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1、IFKIS-Hydro：洪涝和泥石流早期预警和信息系统瑞士 Hans Romang Massimiliano Zappa李烨 译；冯翠娥、段琦 校译IFKIS-Hydro是一个在中小流域进行水文灾害分析的预警和信息系统。该系统收集一些如天气预报、降水测量、水位测量、流量模拟和针对具体事件的局部观测数据。此外，IFKIS-Hydro是一个集成基于网络的信息平台，作为数据提交和汇总的中央集线器。特别强调的是当地的信息，可以通过人员观测完成。在中等尺度流域，为了提供有价值的信息，流量预测模型的重要性日益增加。在瑞士的几个试验区开发了IFKIS-Hydro，现在已经可见其初步应用结果。该系统不断向其它
2、地区扩展，并可能成为瑞士小流域标准的预警系统。1 概 述自然灾害经常会在世界各地造成人员伤亡和财产损失。近几十年来，灾害事件的数量和经济损失都有所增加，与天气有关的灾害事件增加更为显著，如洪涝和飓风。假如有证据表明洪涝风险增加，但无法仅通过技术、生物和规划措施降低其风险，则需要采取综合方法进行风险管理，而此时组织措施和有效的应急管理显得更为重要。然而，应急管理和救援行动也面临着重大的挑战，要充分发挥其作用，必须在事件发生之前采取紧急措施。只有提前确定了采取适当行动的最佳时机，同时尽量减少假警报，这样应急管理人员才可能获得最佳信息。关键问题是确定提前预警的时间，对于较小的流域，响应时间极短，要做
3、出及时的应急管理决策，面临着一定的挑战。针对特定场地的预警系统，如提供关于灾害状况的可能演化信息时，可能会遇到挑战。在发达国家和整个世界都在不断开发这样的系统（Markar等，2005；Rabuffetti和Barbero，2005；Butts等，2006；Clark等，2007；Loster，2008）。越来越多的系统不再是简单地集中研究通常受水文模型支持的洪涝预测，而是综合了附加信息，如风险资产和影响决策支持系统的可能减灾措施（Ahmad和Simonovic，2006）。然而，似乎大部分可以利用的系统，主要是应用于较大的河流，而在较小、一般也较陡的流域，仅有少数实例。在20世纪80年代，加
4、利福尼亚州迈出了建立山洪爆发和泥石流早期预警系统的第一步（Wilson等，1993），并在此基础上取得了一定进展。2005年，开始启动泥石流预警系统（NOAA-USGS泥石流特别小组，2005）。世界上的其它地区，也开始研究一些较小流域的泥石流和滑坡早期预警系统（Georgakakos，1986；Chan等，2003；Aleotti，2004）。此外，在瑞士，洪涝预警一般针对较大的河流（Buergi等，2007），到现在为止，小河流和山洪仍未得到类似的研究。目前，模拟的最小流域面积为124km2，但是结果仅供预报团队使用，并没有交付于终端用户（Zappa和Vogt，2007）。特别是对于较小的
5、流域，早期预警系统并不能完全根据模拟结果。附加信息，如日常天气预报、临近预报系统（如降雨雷达）或当地关于灾害的先进技术和经验可能有一定帮助，否则，关于相关过程，如径流形成或泥石流启动的认识不完整。因此，为了提供即使在小流域也可以利用的应急管理信息，2004年启动了一个项目，旨在开发瑞士面积在11000km2的中小尺度流域水文灾害信息和预警系统。该系统是基于雪崩预警系统IFKIS的经验和基础设施，因此命名为IFKIS-Hydro。2 IFKIS-Hydro的设计和功能2.1 雪崩预警系统IFKISIFKIS是州际的雪崩早期预警和危机管理信息系统（Bruendl等，2004）。目前，易于发生雪崩的
6、各州均采用该系统收集和发布相关信息，如天气和积雪情况、灾害预测和雪崩活动。此外，在IFKIS框架中，还包括相关的安全服务组织以及统一的雪崩教育和培训，联邦环境办公室（FOEN）负责监督整个过程。研究雪和雪崩的WSL研究所起着瑞士官方雪崩预警中心的重要作用。在瑞士，开发了IFKIS系统进行雪崩预警。IFKIS-Hydro计划是尝试利用雪崩预警的概念和基础设施进行水文灾害预警。居民和雪崩风险主管部门通常负责也关心其它自然灾害风险，如水灾。此外，雪和水的驱动过程的研究有一些相似之处，例如所需的信息类型或采用的危机管理方法。在这两种情况下，均需要利用一些气象数据，如测量和预测的降水量，以及当地信息，如
7、观察到的活动过程，以及模拟模型的结果，如积雪覆盖模拟和流量预测。因此，IFKIS原则可以用于洪涝灾害分析，而且并没有忽略与雪崩的差异，如特别是在较小的流域，洪水灾害对降水的反应更快；或在不同的流域初始条件可能变化更大。2.2 IFKIS-Hydro结构IFKIS-Hydro基于以下3点实现决策支持系统（DSS）的功能，使当地部门官员及时作出响应：监测：周期性地（至少每年一次）收集流域和每一事件的变化情况。监测有助于更好了解关注区域以前的情况，据此来评价适合实际情况的应急需求。实时信息：在紧急情况下，IFKIS-Hydro可以迅速提供信息，如天气预报、流量预测、测量数据和地方观测结果。这些资料可
8、以是定性的，也可以是定量的。事件记录：有效地长期管理当前和将来事件的信息，然而，这些信息目前大部分缺失。因此，IFKIS-Hydro的一个重要功能是收集和储存这些过去事件的信息，为将来所用。特别是对当地的观察资料非常重要，因为在其它地方不会存储这些资料。在IFKIS系统中，将数据收集、数据处理、解释和发布过程进行了标准化。设计工作主要致力于紧急情况下系统的运行，然而，也支持采用该系统进行长期监测和数据存储。观察员气象站模型雨量计数据库全国雪崩预警服务SLF公众安全服务安全服务信息管理者公告图1 设计IFKIS2.3 IFKIS-Hydro的主要要素在应用于特定地区时，系统的要素需要适应各自的情
9、况，特别是对现有数据是否适应。一般来说，IFKIS-Hydro主要要素特征如下：气象站：天气信息如天气预报、卫星或雷达图像、定量降水预报，对于洪涝预警系统是必不可少。一般来说，IFKIS-Hydro采用官方提供的气象服务、科研机构和专业公司提供的信息。雨量计：测量数据，如降水强度或排放量，给出了特定场地准确的信息，可近似地代表较大的区域范围情况。如果可能，可以将现有的雨量网络，如国家或区域一级的官方网络，以及私人网络，如水电站网络在IFKIS-Hydro中进行集成。为了适应系统的需求并提供准确的数据，雨量计必须符合相关的标准，例如测量的精度和间隔时间，以及数据存储、传输和维护。在极小的区域范围
10、应用时，IFKIS-Hydro需要依靠密集的网络，通常需要安装新的雨量计。到目前为止，需要根据当地分析和当地经验，对这些雨量计的数目和最佳位置，以及有多少雨量计确实需要安装进行评价，例如在Evolne试验区（210km2），建议安装6台雨量计，准确地代表在高山地形的降雨模式。然而，预测和预警系统的最佳雨量计网络密度仍是一个悬而未决的问题。模型：过程模拟有助于了解自然过程的形成和扩展。特别是将气象数据结合在过程相关的信息当中，如排水量。到现在为止，在IFKIS-Hydro中只采用了降雨-径流模拟模型，但在处理各自的情况时，其它模型（如泥石流启动预测）也非常有用。径流模型有助于增加预警准备的时间。
11、应用的主要限制是模拟地区的大小、可利用的数据、模型的精确度、校正和由此产生的不确定性（Pappenberger和Beven，2006）。观察员：在野外工作的观察员通常可以有效地提供与事件相关的信息。观察员可以灵活地部署工作，收集一些资料，如斜坡不稳定性、泥石流活动和河床负载等，并在其后加以解释。此外，与当地一些专业人员合作是必须的，因为他们一方面可以解释数据，另一方面可采取干预措施。名为InfoManager的基于Java的网络平台，作为一个中央集线器，提交数据及实现可视化，观察员可以进入。所有这些信息都存储在中央数据库（Oracle），不仅仅限于目前的数据，同时也允许将以前事件的数据输入。特
12、别是在一些小流域，到现在为止记录很少，系统地收集数据并进行存储，有助于提高对流域的整体认识，因此可以为将来的预警提供决策支持。到目前为止，IFKIS-Hydro并没有像IFKIS雪崩警报系统一样，作为全国的预警要求，因此，并不提供供市民参考的公告，这是由于该项目的示范特征。然而，在将来，该系统显然可能需要进行扩展。2.4 在瑞士的应用范围在瑞士不同地区开发了IFKIS-Hydro并作为示范项目，首次是应用于高山，但在随后扩大到瑞士的低地地区。3 瓦莱试验区3.1 集中于小流域瑞士西南部的瓦莱州，主要由隆河流域以及海拔高达4600m的高山峡谷组成，其中一些非常著名，如马特豪恩峰，IFKIS-Hy
13、dro重点研究小且陡的山谷。Jordan等（2006）和Jordan（2007）已经开发了隆河的预报系统MINERVE，并付诸于实施。首先对瓦莱州6个IFKIS-Hydro试验区的灾害和风险状况进行了评价，之后识别出应急管理的重点。与当地负责人员一起，通过现场观察或高密度的测量网络可能进一步了解当地信息。考虑到研究区范围相当小，可以利用的当地信息至关重要。该项目正在逐步实现，IFKIS-Hydro的2个试验区于2005年秋季开始运行。至于其它地区，2007年完成了概念设计，但尚未实施。Illgraben流域，这是一个已经进行深入研究的泥石流易发区，对道路、居民区，进而对人们的户外活动产生了重大
14、的威胁，IFKIS-Hydro模型也充分考虑了这一地区（Badoux 等，2009）。3.2 当地观察为了解和预测较小流域的水文事件，当地信息至关重要。降水以及各个流域的性质可能在较短的距离和较短的时间差异很大。野外工作人员可以收集这些地方信息，灵活地部署工作，收集一些资料，如斜坡不稳定性、泥石流活动和河床负荷等。在发生紧急状况时，会观察到一些现象，另外也可以对特定区域定期观测。定期观测的特定场所包括活动斜坡运动、河床负荷和物质堆积等。在这些场地进行每年一次或频率更高的观测，有助于找出可能导致危险增加的变化条件，例如，考虑流域对强降水的响应。Badoux等（2009）对瓦莱州其中一个IFKIS
15、-Hydro场地的观测结果进行了描述。此外，这些信息不应仅支持对单一事件作出评价，同时也应有助于对流域作出更加主动的管理，如预防性的维护工作或减灾措施。在事件发生时，可以连续观察其中一些重要场地（如不稳定斜坡），但在一般情况下，更侧重于河道的断面，以收集与事件相关的信息，如水位或侵蚀活动。事件发生期间的观察结果有助于了解流域对降水的响应，同时，应当直接提供应急管理活动，例如，突发事件时开展救援服务。所选的观测河道，应当比较稳定，不会受局部侵蚀和物质堆积的影响。此外，人员必须可以安全地进入，避免观察员自己受到伤害。在瓦莱州开发IFKIS-Hydro时，根据这些原则选择观察位置并收集数据。3.3 观测和测量数据解释要采取积极的应急措施，需要在早期阶段对观察到和实测的数据作出准确解释，同时也要考虑气象预报和类似的信息。这是一项具有挑战性的任务，鉴于对流域范围水文地质过程的了解仍存在一定局限性，特别是对小流域范围，更是如此，因此对当地情况进行评价非常重要。此外，尽管地方官员通常对这些现象有一些经验，可以作出相应解释，但是仍需要安装如IFKIS-Hydro之类的系统，采用专业知识对数据进行解释。一种可能提高了解潜在
