基于GIS 空間分析的上海市青浦圩區(qū)現(xiàn)狀研究

孟海梅

（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

青浦圩區(qū)處于太湖流域碟形洼地的底部，極易受上游洪水、下游高潮位、區(qū)間暴雨、臺風(fēng)、農(nóng)田潛漬等水患災(zāi)害影響，再加上上海市以每個圩區(qū)為單元編制調(diào)水方案，防汛部門汛期調(diào)水難度較大[1]。因此，掌握圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力，編制合理的調(diào)水方案，是應(yīng)對水患災(zāi)害的關(guān)鍵，也是智慧水利發(fā)展的趨勢之一[2]。河湖作為圩區(qū)降雨澇水外排的主要“接納地”，水面率的高低直接影響區(qū)域防洪除澇能力[3]。圩區(qū)面積過大或過小均會影響圩區(qū)的投資建設(shè)和日常管理，給防洪除澇工作的開展帶來影響[4]。

本文基于青浦區(qū)現(xiàn)有123 個圩區(qū)，采用GIS 疊加分析原理從圩區(qū)面積和水面率兩個方面初步評估青浦現(xiàn)狀圩區(qū)的除澇能力，并提出圩區(qū)空間分布的建議，以期為管理單位提供評估圩區(qū)除澇能力的辦法并為其處理水患災(zāi)害提供參考，以實現(xiàn)圩區(qū)長效管理智能化。

1 研究區(qū)域概況

青浦區(qū)規(guī)劃剛性管控河道 1657 條段，其中骨干河道 37 條段，支級河道 1620 條段。剛性管控河道總長2130.76km，河網(wǎng)密度 3.18km/km2。研究區(qū)水面率使用2019 年青浦河湖劃界項目成果。采用ArcGIS 軟件對研究區(qū)域進(jìn)行CAD 數(shù)據(jù)與空間地理信息轉(zhuǎn)換，用平面位置容差為0.01m 進(jìn)行裁剪，青浦河湖現(xiàn)狀圩區(qū)分布見圖1。

圖1 青浦河湖現(xiàn)狀圩區(qū)分布

根據(jù)《城市水系規(guī)劃規(guī)范（2016 年版）》（GB 50513—2009），上海的適宜水域面積率為8.0%～12.0%，2020 年對上海市實行最嚴(yán)格水資源管理制度的考核，要求河湖水面率不低于 10.1%。根據(jù)青浦河湖最新劃界成果，青浦圩內(nèi)水面率最大32.0%，最小2.3%，圩內(nèi)水面率占比不均勻。

青浦現(xiàn)狀圩區(qū)面積最大1697hm2，最小18hm2。圩區(qū)面積大小明顯不均衡。最新的水利規(guī)劃欲將現(xiàn)狀圩區(qū)數(shù)量和大小進(jìn)行調(diào)整，本文基于調(diào)整前的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。根據(jù)研究數(shù)據(jù)結(jié)合水利專家相關(guān)經(jīng)驗，圩區(qū)面積過大、過小均不利于除澇管理。

2 圩區(qū)數(shù)據(jù)來源與等級評估原理

本文數(shù)據(jù)來源于“堤防調(diào)查研究”和“2019 年青浦區(qū)河湖劃界”項目的成果統(tǒng)計數(shù)據(jù)；青浦區(qū)123 個圩區(qū)邊界shp 文件原始數(shù)據(jù)；“2019 年青浦區(qū)河湖劃界”項目針對青浦區(qū)11 街（鎮(zhèn)）河湖進(jìn)行市管、區(qū)管、鎮(zhèn)管、村管界線劃分并形成范圍線shp 成果文件。本文根據(jù)以上數(shù)據(jù)開展青浦圩區(qū)水面率和圩區(qū)面積的研究，通過ArcGIS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計評估青浦圩區(qū)的除澇能力。

圩區(qū)面積和水面率劃分在現(xiàn)狀123 個圩區(qū)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)“堤防調(diào)查研究”項目結(jié)論，并結(jié)合水利專家意見和青浦區(qū)水務(wù)局多年的管理經(jīng)驗，青浦區(qū)123 個圩區(qū)抗風(fēng)險能力中等及以上的預(yù)估在60%以上，本文除優(yōu)等級區(qū)間取值圩區(qū)參考已有學(xué)術(shù)成果和規(guī)范外，差等級區(qū)間取值參考項目成果，中和良等級區(qū)間取值采用模糊取值。

青浦圩區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至GIS 空間屬性表進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，用圩區(qū)面圖層裁剪最新河湖劃界數(shù)據(jù)讓其產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)圖層。圩區(qū)面積在ArcGIS 軟件中以面要素顯示自動計算，水面率等于圩區(qū)內(nèi)水體面積除以圩區(qū)面積，即

式中：A為水體面積，m2；Z為圩區(qū)面積，m2。

采用ArcGIS 軟件以每個圩區(qū)名字劃分單獨的圖層并賦圩區(qū)面積和水面率的值，賦值后圩區(qū)分布見圖2。

圖2 不同水面率下的圩區(qū)面積分布散點圖

由圖2 可看出，青浦圩區(qū)的面積和水面率分布沒有明顯規(guī)律。本文選取統(tǒng)計數(shù)值集中分布離散度較低的數(shù)據(jù)作為研究對象，由圖2 結(jié)合“堤防調(diào)查研究”項目成果及已有學(xué)術(shù)成果和規(guī)范，選取圩區(qū)面積100～600hm2、水面率4.5%～8.0%作為中等以上研究數(shù)據(jù)。研究中將此區(qū)間外的數(shù)據(jù)粗略定義為劣等數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)有圩區(qū)抵抗風(fēng)險的能力評估其除澇能力，風(fēng)險是指發(fā)生危險事件的可能性，最常用的方法是風(fēng)險-概率影響矩陣，將風(fēng)險發(fā)生的概率和后果各自分類，兩者的組合匹配為一個風(fēng)險水平，并以顏色的形式表達(dá)出來[5]。為使實驗結(jié)果與《青浦區(qū)水利規(guī)劃（2022—2035）》經(jīng)驗評估值具有可比性，本文根據(jù)圩區(qū)澇災(zāi)風(fēng)險發(fā)生的可能性分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ”4 個風(fēng)險等級，用圩區(qū)面積和水面率關(guān)系矩陣評估出圩區(qū)抗風(fēng)險等級，反推圩區(qū)的除澇能力，并給對應(yīng)的圩區(qū)按“優(yōu)、良、中、差”進(jìn)行評估。

研究采用單因素劃分結(jié)果疊加計算雙因素類比，通過雙因素疊加計算得出類比風(fēng)險等級、概率等級、損失等級的關(guān)系矩陣，風(fēng)險等級由兩個因素等級之和除以2 取整得到。研究區(qū)風(fēng)險等級雙因素關(guān)系矩陣見表1。

表1 風(fēng)險等級雙因素關(guān)系矩陣

表1 中，圩區(qū)等級計算公式為

計算結(jié)果舍棄小數(shù)取整，評估等級用“綠、藍(lán)、黃、紅”表示，代表圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力， 對應(yīng)“優(yōu)、良、中、差”除澇等級。

根據(jù)高俊峰等[6]統(tǒng)計的江蘇省、浙江省、上海市邊界圩區(qū)成果，分析了圩區(qū)大小和圩區(qū)水面率的相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為理想的水面面積為400～533hm2，對應(yīng)的水面率為6.0%～8.0%；而張云龍等[5]認(rèn)為適宜水面率跟區(qū)域也有一定關(guān)系，如蚌埠市適宜水面率估值為12.5%～19.5%；《城市水系規(guī)劃規(guī)范（2016 年版）》建議上海市最適宜水面率為8.0%～12.0%。現(xiàn)狀青浦圩區(qū)面積最大的為1697hm2，最小的為18hm2，圩區(qū)面積相差較大，為便于管理，最新的水利規(guī)劃對現(xiàn)狀圩區(qū)數(shù)量和大小進(jìn)行了調(diào)整。綜合以上數(shù)據(jù)，對青浦現(xiàn)狀123個圩區(qū)進(jìn)行20 年一遇、10～20 年一遇、5～10 年一遇、5 年一遇的除澇評估，評估結(jié)果用“優(yōu)、良、中、差”表示，見表2。

表2 青浦區(qū)圩區(qū)統(tǒng)計和等級評估分析表

《青浦區(qū)水利規(guī)劃（2022—2035）》中對青浦圩區(qū)除澇能力評估分成 “優(yōu)、良、中、差”，研究針對以上標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)賦值，并統(tǒng)計各標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的圩區(qū)數(shù)量。參考高俊峰等[6]的研究成果、《城市水系規(guī)劃規(guī)范（2016 年版）》和《青浦區(qū)水利規(guī)劃（2022—2035）》，針對青浦圩區(qū)作數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分類，結(jié)合正態(tài)分布曲線通過實驗獲得劃分界限值。

3 圩區(qū)等級空間疊加分析

通過反復(fù)計算，并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計、概率統(tǒng)計，參考文獻(xiàn)、資料，并咨詢河湖管理單位意見，最終確定本研究的計算值劃分標(biāo)準(zhǔn)?；诤雍L效管理思路，首先對青浦圩區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，建立圩區(qū)GIS 空間數(shù)據(jù)庫。青浦是上海市郊區(qū)，圩區(qū)以農(nóng)村圩區(qū)居多，農(nóng)村圩區(qū)占比在70%以上，圩區(qū)一般以自然村名命名為“白馬塘圩區(qū)、車田浜圩區(qū)”等，若無自然村毗鄰則以河道名稱或區(qū)域地名命名。 圩區(qū)的名字決定了其字段的唯一性，為地理信息數(shù)據(jù)屬性表的建立奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理中形成了圩區(qū)空間數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)表，根據(jù)字段唯一性以圩區(qū)名字建立圩區(qū)數(shù)據(jù)層。以圩區(qū)為單位展開數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、計算。圩區(qū)面積和圩內(nèi)水面率疊加計算結(jié)果、《青浦區(qū)水利規(guī)劃（2022—2035）》圩區(qū)評估經(jīng)驗值及三者疊加結(jié)果見圖3、圖4 和圖5。

圖3 水面率和圩區(qū)面積等級疊加

圖4 圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力評估經(jīng)驗值分布

圖5 水面率、圩區(qū)面積、經(jīng)驗值疊加

運用風(fēng)險量與風(fēng)險發(fā)生概率、損失量之間轉(zhuǎn)移計算原理，進(jìn)行了不同風(fēng)險評定計算、疊加計算，計算結(jié)果與圩區(qū)除澇能力評估結(jié)果經(jīng)驗值進(jìn)行對比，分析青浦區(qū)123 個圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力。研究結(jié)果表明，疊加后37.4%的圩區(qū)除澇等級與《青浦區(qū)水利規(guī)劃（2022—2035）》中評估的經(jīng)驗值一致?；诤雍芾韱挝幌嚓P(guān)專家經(jīng)驗和統(tǒng)計結(jié)果，處于中等和良好的圩區(qū)可合并歸為“中上等”除澇能力的圩區(qū)。因此，將“中、良”兩個等級與“10～20 年一遇、5～10 年一遇”對應(yīng)合并后再進(jìn)行疊加，疊加后的結(jié)果表明，評估區(qū)域有80.7%的重疊。評估出來的80.7%的圩區(qū)與水利規(guī)劃未調(diào)整的80.0%的圩區(qū)基本一致，研究評估出的圩區(qū)除澇能力將為河湖管理及未來水利規(guī)劃帶來幫助。

4 結(jié) 語

本文通過GIS 空間疊加分析評估青浦圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力，在疊加分析分布圖上能直觀反映圩區(qū)現(xiàn)狀除澇能力等級分布，對不同等級圩區(qū)精確定位。由于本文只針對圩區(qū)面積和圩內(nèi)水面率兩個因素進(jìn)行評估，未全面考慮圩區(qū)設(shè)計、堤防設(shè)計、堤頂高程等因素的影響，因此評估結(jié)果只能為管理單位提供空間位置參考和單方面因素分析參考。

基于研究提出建立“一圩一檔”的數(shù)據(jù)庫建設(shè)設(shè)想，通過地理數(shù)據(jù)如堤頂高程、河底高程、泵閘數(shù)量、排水口數(shù)量、降雨量、堤防建設(shè)長度等各種影響因子建立空間數(shù)據(jù)庫分層管理，將更有利于圩區(qū)長效管理，促進(jìn)圩區(qū)智慧水利建設(shè)，為上海市水治理體系“量質(zhì)并舉”管控提供參考。