文章导读
当你每天打开水龙头时，是否想过这杯水的安全背后，藏着一套比你的认知复杂得多的系统？传统水环境管理依赖机理模型和人工采样，但面对河流富营养化、供水管网老化、污水处理成本飙升这些越来越棘手的问题，这些老方法正在失效——参数校准耗时长、预测不准、实时响应更是奢望。西安交大徐浩教授团队在《Water Research》发表的这篇重磅综述，撕开了这个困局的一个出口：机器学习确实能打，但90%的人用错了方向。
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水是支撑生命繁衍、生态稳定和经济社会发展的基础性自然资源，其数量与质量直接关系生态安全、粮食生产与公共健康。随着全球工业化、城镇化和农业活动持续推进，自然水系统与工程水系统正面临日益严峻的环境与运行压力：在自然水系统中，河流、湖泊、地下水等受到富营养化、重金属累积和面源污染等多重扰动；在工程水系统中，供排水基础设施老化、水质风险上升、运行调控复杂化等问题也日益突出。传统水环境研究和管理方法主要依赖机理模型、统计模型及人工采样分析，普遍存在参数依赖强、校准成本高、计算开销大、时空代表性不足等局限，已难以满足复杂水系统对精准预测、实时感知和智能决策的迫切需求。在此背景下，机器学习凭借其在非线性映射、多源异构数据融合和高维特征挖掘方面的突出优势，正成为推动水系统研究范式变革的重要技术路径。
针对上述问题，西安交通大学徐浩教授团队围绕机器学习在自然与工程水系统中的应用开展了系统性综述研究。该研究系统梳理了机器学习在河流、湖泊、地下水、污水处理厂和供水管网等典型场景中的研究进展，重点总结了其在水质参数预测、综合环境评估、生态风险诊断、污染源解析、地下水与复杂过程模拟、材料与工艺设计、过程控制优化以及城市管网智能运维等方面的代表性成果。在此基础上，论文提出了一个兼顾数据特征、物理约束与部署需求的模型选择框架，强调机器学习在水系统中的作用并非对传统机理模型的简单替代，而应根据具体问题在机制模型、纯数据驱动模型和混合模型之间进行合理选择。研究进一步指出，未来水系统机器学习的发展应从概念验证走向可信部署，重点推进物理信息驱动与可解释机器学习融合、数字孪生与强化学习结合，以及图神经网络和联邦学习在复杂网络化水系统中的应用，从而为智慧水务与可持续水资源管理提供理论支撑和方法参考。
该研究结果以“Machine learning paradigms in natural and engineered water systems: From proof-of-concept to trustworthy deployment”为题，在国际著名期刊《Water Research》上发表，论文链接为https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125932。西安交通大学能源与动力工程学院博士生马若鑫为论文第一作者，徐浩教授为论文唯一通讯作者。论文共同作者包括能源与动力工程学院延卫教授。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、山东省重点研发计划以及西安交通大学基本科研业务费的支持。
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