[論文レビュー] An investigation of the Brumadinho Dam Break with HEC RAS simulation

Arun Raman, Fei Liu|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2019

Tailings Management and Properties参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、2019年1月の災害後、観測された泥流の浸水パターンを正確に再現した。NASAのSRTM標高データを用いたHEC-RASを用いてブラマジニウ・ダムの破損をシミュレートした。シミュレーション結果は衛星画像と強く一致し、HEC-RASが尾坑ダムの破損に伴う下流の洪水予測に信頼できるツールであることを裏付け、リスク評価および災害防止戦略の向上に貢献する。

ABSTRACT

The Brumadinho dam disaster occurred on the 25 January, 2019 when Dam I, an upstream tailings dam at the Corrego do Feijao iron ore mine, 9 kilometres (5.6 mi) east of Brumadinho, Minas Gerais, Brazil, suffered a catastrophic failure. Over 248 people died and over 2.88 billion worth of property were lost or damaged due to the subsequent mud flow and flooding. This is merely 4 years after the previous Mariana dam break affecting over 1 million people downstream due to iron ore mining waste flowing downstream into river basin. To prevent a similar tragedy from reoccurring, it's useful to examine the cause of the Brumadinho dam break and compare observations with model simulations. HEC RAS, developed by US Army Corps of Engineers, is used to model the mud flow from the Brumadinho dam break based on the NASA SRTM elevation dataset over Brazil. The extent of the mud flow from the HEC RAS simulation matches the actual flooding due to the dam break. This simulation technique can later be used for future dam collapse predictions.

研究の動機と目的

• 高解像度の地形データを用いて、HEC-RASがブラマジニウ尾坑ダムの破損をどの程度正確にシミュレートできるかを評価すること。
• シミュレートされた浸水範囲を災害後の衛星画像と比較し、モデルの予測能力を検証すること。
• ブラマジニウ災害に寄与した上流の尾坑ダム設計および運用上の欠陥を特定すること。
• 今後の鉱業地域におけるダム破損リスク評価に応用可能な再現可能なシミュレーションフレームワークを提供すること。
• 特に低地に施設を建設した場合の危険性を示すことで、より安全なダム設計および立地選定を促すこと。

提案手法

• 2次元流れモデルであるHEC-RASを用いて、ダム破損およびその後の泥流の発生をシミュレートした。
• NASAのSRTMデータセットから得た1アングストローム解像度のデジタル標高モデル（DEM）を用いた。
• 流量速度と到達時刻の一致を図るため、マンニングの粗さ係数を0.3に設定した。これにより、パラウペバ川への3時間の到達時刻と一致した。
• イベントの空間的・時間的スケールが小さいため、コリオリの力を無視した。
• シミュレーション結果は、災害後における衛星画像に重ね合わせることで検証した。
• 盛り上がりのある地形などの局所的地形的特徴を分析し、特定の地点における流れの分岐やモデルの正確性を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SRTM標高データを用いたHEC-RASは、ブラマジニウ尾坑ダム破損の浸水パターンをどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 局所的な高地などの地形的特徴が、泥流の経路に果たす役割は何か？
• RQ3 シミュレートされた流れの到達時刻は、観測された現地データ（特にパラウペバ川への3時間の到達時刻）とどの程度一致するか？
• RQ4 衛星画像による確認が得られた特定の下流地点において、モデルが観測された浸水状況をどの程度正確に再現しているか？
• RQ5 上流の尾坑ダムにおける設計および運用上の欠陥が、ブラマジニウ災害の深刻な結果にどのように寄与したか？

主な発見

• HEC-RASのシミュレーション結果は、災害後の衛星画像で観測された実際の浸水範囲と強く空間的相関を示した。
• マンニングのn値を0.3に設定することで、ダムからパラウペバ川への泥流の3時間の到達時刻を正確に再現した。
• 盛り上がりのある地形などの局所的地形的特徴が、高所を回り込む流れの分岐を正しく再現し、観測されたパターンと一致した。
• シミュレーションにより、ダムの上流設計および、ダムの真下に位置する低地に設置された重要な施設（例：食堂やラウンジ）が、人的被害を著しく増大させたことが明らかになった。
• 本研究は、SRTM DEMデータを用いたHEC-RASが、尾坑ダムの破損を効果的にモデル化できることを確認し、リスク評価および早期警戒システムへの応用を支援する。
• 研究結果は、上流型尾坑ダムの構造的不安定性と、高リスク地域に人員施設を設置するリスクを浮き彫りにした。