Enhancing hazard mapping, emergency response comprehension, and life-loss assessment of flood events: a study on probabilistic scenarios and empirical analysis
Carregando...
Data
Autor(es)
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Priscilla Macedo Moura
Luiz Rafael Palmier
Carlos Henrique Ribeiro Lima
Pedro Luiz Borges Chaffe
Luiz Rafael Palmier
Carlos Henrique Ribeiro Lima
Pedro Luiz Borges Chaffe
Resumo
As inundações representam o desastre natural mais recorrente em escala global, com um aumento significativo na frequência de eventos extremos em decorrência das mudanças climáticas. Esse crescimento, associado à intensificação da urbanização e à consequente ampliação da exposição populacional, eleva substancialmente os riscos, resultando em maior número de pessoas afetadas e de fatalidades. Ainda assim, observa-se uma redução no número médio de indivíduos impactados por evento, o que indica avanços na mitigação de riscos, especialmente por meio de investimentos em Sistemas de Alerta e Evacuação (SAEs). A eficácia desses sistemas pode ser avaliada por meio de modelos de estimativa de perda de vidas, que fornecem informações sobre os impactos potenciais de inundações sob diferentes condições operacionais dos SAEs. No entanto, esses modelos ainda enfrentam importantes limitações, como a representação insuficiente das incertezas hidráulicas, devido aos elevados custos computacionais associados a simulações probabilísticas de alta resolução; a ausência de uma abordagem probabilística que considere a variação temporal e espacial da distribuição populacional; e a limitada representatividade da dinâmica dos agentes envolvidos nos SAEs (autoridades e população), frequentemente baseada em estudos com foco nos Estados Unidos. Esta tese busca explorar essas limitações, avançando na aplicação e compreensão de estimativas de perdas humanas em inundações, em quatro capítulos principais. Primeiramente, introduz-se a modelagem de perdas de vidas por meio da avaliação de diferentes alternativas de SAEs, considerando um cenário hipotético de rompimento de barragem a montante de um vale densamente urbanizado. A análise identifica, por setores ao longo do vale, os momentos ideais e os tempos críticos mínimos para a emissão de alertas que minimizem as fatalidades. Em seguida, desenvolve-se um mapeamento probabilístico do rompimento de uma barragem de terra, utilizando abordagem computacional otimizada. Em um estudo de caso fictício, observa-se que a área de inundação derivada da análise determinística corresponde àquela associada a uma probabilidade de excedência de 40% nos cenários probabilísticos. Na terceira etapa, propõe-se uma nova metodologia para a estimativa probabilística de perdas de vidas, integrando, sob abordagem probabilística, incertezas hidráulicas e as distribuições temporal e espacial da população. Ainda para o estudo de caso anterior, percebe-se que, embora a abordagem determinística produza estimativas medianas superiores às médias ponderadas do método probabilístico, a consideração da variabilidade, expressa pelo desvio padrão, pode inverter esse resultado. Por fim, ao analisar o desempenho dos SAEs durante a inundação de 2021 na Alemanha, com base em pesquisa junto aos residentes afetados, identificam-se lacunas entre a execução prática dos sistemas e as recomendações teóricas. Apesar da emissão oportuna dos alertas, falhas sistêmicas de comunicação comprometeram a resposta da população, sendo estimado que estratégias alternativas de SAEs poderiam ter reduzido as perdas humanas em até 80%. Os resultados, as metodologias propostas, e as discussões desenvolvidas nesta tese contribuem para o aprimoramento das ferramentas de simulação de impactos de SAEs, oferecendo subsídios relevantes para o desenvolvimento de modelos mais robustos, contextualizados e capazes de gerar estimativas mais precisas sobre impactos humanos em inundações.
Abstract
Floods are the most recurrent natural disaster on a global scale, with a significant increase in the frequency of extreme events driven by climate change. This growth, combined with intensified urbanisation and the resulting expansion of population exposure, substantially raises associated risks, leading to a greater number of people affected and an increase in fatalities. Despite this, a reduction in the average number of individuals impacted per event has been observed, indicating progress in risk mitigation, particularly through investments in Early Warning and Evacuation Systems (EWESs). The effectiveness of these systems can be evaluated using life-loss estimation models, which provide insights into the potential impacts of floods under different operational conditions of EWESs. However, these models still face significant limitations, including the insufficient representation of hydraulic uncertainties, mainly due to the high computational cost of high-resolution probabilistic simulations; the lack of probabilistic approaches that account for temporal and spatial variability in population distribution; and the limited representativeness of agent behavior (authorities and population), which is often based on studies focused on the United States. This thesis aims to explore and address these limitations by advancing the application and understanding of life-loss estimation in flood events across four main chapters. First, life-loss modelling is introduced through the evaluation of different EWES alternatives, considering a hypothetical dam-break scenario upstream of a densely urbanised valley. The analysis identifies, by sector along the valley, the optimal moments and critical minimum lead times for issuing alerts that minimise fatalities. Next, a probabilistic flood mapping method for the failure of an earthen dam is developed using a computationally optimised approach. In a fictional case study, it is observed that the inundation area derived from deterministic analysis corresponds to the area associated with a 40% exceedance probability in probabilistic scenarios. In the third stage, a new methodology is proposed for probabilistic life-loss estimation that integrates, under a probabilistic framework, both hydraulic uncertainties and the temporal and spatial variability of population distribution. Applied to the same case study, the analysis reveals that although deterministic estimates tend to produce higher median values than the probabilistic weighted means, accounting for variability, expressed through standard deviation, can reverse this outcome. Finally, the performance of EWESs during the 2021 flood in Germany is analysed based on surveys conducted with affected residents. The study identifies substantial gaps between the practical implementation of the systems and theoretical recommendations. Despite the timely issuance of alerts, systemic communication failures undermined public response, and it is estimated that alternative EWES strategies could have reduced human losses by up to 80%. The findings, proposed methodologies, and discussions developed in this thesis contribute to improving the simulation tools used to assess the impacts of EWESs. They provide valuable insights for the development of more robust, context-sensitive models that can produce more accurate estimates of human impacts during flood events.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Mortalidade, Avaliação de riscos - Modelos matemáticos, Inundações, Probabilidade
Palavras-chave
Sistemas de alerta, Avaliação do risco de inundações, Fatalidades em inundações, Rompimento de barragem, Modelo baseado em agentes LifeSim
Citação
Departamento
Endereço externo
Avaliação
Revisão
Suplementado Por
Referenciado Por
Licença Creative Commons
Exceto quando indicado de outra forma, a licença deste item é descrita como Acesso aberto
