Esse trabalho identificou, testou e aprimorou modelos de propagação de vazão simplificados a fim de verificar as vantagens e desvantagens dos modelos. As soluções apresentadas por esses modelos foram testadas com um modelo hidrodinâmico completo, considerado nesse trabalho como resultados ideias. Os modelos hidrodinâmicos simplificados testados foram: Um modelo não linear de Onda Cinemática, o modelo Muskingum-Cunge linear, duas versões do modelo Muskingum-Cunge não linar, o modelo Muskingum-Cunge modificado por Todini e o modelo IPHS1. O modelo hidrodinâmico completo utilizado nesse trabalho foi o modelo HEC-RAS. Desenvolveu-se ainda uma metodologia para representar o efeito da planície de inundação. Essa metodologia foi implementada nos modelos hidrodinâmicos simplificados. Para avaliar o comportamento dos diferentes modelos de propagação disponíveis foram criados testes numéricos em que foram aplicados os diferentes modelos, com variação de características dos hidrogramas sintético de entrada, das características do leito do rio e da planície de inundação, e dos critérios de discretização temporal e espacial. A avaliação dos resultados foi feita através dos erros de conservação de volume, de vazão de pico e de tempo de ocorrência da vazão de pico. Além disso, também foram considerados, em alguns testes, os critérios de aplicabilidade de Ponce para onda cinemática e difusão além da formulação do Δx ideal proposto por Fread. Os resultados mostram que o modelo Muskingum-Cunge Todini, modificado para representar o efeito da planície de inundação, é muito promissor. Esse modelo apresentou resultados que se aproximaram muito dos resultados obtidos pelo HEC-RAS, enquanto os outros modelos hidrodinâmicos simplificados apresentaram resultados piores. Com relação aos critérios de aplicabilidade, recomenda-se o uso de um Δx três vezes menor do que o valor sugerido por Fread. Além disso, pode-se concluir que os modelos simplificados podem ser utilizados fora dos limites de aplicabilidade sugeridos por Ponce. / This work has identified, tested and improved simplified flood routing models to verify the advantages and disadvantages presented. The solutions provided by these models were tested by using a full hydrodynamic model considered in this work as an ideal result. The simplified hydrodynamic models used were: A variable parameter kinematics wave model, the Muskingum-Cunge flood routing model, the variable parameter Muskingum-Cunge flood routing model (three and four points scheme) the Muskingum-Cunge modified by Todini (MCT) and the model IPHS1. The full hydrodynamic model used was HEC-RAS. It was also proposed a procedure to represent the effect of the floodplain rivers. To evaluate the behavior of different flood routing models numerical tests were created and were applied to then. The characteristics of synthetic inflow hydrographs, the characteristics of riverbed and floodplain, and the criteria for temporal and spatial discretization were perturbed. The evaluation of the results was made through the errors of conservation of volume, peak flow and time of occurrence of peak flow. Moreover, it was also considered, in some tests, applicability criteria recommended by some authors for different models, such as models of kinematic flood wave and diffusive flood wave. The results show that the Muskingum Cunge Todini, modified to represent the effect of the floodplain flow is very promising. Finally, it is also shown that this model closely approaches the full Saint Venant equation solution (HEC-RAS). The others models were worse than HEC-RAS and MCT. About applicability criteria, it recommends the use of the Δx three times smaller than the value suggested by Fread. Moreover, the simplified hydrodynamic models can be used outside limits of applicability suggested by Ponce about kinematic and diffusive wave.

Esse trabalho identificou, testou e aprimorou modelos de propagação de vazão simplificados a fim de verificar as vantagens e desvantagens dos modelos. As soluções apresentadas por esses modelos foram testadas com um modelo hidrodinâmico completo, considerado nesse trabalho como resultados ideias. Os modelos hidrodinâmicos simplificados testados foram: Um modelo não linear de Onda Cinemática, o modelo Muskingum-Cunge linear, duas versões do modelo Muskingum-Cunge não linar, o modelo Muskingum-Cunge modificado por Todini e o modelo IPHS1. O modelo hidrodinâmico completo utilizado nesse trabalho foi o modelo HEC-RAS. Desenvolveu-se ainda uma metodologia para representar o efeito da planície de inundação. Essa metodologia foi implementada nos modelos hidrodinâmicos simplificados. Para avaliar o comportamento dos diferentes modelos de propagação disponíveis foram criados testes numéricos em que foram aplicados os diferentes modelos, com variação de características dos hidrogramas sintético de entrada, das características do leito do rio e da planície de inundação, e dos critérios de discretização temporal e espacial. A avaliação dos resultados foi feita através dos erros de conservação de volume, de vazão de pico e de tempo de ocorrência da vazão de pico. Além disso, também foram considerados, em alguns testes, os critérios de aplicabilidade de Ponce para onda cinemática e difusão além da formulação do Δx ideal proposto por Fread. Os resultados mostram que o modelo Muskingum-Cunge Todini, modificado para representar o efeito da planície de inundação, é muito promissor. Esse modelo apresentou resultados que se aproximaram muito dos resultados obtidos pelo HEC-RAS, enquanto os outros modelos hidrodinâmicos simplificados apresentaram resultados piores. Com relação aos critérios de aplicabilidade, recomenda-se o uso de um Δx três vezes menor do que o valor sugerido por Fread. Além disso, pode-se concluir que os modelos simplificados podem ser utilizados fora dos limites de aplicabilidade sugeridos por Ponce. / This work has identified, tested and improved simplified flood routing models to verify the advantages and disadvantages presented. The solutions provided by these models were tested by using a full hydrodynamic model considered in this work as an ideal result. The simplified hydrodynamic models used were: A variable parameter kinematics wave model, the Muskingum-Cunge flood routing model, the variable parameter Muskingum-Cunge flood routing model (three and four points scheme) the Muskingum-Cunge modified by Todini (MCT) and the model IPHS1. The full hydrodynamic model used was HEC-RAS. It was also proposed a procedure to represent the effect of the floodplain rivers. To evaluate the behavior of different flood routing models numerical tests were created and were applied to then. The characteristics of synthetic inflow hydrographs, the characteristics of riverbed and floodplain, and the criteria for temporal and spatial discretization were perturbed. The evaluation of the results was made through the errors of conservation of volume, peak flow and time of occurrence of peak flow. Moreover, it was also considered, in some tests, applicability criteria recommended by some authors for different models, such as models of kinematic flood wave and diffusive flood wave. The results show that the Muskingum Cunge Todini, modified to represent the effect of the floodplain flow is very promising. Finally, it is also shown that this model closely approaches the full Saint Venant equation solution (HEC-RAS). The others models were worse than HEC-RAS and MCT. About applicability criteria, it recommends the use of the Δx three times smaller than the value suggested by Fread. Moreover, the simplified hydrodynamic models can be used outside limits of applicability suggested by Ponce about kinematic and diffusive wave.

Esse trabalho identificou, testou e aprimorou modelos de propagação de vazão simplificados a fim de verificar as vantagens e desvantagens dos modelos. As soluções apresentadas por esses modelos foram testadas com um modelo hidrodinâmico completo, considerado nesse trabalho como resultados ideias. Os modelos hidrodinâmicos simplificados testados foram: Um modelo não linear de Onda Cinemática, o modelo Muskingum-Cunge linear, duas versões do modelo Muskingum-Cunge não linar, o modelo Muskingum-Cunge modificado por Todini e o modelo IPHS1. O modelo hidrodinâmico completo utilizado nesse trabalho foi o modelo HEC-RAS. Desenvolveu-se ainda uma metodologia para representar o efeito da planície de inundação. Essa metodologia foi implementada nos modelos hidrodinâmicos simplificados. Para avaliar o comportamento dos diferentes modelos de propagação disponíveis foram criados testes numéricos em que foram aplicados os diferentes modelos, com variação de características dos hidrogramas sintético de entrada, das características do leito do rio e da planície de inundação, e dos critérios de discretização temporal e espacial. A avaliação dos resultados foi feita através dos erros de conservação de volume, de vazão de pico e de tempo de ocorrência da vazão de pico. Além disso, também foram considerados, em alguns testes, os critérios de aplicabilidade de Ponce para onda cinemática e difusão além da formulação do Δx ideal proposto por Fread. Os resultados mostram que o modelo Muskingum-Cunge Todini, modificado para representar o efeito da planície de inundação, é muito promissor. Esse modelo apresentou resultados que se aproximaram muito dos resultados obtidos pelo HEC-RAS, enquanto os outros modelos hidrodinâmicos simplificados apresentaram resultados piores. Com relação aos critérios de aplicabilidade, recomenda-se o uso de um Δx três vezes menor do que o valor sugerido por Fread. Além disso, pode-se concluir que os modelos simplificados podem ser utilizados fora dos limites de aplicabilidade sugeridos por Ponce. / This work has identified, tested and improved simplified flood routing models to verify the advantages and disadvantages presented. The solutions provided by these models were tested by using a full hydrodynamic model considered in this work as an ideal result. The simplified hydrodynamic models used were: A variable parameter kinematics wave model, the Muskingum-Cunge flood routing model, the variable parameter Muskingum-Cunge flood routing model (three and four points scheme) the Muskingum-Cunge modified by Todini (MCT) and the model IPHS1. The full hydrodynamic model used was HEC-RAS. It was also proposed a procedure to represent the effect of the floodplain rivers. To evaluate the behavior of different flood routing models numerical tests were created and were applied to then. The characteristics of synthetic inflow hydrographs, the characteristics of riverbed and floodplain, and the criteria for temporal and spatial discretization were perturbed. The evaluation of the results was made through the errors of conservation of volume, peak flow and time of occurrence of peak flow. Moreover, it was also considered, in some tests, applicability criteria recommended by some authors for different models, such as models of kinematic flood wave and diffusive flood wave. The results show that the Muskingum Cunge Todini, modified to represent the effect of the floodplain flow is very promising. Finally, it is also shown that this model closely approaches the full Saint Venant equation solution (HEC-RAS). The others models were worse than HEC-RAS and MCT. About applicability criteria, it recommends the use of the Δx three times smaller than the value suggested by Fread. Moreover, the simplified hydrodynamic models can be used outside limits of applicability suggested by Ponce about kinematic and diffusive wave.

O início da construção de estruturas para reserva de água no mundo é conhecido há milhares de anos, e, desde então, as barragens são consideradas alternativas viáveis não apenas para reserva de água para consumo, mas também para as finalidades de geração de energia hidrelétrica, contenção de rejeitos, entre outras. Entretanto, mesmo com os contínuos avanços nas técnicas construtivas e na fiscalização da segurança destas estruturas, a possibilidade de rompimento de barragens é uma realidade constante. Nesta perspectiva, o presente texto objetiva analisar os aspectos hidráulicos de metodologias simplificadas para estimativa de parâmetros de inundação proveniente do rompimento de barragens, a saber, as vazões e respectivas profundidades atingidas no vale a jusante, em um evento de rompimento hipotético. Para tal, analisaram-se os resultados de três metodologias simplificadas existentes, aplicadas em três barragens estudo de caso, com características estruturais e geometria do vale a jusante distintas. Os resultados das metodologias simplificadas foram comparados com os estudos de Dam Break das três barragens estudo de caso, obtidos com o uso do software HEC-RAS unidimensional e cedidos por empreendedores. O presente texto também sugere uma nova equação empírica para previsão da vazão máxima resultante do rompimento de barragens por galgamento, e propõe uma nova metodologia simplificada para análise preliminar de rompimento de barragens, com base nos métodos analisados e nas respectivas conclusões obtidas. Os resultados indicam que o uso de metodologias simplificadas na análise preliminar de rompimento de barragens é uma alternativa viável em vales cuja declividade do talvegue é acentuada e cujas características geométricas são aproximadamente constantes. Identificou-se que pequenas alterações no coeficiente de rugosidade do terreno e na declividade da linha de energia refletiram em diferenças nos resultados de profundidades e larguras máximas de 20%, em média. A proposta de nova equação empírica para previsão de vazão máxima na seção da barragem baseou-se na análise de 39 casos reais envolvendo ruptura de barragens por galgamento e resultou em um coeficiente de determinação (R²) de 0,79. Quando comparada com as principais equações semelhantes indicadas na bibliografia, a equação proposta obteve vazões máximas próximas ou superiores às dos demais pesquisadores analisados sempre que a altura da barragem foi inferior a 30 m. Evidencia-se a importância na estimativa cautelosa da vazão máxima na seção da barragem, uma vez que essa reflete em diferenças significativas nas vazões e respectivas profundidades alcançadas ao longo do vale a jusante da estrutura. Nos casos analisados, diferentes vazões máximas na seção da barragem refletiram em distinções de até 50%, em média, nas profundidades e larguras máximas a jusante. A nova metodologia proposta para definição de características de inundação provenientes do rompimento de barragens pode contribuir em estudos preliminares para tal, especialmente aos empreendedores que possuem número expressivo de barragens. Nesses casos, a metodologia poderá nortear a prioridade a ser dada em estudos detalhados de Dam Break. / For thousands of years, water reservoir structures have been built worldwide. Since then, dams have been considered viable alternatives not only for reserving water for consumption but also for the purposes of hydroelectric power generation and sediment retention, among others. Despite the continuous advances in the construction techniques and in the safety inspection of these structures, the possibility of breaking of dams remains a constant reality. Hence, this paper aims to analyze the hydraulic aspects of simplified methodologies for estimating flood parameters on dam ruptures, namely, the flows and respective depths reached in the downstream valley in a hypothetical breach event. Results of three existing simplified methodologies were studied applied in three dams with different structural characteristics and downstream valley geometry. The results of simplified methodologies were compared with dam break studies of three study case dams, obtained with one-dimensional HEC-RAS and provided by entrepreneurs. The present paper suggests also a new empirical equation for predicting the maximum flow resulting from the overtopping dam failure and proposes a new simplified methodology for preliminary analysis of dam rupture, based on the analyzed methods and respective obtained conclusions. The results indicate that the use of simplified methodologies in the preliminary dam break analysis is a viable alternative in valleys with high thalweg declivities and close to constant geometric characteristics. It was identified that small changes in the coefficient of rough terrain and in the energy line slope reflected in differences in the results of depths and maximum widths of 20%, on average. The proposed new empirical equation for maximum flow prediction in the dam section was based on the analysis of 39 actual cases involving overtopping dam failure and resulted in a coefficient of determination (R²) of 0.79. When compared to similar main equations indicated in the bibliography, the proposed equation obtained maximum flows near or higher than those of other researchers analyzed whenever the height of the dam did not exceed 30 m. The importance of a cautious estimation of the maximum flow rate in the dam section is to be highlighted, since it results in significant variations of flow and respective depths along the valley and downstream of the structure. Different maximum flows were found in the dam section, which reflected in distinctions of up to 50%, in average, in the maximum depths and widths downstream. The new proposed methodology for defining dam break characteristics caused by dam rupture may contribute to preliminary studies, especially to entrepreneurs who own a significant number of dams. In these cases, the methodology may guide the priority to be given in detailed studies of dam break.

O início da construção de estruturas para reserva de água no mundo é conhecido há milhares de anos, e, desde então, as barragens são consideradas alternativas viáveis não apenas para reserva de água para consumo, mas também para as finalidades de geração de energia hidrelétrica, contenção de rejeitos, entre outras. Entretanto, mesmo com os contínuos avanços nas técnicas construtivas e na fiscalização da segurança destas estruturas, a possibilidade de rompimento de barragens é uma realidade constante. Nesta perspectiva, o presente texto objetiva analisar os aspectos hidráulicos de metodologias simplificadas para estimativa de parâmetros de inundação proveniente do rompimento de barragens, a saber, as vazões e respectivas profundidades atingidas no vale a jusante, em um evento de rompimento hipotético. Para tal, analisaram-se os resultados de três metodologias simplificadas existentes, aplicadas em três barragens estudo de caso, com características estruturais e geometria do vale a jusante distintas. Os resultados das metodologias simplificadas foram comparados com os estudos de Dam Break das três barragens estudo de caso, obtidos com o uso do software HEC-RAS unidimensional e cedidos por empreendedores. O presente texto também sugere uma nova equação empírica para previsão da vazão máxima resultante do rompimento de barragens por galgamento, e propõe uma nova metodologia simplificada para análise preliminar de rompimento de barragens, com base nos métodos analisados e nas respectivas conclusões obtidas. Os resultados indicam que o uso de metodologias simplificadas na análise preliminar de rompimento de barragens é uma alternativa viável em vales cuja declividade do talvegue é acentuada e cujas características geométricas são aproximadamente constantes. Identificou-se que pequenas alterações no coeficiente de rugosidade do terreno e na declividade da linha de energia refletiram em diferenças nos resultados de profundidades e larguras máximas de 20%, em média. A proposta de nova equação empírica para previsão de vazão máxima na seção da barragem baseou-se na análise de 39 casos reais envolvendo ruptura de barragens por galgamento e resultou em um coeficiente de determinação (R²) de 0,79. Quando comparada com as principais equações semelhantes indicadas na bibliografia, a equação proposta obteve vazões máximas próximas ou superiores às dos demais pesquisadores analisados sempre que a altura da barragem foi inferior a 30 m. Evidencia-se a importância na estimativa cautelosa da vazão máxima na seção da barragem, uma vez que essa reflete em diferenças significativas nas vazões e respectivas profundidades alcançadas ao longo do vale a jusante da estrutura. Nos casos analisados, diferentes vazões máximas na seção da barragem refletiram em distinções de até 50%, em média, nas profundidades e larguras máximas a jusante. A nova metodologia proposta para definição de características de inundação provenientes do rompimento de barragens pode contribuir em estudos preliminares para tal, especialmente aos empreendedores que possuem número expressivo de barragens. Nesses casos, a metodologia poderá nortear a prioridade a ser dada em estudos detalhados de Dam Break. / For thousands of years, water reservoir structures have been built worldwide. Since then, dams have been considered viable alternatives not only for reserving water for consumption but also for the purposes of hydroelectric power generation and sediment retention, among others. Despite the continuous advances in the construction techniques and in the safety inspection of these structures, the possibility of breaking of dams remains a constant reality. Hence, this paper aims to analyze the hydraulic aspects of simplified methodologies for estimating flood parameters on dam ruptures, namely, the flows and respective depths reached in the downstream valley in a hypothetical breach event. Results of three existing simplified methodologies were studied applied in three dams with different structural characteristics and downstream valley geometry. The results of simplified methodologies were compared with dam break studies of three study case dams, obtained with one-dimensional HEC-RAS and provided by entrepreneurs. The present paper suggests also a new empirical equation for predicting the maximum flow resulting from the overtopping dam failure and proposes a new simplified methodology for preliminary analysis of dam rupture, based on the analyzed methods and respective obtained conclusions. The results indicate that the use of simplified methodologies in the preliminary dam break analysis is a viable alternative in valleys with high thalweg declivities and close to constant geometric characteristics. It was identified that small changes in the coefficient of rough terrain and in the energy line slope reflected in differences in the results of depths and maximum widths of 20%, on average. The proposed new empirical equation for maximum flow prediction in the dam section was based on the analysis of 39 actual cases involving overtopping dam failure and resulted in a coefficient of determination (R²) of 0.79. When compared to similar main equations indicated in the bibliography, the proposed equation obtained maximum flows near or higher than those of other researchers analyzed whenever the height of the dam did not exceed 30 m. The importance of a cautious estimation of the maximum flow rate in the dam section is to be highlighted, since it results in significant variations of flow and respective depths along the valley and downstream of the structure. Different maximum flows were found in the dam section, which reflected in distinctions of up to 50%, in average, in the maximum depths and widths downstream. The new proposed methodology for defining dam break characteristics caused by dam rupture may contribute to preliminary studies, especially to entrepreneurs who own a significant number of dams. In these cases, the methodology may guide the priority to be given in detailed studies of dam break.

O início da construção de estruturas para reserva de água no mundo é conhecido há milhares de anos, e, desde então, as barragens são consideradas alternativas viáveis não apenas para reserva de água para consumo, mas também para as finalidades de geração de energia hidrelétrica, contenção de rejeitos, entre outras. Entretanto, mesmo com os contínuos avanços nas técnicas construtivas e na fiscalização da segurança destas estruturas, a possibilidade de rompimento de barragens é uma realidade constante. Nesta perspectiva, o presente texto objetiva analisar os aspectos hidráulicos de metodologias simplificadas para estimativa de parâmetros de inundação proveniente do rompimento de barragens, a saber, as vazões e respectivas profundidades atingidas no vale a jusante, em um evento de rompimento hipotético. Para tal, analisaram-se os resultados de três metodologias simplificadas existentes, aplicadas em três barragens estudo de caso, com características estruturais e geometria do vale a jusante distintas. Os resultados das metodologias simplificadas foram comparados com os estudos de Dam Break das três barragens estudo de caso, obtidos com o uso do software HEC-RAS unidimensional e cedidos por empreendedores. O presente texto também sugere uma nova equação empírica para previsão da vazão máxima resultante do rompimento de barragens por galgamento, e propõe uma nova metodologia simplificada para análise preliminar de rompimento de barragens, com base nos métodos analisados e nas respectivas conclusões obtidas. Os resultados indicam que o uso de metodologias simplificadas na análise preliminar de rompimento de barragens é uma alternativa viável em vales cuja declividade do talvegue é acentuada e cujas características geométricas são aproximadamente constantes. Identificou-se que pequenas alterações no coeficiente de rugosidade do terreno e na declividade da linha de energia refletiram em diferenças nos resultados de profundidades e larguras máximas de 20%, em média. A proposta de nova equação empírica para previsão de vazão máxima na seção da barragem baseou-se na análise de 39 casos reais envolvendo ruptura de barragens por galgamento e resultou em um coeficiente de determinação (R²) de 0,79. Quando comparada com as principais equações semelhantes indicadas na bibliografia, a equação proposta obteve vazões máximas próximas ou superiores às dos demais pesquisadores analisados sempre que a altura da barragem foi inferior a 30 m. Evidencia-se a importância na estimativa cautelosa da vazão máxima na seção da barragem, uma vez que essa reflete em diferenças significativas nas vazões e respectivas profundidades alcançadas ao longo do vale a jusante da estrutura. Nos casos analisados, diferentes vazões máximas na seção da barragem refletiram em distinções de até 50%, em média, nas profundidades e larguras máximas a jusante. A nova metodologia proposta para definição de características de inundação provenientes do rompimento de barragens pode contribuir em estudos preliminares para tal, especialmente aos empreendedores que possuem número expressivo de barragens. Nesses casos, a metodologia poderá nortear a prioridade a ser dada em estudos detalhados de Dam Break. / For thousands of years, water reservoir structures have been built worldwide. Since then, dams have been considered viable alternatives not only for reserving water for consumption but also for the purposes of hydroelectric power generation and sediment retention, among others. Despite the continuous advances in the construction techniques and in the safety inspection of these structures, the possibility of breaking of dams remains a constant reality. Hence, this paper aims to analyze the hydraulic aspects of simplified methodologies for estimating flood parameters on dam ruptures, namely, the flows and respective depths reached in the downstream valley in a hypothetical breach event. Results of three existing simplified methodologies were studied applied in three dams with different structural characteristics and downstream valley geometry. The results of simplified methodologies were compared with dam break studies of three study case dams, obtained with one-dimensional HEC-RAS and provided by entrepreneurs. The present paper suggests also a new empirical equation for predicting the maximum flow resulting from the overtopping dam failure and proposes a new simplified methodology for preliminary analysis of dam rupture, based on the analyzed methods and respective obtained conclusions. The results indicate that the use of simplified methodologies in the preliminary dam break analysis is a viable alternative in valleys with high thalweg declivities and close to constant geometric characteristics. It was identified that small changes in the coefficient of rough terrain and in the energy line slope reflected in differences in the results of depths and maximum widths of 20%, on average. The proposed new empirical equation for maximum flow prediction in the dam section was based on the analysis of 39 actual cases involving overtopping dam failure and resulted in a coefficient of determination (R²) of 0.79. When compared to similar main equations indicated in the bibliography, the proposed equation obtained maximum flows near or higher than those of other researchers analyzed whenever the height of the dam did not exceed 30 m. The importance of a cautious estimation of the maximum flow rate in the dam section is to be highlighted, since it results in significant variations of flow and respective depths along the valley and downstream of the structure. Different maximum flows were found in the dam section, which reflected in distinctions of up to 50%, in average, in the maximum depths and widths downstream. The new proposed methodology for defining dam break characteristics caused by dam rupture may contribute to preliminary studies, especially to entrepreneurs who own a significant number of dams. In these cases, the methodology may guide the priority to be given in detailed studies of dam break.