The occurrence, impacts and dynamics of debris flows in Brazil

Abstract

Among the landslide types, debris flows represent a greater hazard to society due to their high destruction potential. In Brazil, debris-flow studies are still incipient when compared to other hydrogeomorphic processes and a good understanding of their dynamics is fundamental to supporting hazard and risk assessment studies. In particular, determining the spatialization of events and the extent of the impacts that the phenomenon represents in the country is crucial to supporting targeted and more in-depth studies. In this context, the main objectives of this thesis are to assess the societal impact of debris flows in Brazil and to propose a methodology that aims at reducing the potential damage that future events can cause in susceptible regions. A detailed post-event characterization of a debris-flow event is also conducted, as it is a fundamental step to understanding the phenomenon’s dynamics and can further support the proposal of the hazard assessment methodology. To determine the societal impact of debris flows, a catalogue of events that have caused fatalities and/or economic losses between 1920 and 2021 was created, which supported the debris-flow Mortality Rate (MR) calculation and the application of the so-called F-N Curves (Frequency of events vs. Number of Fatalities). In total, 45 debris-flow events were documented in the considered period, having caused more than 5,773 fatalities and 5.4 billion USD in economic losses. The city of Cubatão (state of São Paulo) shows the highest number of recorded events in the considered period (9), consolidating the status as the most debris-flow prone region in the country. A multi-step hazard assessment is, then, proposed using Cubatão as the test-site, based on the combination of Logistic Regression (LR) analysis, numerical simulation and rainfall back-analysis. The LR results highlight that rainfall is the main influencing factor in debris-flow initiation in the region and indicate the catchments more susceptible to the phenomenon. The simulation results, performed in the catchments indicated by the LR, show that the average runout distance in the region is 470 m, with an average peak flow height of 5 m and a peak velocity of 23 m s-1, according to the calibration based on two past debris-flow events. These results are comparable to the debris-flow event of February 2017 that occurred in the Pedra Branca catchment (Guaratuba, state of Paraná), in which a detailed post-event geomorphological characterization was conducted to estimate the event’s magnitude. The Guaratuba event was of a large-sized stony debris flow, with a total magnitude of 120,195 m3, a peak flow heigh of 7 m and a peak velocity of 26.5 m s-1. Debris-flow events both in Cubatão and Guaratuba are generally triggered by short duration (<48 h), high-intensity (>200 mm) precipitation, with return periods that vary from 3 to 15 years. Five levels of hazard (very low to very high) are, then, proposed in our hazard assessment method, based mainly on the 48-h accumulated rainfall, flow properties (height, velocity) and the spatial analysis of the elements (infrastructures, houses, etc.) at hazard. In Cubatão, industrial and residential areas in the projected debris-flow route generally exhibit the highest overall hazard levels, as many were developed in the depositional area of the phenomenon and near fluvial courses, where associated floods and flash floods may occur. As pointed out by recent studies, an increase in the frequency of extreme precipitation events is projected in the Serra do Mar region and when the general short return period of the debris-flow triggering rainfall is considered (< 20 years), large magnitude (>105 m3) events are likely to occur in the next decade in the portions of the mountain range located in the states of São Paulo and Paraná. This thesis, therefore, is a contribution to better understanding the dynamics of debris flows in Brazil and is a step towards the prevention of future disasters.

Unter den Rutschungsarten stellen Murgänge aufgrund ihres hohen Zerstörungspotentials eine größere Gefahr für die Gesellschaft dar. In Brasilien sind Murgangstudien im Vergleich zu anderen hydrogeomorphen Prozessen noch am Anfang und ein gutes Verständnis ihrer Dynamik ist essentiell für die Erstellung von Gefahren- und Risikobewertungsstudien. Insbesondere ist die Bestimmung des Ausmaßes der Auswirkungen, die das Phänomen in einer Region oder einem Land darstellt, von wesentlicher Bedeutungfür gezielte und eingehendere Studien. In diesem Zusammenhang besteht das Hauptziel dieser Arbeit darin, die gesellschaftlichen Auswirkungen von Murgängen in Brasilien zu bewerten und eine Methodik vorzuschlagen, die darauf abzielt, den potenziellen Schaden zu verringern, den zukünftige Ereignisse in anfälligen Regionen verursachen können. Eine detaillierte Nachuntersuchung eines Murgangereignisses wird ebenfalls durchgeführt, da dies ein grundlegender Schritt zum Verständnis der Dynamik des Phänomens ist und den Vorschlag der Gefahrenbewertungsmethodik weiter unterstützen kann. Um die gesellschaftlichen Auswirkungen von Murgängen zu bestimmen, wurde ein Katalog von Ereignissen erstellt, die zwischen 1920 und 2021 Todesopfer und/oder wirtschaftliche Schäden verursacht haben, was die Berechnung der Murgangmortalitätsrate (MR) und die Anwendung der sogenannten F-N unterstützten Kurven (Häufigkeit von Ereignissen vs. Anzahl Todesfälle) ermöglicht. Insgesamt wurden im betrachteten Zeitraum 45 Murgangereignisse dokumentiert, die mehr als 5.773 Todesopfer und 5,4 Milliarden US-Dollar an wirtschaftlichen Schäden verursachten. Die Stadt Cubatão (Bundesstaat São Paulo) weist die meisten Ereignisse auf und festigt damit ihren Status als die am stärksten von Murgängen bedrohte Region des Landes. Daher wird eine mehrstufige Gefährdungsbeurteilung vorgeschlagen und am Beispiel von Cubatão getestet, basierend auf einer Kombination von logistischer Regressionsanalyse (LR), numerischer Simulation und Niederschlagsrückanalyse. Die LR-Ergebnisse verdeutlichen, dass Niederschlag der Haupteinflussfaktor bei der Entstehung von Murgängen in der Region ist und zeigen die Einzugsgebiete, die für das Phänomen in der Region anfälliger sind. Die Simulationsergebnisse von zwei Murgangereignissen, die in diesen Einzugsgebieten durchgeführt wurden, zeigen, dass die durchschnittliche Auslaufstrecke in der Region 470 m beträgt, mit einer durchschnittlichen Fließhöhe von 5 m und einer Spitzengeschwindigkeit von 23 m s-1. Diese Ergebnisse sind vergleichbar mit dem Murgangereignis vom Februar 2017 im Einzugsgebiet von Pedra Branca (Guaratuba, Bundesstaat Paraná), bei dem eine detaillierte geomorphologische Charakterisierung nach dem Ereignis durchgeführt wurde, um das Ausmaß des Ereignisses abzuschätzen. Bei dem Guaratuba-Ereignis handelte es sich um einen großen steinigen Schuttstrom mit einer Gesamtgröße von 120.195 m3, einem Spitzenabfluss von 2.146,7 m3 s-1 und einer Spitzengeschwindigkeit von 26,5 m s-1. Murgangereignisse in Cubatão und Guaratuba wurden durch Niederschläge von kurzer Dauer (< 48 h) und hoher Intensität (> 200 mm) mit Wiederkehrperioden von 3 bis 15 Jahren ausgelöst. Fünf Gefahrenstufen (sehr gering bis sehr hoch) werden dann in unserer Gefahrenbewertungsmethode vorgeschlagen, die hauptsächlich auf den Niederschlägen über 48 Stunden und Strömungseigenschaften basiert. In Cubatão weisen Industrie- und Wohngebiete in der prognostizierten Murgangroute im Allgemeinen die höchsten Gesamtgefahrenstufen auf, da diese sich überwiegend im Ablagerungsgebiet des Phänomens und in der Nähe von Flussläufen befinden, wo damit verbundene Überschwemmungen und Sturzfluten auftreten können. Wie neuere Studien zeigen, wird in der Region Serra do Mar eine Zunahme der Häufigkeit extremer Niederschlagsereignisse prognostiziert; unter Berücksichtigung der allgemein kurzen Wiederkehrperiode (< 20 Jahre) von Murgang auslösenden Niederschlägen, können Ereignisse großen Ausmaßes (> 105 m3) im nächsten Jahrzehnt in Teilen der Bergkette in den Bundesstaaten São Paulo und Paraná auftreten. Diese Arbeit trägt daher zum besseren Verständnis der Dynamik von Murgängen in Brasilien bei und ist ein Schritt zur Vermeidung zukünftiger Katastrophen.

Entre os tipos de movimentos de massa, os fluxos de detritos representam um risco maior à sociedade devido ao seu alto potencial de destruição. No Brasil, os estudos de fluxos de detritos ainda são incipientes quando comparados a outros processos hidrogeomorfológicos e uma melhor compreensão da sua dinâmica é fundamental para subsidiar estudos de avaliação de perigos e riscos. A estimativa da extensão dos impactos que o fenômeno representa no país é, particularmente, fundamental para subsidiar estudos direcionados e mais aprofundados. Nesse contexto, os principais objetivos desta tese são de espacializar os eventos de fluxos de detritos e avaliar o impacto socioeconômico do fenômeno no Brasil, além de propor uma metodologia que tem como objetivo reduzir os danos potenciais que eventos futuros podem causar nas regiões mais suscetíveis. A caracterização detalhada pós-evento de um fluxo de detritos também é conduzida, uma vez que é um passo fundamental na compreensão da dinâmica do fenômeno e dá suporte à proposta de metodologia de avaliação de perigo. Para determinar o impacto socioeconômico dos fluxos de detritos, foi criado um banco de dados dos eventos que causaram fatalidades e/ou perdas econômicas entre 1920 e 2021, que serviu de base para o cálculo da Taxa de Mortalidade (TM) e a aplicação de Curvas F-N (Frequência de eventos vs. Número de Fatalidades). No total, 45 eventos de fluxo de detritos foram documentados no período considerado, causando mais de 5.773 mortes e US$ 5,4 bilhões em perdas econômicas. A cidade de Cubatão (SP) apresenta o maior número de eventos, consolidando-se como a região mais propensa a fluxos de detritos no país. Consequentemente, a proposta de uma metodologia de avaliação de perigo a fluxos de detritos em várias etapas é feita utilizando Cubatão como área piloto, que tem como base a combinação de análise de Regressão Logística (LR), simulação numérica e retro análise de eventos de chuva. Os resultados da LR destacam que a chuva é o principal fator de influência no início do fluxo de detritos na região, além de também indicarem as bacias mais suscetíveis ao fenômeno no local de estudo. Os resultados da simulação de fluxos de detritos nas bacias indicadas pelo LR mostram que a distância média de runout na região é de 470 m, com altura média do pico do fluxo de 5 m e velocidade de pico de 23 m s-1. Esses resultados são comparáveis ao evento de fluxo de detritos de fevereiro de 2017 que ocorreu na bacia hidrográfica de Pedra Branca (Guaratuba, estado do Paraná), no qual uma caracterização geomorfológica pós-evento detalhada foi realizada com o objetivo de estimar a magnitude do evento. O evento de Guaratuba foi um fluxo de detritos “rochoso” (stony debris flow) de grande porte, com magnitude total de 120.195 m3, altura do pico de vazão de 7 m e pico de velocidade de 26,5 m s-1. Os eventos de fluxo de detritos em Cubatão e Guaratuba são, de uma forma geral, desencadeados por precipitação de curta duração (<48 h), alta intensidade (>200 mm), com períodos de retorno que variam de 3 a 15 anos. Cinco níveis de risco (muito baixo a muito alto) foram, então, propostos em nosso método de avaliação de perigo, baseado principalmente na chuva acumulada em 48 horas, propriedades cinemáticas do fluxo (altura de vazão, velocidade) e nos elementos no raio de perigo (infraestruturas, casas, etc.). As áreas industriais e residenciais na rota estimada de fluxo de detritos geralmente exibem os mais altos níveis de perigo geral na área piloto, uma vez que se desenvolveram na área de deposição do fenômeno e perto de cursos fluviais, onde podem ocorrer inundações e enxurradas associadas. Conforme apontado por estudos recentes, projeta-se um aumento na frequência de eventos extremos de precipitação na região da Serra do Mar e, quando se considera o curto período geral de retorno das chuvas desencadeadoras do fenômeno (< 20 anos), eventos de fluxos de detritos de alta magnitude (> 105 m3) podem ocorrer na próxima década nas áreas consideradas nesta tese, localizadas na região da Serra do Mar paulista e paranaense. Esta tese, portanto, contribui para a melhor compreensão da dinâmica dos fluxos de detritos no Brasil e para a prevenção de futuros desastres.