[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究利用HEC-RAS结合NASA SRTM高程数据，模拟了2019年1月巴西布鲁马迪纽尾矿库溃坝事件，准确再现了灾后观测到的泥流淹没模式。模拟结果与卫星影像高度一致，验证了HEC-RAS作为预测尾矿库溃坝引发下游洪水的可靠工具，支持更优的风险评估与灾害预防策略。

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.

研究动机与目标

• 评估HEC-RAS在使用高分辨率地形数据情况下模拟布鲁马迪纽尾矿库溃坝的准确性。
• 将模拟的洪水淹没范围与灾后实际卫星影像进行对比，验证模型的预测能力。
• 识别上游尾矿库设计与运行中的缺陷，这些缺陷导致了布鲁马迪纽灾难的发生。
• 为未来矿业区域的溃坝风险评估提供可复现的模拟框架。
• 通过展示不良选址（如将设施建在低洼地带）的后果，为更安全的坝体设计与选址提供依据。

提出的方法

• 采用HEC-RAS二维水流模型模拟溃坝事件及后续泥流传播过程。
• 模拟使用了NASA SRTM数据集提供的1弧秒分辨率数字高程模型（DEM）。
• 曼宁粗糙系数设定为0.3，以校准流速与时间，使其与观测到的泥流抵达帕拉普埃巴河的3小时传播时间一致。
• 由于事件的空间与时间尺度较小，未考虑科里奥利力的影响。
• 通过将模拟的洪水淹没范围叠加在灾后卫星影像上，对模型结果进行验证。
• 分析了局部地形特征（如高地）对水流分流及模型在特定位置精度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 HEC-RAS在使用SRTM高程数据时，能否准确模拟布鲁马迪纽尾矿库溃坝的淹没模式？
• RQ2 地形特征（如局部高地）在引导泥流路径方面发挥了何种作用？
• RQ3 模拟的水流传播时间与实测现场数据相比如何，特别是与抵达帕拉普埃巴河的3小时传播时间相比？
• RQ4 模型在多大程度上准确再现了特定下游位置的观测到的洪水范围，该结果经由卫星影像确认？
• RQ5 上游尾矿库在结构与运行方面的哪些缺陷导致了布鲁马迪纽灾难的严重后果？

主要发现

• HEC-RAS模拟结果与灾后卫星影像中观测到的实际洪水范围具有高度空间相关性。
• 通过设定曼宁粗糙系数n为0.3，模型准确再现了泥流从大坝到帕拉普埃巴河的3小时传播时间。
• 局部地形特征（如高地）被正确模拟为导致水流绕过高点而发生分流，与实际观测模式一致。
• 模拟结果表明，大坝上游设计缺陷以及将关键设施（如餐厅和休息室）设置在大坝正下方的低洼地带，显著增加了人员伤亡。
• 本研究证实，结合SRTM DEM数据的HEC-RAS可有效模拟尾矿库溃坝事件，支持其在风险评估与早期预警系统中的应用。
• 研究结果凸显了上游式尾矿库的结构不稳定性，以及在高风险区域设置人员设施所带来的严重风险。