada evento de propagação da onda de inundação associado as principais probabilidades de excedência, adotou-se como condição de contorno a estratégia de evacuação do Plano de Ação de Emergência da barragem. Os resultados demonstraram que a diminuição da Probabilidade de Excedência (PE) dos eventos de rompimento estiveram associados ao aumento das vazões de pico de ruptura e da extensão das manchas de inundação e à diminuição dos tempos de chegada. Assim, para PE inferiores, menores foram os totais de população alertada e mobilizada e maiores foram os números de estruturas atingidas e de ocorrências de fatalidades. Entre as principais deficiências encontradas no processo de preparação do empreendedor da barragem, destaca-se a baixa capacidade de mobilização da população após o recebimento dos alertas. As principais causas identificas para a deficiência estiveram relacionadas a problemas no conteúdo e padronização dos alertas, a falta de planejamento específico para alertar parcelas especiais da população e a falta de preparação e planejamento individualizado da população para o evento. A análise de sensibilidade demonstrou ainda que a variação da concentração populacional entre os períodos diurno e noturno desempenha importante fator na ocorrência de fatalidades no município. Indicou também que a melhoria na capacidade de mobilização da população é a ação com maior efetividade para redução do potencial de perdas de vidas. Por fim, foram indicadas sugestões de melhorias para o PAE da estrutura, como o aprimoramento no planejamento e no conteúdo previsto para as mensagens de alerta, a necessidade de instalação de um sistema de sirenes ao longo da região atingida pela mancha de inundação e a implementação dos principais instrumentos do PAE, tais como: pontos de encontro, rotas de fuga, sinalização de emergência e execução de treinamentos e simulados.

Abstract: Dams are structures that offer numerous benefits, including flood protection, water supply, hydroelectric power generation, irrigation, and recreation. However, these structures also pose a potential risk to people and properties in the event of failures, leading to an uncontrolled release of stored water. The potential effects of these accidents need to be measured to establish the associated impacts and appropriate preparatory actions, particularly for downstream inhabitants who could be affected. In this context, the present study aimed to analyze the estimated loss of life associated with the hypothetical failure of a dam, employing a probabilistic methodology for predicting breach formation. The focus of the study is the ?Sul? Dam, located in the city of Ituporanga, in the Vale do Itajaí region of the state of Santa Catarina. The selection of the dam breach premise, through piping mechanisms, stemmed from the execution of the Potential Failure Mode Analysis (PFMA) methodology, representing a collective understanding of the participating Civil Defense of the State of Santa Catarina (DCSC) team. The probabilistic assessment of breach formations was conducted using the McBreach model, equipped with the capability of random sampling of breach parameter distributions through Monte Carlo simulations. Based on the sets of breach parameters, events of flood wave propagation associated with exceedance probabilities were constructed through hydraulic simulation using the HEC-RAS software. Characterization of the population in the downstream valley involved an analysis of vulnerability and exposure in the flood risk area, utilizing demographic census data from IBGE and employing data transfer techniques through disaggregation. Evaluation of life loss estimates was carried out using the HEC-LifeSim software. For each flood wave propagation event associated with exceedance probabilities, the evacuation strategy from the dam's Emergency Action Plan was adopted as a boundary condition. The results demonstrated that the reduction in the Probability of Exceedance (PE) of breach events was associated with increased peak rupture flows and expanded flood areas, along with reduced arrival times. Consequently, for lower PE values, there were fewer total alerted and mobilized populations and higher numbers of affected structures and occurrences of fatalities. Among the main deficiencies found in the entrepreneur's preparation process, the low capacity for population mobilization after receiving alerts stood out. Identified causes for this deficiency were related to issues in the content and standardization of alerts, the lack of specific planning to alert special population segments, and the absence of individual population preparation and planning for the event. Sensitivity analysis further demonstrated that variations in population concentration between daytime and nighttime periods play a significant role in the occurrence of fatalities in the municipality. It also indicated that improving population mobilization is the most effective action for reducing the potential for life losses compared to the current condition. Furthermore, it highlighted that the implementation of more efficient alert systems would have a significant impact on the effectiveness of dam preparation actions. Finally, suggestions for improvements to the dam's Emergency Action Plan were indicated, including enhancements to alert planning and content, the need for installing alert siren systems along the flood area, and the importance of implementing EAP instruments such as meeting points, escape routes, emergency signage, and conducting training and simulations.