美国用水 withdrawals 数据库（USWWD）：填补国家层面用户级水资源数据空白的开创性资源

《Scientific Data》：United States Water Withdrawals Database

本研究针对美国水资源管理中长期存在的用水数据碎片化、时空分辨率不足等核心问题，系统收集并标准化了42个州的用户级用水 withdrawals 数据，构建了涵盖188,857个独立用户、58,439,412条用水记录的美国用水 withdrawals 数据库（USWWD）。通过整合多源州级数据并遵循FAIR原则，USWWD首次实现了跨部门、跨时空的高精度用水模式分析，为水资源规划、政策制定及气候变化适应性研究提供了关键数据支撑。该数据库已发表于《Scientific Data》，标志着水资源数据透明化与标准化的重要突破。

　　

水是生命之源，但人类对水资源的认知却存在显著不对称：我们能够精确监测河流、湖泊的水量变化，却难以回答“谁在用水、用多少水、何时何地用水”这一基础问题。这种数据鸿沟在美国尤为突出——各州用水数据收集标准不一、报告频率各异，且多数数据分散在数十个机构中，形成了一座座“数据孤岛”。传统上，美国地质调查局（USGS）每五年发布一次县级用水估算报告，但其依赖模型插值与启发式方法，难以反映用户实际用水行为。随着气候变化加剧水资源波动、人口增长与经济发展持续推高用水需求，构建高精度、标准化的国家用水数据库已成为迫在眉睫的科学任务。

为解决这一挑战，弗吉尼亚理工大学的Md. Yunus Naseri与Landon T. Marston团队开展了全美范围的用水数据普查，并于《Scientific Data》发布了美国用水 withdrawals 数据库（USWWD）。该数据库整合了42个州的用户级用水数据，覆盖1906年至2025年的时间跨度，包含7,524,266条记录，涉及农业灌溉、工业、公共供水、能源生产等17个用水部门。USWWD不仅提供了每月与年度的取水量数据，还标注了水源类型（地表水/地下水）、测量方法（实测/估算）及取水点坐标，首次实现了用户级用水行为的时空精细化刻画。

关键技术方法

研究通过三阶段构建USWWD：

1. 1.
   数据收集：联系50个州及华盛顿特区的管理机构，通过公开数据下载（13州）或正式记录请求（11州）获取数据，最终42州同意共享；
2. 2.
   数据标准化：统一各州差异化的属性定义（如用水类别、坐标系统），利用空间分析将取水点匹配至HUC12子流域与县级行政区划；
3. 3.
   数据验证：通过记录去重、坐标-行政区一致性校验、异常水量标记（基于USGS阈值与用户历史偏差检测）确保数据质量，并对未明确分类的灌溉、农业与电力记录进行空间辅助分类（如结合地块数据与EIA电厂库）。

研究结果

数据覆盖与结构

USWWD共收录188,857个独立用户的数据，包含353,694个取水点（POD）或用水点（POU）坐标。灌溉部门占比最高（60.1%），其中53.1%的灌溉记录明确了作物类型或高尔夫球场等具体用途。电力部门虽仅占0.7%的记录，但其取水量规模显著，尤其是水电与热电部门。

数据质量评估

通过多维度验证发现：

• •
  重复记录：16.0%的非零水量记录存在属性完全匹配的情况，可能源于同一用户多取水点累计上报；
• •
  坐标一致性：仅2.1%的POD坐标与上报行政区不匹配，9.0%的POU坐标存在偏差，主要源于各州数据共享政策与录入误差；
• •
  水量异常：1.3%的上报水量被标记为异常（如超出USGS历史阈值或用户用水模式突变），且异常分布无显著季节性差异。

与USGS数据对比

将USWWD中非异常数据与USGS五年报告（2000–2015）对比发现：

• •
  全国层面：USWWD自报水量平均占USGS估算值的24.7%，其中工业部门一致性最高（50.2%），畜牧部门最低（5.8%）；
• •
  区域差异：东部州数据一致性优于西部，后者因灌溉用水模型插值导致USGS值显著高于USWWD实测值；
• •
  部门特性：水电部门因非消耗性用水特性，单用户取水量中位数达191,864千加仑/日，远高于其他部门。

结论与意义

USWWD的发布标志着水资源数据管理从“估算主导”向“实测驱动”的范式转变。其核心价值在于：

1. 1.
   填补粒度空白：首次提供用户级用水时空序列，支持微观行为分析（如技术革新对用水效率的影响）；
2. 2.
   提升模型精度：为水文模型、遥感反演提供验证基准，助力高分辨率用水预测；
3. 3.
   支撑政策制定：通过跨部门用水模式识别，为水资源配额分配、干旱应急响应提供科学依据。

然而，USWWD仍存在局限性：8个州因隐私或数据缺失未纳入；部分记录依赖估算方法；动态更新机制尚未建立。作者呼吁联邦机构（如USGS）主导建立可持续更新的国家用水数据平台，以应对未来水安全挑战。这一数据库不仅为学术研究开辟了新路径，更深刻启示：在水资源日益紧张的21世纪，透明、精细的数据共享是迈向可持续水管理的基石。