利用机器学习和多维指标对干旱的新疆地区水资源空间均衡进行综合评估与预测

《Journal of Hydrology》：Integrated evaluation and forecasting of water resource spatial equilibrium in arid Xinjiang using machine learning and multi-dimensional indicators

水资源空间均衡评估与预测框架构建及在新疆的应用研究。摘要：本研究针对新疆干旱区水资源稀缺且分布不均的特点，构建了整合变量集与部分相关系数方法的综合评估框架，采用水资源负荷指数、水土匹配系数和水利用效率三个核心指标，结合机器学习预测模型，分析2002-2021年WRSE时空演变规律，揭示"北好南差、东优西弱"的空间格局，预测2025-2030年仍维持南北分化特征，并提出生态补偿、节水灌溉和跨流域调水等优化策略。

　　### 水资源空间均衡研究的综合框架与实践分析

新疆作为中国西北部典型的干旱地区，其水资源不仅总量稀缺，而且在空间和时间上的分布也不均匀。脆弱的生态环境与水与土地资源之间的空间错配，使得水资源分配成为实现可持续发展的关键挑战。本研究构建了一个综合框架，用于评估和预测干旱地区水资源空间均衡（Water Resource Spatial Equilibrium, WRSE），整合了变量集与部分相关系数方法，并引入了三个核心指标：水资源负荷指数、水土匹配系数和水资源利用效率。此外，还开发了一个桥梁过渡模块，以解决数据缺失和不一致的问题，同时应用了集成Prophet算法、梯度提升回归和基于规则的校正方法，以捕捉WRSE在长期和短期变化中的动态特征。

### 研究背景与意义

水资源不仅是自然生态系统的重要组成部分，同时也是支撑社会经济发展的战略资产。其空间分布的均衡性直接影响到区域的经济发展潜力和生态环境的可持续性。在中国，水资源人均占有量低，时空分布不均，水与土地资源之间的不匹配是显著的特征。此外，随着一些地区经济的快速发展，水供需矛盾从局部问题演变为普遍的社会问题。因此，水资源的空间分布与高强度需求之间的不协调，已成为制约这些地区社会经济发展的关键因素。为了解决这一问题，实现水资源供需的合理配置，提高水资源利用效率，以及促进区域间的协调与公平发展，成为当前社会普遍关注的重要议题。

本研究提出了一种新的水资源空间均衡评估与预测框架，不仅有助于更全面地理解水资源的空间协调性，还为干旱地区的可持续水资源管理提供了科学依据和决策支持。在干旱地区，水资源的稀缺性和分布不均使得传统方法在处理数据缺失和区域复杂性方面存在局限。因此，开发一种适应性强、具有预测能力的综合框架，对于应对这些挑战具有重要意义。

### 方法论：综合评估与预测框架

为了全面评估和预测干旱地区的水资源空间均衡，本研究构建了一个多阶段的方法论框架，包括诊断、过渡调整和预测建模三个部分。首先，通过变量集和部分相关系数方法，构建了一个涵盖水资源负荷指数、水土匹配系数和水资源利用效率的综合评估框架。这些指标分别反映了水资源与需求之间的相对压力、土地与水资源之间的平衡以及水资源在社会经济中的利用效率。通过标准化和加权处理，这些指标能够更准确地反映水资源空间均衡的整体水平。

其次，针对数据缺失和不一致的问题，本研究设计了一个中长期的桥梁过渡模块，用于确保水资源空间均衡分析的连续性和可靠性。该模块包括三个阶段：过渡期数据重建、全尺度基准验证和规则驱动的校正。通过线性插值和双向填充等方法，填补了历史数据的空白，构建了一个稳定的经济-生态复合特征系统。此外，使用Holt-Winters三阶指数平滑法和时间连续性约束因子，进一步提高了数据重建的准确性。通过梯度提升回归模型，建立了区域尺度的预测基准，并结合贝叶斯优化方法调整超参数，确保模型的预测精度。

最后，本研究采用Prophet算法进行水资源空间均衡的预测，结合了水资源利用的非线性趋势和季节性波动，同时引入了外生变量（如GDP和工业用水量）以分析社会经济系统与水资源系统之间的动态关系。该模型能够有效应对区域数据缺失的情况，提高预测的稳健性。考虑到水资源空间均衡的不均衡性，研究采用独立建模策略，避免了全局模型对区域特征的平滑效应。此外，模型输出的置信区间还能量化预测的不确定性，为风险分类和决策提供科学依据。

### 研究区域与数据来源

新疆是中国面积最大的省级行政区，地理和气候条件复杂，水资源的空间分布极不均衡。总体来看，新疆北部的水资源比南部更丰富，东部比西部更优。然而，由于水资源的稀缺性和分布不均，新疆的水资源供需矛盾依然突出。本研究选取了新疆13个地级行政区域作为分析对象，包括哈密、吐鲁番、昌吉、伊犁、塔城、阿勒泰、博尔塔拉、巴音郭楞、阿克苏、喀什、和田等。这些区域的水资源数据来源于《新疆水资源公报》（2002-2021年）以及新疆各地区统计年鉴。为了提高数据的完整性，研究采用了线性插值方法填补缺失数据。

尽管新疆目前由15个地级行政单位组成，但由于部分单位（如石河子和图木舒克）属于新疆生产建设兵团（XPCC），其统计数据通常独立报告，且在公开的年鉴中存在数据不完整或不一致的情况。因此，本研究选择了13个具有完整且可比数据的地区进行分析，以确保研究的准确性和一致性。此外，由于新疆生产建设兵团与地方政府在水资源管理体系和统计口径上的差异，纳入这些地区可能会影响区域间的比较分析。因此，为了保证数据连续性和模型的一致性，研究聚焦于这13个地区。

### 研究结果与讨论

#### 当前水资源空间均衡的分析

根据评估结果，新疆的水资源空间均衡呈现显著的区域差异。总体来看，新疆的水资源空间均衡呈现出“北强南弱，东优西劣”的格局。在2021年，乌鲁木齐处于均衡水平的第2级，哈密处于第3级，吐鲁番和昌吉也处于第3级，而伊犁和阿勒泰处于第4级，和田则处于第5级，即最不平衡的状态。乌鲁木齐之所以能够维持较高的均衡水平，主要得益于其跨流域引水工程和高效的工业水循环利用技术。相比之下，和田由于降水稀少，高山融水无法满足绿洲农业和日常生活用水需求，长期依赖有限的地表水资源，且地下水过度开采导致土地沙漠化和地下水位下降，生态系统的脆弱性使其处于最低的均衡水平。

此外，研究还对水资源空间均衡的三个核心指标进行了详细分析。水资源负荷指数在2021年呈现一定的区域差异，其中和田和阿克苏的负荷指数较高，而乌鲁木齐和吐鲁番的负荷指数较低。水土匹配系数则在不同区域之间表现出较大的变化，南部地区的水土匹配系数较高，而北部地区的水土匹配系数较低。这主要是由于南部地区的封闭盆地地形和稳定的冰川融水，使得水土匹配程度较高；而北部地区的半开放盆地地形，导致径流波动较大，灌溉技术落后，过度开采加剧了水土不匹配的问题。水资源利用效率则相对稳定，但多数地区仍处于较低水平，这主要由于农业用水占比过高，且灌溉技术落后。乌鲁木齐的水资源利用效率较高，主要得益于其服务型经济结构和高效工业水循环利用政策。

#### 水资源空间均衡的变化趋势分析

从2002年至2021年，新疆的水资源空间均衡经历了显著的变化。2007年是一个重要的转折点，之前水资源空间均衡呈现出波动性恶化，而之后则进入长期稳定阶段。2002年至2006年，由于降水变化和短期节水措施的实施，水资源空间均衡在部分区域有所反弹，但2007年因极端干旱、绿洲农业区地下水过度开采以及棉花种植面积的扩大，导致60%的地区跌至第5级，30%跌至第4级，仅乌鲁木齐保持第2级，成为过去20年中水资源空间均衡最差的一年。

从数据和历史事件的角度分析，2007年的变化与新疆全面实施“水资源规划”综合统计体系有关，将之前未纳入统计的农业井灌水和工业漏损水纳入统计范围，直接提高了水资源负荷指数。此外，2007年新疆遭遇了罕见的区域性干旱，棉花种植面积增加了约15%，加剧了地下水的压力，特别是在塔里木盆地南部的绿洲农业区，地下水开采率超过了50%。2007年之后，水资源空间均衡进入了长期稳定阶段，连续11年（2008-2018年）的区域均衡水平变化不大，这主要得益于政策干预和技术升级。例如，“新疆综合水资源规划”配套的总量控制红线制度，以及流域统一调度机制缓解了上下游用水矛盾。此外，滴灌技术的覆盖率从2007年的30%增加到2018年的70%，农田单位面积耗水量下降了40%。同时，塔里木河流域综合治理项目投资超过100亿元，恢复了2200平方公里的湿地面积，绿洲地下水位年均上升0.3米。尽管2019年因厄尔尼诺现象导致极端天气，但依托已建立的动态水资源监测系统和跨流域应急引水机制，水资源空间均衡在2020年迅速恢复。

#### 水资源空间均衡的预测与分析

为了进一步探索新疆水资源空间均衡在气候变化和区域经济快速发展背景下的变化趋势，本研究采用了Prophet算法进行预测分析。该算法在建模水文循环模式和环境适应性方面具有显著优势，能够准确捕捉降水和用水的自然波动，并结合外生变量（如GDP和工业用水量）分析社会经济系统与水资源系统之间的动态关系。考虑到水资源空间均衡的不均衡性，研究采用独立建模策略，避免了全局模型对区域特征的平滑效应。通过构建桥梁过渡模块，研究解决了数据缺失和不一致的问题，确保了预测的连续性和可靠性。

预测结果显示，从2022年至2024年，新疆整体水资源空间均衡将保持在第4级。这主要得益于近年来一系列水资源管理政策的持续实施，包括汛期蓄水、提高水库蓄水能力等措施，确保了区域水资源的稳定供应。从2025年至2030年，区域间的水资源空间均衡格局预计保持基本稳定，乌鲁木齐和和田将维持其原有的均衡水平，而塔城和喀什可能会因工业扩张和传统灌溉方式的滞后性而出现波动。此外，研究还指出，随着水资源供需矛盾的持续，新疆南部地区的水资源压力将不断上升，需要动态优化管理策略，以确保水资源的可持续利用。

### 优化水资源空间均衡的建议

为了改善新疆的水资源空间均衡格局，需要采取多方面的措施。首先，在政策和制度层面，应进一步完善水资源统一管理体系，加强自治区党委水资源管理委员会的统筹协调作用，推动流域、区域和军民之间的水资源分配精细化管理，提高水资源利用计划的匹配度和完成率。对于乌鲁木齐，应继续加大跨流域引水项目的投资，扩大“引额济乌”工程的规模，确保城市用水的稳定性。对于和田等生态脆弱地区，则需要建立生态补偿机制，以弥补因生态保护限制水资源开发所带来的经济损失，从而提高当地保护的积极性。

其次，在提高水资源利用效率方面，各地区应推广适合本地条件的节水技术。例如，在新疆北部地区，塔城等地方具有较大的农业节水潜力，应继续扩大高标准农田建设规模，推广滴灌、微灌等高效灌溉技术，提高农田灌溉水的有效利用率。在乌鲁木齐等城市，应推进工业节水改造，实施高耗水企业的用水配额管理，并鼓励再生水的再利用。在新疆南部地区，喀什和和田等地方应调整农业种植结构，减少高耗水作物的种植面积，推广抗旱作物品种，发展节水农业。

在水利基础设施建设方面，应加快新疆水资源网络的建设，推动大型水利工程如大西海子和玉龙喀什等项目，以增强水资源调控和储存能力。在新疆北部地区，应加强水库、水闸等水利设施的建设和维护，完善灌溉渠道系统，提高区域水资源调配能力。而在新疆南部地区，应结合生态保护需求，建设小型水利设施，如雨水收集池，以收集和利用雨水资源。

在生态修复和保护方面，应加强对生态脆弱地区如和田的生态补水工作，恢复退化的湿地、绿洲等生态系统，提高这些生态系统的水资源储存能力。同时，应加强水污染治理，集中处理工业和生活污水，严格控制进入河流的污染物总量，改善河流水质，确保水资源的安全性。此外，应强调因地制宜的策略，以适应不同区域的实际情况。例如，乌鲁木齐可以进一步巩固其优势，通过扩大再生水再利用和严格控制工业用水配额，提高其水资源利用效率。而和田等地区则需要采取不同的措施，如提升灌溉基础设施、减少高耗水作物种植、加强生态补偿，以缓解经济与生态之间的矛盾。

### 结论

综上所述，本研究构建了一个结合变量集评估、AHP-德尔菲权重法、桥梁过渡模块和机器学习预测的综合水资源空间均衡评估与预测框架。通过应用该框架，研究揭示了新疆水资源空间均衡的历史演变规律和未来发展趋势，并提出了相应的政策路径。研究结果表明，该框架在数据稀缺和区域复杂性的背景下，提供了一种稳健的评估方法。从2007年开始，新疆的水资源空间均衡从恶化转向相对稳定，形成了“北强南弱，东优西劣”的空间格局。未来，新疆整体水资源空间均衡预计保持在第4级，而乌鲁木齐和和田的均衡水平将维持不变，塔城和喀什可能会因工业扩张和传统灌溉方式的滞后性而出现波动。

此外，研究还提出了多种优化路径，包括加强流域统一管理、完善生态补偿机制、推广高效灌溉技术、调整农业结构、构建“新疆水资源网络”、增强生态补水和水污染治理等措施。这些措施为干旱地区的水资源安全提供了可行的解决方案。总体来看，本研究不仅在方法论上实现了创新，还为新疆及其他干旱地区的水资源管理提供了重要的理论依据和实践指导。