《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Evaluation and prediction of water resource carrying capacity in Bortala Mongolian Autonomous Prefecture based on the GRA-TOPSIS-PSONN model
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研究区域为新疆博尔塔拉蒙古自治州。研究焦点为支持水资源紧张地区的水管理，本研究开发了一个集成的“评估-诊断-预测”框架，用于评估博尔塔拉州的水资源承载力（WRCC）。构建了水资源-社会-经济-生态指标体系，并通过博弈论结合熵权法和CRITIC法确定指标权重。采
研究区域为新疆博尔塔拉蒙古自治州。研究焦点为支持水资源紧张地区的水管理，本研究开发了一个集成的“评估-诊断-预测”框架，用于评估博尔塔拉州的水资源承载力（WRCC）。构建了水资源-社会-经济-生态指标体系，并通过博弈论结合熵权法和CRITIC法确定指标权重。采用GRA-TOPSIS模型评估2013–2022年的WRCC并诊断关键障碍因子，同时使用两阶段神经网络模型预测2023–2030年的WRCC趋势。本研究通过将历史评估、障碍诊断和未来预测统一在一个框架内，填补了干旱内陆地区WRCC研究的空白。该区域的新水文见解：博尔塔拉州的WRCC从2013年的0.40增加到2022年的0.49，但大多维持在临界承载能力水平，表明水资源进一步开发的余地有限。产水模数、生态用水比例和人均水资源量是最频繁的制约指标。预测结果显示，2023–2030年WRCC将在0.371至0.509之间波动，且具有明显的区域分异，表明未来水安全更多地依赖于适应性配置和需求调控，而非单纯扩大供水。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
水资源是人类生存的基础，对经济、社会和生态系统的可持续发展至关重要。然而，随着经济快速增长、人口增加和环境压力加大，有限的水资源日益难以满足日益扩大的生活、工业和生态需求，逐渐成为区域可持续发展的主要制约因素。地下水超采、用水效率低下和水污染等问题进一步削弱了水资源支撑社会经济发展的能力。在此背景下，水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity, WRCC）成为评估区域水资源条件能否协调可持续支撑社会经济发展的重要工具。博尔塔拉蒙古自治州（以下简称博尔塔拉州）位于中国新疆西北部，是典型的干旱内陆地区，天然水资源有限、时空分布不均、水资源总量低；同时，该地区高度依赖灌溉农业，是重要的棉花产区。密集的农业用水与社会经济用水需求叠加，加剧了区域水资源配置压力，并激化了生产、生活和生态用水之间的矛盾，导致供水-需水平衡失调、生物多样性丧失和土壤退化等一系列环境生态问题，威胁区域经济、社会和生态系统的长期稳定。因此，博尔塔拉州是干旱内陆地区WRCC研究的典型且有意义的案例。
现有WRCC研究在指标体系、权重方法和评价方法上取得了显著进展，但仍存在若干不足：第一，新疆的WRCC实证研究主要集中于更大区域尺度或南疆和塔里木河流域，北疆尤其是州/县市层面的证据有限；第二，许多研究仅关注WRCC的某一方面（如静态评估、障碍诊断或未来预测），而未将这些环节统一在一个分析框架内；第三，对博尔塔拉州同时考虑水资源、社会、经济和生态的综合分析仍不足，导致该区域WRCC的时间演变、主要约束和未来趋势尚未完全阐明。
**研究内容与结论**
为填补上述空白，本研究以博尔塔拉州为研究区，从水资源、社会、经济和生态维度考察WRCC。采用基于博弈论（Game Theory）的组合赋权方法，融合熵权法（Entropy Weight Method, EWM）和CRITIC（Criteria Importance Through Intercriteria Correlation）法确定指标权重；运用灰色关联-逼近理想解排序法（GRA-TOPSIS）模型评估WRCC；采用障碍度模型（Obstacle Degree Model）识别限制WRCC提升的主要因素；并使用两阶段粒子群优化-神经网络（PSO-NN）混合模型预测2023–2030年WRCC。研究回答了三个问题：（i）博尔塔拉州WRCC的时空特征是什么？（ii）限制WRCC提升的主要障碍因素是什么？（iii）2023–2030年WRCC将如何演变？研究结果预期为博尔塔拉州的区域水资源管理、生态保护和可持续发展提供科学支持。该论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
**主要技术方法**
研究人员构建了涵盖水资源、社会、经济和生态4个子系统共12个指标的评价体系，并利用方差膨胀因子（VIF）检验消除多重共线性。权重确定采用博弈论融合EWM和CRITIC法。WRCC评估使用GRA-TOPSIS模型，将评价值分为5个等级（严重超载、超载、临界承载、弱承载、可持续承载）。障碍因子诊断采用障碍度模型。WRCC预测采用两阶段PSO-NN模型，第一阶段捕捉非线性趋势，第二阶段对残差进行误差校正，以历史数据（2013–2022）为输入，基于多项式拟合和线性回归外推2023–2030年自变量，并通过5折交叉验证和滚动时间窗口验证模型性能。数据来源包括博尔塔拉蒙古自治州水资源公报、新疆统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报以及统计年鉴，缺失值采用趋势外推法填补。
**研究结果**
**4.1 博尔塔拉州及其行政区的水资源指标组合权重**
通过博弈论融合EWM和CRITIC法得到最终权重。结果显示，评价指标权重在不同行政单元间存在差异，反映了区域资源禀赋、发展条件和产业结构的差异。在博尔塔拉州层面，B3（人均粮食安全）权重最高，其次是A1（产水模数）和A2（人均水资源量）。在县市层面，博乐市和温泉县中D1（生态用水比例）权重最高，精河县和阿拉山口市中A1（产水模数）权重最高。
**4.2 水资源承载力综合评价结果**
**4.2.1 博尔塔拉州及其县市水资源承载力的时间演变特征**
2013–2022年，博尔塔拉州整体WRCC指数从0.40增至0.49，增长21.20%，2016年达到峰值0.53（弱承载），随后下降并逐步恢复。县市层面：温泉县增幅最大（17.15%），精河县上升16.80%，阿拉山口市波动较大（总体上升10.61%），博乐市变化最小（1.65%）。结果表明WRCC演变与水资源禀赋和用水结构密切相关。
**4.2.2 博尔塔拉州及其县市水资源承载力的空间演变特征**
四个县市的WRCC等级主要在超载（II）、临界承载（III）和弱承载（IV）之间波动，但时空轨迹差异显著。2013–2016年空间格局变化明显，2016年大部分县市达到弱承载；2017年后波动加剧，至2022年精河县达到弱承载，其余县市为临界承载。总体改善但空间不均且时间不稳定。
**4.2.3 博尔塔拉州及其四县市水资源承载力子系统分析**
水资源子系统：博尔塔拉州波动明显，2016年后下降，阿拉山口市和博乐市下降，温泉县上升。社会子系统：总体波动上升，2020年后显著提升。经济子系统：总体上升，2020年因疫情冲击出现短暂恢复，2022年略有下降。生态子系统：整体下降。阿拉山口市和博乐市水资源承载力下降，温泉县因节水项目和降水增加而改善，经济子系统阿拉山口市增长最快，温泉县最慢。
**4.3 影响水资源承载力的障碍因子诊断**
**4.3.1 准则层障碍度分析**
博尔塔拉州层面：社会子系统平均障碍度最高（35.37%），其次为水资源（30.68%）、生态（21.77%）、经济（12.18%）。主要约束在水资源和社会子系统之间交替。县市层面：阿拉山口市水资源子系统为主导（平均41.92%），博乐市生态子系统平均最高（30.86%），精河县水资源和经济子系统双重约束，温泉县生态和社会子系统为主。障碍结构高度分化。
**4.3.2 指标层障碍度分析**
高频障碍因子：A1（产水模数）出现在所有5个行政单元，D1（生态用水比例）和A2（人均水资源量）各出现4次，C3（万元GDP用水量）和C2（土地产出率）各出现3次。表明WRCC不仅受水资源禀赋限制，还受生态用水配置、用水效率和发展强度制约。
**4.4 水资源承载力预测结果**
5折交叉验证平均R2为0.8334，平均RMSE为0.0283，模型准确性高。2023–2030年，博尔塔拉州WRCC预计在0.371–0.509之间波动，在超载（II）、临界承载（III）和弱承载（IV）等级间交替。县市层面：博乐市和精河县维持较高WRCC值但非单调波动，阿拉山口市年际波动大，温泉县波动上升。未来WRCC趋于不稳定和区域分化，需适应性分区调控。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究聚焦北疆实证空白，博尔塔拉州WRCC在2022年仍处于“临界承载”水平，与基线研究一致。2018–2022年上升趋势不仅依赖自然水资源，更与优化配置、管理效率提升及用水协调有关。子系统层面，水资源、社会和经济改善，但生态子系统下降，表明生态承载力是干旱内陆条件下最脆弱的组分。障碍因子空间异质性显著，反映水资源禀赋、发展强度和地方条件的差异。未来管理需因地制宜：农业区控制高耗水扩张、推广高效灌溉；生态敏感区加强生态用水保障；城市中心强调需求侧调控和废水回用。研究也存在局限性，如指标选择可能偏差、数据缺失等，未来需优化指标体系。
研究结论部分翻译如下：
本研究构建了水资源-社会-经济-生态指标体系，通过博弈论结合EWM和CRITIC法确定权重，利用GRA-TOPSIS模型分析博尔塔拉州2013–2022年WRCC的时空趋势、识别关键限制因素并预测未来变化。主要结论如下：（1）博尔塔拉州整体WRCC呈上升趋势，从2013年的0.40增至2022年的0.49，但大多处于临界承载（III）水平，表明水资源进一步开发利用的潜力非常有限。（2）在准则层，博尔塔拉州社会子系统平均障碍度最高（35.37%），其次为水资源（30.68%）、生态（21.77%）和经济（12.18%），表明社会压力已成为限制WRCC提升的最重要整体因素，但主导约束在水资源和社会子系统之间交替变化。（3）在指标层，博尔塔拉州及其四县市的主要障碍因素相对集中：A1（产水模数）出现在所有5个行政单元，D1（生态用水比例）和A2（人均水资源量）各出现4次，C3（万元GDP用水量）和C2（土地产出率）各出现3次，表明WRCC不仅受水资源禀赋限制，还受生态用水配置、用水效率和发展强度制约。（4）预测结果表明，博尔塔拉州2023–2030年WRCC将在0.371至0.509之间波动，在超载（II）、临界承载（III）和弱承载（IV）等级间交替，说明区域水资源系统在中期内将保持相对不稳定。县市层面，预测轨迹表现出明显的时空异质性：博乐市和精河县维持较高WRCC值但非单调波动，阿拉山口市年际波动强，温泉县波动上升但总体改善。总体而言，未来博尔塔拉州WRCC将呈现不稳定和区域分化的特征，强调需要适应性和区域特定的调控策略。
