新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）研发
李爽爽1,2，李均力1,3*，都伟冰1,2，刘帅琪1,3,4，王浩宇1,3,4，靳镜宇1,3,4
1.
中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐
830011；2.
河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作
454000；
3. 新疆遥感与地理信息系统应用重点实验室，乌鲁木齐
830011；4.
中国科学院大学，北京
100049
摘 要：获取新疆水库的时空分布对于分析水资源迁移和绿洲荒漠生态演变具有重要意义。本文基于2022年Sentinel-2数据提取了新疆地区大于0.001 km2的水库空间分布范围，并结合县志、年鉴等资料收集水库的属性信息，主要包括水库的名称、地理位置、平均高程、建成时间、总库容和最大面积、流域等，并根据水利工程标准和库容将水库分为大、中、小型水库。结果显示，截至2022年，新疆累计建造水库804座，总库容24.16 km3，其中大、中、小型水库分别为37、175、592座，平原水库和山区水库各461、343座，1980年后，大型山区水库的占比显著增加。本数据集包括：（1）1942-2022年新疆水库分布范围数据；（2）水库信息数据，包括水库的名称、面积、库容、建成时间、高程、位置和流域等属性记录。数据集存储为.shp和.xlsx格式，由2个数据文件组成，数据量为21.4 MB（压缩为1个文件，5.86 MB）。
关键词：水库；时空变化；新疆；遥感
DOI: https://doi.org/10.3974/geodp.2025.01.08
CSTR:
https://cstr.escience.org.cn/CSTR:20146.14.2025.01.08
数据可用性声明：
本文关联实体数据集已在《全球变化数据仓储电子杂志（中英文）》出版，可获取：
https://doi.org/10.3974/geodb.2025.01.01.V1或https://cstr.escience.org.cn/CSTR:20146.11.2025.01.01.V1.
1
前言
水库是在河流上建坝蓄水的人工水利设施，通过蓄水、放水实现水资源的时空配置，在农业灌溉、防洪、发电和城市供水等方面发挥着重要作用[1]。新疆地处干旱区和半干旱区，降水稀少，水资源短缺且时空分布不均，水库是实现持续供水的重要途径[2]。新疆自1940年代开始建设水库，建国后水库和水利工程建设规模不断扩大[2,3]，山区控制性水库、河流中下游的水库以及灌渠逐渐形成多目标水库联合调度的体系[4]，有效提升了水资源利用效率，人工绿洲和耕地也随之扩张，水库成为绿洲农业发展和生产生活的重要水源。获取新疆水库建设历史变化对于了解新疆水资源开发利用状况、认识人工绿洲扩张具有重要意义。
遥感技术是目前水库信息获取的重要技术手段[5-7]，目前，国内外基于遥感技术发布了一系列的水库空间数据集，如全球大坝地理参考数据库（Global Georeferenced Database of Dams，GOODD）[8]、ReaLSAT全球水库和湖泊表面积数据集（Global Reservoir and Lake Surface
Area Dataset）[9]、全球大坝和水库地理参考数据库（Georeferenced Global Dam and
Reservoir Dataset，GeoDAR）[10]、全球大坝追踪数据库（Global Dam Tracker，GDAT）[11]、中国地表水体（包括大型水坝、水库和湖泊）地图数据集（China Lake, Dam, Reservoir, and
Large waterbody Dataset，China-LDRL）[12]、中国水库数据集（China Reservoir Dataset，CRD）[13]和2016-2021年中国水库清单[14]等。李江[15]利用最新的水库数据分析了新疆水库大坝的特征及水库分布规律，信息最为准确和齐全，但仅展示了统计数据而未提供空间属性。基于遥感建立的水库数据集不仅包含水库面积及空间位置信息，还包含了库容、水库功能、类型等属性，为开展水资源管理及水资源配置研究发挥了重要作用[16]。然而，这些数据集对新疆地区的水库信息的描述大多是不完整的，如GeoDAR仅公布了16座新疆水库的信息；CRD数据集提供了673条新疆水库的纪录，是目前最为齐全的新疆水库数据集，但该数据集建立在已发布的水库大坝产品的基础上，因此尚不包含近年建造的水库和部分早期建造的小型水库的信息。不同数据集包含的新疆水库数量迥异的主要原因是大部分新疆水库面积较小、库容较小[17,18]，采用Landsat 30-m 数据源提取会存在较大的漏提问题。此外，近10年是新疆水库建设的快速发展时期，目前不少数据集缺乏近期的水库信息更新。
为此，本文采用2022年新疆区域Sentinel-2 10-m遥感数据为数据源，提取最新的水库分布信息，并以此为基础，结合1986年以来Landsat系列卫星影像和年鉴、地方志等，获取水库的建成时间、库容、高程，面积等属性，进而分析不同历史时期新疆水库建设的时空特征。
2 数据集元数据简介
《新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）》[19]的名称、作者、地理区域、数据年代、空间分辨率、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。
3
数据研发方法
3.1 数据源
研究通过结合遥感影像和年鉴档案生成新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）。数据源主要采用2022年4-10月的Sentinel-2数据捕获水库的最大空间范围，这些数据每月对全疆至少形成一次全覆盖。然后结合收集的全疆各级行政区的志书、年鉴等资料提取水库的库容、建成时间等属性。基于Landsat系列遥感影像生成水库面积时间序列，以补充无文档记录的水库建成时间。基于SRTM DEM提取水库平均高程。研究使用的数据源及其用途见表2。
表1 《新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）》元数据简表
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条 目 |
描 述 |
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数据集名称 |
新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022） |
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数据集短名 |
ReservoirXinjiang_1942-2022 |
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作者信息 |
李爽爽，中国新疆生态与地理研究所，河南理工大学测绘与国土信息工程学院，212104020037@home.hpu.edu.cn |
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地理区域 |
新疆 |
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数据年代 |
1942-2022年 |
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空间分辨率 |
现存水库为10 m；消失水库为30 m |
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数据格式 |
.shp、.xlsx |
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数据量 |
21.4 MB，压缩后5.86 MB |
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数据集组成 |
1942-2022年新疆水库总清单及分布范围数据 |
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基金项目 |
新疆维吾尔自治区自然科学基金（2022D01E18）；国家自然科学基金（U2003201, 41671034） |
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数据计算环境 |
ArcGIS |
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出版与共享服务平台 |
全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn |
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地址 |
北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所 |
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数据共享政策 |
（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报（中英文）》编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[20] |
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数据和论文检索系统 |
DOI，CSTR，Crossref，DCI，CSCD，CNKI，SciEngine，WDS，GEOSS，PubScholar，CKRSC |
表2 数据源及其用途
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数据源 |
时间分辨率 |
空间分辨率 |
数量 |
用途 |
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Sentinle-2 |
5天 |
10 m |
2,392景 |
获取水库的最大水面范围 |
|
志书[21–26] |
年 |
/ |
103本 |
获取水库的库容、建成年份 |
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Landsat系列影像 |
16天 |
30 m |
13,056景 |
获取水库的建成时间节点 |
|
SRTM DEM |
/ |
20 m |
/ |
获取水库的平均高程 |
本研究选用无云或少云、积雪覆盖最少的遥感影像，包括Sentinel-2和Landsat系列遥感影像。Sentinel-2影像[1]的获取时间是2022年4-10月，空间分辨率为10 m，重访周期为5天，有利于以更高的精度监测小型水体。研究使用的Level-1C级产品均可从ESA官网获取。Landsat序列影像的获取时间为1985-2022年，包括Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI和Landsat 9 OLI-2的所有可用影像，这些影像形成40年的长时间序列。使用的L1TP（Collection 2 T1 Level 1
Precision Terrain Corrected）数据[2]已经过辐射校准，并基于DEM数据进行了高精度的正射校正，可从美国地质调查局（United States
Geological Survey，USGS）的 Earth Explorer 网站获取。
3.2 技术路线
新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）研发流程包括基于深度学习模型的全要素水体范围提取、水库判别、基于长时间序列确定水库建成时间、属性数据库建立、属性数据库与空间数据库连接等过程（图1）。
图1 水库数据集生产流程图
3.2.1 水体信息提取
U-Net是常见的水体制图模型之一[27]，特别是用于高分辨率图像的小型水体制图[28]。本研究利用U-Net模型基于2022年4-10月2,392张Sentinel-2影像绘制了新疆水体图。首先，我们制作了300个覆盖全疆的水体样本，每个样本的大小为1,500×1,500像素，其中80%用于模型训练，20%用于验证。对影像与对应标签进行裁剪，大小设定为256×256像素。其次，为了获得足够的U-Net模型训练样本，对图像进行108倍的增强处理，包括水平翻转、转置、垂直翻转、旋转等。然后，以0.005的初始学习率和8的批量大小训练U-Net模型，每个网络有300个epoch。训练期间使用的损失函数是FocalLoss，与其他分类损失相比，它可以有效地解决分割中的类别不平衡。U-Net模型在配备有NVIDIA Quadro RTX A6,000显卡的工作站上使用Python中的Cuda 框架下运行。该模型的精确率、总体准确率和召回率结果分别为93%、91%和88%，具有良好的性能。
基于训练好的U-Net模型，利用2022年4-10月所有无云Sentinel-2影像绘制全类型水体的面积时间序列，然后采用人工编辑方法进行验证。最后，根据时间序列面积范围计算最大面积。目的是使用与水库最大库容相关的最大范围统一表示其边界。尽管图像质量差和云量大可能导致最大水库面积被省略，但由于Sentinel-2的时间分辨率较高，故予以忽略。
3.2.2 水库判别
基于水体提取结果，研究通过河流网络等辅助数据以及高分辨率底图，区分水库和其他水体，如湖泊、河流。研究中水库识别包含3个步骤：基于河网数据的水库初步识别、基于高分辨率在线影像的目视解译、与其他数据集的交叉检验。
首先基于高分辨率河流网络生成500-m的缓冲区并将其作为掩膜，与提取的水体结果相交，筛选出水库要素。此外，为了避免遗漏与河流的距离大于500 m的引水式水库，研究将基于渠道数据网络生成的500-m缓冲区掩膜再次与水体数据集相交。根据数据集结果显示，经过这一流程，仅有58个水库散落在缓冲区外。
然后，研究根据更高分辨率的在线影像对水库的初步筛选结果进行补充和纠正。本研究目视检查了水体多边形附近是否存在大坝，如果大坝不存在，则将其归为湖泊或其他类型水体，如果水体附近有大坝，则将其作为水库补充到数据集中。
最后，将获得的水库空间范围与现有数据集进行交叉检验。选取已公开的水库大坝数据集GeoDAR、China-LDRL、CRD并将其与本研究的数据集进行空间匹配，借用这些数据集补充本研究缺失的空间记录，此外，再次确认本研究比参考数据集多出的空间要素是否为水库。最终，所有的水库的确切位置和范围都经过了充分的人工验证。
3.2.3 水库属性信息生成
从志书、年鉴、文献记载以及其他信息检索途径获取水库的库容、建成时间、流域等特征信息。水库的总库容值主要来源于年鉴、县志和网络检索结果。水库的建成时间则通过两种方式获取，一方面是从文字记录中收集水库的建成时间，总共获得716座水库的准确建成年份，二是基于Landsat时间序列影像确定81个水库的建成时间或废弃时间，假设水库水面的年平均面积大于0的年份为水库的建成时间，仅7个水库未能获取建成或废弃时间信息。水库的高程值来自SRTM DEM数据，基于SRTM DEM数据提取水库空间范围对应的平均高程值，将此作为水库的高程值。
此外，为了方便对水库进行统计分析，分别按照水库的容量和来水特点划分水库的类型。按照水库的库容量[29]，库容量大于108 m3的为大型水库，小于107 m3的为小型水库，库容介于两者之间的为中型水库。按照水流特点，参考中国山地空间范围数据[30,31]将水库划分为山区水库和平原水库两种类型。
3.2.4 属性和地理位置连接
水库名称是连接空间数据库和属性数据库的重要属性，可成为连接空间位置和属性信息的标志。从Google地图或高德地图中获取水库的名称以及能够描述其地理位置的属性，如行政区、所属流域，然后，将名称附值至对应空间位置的水库矢量多边形上，最后按照水库的名称，使用空间连接工具将空间范围与属性信息连接起来，属性信息包括水库名称、总库容、最大面积、高程、建成年份和水库类型等。
4 数据结果与验证
4.1 数据集组成
数据集为新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）空间分布数据和水库信息数据。空间数据包括：1942-2022 年新疆大、中、小型水库的分布数据（.shp）；水库信息数据包括含有属性信息的新疆水库总清单（1942-2022）。
4.2 数据结果
4.2.1 水库空间分布特征
新疆累计建造水库804座（面积>0.001 km²），总库容为24.16 km3，其中大、中、小型水库各37、175、592座，库容量为16.583 km3、6.025 km3、1.552 km3。统计结果显示（图2、3），北疆的地州阿勒泰、伊犁、塔城、昌吉、博州、乌鲁木齐分别建造水库119座、45座、123座、125座、11座和37座，对应库容为5.290 km3、5.093 km3、1.478 km3、0.834 km3、0.140 km3、0.715 km3。东疆哈密和吐鲁番的水库数量分别为62座、15座，库容分别为0.206 km3、0.220 km3。南疆各地州喀什、和田、阿克苏、巴州、克州的水库数量分别为79座、57座、30座、29座、23座，库容分别为4.861 km3、0.899 km3、1.526 km3、1.184 km3、1.107 km3。地级市可克达拉市、北屯市、克拉玛依市、双河市、阿拉尔市、胡杨河市、五家渠市、昆玉市、铁门关市共建造水库49座，总库容为0.608 km3。总体来看，北疆地区水库数量多于南疆，且北疆水库分布更加集中，主要分布在昌吉、博州、阿勒泰和伊犁，而南疆水库则主要分布在塔里木河流域各支流附近。
以流域分区来看，水库数量排序依次为玛纳斯湖流域（134座）、额尔齐斯河流域（101座）、博格达地区（79座）、昆仑地区（60座）、伊犁河流域（56座）、艾比湖流域（56座）、喀什噶尔河流域（55座）、叶尔羌河流域（48座）、阿拉湖流域（45座）、巴里坤-伊吾盆地（37座）、乌伦古河流域（30座）、哈密盆地（25座）、塔里木河干流（22座）、艾丁湖流域（18座）、阿克苏河流域（13座）、罗布泊（13座）、渭干河流域（9座）和车尔臣河流域（3座）。各个流域的小型水库数量占比较高，如水库数量最多的玛纳斯湖流域，小型水库数量占比达到71%。各流域库容量排序为伊犁河流域（5.082 km3）、额尔齐斯河流域（4.583 km3）、叶尔羌河流域（4.437 km3）、玛纳斯湖流域（2.241 km3）、喀什噶尔河流域
图2
新疆水库空间分布图
（参照审图号GS(2019)1831的标准地图制作，底图无修改）
图3
新疆水库数量、库容统计图
（1.533 km3）、昆仑地区（0.987 km3）、渭干河流域（0.875 km3）、塔里木河干流（0.836 km3）、乌伦古河流域（0.803 km3）、艾比湖流域（0.637km3）、阿克苏河流域（0.438 km3）、罗布泊（0.430 km3）、阿拉湖流域（0.365 km3）、博格达地区（0.312 km3）、艾丁湖流域（0.223 km3）、车尔臣河流域（0.171 km3）、哈密盆地（0.114 km3）和巴里坤-伊吾盆地（0.092 km3）。各流域大型水库的库容占比较高，库容量较大的伊犁河流域、额尔齐斯河流域、叶尔羌河流域的大型水库库容占比均在80%以上。这是因为在这些径流量较大的地区，大型水库具有更高的调蓄能力。
4.2.2 水库建设年代分布
1942-2022年新疆水库数量持续增长，根据水库建造数量和特点，将其分为4个时期，分别为1940-1960年、1960-1980年、1980-2000年和2000-2022年，其中1960-1980年和2000-2010年是水库建设高峰时期。1940-1960年新疆累计建造水库73座，累计库容为1.18 km3，中小型水库数量占总数的96%，中小型水库总库容仅占总库容的68%。1960-1980年建造水库292座，总库容为3.24 km3。大、中、小型水库数量占比分别为2%、22%、76%，对应库容占比为30%、55%、15%，这一时期水库建造仍以中小型水库为主。1980-2000年建造水库192座，总库容为3.30 km3。大、中、小型水库数量占比分别为77%、20%和3%，库容占比分别为51%、39%和10%。2000-2022年建造水库224座，其中大型水库21座，中型水库54座，小型水库149座，较以往三个时期，大型水库的数量有了明显的增长。总库容为16.36 km3，大、中、小型水库库容占比分别为83%、14%和3%，大型水库的库容占比也显著增加。总体来看，虽然水库的数量没有明显的增加，但由于大型水库的建造，总库容量显著增加，特别是2005年之后。由此可见，山区大型水库发挥着巨大的调蓄能力，新疆水库建设逐步倾向于山区大型水库。新疆历年水库建造情况见图4。
图4
历年建造水库数量和库容统计图
4.2.3 平原水库和山区水库建设
1942-2022年，新疆累计建造461座平原水库和343座山区水库，总库容分别为8.59 km3、15.57 km3。根据历年平原水库和山区水库的数量、库容统计图来看（图5），平原水库数量总体呈现逐渐减小的趋势，而山区水库数量呈增长趋势，库容量也表现出相同的变化趋势。上世纪80年代以前，施工工艺和经济条件落后，以建造平原水库为主，1940-1980年，共建造平原水库273座，总库容为3.77 km3，山区水库92座，总库容为0.71 km3。1980年以后，山区水库建设进程加快。1980-2000年，新疆共建造平原水库111座，总库容为1.25 km3，山区水库81座，总库容为1.99 km3，此时，平原水库和山区水库的数量相当，但是山区水库的库容量是平原水库总库容量的近2倍。2000年至今，累计建造平原水库和山区水库各59座、165座，对应的库容量分3.49 km3和12.87 km3，山区水库的数量和库容量远远超过了平原水库。
图5
历年平原水库和山区水库数量、库容分布统计图（1940-2022）
4.3 数据对比分析
水库的空间分布和属性信息对于水资源管理和可持续性至关重要，遥感技术在全球或区域尺度的水库动态监测中发挥了至关重要的作用，公开的统计报告记录了水库的信息。因此，本研究结合高分辨率遥感影像和水利工程档案记录建立了新疆地表水库时空分布数据集。
目前大多数地表水体变化数据集混淆了水库和湖泊等其他类型水体，没有对水库进行单独的报告，或者将水库误判为其他水体而低估了新疆水库的数量，如GLAKES[28]仅将19个水体要素标记为水库。一些专门针对水库的清单包含新疆水库的信息，但因没有地理位置参考而限制了其广泛应用。如李江的研究[15]借助统计数据分析了新疆水库的时空分布，结果显示截至2022年，新疆建设水库751座，总库容为29.776 km3，而本研究的结果显示除不再承担任务和废弃的水库外，目前仍在运行的水库有776座，总库容为23.97 km3，两者结果相近，但李江的研究未公开水库的空间位置。具有空间位置的全球水库数据集对于局部地区水库的关注度不足，显示的新疆水库丰度与真实数据相差较大，如GeoDAR[10]数据集在新疆地区仅显示16个水库，且未公开大部分水库的特征信息。CRD[13]是目前包含新疆水库数量最多的数据集，并且提供了新疆地区673个水库的空间位置及水库库容、面积等属性信息，但因其缺少水库的建成时间而无法在时间维度上进行水库数量和其他特征变化分析。与现有的数据集相比（表3），本研究基于高分辨率的遥感影像，绘制了更为全面的新疆水库的空间范围，直观地展示了水库的空间分布特征。此外，本数据集收集了来自水利工程档案的记录，赋予水库以库容、面积、高程等属性，并结合水库的建成时间属性，分析了水库多个特征的时空变化。
表3 本研究数据集与其他数据集对比分析表
|
数据集 |
空间范围 |
更新时间 |
水库数量 |
总库容 |
所含属性 |
|
GLAKES[28] |
全球 |
2022年 |
19 |
/ |
坐标、面积、水源、类型 |
|
GeoDAR[10] |
全球 |
2022年 |
16 |
9.17 km3 |
坐标、面积、库容、数据来源 |
|
CRD[13] |
中国 |
2022年 |
673 |
30.41 km3 |
名称、坐标、行政区、面积、库容、类型、周长 |
|
李江的研究结果[15] |
新疆 |
2022年 |
751 |
29.78 km3 |
空间分布特征、总库容、总数量 |
|
本数据集 |
新疆 |
2022年 |
776 |
23.97 km3 |
名称、坐标、面积、库容、周长、高程、建成年份、河流、流域、行政区、类型 |
5 讨论和总结
水库是反映地区水资源调蓄能力的重要指标，其空间信息和特征是水资源管理的重要数据源。本文基于高分辨率遥感影像绘制了新疆水库的范围，并结合历史档案建立了属性数据库。本数据集提供了1942-2022年以来建造的新疆水库的空间范围，并结合水库的建成时间属性展现了新疆水库建设的发展历程。结合数据分析，建国以来，新疆共建造水库804座，总库容值达到24.16 km3。水库规模上，新疆以中小型水库为主，中小型水库占比约95%，2005年以后，大型水库的数量占比增加。水库类型上，2010年之前新疆水库建设以平原水库为主，平原水库占比67%；2010年之后山区水库建设加快，2010至今建造的山区水库占这一时期水库建造总数的83%。
与现有的数据集相比，本数据集最大的优势在于通过历史记录和遥感长时间序列两种途径获取了水库的时间属性，克服了采用单一时相遥感影像监测水库水面变化时，因时间分辨率不足、遥感影像质量限制导致的水库水面无法及时被监测的问题。根据提供的时间属性，可以有效地展现新疆水库的时空变化和水利发展历程，为水资源利用和水利规划提供科学参考。此外，该数据集有效融合了多源遥感影像和历史档案资料，综合两种数据源的优势，建立更加完整、可信的新疆水库空间数据库和属性数据库。新疆地表水库时空分布数据集（1942-2022）是一套较为完整的、带有属性记录的新疆水库空间数据集，为水资源调配、提升水资源利用率提供了有效的数据支撑，也为今后新疆水库建设提供了参考。
作者分工：李均力和都伟冰对数据集的开发做了总体设计；李爽爽、靳镜宇采集和处理了新疆水库分布范围和属性数据；李爽爽、王浩宇设计了模型和算法；李爽爽、刘帅琪做了数据验证；李爽爽、李均力撰写了数据论文等。
利益冲突声明：本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。
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