干旱区可持续城市未来的水资源承载力方向性政策校准框架

《Sustainable Cities and Society》：Directional policy alignment in water resources carrying capacity for sustainable city futures in drylands

　　

摘要专业翻译 水资源约束正日益成为干旱区可持续城市未来的决定性边界。在气候变化、城市扩张、产业结构调整和低碳转型目标的多重压力下，水资源短缺已不再仅仅是传统的供需问题，而是日益决定着干旱与半干旱城市的发展可行空间、生态保护和适应性治理。本研究聚焦祁连山地区12个地级城市单元，围绕三个核心问题展开：（1）2000—2023年水资源承载力（WRCC）如何演变，哪些子系统约束持续存在？（2）2030—2050年预测指标轨迹在方向上与政策取向的匹配程度如何，主要偏差出现在何处？（3）政策校准的指标修正如何重塑未来水资源承载力及其贡献结构，不同城市类型之间涌现出哪些差异化治理优先序？研究构建了一个集成分析框架：首先采用改进的CRITIC和GRA-TOPSIS方法刻画历史水资源承载力动态，其次通过LSTM与指标属性—趋势模型相结合预测未来指标轨迹，随后将政策取向、约束强度、城市功能适宜性和预测—政策偏差纳入指标层面的诊断与有界修正。该分析序列将历史评估、未来预测、方向性政策校准与治理解读相连接，为识别水资源受限干旱城市中的持续性约束、政策偏差风险、水资源承载力贡献结构变化及差异化适应路径提供了系统基础。研究揭示，政策校准后的指标修正显著改变了未来水资源承载力及其贡献结构，不同城市类型呈现出差异化的治理优先序和适应性路径。

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一、研究背景与问题提出

水资源约束正日益成为干旱区可持续城市未来的决定性边界。在气候变化、城市扩张、产业结构调整和低碳转型目标的多重压力下，水资源短缺已不再仅仅是传统的供需问题，而是日益决定着干旱与半干旱城市的发展可行空间、生态保护和适应性治理。全球范围内，暴露于水资源短缺的城市人口预计将从2016年的9.33亿增加到2050年的16.93亿至23.73亿，使水安全成为可持续城市和城市韧性的核心关切。在城市尺度上，快速城市化与工业发展持续增加生活、生产和生态用水需求，将水资源压力转化为由水资源禀赋、社会经济发展、生态脆弱性、低碳转型压力和治理能力共同塑造的多维可持续性挑战。这一问题在干旱区尤为突出，稀缺的降水、强烈的蒸发、显著的水文变异性和脆弱的生态系统使水资源系统对气候变暖和人类扰动高度敏感。

水资源承载力（WRCC）反映了区域水资源系统在给定水量、水质、生态环境和管理能力条件下支撑人口集聚、经济活动和生态保护的能力。在水资源受限城市中，水资源承载力不仅是水安全指数，更是识别发展极限、结构性约束、政策偏差风险和治理优先序的诊断基础。尽管现有研究已从单一水资源因子评估拓展至水—社会—经济—生态耦合系统的综合分析，但既有水资源承载力研究仍以回顾性评估范式为主导，能够解释当前或过去的承载状态及其约束，却难以支持对持续演化、阶段性转变和长期治理含义的解读。统计预测和机器学习方法虽将水资源承载力分析拓展至未来轨迹，但多数模拟仍聚焦于综合指数、目标年份或预设情景间的差异。政策目标虽被逐步纳入水资源承载力模拟，但政策仍常被视为外部情景设定或解释性参考，而非作为可计算的约束嵌入预测过程之中。因此，剩余的方法论缺口在于如何在统一的分析序列中，将基线指标预测与方向性政策校准诊断和治理导向解读相连接。

二、研究内容与核心发现

为填补上述缺口，研究人员以祁连山地区12个地级城市单元为实证对象，构建了政策一致的水资源承载力分析框架。该框架整合了历史承载力评估、数据驱动指标预测、方向性政策校准修正和治理导向诊断四个环节，将观测到的系统演化与未来政策校准的发展路径相连接。研究围绕三个核心问题展开：水资源承载力在2000—2023年间如何演变且哪些子系统约束持续存在；2030—2050年预测指标轨迹在方向上与政策取向的匹配程度及主要偏差位置；政策校准的指标修正如何重塑未来水资源承载力及其贡献结构，以及不同城市类型涌现的差异化治理优先序。

研究结果表明，政策校准后的指标修正显著改变了未来水资源承载力及其贡献结构，不同城市类型呈现出差异化的治理优先序和适应性路径。这一发现为水资源受限干旱城市中识别持续性约束、政策偏差风险、水资源承载力贡献结构变化及差异化治理路径提供了系统基础。

三、关键技术方法

研究人员采用了一套集成方法框架。首先，构建了包含水资源、社会、经济、生态环境四个维度共20项指标的评估体系，采用改进的CRITIC方法确定指标权重，综合考量指标变异性、指标间冲突性和信息冗余度；其次，运用GRA-TOPSIS模型计算水资源承载力指数，同时捕捉评估对象与正负理想解的距离接近度和灰色关联相似度；再次，开发了LSTM—属性趋势组合预测方法，对20项指标分别进行预测，LSTM模型捕捉非线性时间依赖，属性趋势模型保持不同指标的统计特性、实际意义和合理取值范围；最后，引入政策约束修正机制，将政策取向、约束强度、城市功能适宜性和预测—政策偏差纳入指标层面的诊断与有界修正。数据来源包括甘肃和青海两省水资源公报、中国城市统计年鉴、生态环境状况公报及EDGAR碳排放栅格数据。

四、研究结果

历史水资源承载力演变特征。 通过改进的CRITIC和GRA-TOPSIS方法对2000—2023年12个城市的水资源承载力进行历史评估，揭示了水资源承载力的时空动态演变规律及其子系统约束的持续性特征。

未来指标轨迹预测与政策偏差诊断。 通过LSTM—属性趋势组合预测方法对2030—2050年20项指标进行预测，并诊断预测轨迹与政策取向之间的方向性偏差，识别出主要偏差发生的位置和程度。

政策校准修正与贡献结构变化。 将政策取向、约束强度、城市功能适宜性和预测—政策偏差纳入指标层面的有界修正，揭示了政策校准后水资源承载力及其贡献结构的变化特征。

差异化治理路径识别。 基于政策校准后的水资源承载力结果，识别出不同城市类型的差异化治理优先序和适应性路径，为分类施策提供了依据。

五、讨论与结论

研究讨论指出，数据驱动模型能够捕捉复杂水资源系统中的非线性时间关系，但其预测本质上是观测轨迹的合理延续，而非内在政策校准的未来。这一局限在干旱区城市尤为相关，未来水资源承载力不仅受水资源、社会经济和生态环境条件的历史变化影响，还受生态安全格局、城市发展边界和产业结构调整的塑造。本研究的区分度在于进一步将政策取向、约束强度、城市功能适宜性和预测—政策偏差转化为数据驱动基线预测中可计算的指标层面修正和诊断。

研究结论表明，政策校准的指标修正显著改变了未来水资源承载力及其贡献结构，不同城市类型呈现出差异化的治理优先序和适应性路径。该框架将历史评估、未来预测、方向性政策校准与治理解读相连接，为水资源受限干旱城市中识别持续性约束、政策偏差风险、水资源承载力贡献结构变化及差异化适应路径提供了系统基础，对干旱区可持续城市未来的水资源治理具有重要的决策支持价值。该论文发表在《Sustainable Cities and Society》。