抽水蓄能电站上坝溃决的级联效应：多尺度建模与风险评估框架

针对抽水蓄能电站(PSH)上坝溃决引发的级联灾害风险，研究人员整合水动力模拟(HEC-RAS/BASEbreach)、洪水演进分析和半经验波涌模型，建立了涵盖溃坝机制、洪水传播、脉冲波生成的全链条评估框架。案例研究表明，希腊Aliakmon流域的Brava-Sfikia系统在极端工况下仍能保持2.6米安全余量，为关键水电基础设施韧性设计提供了科学依据。

　　

在能源结构转型的背景下，抽水蓄能电站(PSH)作为电网调峰的"巨型充电宝"发挥着关键作用。然而，这类由上下水库构成的特殊系统，一旦上坝发生溃决，巨大的势能转化为动能，可能引发"多米诺骨牌"式的连锁灾害——洪水以超过20m/s的速度冲向下游水库，产生的脉冲波(impulse wave)堪比小型海啸，这对紧密相连的水电枢纽构成严峻挑战。2019年全球水电协会报告显示，近30%的PSH项目存在级联失效(cascading failure)隐患，但现有研究多聚焦单坝系统，缺乏对PSH特有双向运行模式的灾害链分析。

针对这一空白，雅典国家技术大学(National Technical University of Athens, NTUA)水利资源与环境工程系的研究团队，以希腊Aliakmon流域在建的Brava-Sfikia抽水蓄能系统为研究对象，开发了多尺度风险评估框架。相关成果发表在《International Journal of Disaster Risk Reduction》上，首次实现了从溃坝到脉冲波传播的全过程耦合模拟。

研究采用"场景树"技术路线：通过HEC-RAS和BASEbreach软件对比10种溃坝情景，构建代表性洪水过程线；基于2D浅水方程模拟洪水演进，考虑Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)稳定性条件；创新性融合Russell理论模型与VAW实验室半经验公式，分别计算脉冲波的2D/3D传播特性。特别关注了Sfikia水库在两种运行模式（待机状态和设计洪水工况）下的响应能力。

溃坝机制分析

采用Froehlich、Von Thun等5类经验公式，模拟显示最不利工况（高侵蚀性）峰值流量达10188 m³/s，但验证性计算证实其仍处于USBR(1982)经验包络线内。代表性洪水过程线峰值6729 m³/s出现在溃坝后21分钟。

洪水演进特征

50m×50m网格的2D模型揭示：洪水5分钟内抵达下游水库，最大流速梯度出现在峡谷收缩段（>21 m/s）。流量衰减不足0.4%，凸显山区地形的快速传导特性。

水库调洪能力

最严苛工况（设计洪水+溃坝）下，Sfikia水库水位升至148.1m，低于坝顶2.6m。关键发现是脉冲波（208s到达）与调洪峰值（27min出现）无叠加效应，这归因于：1）库区地形导致的波能径向耗散；2）底部摩擦系数f_w=0.5时波高衰减至0.8m。

脉冲波动力学

理论模型预测最大爬高(Run-up, R)3.7m，而半经验方法给出更保守的1.41m。差异主要源于后者考虑了：1）滑体等效长度L_eq=V_box^1/3；2）48°传播角的几何耗散。

这项研究的意义在于建立了PSH系统特有的"溃坝-洪水-脉冲波"耦合评估范式。工程师可据此优化泄洪设施响应时序（如将闸门开启时间从30分钟压缩至20分钟），而政策制定者需关注早期预警系统建设。研究也揭示现有脉冲波模型的局限性——未考虑库区悬浮泥沙的阻尼效应，这为后续CFD模拟指明了方向。正如团队负责人Andreas Efstratiadis强调的："在碳中和目标下大规模建设PSH时，我们的框架能帮助在规划阶段就规避级联灾害的潜在风险点。"