基于GIS 空间分析的上海市青浦圩区现状研究

孟海梅

（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

青浦圩区处于太湖流域碟形洼地的底部，极易受上游洪水、下游高潮位、区间暴雨、台风、农田潜渍等水患灾害影响，再加上上海市以每个圩区为单元编制调水方案，防汛部门汛期调水难度较大[1]。因此，掌握圩区现状除涝能力，编制合理的调水方案，是应对水患灾害的关键，也是智慧水利发展的趋势之一[2]。河湖作为圩区降雨涝水外排的主要“接纳地”，水面率的高低直接影响区域防洪除涝能力[3]。圩区面积过大或过小均会影响圩区的投资建设和日常管理，给防洪除涝工作的开展带来影响[4]。

本文基于青浦区现有123 个圩区，采用GIS 叠加分析原理从圩区面积和水面率两个方面初步评估青浦现状圩区的除涝能力，并提出圩区空间分布的建议，以期为管理单位提供评估圩区除涝能力的办法并为其处理水患灾害提供参考，以实现圩区长效管理智能化。

1 研究区域概况

青浦区规划刚性管控河道 1657 条段，其中骨干河道 37 条段，支级河道 1620 条段。刚性管控河道总长2130.76km，河网密度 3.18km/km2。研究区水面率使用2019 年青浦河湖划界项目成果。采用ArcGIS 软件对研究区域进行CAD 数据与空间地理信息转换，用平面位置容差为0.01m 进行裁剪，青浦河湖现状圩区分布见图1。

图1 青浦河湖现状圩区分布

根据《城市水系规划规范（2016 年版）》（GB 50513—2009），上海的适宜水域面积率为8.0%～12.0%，2020 年对上海市实行最严格水资源管理制度的考核，要求河湖水面率不低于 10.1%。根据青浦河湖最新划界成果，青浦圩内水面率最大32.0%，最小2.3%，圩内水面率占比不均匀。

青浦现状圩区面积最大1697hm2，最小18hm2。圩区面积大小明显不均衡。最新的水利规划欲将现状圩区数量和大小进行调整，本文基于调整前的数据进行研究。根据研究数据结合水利专家相关经验，圩区面积过大、过小均不利于除涝管理。

2 圩区数据来源与等级评估原理

本文数据来源于“堤防调查研究”和“2019 年青浦区河湖划界”项目的成果统计数据；青浦区123 个圩区边界shp 文件原始数据；“2019 年青浦区河湖划界”项目针对青浦区11 街（镇）河湖进行市管、区管、镇管、村管界线划分并形成范围线shp 成果文件。本文根据以上数据开展青浦圩区水面率和圩区面积的研究，通过ArcGIS 软件进行数据计算和统计评估青浦圩区的除涝能力。

圩区面积和水面率划分在现状123 个圩区数据基础上进行，根据“堤防调查研究”项目结论，并结合水利专家意见和青浦区水务局多年的管理经验，青浦区123 个圩区抗风险能力中等及以上的预估在60%以上，本文除优等级区间取值圩区参考已有学术成果和规范外，差等级区间取值参考项目成果，中和良等级区间取值采用模糊取值。

青浦圩区数据转换至GIS 空间属性表进行数据计算，用圩区面图层裁剪最新河湖划界数据让其产生新的数据图层。圩区面积在ArcGIS 软件中以面要素显示自动计算，水面率等于圩区内水体面积除以圩区面积，即

式中：A为水体面积，m2；Z为圩区面积，m2。

采用ArcGIS 软件以每个圩区名字划分单独的图层并赋圩区面积和水面率的值，赋值后圩区分布见图2。

图2 不同水面率下的圩区面积分布散点图

由图2 可看出，青浦圩区的面积和水面率分布没有明显规律。本文选取统计数值集中分布离散度较低的数据作为研究对象，由图2 结合“堤防调查研究”项目成果及已有学术成果和规范，选取圩区面积100～600hm2、水面率4.5%～8.0%作为中等以上研究数据。研究中将此区间外的数据粗略定义为劣等数据。

根据现有圩区抵抗风险的能力评估其除涝能力，风险是指发生危险事件的可能性，最常用的方法是风险-概率影响矩阵，将风险发生的概率和后果各自分类，两者的组合匹配为一个风险水平，并以颜色的形式表达出来[5]。为使实验结果与《青浦区水利规划（2022—2035）》经验评估值具有可比性，本文根据圩区涝灾风险发生的可能性分为“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ”4 个风险等级，用圩区面积和水面率关系矩阵评估出圩区抗风险等级，反推圩区的除涝能力，并给对应的圩区按“优、良、中、差”进行评估。

研究采用单因素划分结果叠加计算双因素类比，通过双因素叠加计算得出类比风险等级、概率等级、损失等级的关系矩阵，风险等级由两个因素等级之和除以2 取整得到。研究区风险等级双因素关系矩阵见表1。

表1 风险等级双因素关系矩阵

表1 中，圩区等级计算公式为

计算结果舍弃小数取整，评估等级用“绿、蓝、黄、红”表示，代表圩区现状除涝能力， 对应“优、良、中、差”除涝等级。

根据高俊峰等[6]统计的江苏省、浙江省、上海市边界圩区成果，分析了圩区大小和圩区水面率的相关关系，认为理想的水面面积为400～533hm2，对应的水面率为6.0%～8.0%；而张云龙等[5]认为适宜水面率跟区域也有一定关系，如蚌埠市适宜水面率估值为12.5%～19.5%；《城市水系规划规范（2016 年版）》建议上海市最适宜水面率为8.0%～12.0%。现状青浦圩区面积最大的为1697hm2，最小的为18hm2，圩区面积相差较大，为便于管理，最新的水利规划对现状圩区数量和大小进行了调整。综合以上数据，对青浦现状123个圩区进行20 年一遇、10～20 年一遇、5～10 年一遇、5 年一遇的除涝评估，评估结果用“优、良、中、差”表示，见表2。

表2 青浦区圩区统计和等级评估分析表

《青浦区水利规划（2022—2035）》中对青浦圩区除涝能力评估分成 “优、良、中、差”，研究针对以上标准对应赋值，并统计各标准相应的圩区数量。参考高俊峰等[6]的研究成果、《城市水系规划规范（2016 年版）》和《青浦区水利规划（2022—2035）》，针对青浦圩区作数据统计、分类，结合正态分布曲线通过实验获得划分界限值。

3 圩区等级空间叠加分析

通过反复计算，并进行数理统计、概率统计，参考文献、资料，并咨询河湖管理单位意见，最终确定本研究的计算值划分标准。基于河湖长效管理思路，首先对青浦圩区进行数据格式转换，建立圩区GIS 空间数据库。青浦是上海市郊区，圩区以农村圩区居多，农村圩区占比在70%以上，圩区一般以自然村名命名为“白马塘圩区、车田浜圩区”等，若无自然村毗邻则以河道名称或区域地名命名。 圩区的名字决定了其字段的唯一性，为地理信息数据属性表的建立奠定了基础。

数据处理中形成了圩区空间数据层和数据表，根据字段唯一性以圩区名字建立圩区数据层。以圩区为单位展开数据查询、统计、计算。圩区面积和圩内水面率叠加计算结果、《青浦区水利规划（2022—2035）》圩区评估经验值及三者叠加结果见图3、图4 和图5。

图3 水面率和圩区面积等级叠加

图4 圩区现状除涝能力评估经验值分布

图5 水面率、圩区面积、经验值叠加

运用风险量与风险发生概率、损失量之间转移计算原理，进行了不同风险评定计算、叠加计算，计算结果与圩区除涝能力评估结果经验值进行对比，分析青浦区123 个圩区现状除涝能力。研究结果表明，叠加后37.4%的圩区除涝等级与《青浦区水利规划（2022—2035）》中评估的经验值一致。基于河湖管理单位相关专家经验和统计结果，处于中等和良好的圩区可合并归为“中上等”除涝能力的圩区。因此，将“中、良”两个等级与“10～20 年一遇、5～10 年一遇”对应合并后再进行叠加，叠加后的结果表明，评估区域有80.7%的重叠。评估出来的80.7%的圩区与水利规划未调整的80.0%的圩区基本一致，研究评估出的圩区除涝能力将为河湖管理及未来水利规划带来帮助。

4 结 语

本文通过GIS 空间叠加分析评估青浦圩区现状除涝能力，在叠加分析分布图上能直观反映圩区现状除涝能力等级分布，对不同等级圩区精确定位。由于本文只针对圩区面积和圩内水面率两个因素进行评估，未全面考虑圩区设计、堤防设计、堤顶高程等因素的影响，因此评估结果只能为管理单位提供空间位置参考和单方面因素分析参考。

基于研究提出建立“一圩一档”的数据库建设设想，通过地理数据如堤顶高程、河底高程、泵闸数量、排水口数量、降雨量、堤防建设长度等各种影响因子建立空间数据库分层管理，将更有利于圩区长效管理，促进圩区智慧水利建设，为上海市水治理体系“量质并举”管控提供参考。