Avaliação dos efeitos da incorporação das incertezas da curva-chave e do coeficiente de rugosidade de Manning na modelagem hidrodinâmica de eventos de cheias naturais

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Luiz Rafael Palmier
Francisco Eustáquio Oliveira e Silva
Dirceu Silveira Reis Júnior
Pedro Luiz Borges Chaffe

Resumo

Efeitos de desastres hidrológicos relacionados à ocorrência de inundações provocam severos danos socioeconômicos em todo o globo. Diante desse cenário, a modelagem matemática de inundações desempenha um papel fundamental no apoio e gerenciamento de risco, na gestão dos recursos hídricos e no auxílio a processos de tomada de decisão. Não obstante, a complexidade inerente à tentativa de representar o fenômeno físico incorpora diferentes graus de incerteza ao processo, o que pode acarretar predições errôneas e potencialização dos danos. Um exemplo relevante é a incorporação das incertezas na estimativa da vazão via curva-chave na modelagem hidrodinâmica de propagação de cheias. A combinação das incertezas para essas diferentes etapas é refletida nos mapeamentos de inundação e, consequentemente, na eficácia dos planos de gestão de inundações. Buscou-se assim, com o desenvolvimento desta tese, aprofundar a compreensão sobre a contribuição das incertezas neste processo. Para isso, foi desenvolvido um modelo hidráulico probabilístico, que considera tanto as incertezas da curva-chave quanto as incertezas do coeficiente de Manning na modelagem de inundações. Em um primeiro momento, as incertezas da curva-chave foram quantificadas pelo método BaRatin, que tem abordagem Bayesiana e se baseia em informações do conhecimento físico da seção transversal e do trecho fluvial para elicitar distribuições a priori. Em um segundo momento, as vazões obtidas das curvas-chave a posteriori foram propagadas por meio de um modelo hidráulico probabilístico Bayesiano que quantifica a incerteza acerca do coeficiente de rugosidade. Para aplicação da metodologia foi selecionado um trecho entre as estações fluviométricas de Acorizal e Cuiabá, localizadas no interior do Mato Grosso. Os resultados demonstraram a adequação da metodologia proposta para quantificação de incertezas e comprovou que o modelo de erro autorregressivo de primeira ordem adotado foi apropriado para representar os resíduos das modelagens. No entanto, em relação ao modelo hidráulico probabilístico proposto, identificou-se um desempenho inferior na estimativa das cotas e vazões associadas a valores extremos, evidenciando uma tendência geral de superestimar as cotas e vazões simuladas. Além disso, verificou-se que as incertezas relacionadas à variabilidade da curva-chave e ao coeficiente de rugosidade de Manning tiveram impacto na incerteza preditiva das cotas de inundação, resultando em ampliação dos intervalos de credibilidade tanto da incerteza paramétrica quanto da incerteza total.

Abstract

Effects of hydrological disasters related to the occurrence of floods cause severe socioeconomic damage around the globe. In this scenario, mathematical modeling of floods plays a key role in supporting risk management, water resource management, and decision-making processes. Nevertheless, the complexity inherent in the attempt to represent the physical phenomenon incorporates different degrees of uncertainty to the process, which can lead to erroneous predictions and damage potentialization. A relevant example is the incorporation of uncertainties in the estimation of flow via the rating curve in the hydrodynamic modeling of flood propagation. The combination of uncertainties for these different steps is reflected in flood mappings and, consequently, in the effectiveness of flood management plans. It was thus sought, with the development of this thesis, to deepen the understanding of the contribution of uncertainties in this process. For this, a probabilistic hydraulic model was developed, which considers both the uncertainties of the rating curve and the uncertainties of the Manning coefficient in flood modeling. In a first moment, the uncertainties of the rating curve were quantified by a Bayesian approach method, which relies on information from the physical knowledge of the cross section and the river stretch to elicit a priori distributions. In a second step, the a posteriori estimated flows were propagated through a Bayesian probabilistic hydraulic model that updated the uncertainty about the roughness coefficient. For the application of the methodology a stretch between the Acorizal and Cuiabá river gauging stations, located in the interior of Mato Grosso, was selected. The results demonstrated the adequacy of the proposed methodology for uncertainty quantification and proved that the first-order autoregressive error model adopted was appropriate to represent the modeling residuals. However, in relation to the proposed probabilistic hydraulic model, an inferior performance was identified in the estimation of the elevations and flows associated with extreme values, evidencing a general tendency to overestimate the simulated elevations and flows. In addition, uncertainties related to the variability of the rating curve and Manning's roughness coefficient were found to have an impact on the predictive uncertainty of flood elevations, resulting in a widening of the credibility intervals of both parametric and total uncertainty.

Assunto

Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Meio ambiente, Hidrologia, Aspereza de superficie, Inferência bayesiana, Modelagem, Hidrodinâmica, Processo decisório, Avaliação de riscos - Modelos matemáticos, Incerteza, Inundações, Probabilidade

Palavras-chave

Inferência Bayesiana, Inundações, Modelagem hidrodinâmica, Propagação de incertezas, Análise de risco, Curva-chave

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