温州市农田灌溉水有效利用系数时空分异特征分析

潘如意

（温州市水利运行管理中心，浙江 温州 325000）

农田灌溉水有效利用系数（下称水利用系数）是指灌入田间可被作物利用的水量与灌溉系统取用的灌溉总水量的比值,是衡量灌区从水源引水到田间作物水分利用过程中灌溉水利用程度的一个关键指标[1]。目前，系数测算分析工作在全国范围内开展多年，针对农田灌溉水有效利用系数的研究已有较多成果，主要从测算方法、影响因子、变化趋势、计量设施等方面开展研究。综合已有研究成果，针对系数测算的方法研究较为成熟，但对系数测算值的时间变化、空间分析等研究仍较为少见，且对其变化趋势的分析集中在数值差异分析，缺少从空间地理尺度对其变化趋势进行分析。

文中利用温州市2017～2021年农田灌溉水有效利用系数测算分析数据，采用重心迁移分析、Moran指数分析等地理分析工具对温州市农田灌溉水有效利用系数时空分异特征进行研究，揭示温州市农田灌溉水有效利用系数的时间变化趋势和空间分异规律，为促进农业灌溉节水减排、进一步提高温州市农田灌溉有效水利用系数提供参考。

1 研究区概况

温州市位于浙江省东南沿海，全境介于北纬27°03'～28°36'、东 经119°37'～121°18'之 间，东 西 宽163 km，南北长176 km，陆域总面积面积11 784 km2，海域面积约11 000 km2。温州三面环山，一面临海，境内地势从西南向东北呈梯形倾斜，地貌可分为西部中低山区，中部低山丘陵盆地区，东部平原滩涂区和沿海岛屿区。温州地处中亚热带南部亚地带南缘，属亚热带季风气候区，市域内气候温暖、雨量充沛、光照丰富、四季分明，多年平均气温17.9℃，多年平均降雨量1 728.9 mm，有利于农业发展。温州市种植粮食作物以水稻为主，农业灌溉需水量大，存在较大的节水空间。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究中，温州市行政区划数据来源于国家基础地理信息中心，温州市及各区县2017～2021年水利用系数等数据来源于温州市农田灌溉水有效利用系数测算分析成果报告。所有数据使用Esri公司开发的ArcGIS软件，构建研究基本数据库。

表1 主要数据及其来源

表2 研究区2017～2021年水利用系数统计表

2.2 研究方法

2.2.1 重心分布计算

“重心”是地理研究中被广泛采用的一个概念，可以表征某个要素在空间上的分异特征。该“重心”可以是指几何重心，也可以是经济重心、人口重心及各类数据在地理空间的重心。通过对温州市水利用系数的重心变化计算，描述该指标空间重心随时间的变迁过程。

通过温州市各县（市、区）的水利用系数属性数据，结合全市行政区划矢量数据，计算水利用系数在空间上的重心迁移，需要考虑各空间地理对象（县级行政区）的空间几何中心及属性因素。参考重心迁移各项研究方法，本研究选择加权平均重心模型计算重心分布，其计算公式如下：

式（1）中，n为空间地理对象数量，即温州市县级行政区划数量；xi，yi为第i个空间地理对象坐标值（经纬度）；ηi为第i个空间地理对象水利用系数；x，y为水利用系数空间重心坐标值（经纬度）。通过对2017～2021年水利用系数数据进行计算，得到以上年份的空间重心经度和纬度。

2.2.2 局部Moran指数

Moran指数计算分为全局Moran指数和局部Moran指数，Moran指数是空间相关性分析的一个重要工具，用于衡量要素在空间上分布的聚集性。其中局部Moran指数用于局部空间自相关分析，通过计算每一个空间单元与邻近单元就某一属性的相关程度，来表征地理聚集和离散的空间分布。其计算公式如下：

式（2）中，xi是变量x在i点的观测值；x是n个x的均值；xj是变量x在除i以外其他点的观测值；δ2是x的方差；wij是空间权重矩阵值；Ii是i点的Moran指数。

局部Moran指数计算结果表征通常使用Moran’I散点图和LISA聚集图，包含高高聚集、低低聚集、低高聚集和高低聚集等象限。

3 计算结果与分析

3.1 水利用系数重心迁移

以温州市各县级行政区作为空间地理对象，利用加权平均重心模型计算2017～2021年温州市水利用系数重心迁移路径，计算结果如见表3。

表3 2017～2021年重心迁移

从空间地理上看， 温州市水利用系数呈现北高南低的梯度，温州北部永嘉县、乐清市系数值较高，中南部瑞安市、苍南县、文成县、泰顺县系数值较低。2017～2021年温州市水利用系数重心均位于瑞安市陶山镇，接近温州市中部。对其变化情况进行分析，温州市水利用系数重心年际变化幅度较小，但总体呈现从东北向西南偏移的趋势，越来越接近温州市行政区划几何重心。2017～2021年间系数重心向西南共计偏移了277.5 m，其中2017～2018年重心移动幅度最大，2018年后变化趋缓。

水利用系数重心迁移主要受各区县系数变化幅度不一致的影响，研究时间段内，温州市各区县系数值均逐年上升，但中部、南部系数增长幅度较大，北部系数增长幅度较小，其中瑞安市系数增长率达到8.86%，为全市增幅最大，而北部永嘉县、乐清市系数增长率仅为1.12%。瑞安市、文成县、泰顺县、苍南县、平阳县等中南部区县系数值较低，通过节水工程建设、管护模式升级等手段，其系数增长较快。北部及温州市区各区县系数值较高，工程建设、管理水平已较为完善，故近年来系数值增长放缓。在时间尺度上，各区县系数值空间分异性逐渐降低。

总体而言，温州市水利用系数呈现北高南低的格局，中南部各区县节水潜力较大，通过提升灌区管护水平、加强农田水利设施建设等手段，可以有效提高中南部水利用系数，进一步提升农田灌溉用水效率。

3.2 空间自相关分析

收集2021年温州市各区县水利用系数数据，使用ArcGIS和Geoda软件，通过局部Moran指数进行空间自相关分析，得到温州市水利用系数用Moran 散点图（图1）和LISA聚集图（图略）。

图1 Moran 散点图

局部Moran指数大于0，说明数值存在空间正相关性，指数越大则空间正相关性越高。对Moran散点图进行分析，2021年温州市各区县水利用系数局部Moran指数为0.378，具有较强的空间正相关性。大部分数值均位于低-低聚集象限和高-高聚集象限，说明在空间上水利用系数高值和高值、低值与低值聚集效应较为显著，存在空间聚类分布的特征。

LISA聚集图对各要素进行空间自相关显著性检验，温州市各区县水利用系数位于高-高聚集、不显著类型，无低-低聚集、低-高聚集和高-低聚集。其中，永嘉县属于高-高聚集类型，其本身水利用系数值较高，且周围区县系数值也较高，存在空间高值聚集；其余区县也存在一定的空间自相关关系，但空间聚集效应显著性较低，故属于不显著类型。

总体而言，温州市各区县水利用系数存在较强的空间正相关关系，呈现高值与高值、低值与低值空间聚类分布。且北部系数值较高，中部、南部系数值较低，存在显著的空间分异现象。这一现象也与温州市各区县农田水利工程资金投入、管护水平、灌区规模与类型等因子相契合，在后续农田水利工作中，需要重视全市区域聚集效应，通过连片提升、跨县灌区提升等方式，进一步提升全市农田灌溉水有效利用系数。

4 结论

本研究收集温州市2017～2021年农田灌溉水有效利用系数数据，对全市系数重心迁移过程及2021年各区县系数值空间自相关性进行分析，得到以下结论。

（1）温州市各区县农业灌溉水有效利用系数呈现北部高、中南部低的空间分异现象，但其差异程度逐年降低。

（2）2017～2021年，温州市各区县系数值逐年增长，但北部及市区系数值增长较慢，而中部、南部系数值增长较快，温州市水利用系数重心总体呈现从东北向西南偏移的趋势，共计向西南偏移了277.5 m。

（3）利用局部Maran指数开展2021年温州市各区县水利用系数空间自相关分析，发现空间上水利用系数高值和高值、低值与低值聚集效应较为显著，存在空间聚类分布的特征。

（4）通过温州市水利用系数时空分异规律研究，为温州市开展农田水利建设、加强灌区管护水平、促进农业灌溉节水减排，从而进一步提高全市农田灌溉水有效利用系数提供参考。