[논문 리뷰] An investigation of the Brumadinho Dam Break with HEC RAS simulation

Arun Raman, Fei Liu|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 13.

Tailings Management and Properties참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 브루마두이뉴 사고 이후 관측된 흙류 홍수 침수 패턴을 정확하게 재현한 셈으로, 브라질의 브루마두이뉴 사고를 HEC-RAS와 나사의 SRTM 고도 데이터를 사용해 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과는 위성 영상과 강한 일치를 보이며, HEC-RAS가 尾矿坝 파손으로 인한 하류 홍수 예측에 신뢰할 수 있는 도구임을 입증하고, 위험 평가 및 재난 방지 전략 개선에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 지형 데이터를 사용하여 HEC-RAS가 브루마두이뉴 尾矿坝 유출 사고를 얼마나 정확하게 시뮬레이션하는지 평가하기 위해.
• 모델의 예측 능력을 검증하기 위해 시뮬레이션된 홍수 범위를 사고 후 위성 영상과 비교하기 위해.
• 브루마두이뉴 사고의 비극적 결과를 초래한 상류 尾矿坝 설계 및 운영상의 결함을 규명하기 위해.
• 향후 광산 지역에서의 댐 유출 사고 위험 평가를 위한 재현 가능한 시뮬레이션 프레임워크를 제공하기 위해.
• 특히 낮은 지형에 시설을 위치시켜 인명 피해가 증가한 사례를 통해, 더 안전한 댐 설계 및 위치 선정의 중요성을 제시하기 위해.

제안 방법

• 2D 유량 모델링을 활용해 HEC-RAS로 댐 유출 사고 및 이후 흙류의 확산을 시뮬레이션하였다.
• 나사의 SRTM 데이터셋에서 제공한 1-arc second 해상도의 디지털 고도 모델(Digital Elevation Model, DEM)을 사용하였다.
• 유속과 유속 도착 시간을 관측된 3시간의 이동 시간과 일치시키기 위해 맨니그의 조도 계수를 0.3으로 설정하였다.
• 사건의 공간적·시간적 스케일이 작기 때문에 코리olis 효과는 배제하였다.
• 모델 결과는 사고 후 위성 영상에 시뮬레이션된 홍수 범위를 겹쳐보면서 검증되었다.
• 높은 지형 등의 국지적 지형 특징을 분석하여 특정 위치에서의 유량 분산 및 모델 정확도를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SRTM 고도 데이터를 사용할 때 HEC-RAS는 브루마두이뉴 尾矿坝 파손으로 인한 침수 패턴을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 지역적 고지대와 같은 지형적 특징이 흙류의 유량 경로를 어떻게 결정지었는가?
• RQ3 유량 도착 시간이 관측된 현장 데이터와 비교해 어떻게 일치하는가? 특히 파라우페이바 강까지의 3시간 이동 시간을 고려하여.
• RQ4 위성 영상으로 확인된 바와 같이, 특정 하류 지역에서 모델이 관측된 홍수를 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ5 상류 尾矿坝의 설계 및 운영상의 결함이 브루마두이뉴 사고의 비극적 결과에 어떤 영향을 미쳤는가?

주요 결과

• HEC-RAS 시뮬레이션 결과는 사고 후 위성 영상에서 관측된 실제 홍수 범위와 강한 공간적 상관관계를 보였다.
• 맨니그의 n 값이 0.3인 조건에서, 흙류가 댐에서 파라우페이바 강까지 도착하는 데 걸리는 3시간의 이동 시간을 정확히 재현하였다.
• 높은 지형과 같은 국지적 지형 특징이 고지대를 둘러싸는 흐름 분산을 올바르게 시뮬레이션하여 관측된 패턴과 일치하였다.
• 시뮬레이션 결과, 댐의 상류 설계 및 인명 피해를 악화시킨 핵심 시설(예: 식당 및 휴게실)이 댐 바로 아래의 낮은 지형에 위치해 있음이 드러났다.
• 본 연구는 SRTM DEM 데이터를 활용한 HEC-RAS가 尾矿坝 파손을 효과적으로 모델링할 수 있음을 확인하였으며, 이는 위험 평가 및 조기 경고 시스템 구축에 활용될 수 있음을 시사한다.
• 연구 결과는 상류 尾矿坝의 구조적 불안정성과 고위험 지역에 인명을 대피시키기 어려운 시설을 설치하는 위험성을 강조한다.