一种用于水资源政策评估的计量经济学方法：以伊朗地下水计量表安装项目（GWMI）为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：An econometric approach toward water policy assessment: A case of groundwater meter installation (GWMI) in Iran

本研究在呼伦湖流域构建了1960-2023年总陆地水储量（TWS）和地下水储量（GWS）的长期序列，融合随机森林与卡尔曼滤波模型，揭示了气候变化与土地利用对水文过程的非线性影响。分析表明，该流域TWS经历了稳定期（1972-1981）、增长期（1981-1990）、快速衰退期（1990-2007）和恢复期（2007-2021），其中地下水动态起主导作用，降水和温度的阈值效应显著影响TWS组分。土地利用变化显示荒漠化治理在Ulson河流域促进TWS恢复，而Kherlen河流域植被退化加剧了水资源压力。本研究为干旱半干旱区水文响应评估提供了新方法。

　　这项研究聚焦于横跨中国和蒙古的呼伦湖流域（HLB），旨在分析该地区长期陆地水资源储存（TWS）和地下水储存（GWS）的变化动态。呼伦湖流域总面积约为218,000平方公里，位于中国北方，是一个典型的干旱与半干旱地区。由于该区域的气候敏感性以及数据获取的困难，对TWS和GWS的长期研究一直存在挑战。研究团队采用了一种融合模型，结合随机森林（Random Forest）和卡尔曼滤波（Kalman Filter）算法，成功重建了1960年至2023年的连续TWS和GWS时间序列，从而揭示了气候变化与土地覆盖变化对该地区水文响应的非线性特征。

研究结果表明，呼伦湖流域经历了四个不同的水文阶段，这些阶段主要由气候变化驱动。从1972年至1981年，该地区处于“冷干”阶段，降水低于蒸发量，导致水资源短缺；1981年至1990年，进入“冷湿”阶段，降水增加，蒸发量相对较低，促进了水体的积累；1990年至2007年，出现了“暖干”阶段，降水持续低于蒸发量，而气温升高加剧了水资源的消耗；2007年至2021年，进入“暖湿”阶段，降水恢复并超过蒸发量，促进了水资源的恢复。这些阶段的划分有助于理解气候变化对水资源的非线性影响，并为区域水资源管理提供科学依据。

研究发现，地下水是TWS变化的主要驱动因素，降水则表现出最高的气候弹性。在1990年至2005年间，尽管土地覆盖相对稳定，TWS却出现了显著下降，主要原因是降水减少。而在2005年至2020年间，TWS的恢复主要集中在乌尔逊河流域的荒漠地区，而克赫伦河流域的恢复则相对有限，反映了土地覆盖对水文变化的区域异质性。这些发现强调了不同子流域之间水文响应的不对称性，为未来水资源规划提供了重要的数据支持。

为了更好地理解水资源的变化机制，研究团队还采用了波浪变换（Wavelet Transform）方法，分析了水文变量的周期性特征。结果表明，TWS的变化存在29年和14年的主导周期，而降水和蒸散发的变化也表现出类似的周期性。这些周期性特征揭示了水文系统与气候之间复杂的相互作用，为预测未来水资源变化趋势提供了新的视角。

此外，研究还探讨了土地覆盖变化对TWS的影响。通过分析1990年、2005年和2020年的土地覆盖数据，发现森林区域虽然面积较小，但其TWS水平相对较高，表现出较强的稳定性。相比之下，荒漠和灌木林覆盖区域的TWS变化更为显著，特别是在1990年至2005年间，这些区域的TWS出现显著下降。然而，在2005年至2020年间，荒漠区域的TWS出现恢复，这可能与跨流域输水工程和荒漠区域较低的蒸散发有关。这些发现表明，土地覆盖变化对水文响应具有重要的影响，特别是在干旱和半干旱地区，土地覆盖类型和其变化趋势是水资源变化的重要因素。

研究还关注了人类活动对水资源的影响。通过引入夜间灯光数据（NTL）作为人类活动的代理指标，发现人类活动的增加与土壤水分和地表水储存的减少存在显著的负相关关系。这表明，人类活动如城市扩张、农业灌溉和过度放牧等，对水资源的消耗具有直接和间接的影响。尽管地下水和总TWS的变化与人类活动的相关性较弱，但其缓冲效应和延迟响应特性使得这些变量在短期内的变化不明显。因此，研究强调了在干旱和半干旱地区，人类活动对水资源的影响应当被纳入长期水文评估中，以更全面地理解水资源变化的驱动因素。

总体而言，这项研究通过融合多种数据源，结合随机森林和卡尔曼滤波算法，成功重建了呼伦湖流域长期的TWS和GWS数据。研究揭示了该地区水文变化的非线性特征，并强调了降水、蒸发和温度等气候变量对水资源变化的主导作用。同时，研究还指出土地覆盖异质性对不同子流域水文响应的影响，以及人类活动对水资源的间接作用。这些发现不仅为呼伦湖流域的水资源管理提供了科学依据，也为其他干旱和半干旱地区的水资源研究提供了参考。

在方法论方面，研究团队采用了水文平衡原理作为物理约束，结合多源数据融合技术，提高了数据的时空分辨率和准确性。通过贝叶斯线性融合算法，将ERA5和GLDAS等数据集与地面观测数据相结合，确保了数据的一致性和可靠性。同时，研究还采用了蒙特卡洛模拟方法，对数据融合过程中的不确定性进行了量化分析，提高了研究结果的可信度。对于地下水的重建，研究团队引入了随机森林和卡尔曼滤波的混合方法，通过短期GRACE数据进行校准，从而实现了对1960年至2023年地下水变化的长期估计。

研究结果表明，呼伦湖流域的水文变化不仅受到气候变化的影响，还与土地覆盖变化和人类活动密切相关。这种综合分析方法有助于更全面地理解水资源变化的复杂机制，为区域水资源管理提供科学支持。未来的研究可以进一步细化人类活动对水资源的具体影响，例如地下水开采、土地管理措施等，并结合更高分辨率的遥感数据和基于过程的水文模型，以提高模型的准确性和适用性。此外，研究还可以扩展到其他半干旱地区，以评估不同气候和土地覆盖条件下水资源变化的普遍规律。

综上所述，这项研究通过多源数据融合和混合算法的应用，成功重建了呼伦湖流域长期的TWS和GWS数据，揭示了该地区水文变化的非线性特征和周期性规律。研究结果不仅为该区域的水资源管理提供了科学依据，也为全球气候变化背景下水资源研究提供了新的思路和方法。未来的工作可以进一步探索人类活动对水资源的具体影响，并通过更精确的模型和数据，提升对水资源变化机制的理解和预测能力。