通过沉积物输送识别HPP水库的关键运行阶段：以Vrhovo-Bo?tanj HPP水电站链为例

《International Journal of River Basin Management》：Identifying key operational stages of the HPP reservoir through sediment transport: a case study of the Vrhovo-Bo?tanj HPP chain

本文基于2010、2014和2023年三个极端水文事件，应用一维泥沙运输模型分析斯洛文尼亚Lower Sava河Vrhovo-Bo?tanj HPP水库链的泥沙侵蚀与沉积动态，确定特征流量阶段。结果表明，侵蚀始于0.7×Q1，沉积在1.3×Q1以下，并划分了七个操作阶段，为优化水库管理提供依据。

　　
run-of-river水库对下游河道泥沙平衡具有显著影响，其运行管理需系统性评估泥沙输运规律。针对斯洛文尼亚 Lower Sava 河流域 Vrhovo-Bo?tanj 水电站链的实证研究，揭示了高流量事件下泥沙侵蚀-沉积过程与水库运行的动态关联。研究采用三阶段方法论框架，通过2010年、2014年及2023年三次典型水文事件模拟，结合HEC-RAS 1-D泥沙输运模型，量化分析了水库水位波动与泥沙体积变化的非线性响应关系。模型验证显示，实测水库容积变化与模拟结果的拟合度达91%，误差范围控制在3%-20%之间，证实了方法论的可靠性。

在方法论实施过程中，构建了包含水文数据解析、泥沙边界条件设定及模型参数标定的完整技术路径。针对不同水文事件（百年一遇Q100、十年一遇Q10及中等流量Q2），发现泥沙临界启动流量存在显著差异：细砂-粉土层在0.7×Q1流量下即可触发初始侵蚀，而粗砂层需要达到Q1量级才能发生有效移动。这种差异源于颗粒级配与临界剪切应力的空间分布特性——上游Vrhovo水库因长期运行已形成较稳定的 armor层（粗颗粒覆盖层），其侵蚀阈值较新建设的Bo?tanj水库高出约30%。

模型运行揭示出六个关键运行阶段：1)常规发电阶段（Q≤500m3/s）；2)泥沙临界启动阶段（Q=0.7×Q1）；3)侵蚀主导阶段（Q=0.7×Q1-Q2）；4)沉积过渡阶段（Q=Q1-1.3×Q1）；5)稳定沉积阶段（Q>1.3×Q1）；6)恢复平衡阶段（Q<0.7×Q1）。其中，Vrhovo水库在Q=1.3×Q1时出现沉积量突增现象，单次事件累积沉积量达460,000m3，而Bo?tanj水库因上游水库的泥沙拦截效应，其沉积过程呈现滞后性，峰值沉积发生在流量下降后24小时。

研究创新性地将水库规则曲线（Operation Rule Curve）与泥沙输运动力学相结合，提出了包含五个量化阈值的动态管理框架：1)临界启动流量阈值0.7×Q1；2)沉积加速阈值1.3×Q1；3)最大侵蚀流量Q2；4)稳定沉积流量Q1；5)常规运行流量500m3/s。该框架突破了传统水库管理的二元模式（防洪与发电），通过引入泥沙输运的时空异质性，实现了多目标优化。

在工程应用层面，研究发现水库预泄量与泥沙通量存在强相关性。当预泄量达到正常水位以下1米时，可缩短侵蚀过渡期达40%，同时将下游沉积量减少18%-25%。这种预泄策略在2023年8月的事件中得到验证，通过提前预泄使Bo?tanj水库的沉积体积较2010年同期减少3.2万m3，有效缓解了涡轮机堵塞风险。

值得注意的是，地质条件的空间分异显著影响泥沙行为模式。Vrhovo水库上游的砾石层（d90=72.5mm）表现出较高的抗侵蚀能力，其临界启动流量较下游Bo?tanj水库（d90=30.9mm）高15%-20%。这种差异导致两座水库的泥沙体积响应存在相位差，形成连锁式沉积-侵蚀效应。当Vrhovo水库达到Q=2,200m3/s时，其下游Bo?tanj水库的沉积速率仅提升至峰值值的60%，而侵蚀速率却降低35%。

模型验证阶段发现，参数敏感性分析显示：床沙粘性系数（Mw）每变化10%，会导致预测的侵蚀体积产生8%-12%的偏差；有效水深（D）的标定误差超过5%时，将影响沉积体积计算的准确性。通过引入Krone-Partheniades（KP）双模型耦合机制，有效解决了细颗粒（d<50μm）的沉降模拟难题，使模型在粉土层的预测精度提升至85%以上。

在管理策略优化方面，研究提出"分级响应机制"：当预报流量超过Q=1.3×Q1时，启动三级响应预案：1)关闭闸门，实施强制预泄；2)调整涡轮机排量，维持流量梯度；3)启动泥沙再悬浮监测。该机制在2023年洪水事件中成功应用，使Vrhovo水库的侵蚀体积减少42%，Bo?tanj水库的沉积体积控制在设计容量的95%以内。

环境效应评估显示，泥沙再悬浮过程会导致水体悬浮物浓度在24小时内增加3-5倍。研究提出"黄金窗口期"概念：在流量从Q=0.7×Q1升至Q=1.3×Q1的过渡阶段（约6-8小时），实施精准的闸门调控，可使悬浮物浓度波动降低60%。该策略已在2023年8月事件中实施，成功将最大悬浮物浓度控制在50mg/L以下（国标限值100mg/L的50%）。

未来研究可拓展至多库耦合系统分析，特别是考虑气候变化下极端事件的频率变化。建议引入机器学习算法，通过历史事件数据库（已包含2010-2023年17次大洪水事件数据）构建泥沙输运预测模型，实现从经验驱动到数据驱动的范式转变。此外，开发基于物联网的实时泥沙监测系统（如声学多普勒流速剖面仪ADCP），可将监测频率提升至小时级，这对优化规则曲线具有重要价值。

该研究为跨国流域的水电开发提供了新的方法论参考。斯洛文尼亚案例显示，通过整合泥沙输运模型与水库规则曲线，可使年发电量提升2.3%-4.7%，同时减少河道淤积量达18%-32%。研究提出的六阶段管理框架已被纳入欧洲水管理技术指南（EIC 2025白皮书），为跨境河流的水电开发提供了可复制的解决方案。