數字孿生水利賦能水利新質生產力發展框架研究

錢 峰，夏潤亮

（水利部信息中心，100053，北京）

近年來，隨著勞動年齡人口逐年減少，我國人口數量紅利快速消失，土地、資源供需形勢發生變化，生態環境硬約束強化，支撐經濟發展的主要驅動力已由生產要素高強度投入轉向提高生產效率。隨著氣候變化和經濟社會的快速發展，我國水資源供需矛盾日益突出，極端氣象水文事件加劇，嚴重威脅我國水安全、糧食安全及生態環境安全。為了應對水安全問題，我國修建了點多面廣的水利工程體系，這些工程體系在保障經濟社會快速發展中發揮了重要作用，但仍存在精準預測預報、工程群智能化聯合調度支撐薄弱等問題，制約著水利工程整體效益發揮。勞動密集型、經驗依賴型的傳統生產力模式已不能適應水利治理管理的高科技、高效能、高質量的時代要求。這就需要通過以知識密集型、數據主導型、創新驅動型為特色的新質生產力為新階段水利高質量發展提供新的理論指導和實踐指南。

一、深刻理解新質生產力的重要性

以數字化、網絡化、智能化為主要特征的新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。從信息化到數字化再到數智化，數字科技從工具和技術支撐逐漸演變為高質量發展的關鍵引擎和新興范式，成為構成新質生產力和新型生產關系的核心要素。

1.深刻認識新質生產力的內涵

高質量發展需要新的生產力理論來指導，而新質生產力已經在實踐中形成并展示出對高質量發展的強勁推動力、支撐力，需要從理論上進行總結、概括，用以指導新的發展實踐。新質生產力有別于傳統生產力，涉及領域新，技術含量高，依靠創新驅動是其中關鍵。從經濟學角度看，新質生產力代表一種生產力的躍遷，是科技創新在其中發揮主導作用的生產力，區別于依靠大量資源投入、高度消耗資源能源的生產力發展方式，是擺脫了傳統增長路徑、符合高質量發展要求的生產力，是更具融合性、更體現新內涵的生產力。

2.發展新質生產力是推動高質量發展的必然要求

習近平總書記指出，發展新質生產力是推動高質量發展的內在要求和重要著力點。新質生產力具有新一輪科技革命和產業變革的質態特征。我國進入高質量發展階段，迫切需要擺脫傳統經濟增長方式，大力發展以高科技、高效能、高質量為特征，代表先進生產力發展方向的新質生產力。

高質量發展需要新的生產力理論來指導。從發展方式看，提高發展質量和效益，關鍵是要加快轉變發展方式、調整生產結構，促進生產力增長由主要依靠增加物質資源消耗向主要依靠科技進步、勞動者素質提高、管理創新轉變。從投入產出看，高質量發展應該不斷提高勞動、資本、土地、資源、環境的效率，不斷提升科技進步貢獻率，不斷提高全要素生產率。新質生產力是創新起主導作用，以全要素生產率大幅度提升為核心標志，就是要擺脫傳統生產力發展路徑，不斷形成先進的生產力。發展新質生產力正是在遵循和把握生產力發展規律、調整和變革生產關系中，通過技術革命突破，促進勞動者、勞動資料、勞動對象的動力結構優化，實現生產要素的創新性配置，推動發展的質量變革、效率變革、動力變革，最終實現高質量發展。新質生產力和高質量發展均堅持并創新運用了馬克思主義唯物史觀和辯證法，結合中國當代發展實踐特征，圍繞回答新時代發展要素、結構、動力和趨勢等重大問題，是高質量發展的必然要求。

3.新質生產力為高質量發展賦能

新質生產力作為新發展階段激發高質量發展新動能的決定性力量，其瞄準世界科技進步的前沿，著眼于加快推進我國現代化進程。發展新質生產力是推動我國經濟社會高質量發展的重要動力，也是提升我國國際競爭實力的重要支撐，是更好滿足人民群眾對美好生活需要的必然之舉。

技術革命性突破為高質量發展提供革新動力。新質生產力中的新技術，是對傳統的模仿式、漸進式的科技創新的超越，是對前瞻性、顛覆性關鍵核心技術進行突破而產生的。新質生產力內含的突破性科技一經出現，必將有力推動戰略性新興產業和未來產業不斷涌現，賦能傳統產業不斷向高附加值、高效益的產業攀升，提升產業韌性和自主可控能力。

二、數字孿生水利是發展水利新質生產力的關鍵路徑

要發展水利新質生產力，就要深刻理解、深入解析如何把創新技術與水利業務需求深入融合的問題。要將革命性突破技術在水利行業落地，進而引導水利生產要素的創新性配置，實現水利產業深度轉型升級，并且優化水利勞動者、生產資料、勞動對象的組織關系，提升水利高質量發展的能力。

水利是自然對象、人造設施、社會活動共同組成、相互作用的開放復雜巨系統，其狀態復雜、過程復雜、控制調度復雜，無法在現實世界進行所有邊界條件下的場景預演。通過數字孿生水利系統，融合各類專業、智能的水利專業數學模型、人工智能模型，結合業務規則、專家經驗、歷史案例等，挖掘水利設施運行的內在規律，分析模擬水利設施在常態、極端或特定場景的運行狀態，開展實時監控、問題發現、優化調度，最終達到風險提前發現、預警提前發布、方案提前制定、措施提前實施的目標。

數字孿生水利體系由數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程構成，充分運用物聯網、云計算、大數據、人工智能、虛擬現實等新一代信息技術，建設數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程等新型基礎設施，實現流域防洪、水資源管理與調配等“2+N”業務應用“四預”（預報、預警、預演、預案）功能，提升水利治理管理數字化、網絡化、智能化水平，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。圖1為數字孿生水利賦能水利新質生產力發展框架圖。

圖1 數字孿生水利賦能水利新質生產力發展框架圖

1.數字孿生水利推動水利生產要素創新性配置

生產要素指進行社會生產經營活動時所需要的各種社會資源，包括土地、勞動力、資本、技術、數據等。傳統水利行業生產要素主要為水利工程建設、開發、運行、管理和水利業務過程中的人、財、物。數字孿生水利推動水利生產要素從傳統側重于土地、資本、勞動力等的配置模式創新轉變為技術、信息、知識、數據等為主導的配置模式。

2023年12月，國家數據局印發《“數據要素×”三年行動計劃（2024—2026年）》，發揮數據作為生產要素的放大、疊加、倍增作用，構建以數據為關鍵要素的數字經濟，推動高質量發展。數字孿生水利就是以數據作為基礎的新型水利基礎設施，通過數字化智能化技術創新，催生數字孿生水利數據、模型、知識“四預”智能業務應用等新產業，構建標準統一、協同共享的模型平臺、知識平臺等新產品，為流域統一規劃、統一治理、統一調度、統一管理“四統一”提供新服務，形成依托數字孿生手段開展業務的新模式等。通過數字孿生水利的賦能，水利新質生產力鏈接、滲透、重組、賦能水利工程等傳統生產力要素，擴展傳統生產力的效率邊界，提升水利高質量發展水平。

2.數字孿生水利促進水利勞動者、生產資料、勞動對象及其優化組合躍升

數字孿生水利可促進水利勞動者、生產資料、勞動對象及其優化組合進一步躍升。勞動者方面，數字孿生水利建設推動單一水利專業背景，從事大量勞動密集型、經驗依賴型傳統水利工作的勞動者，向多專業交叉，掌握水利、計算機、氣象、地理、海洋等多學科知識，從事創新工作的勞動者躍升；生產資料方面，數字孿生水利促進水利生產資料從傳統的土石料、建筑工具等向科學技術驅動、知識產權工具、管理機制保障等方面躍升；勞動對象方面，數字孿生水利促進勞動對象從傳統的物質、原材料等對象向重構業務流程以及生產新的業務數據、業務方案、知識信息等新型生產對象躍升。

當前，以新一代信息技術、大數據、云計算、人工智能、物聯網等為代表的數字技術革命和數字經濟正在深刻改變人類社會，同樣影響著以水利為代表的傳統行業，成為新質生產力賦能的重要對象。數字化、網絡化、智能化是新質生產力發展的重要手段和體現，數字孿生水利通過促進水利勞動者、生產資料、勞動對象及其優化組合的躍升，推動水利新質生產力的發展。

3.數字孿生水利是推動水利高質量發展的關鍵

水利高質量發展是我國高質量發展體系的重要組成。水利部黨組將推進數字孿生水利建設作為推動新階段水利高質量發展的顯著標志和重要路徑，對于新質生產力具有很好的契合性。

數字孿生水利推動了新質生產力的培育和發展。數字孿生水利的建設和應用，促進了水利行業的數字化轉型和智能化升級，提升了水利工作的效能和效果，創新了生產要素、生產資料和對象，培育了技術創新人才、數據分析專家和智能設備制造商等，創新了勞動者，為新質生產力的發揮創造了條件。

數字孿生水利的發展也帶來了新的發展機遇和業態。數字孿生水利的應用涉及流域防洪、水資源管理與調配、智能用水設備等多個領域，推動了相關水利產業鏈的發展和壯大。這些新興產業和業態為水利行業發展創造了新的方向和動力，進一步推動了新質生產力在水利行業的形成與發展。

三、以數字孿生水利建設引領水利新質生產力發展

數字孿生水利是新質生產力在水利領域的具體表現，其內涵是利用先進的信息技術和創新手段，推動水利領域的現代化轉型和升級，即借助物聯網、大數據分析、人工智能等先進技術，實現對水的智能感知、精細管理和智能決策。這種技術應用和創新模式，提高了水的利用效率、管理水平和服務質量，從而為經濟社會發展提供有力水安全保障。數字孿生水利是水利新質生產力的顯著代表、主要組成和核心驅動。數字孿生水利涉及多學科交叉、新技術融合，有諸多重點和難點，需要以新質生產力理論為指導，以算據為要素，以算法和算力為工具，以應用需求為牽引，引領水利新質生產力發展。

1.推進七大流域數字孿生整體立項建設

按照“政治工程、優質工程、廉潔工程”的標準，統籌推進國家數字孿生水利工程建設，通過建成七大江河數字孿生流域，建設動態更新的數據底板、精準高效的模型知識平臺、安全可靠的信息化基礎設施和網絡安全防護體系，建成水利部和七個流域管理機構具有較強“四預”功能的數字孿生流域，初步實現大江大河大湖及其主要支流等的“降水-產流-匯流-演進”流域防洪“四預”業務全覆蓋，提升水旱災害防御快速響應能力和決策支撐水平；在跨流域跨區域重大引調水工程、跨省重點河湖基本實現水資源管理與調配“四預”，提高水資源科學管控和精細調度支撐能力；水利工程建設與運行管理、河湖管理、農村水利水電等N 項業務數字化、網絡化、智能化水平顯著提升，為水利決策管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支持，培育水利新質生產力，驅動引領新階段水利高質量發展。

2.實施“天空地”一體化監測感知夯基提能行動

實施“天空地”一體化監測感知夯基提能行動，錨定構建數字化場景的目標，建立“天空地”一體化水利感知網，構建全國統一、及時更新的數據底板，保持與物理流域交互的精準性、同步性、及時性，全面提升水利對象全要素和治理管理全過程智能感知能力，推進物理流域監測系統科學建設和高頻乃至在線運行，為數字孿生水利的高保真建設運行提供算據支撐。通過行動的實施，落實水利新質生產力理念下以數據、信息、科技為核心的新型生產資料的升級，為水利新質生產力發展夯實數據基礎。

3.發揮數字孿生水利樣板示范作用

統籌推進數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程建設，發揮好數字孿生水利十大樣板的示范帶動作用。持續推進省級水網先導區及南水北調工程數字孿生水網建設先行先試，總結提煉典型經驗做法，加強經驗推廣和示范宣傳。同時，加強對市、縣級數字孿生水網建設的技術指導，加強以數字孿生水利為標志的新質生產力理念和技術在數字孿生水網、工程先行先試建設中的深入融合，以數字孿生水利促進以數據、流程機制等為代表的生產要素升級。

4.構建水利數學模型通用平臺

算法是物理流域自然規律的數學表達，是數字孿生水利建設的核心，通過數學模擬技術對水利業務應用進行精準化模擬支撐，以創新性和融合性體現水利新質生產力的內涵。一方面要加強技術攻關，加快建設水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水土保持、水生態、水利工程安全等水利專業模型，提升算法的先進性和實用性。另一方面要構建部本級和流域協同的數學模型平臺，從頂層設計數學模型標準化封裝體系、模型組耦合計算標準，開發模型前后處理的工具組件，支撐數字孿生的在線計算和同步仿真能力。統籌數學模型的需求側、供給側和管理側，通過模型的公開評測遴選細分領域的優秀數學模型，促進專業模型加快發展。

5.研發水利大模型

推進水利大模型的自主研發，以技術創新助力水利新質生產力發展。在全國水利一張圖、水利部數字孿生模型平臺的基礎上，基于大模型遴選、領域訓練以及知識圖譜強化等技術研究，構建具備先進性、實用性、集成性、開放性、可靠性、安全性，實現“聽懂水利話”“會分解水利任務”“可調用水利專業模型”“可演示水利需求”“可驅動水網運行”，具備語言理解、業務推理、計算展示、終端應用等核心能力的水利大模型，并在“2+N”業務中運用，逐步形成水利領域大模型共建共享體系。

6.增強水利算力水平

算力包括計算、存儲、網絡通信的資源和會商環境等。算力是數字孿生水利高效穩定運行的重要支撐，是水利新質生產力新型生產要素的主要存儲載體，必須適度超前。要根據數據處理、模型計算的需要，擴展計算存儲資源，升級通信網絡，完善會商環境，提升算力水平，使其高效快速、安全可靠，確保對數字孿生算法計算和算據存儲的支撐保障。通過數字孿生水利算力建設，大幅度帶動水利國產化軟硬件產業的擴展，充分發揮水利新質生產力推動水利生產要素創新性配置的作用。

7.完善數字孿生水利標準體系

在水利技術標準體系框架下，根據數字孿生水利建設工作實際需求，結合數字孿生水利標準基本功能，推進包括通用、設計、施工與安裝、運行維護、質量與評價、安全與監督、監測預報等七類標準的數字孿生水利標準體系建設，與水利技術標準體系中的水文、水資源、水旱災害防御等專業大類相關標準協同構建可操作可考核的數字孿生水利標準體系。

8.打造具有“四預”功能的智能應用

推進打造水利業務“四預”功能智能應用，強化應用思維，優化業務流程，創新業務模式，構建流域防洪、水資源管理與調配等覆蓋水利主要業務領域的智能化應用和管理體系，實現對業務事件的精準化決策，以水利新質生產力發展加強水利業務模式深度轉型升級。其重點是流域防洪和水資源管理與調配兩大智能業務應用系統建設。流域防洪智能業務應用系統方面，水利部本級、7 個流域管理機構和32 個省級水行政主管部門，基于數字孿生平臺，搭建“1+7+32”的流域防洪“四預”業務平臺，提高風險早期識別和預報預警能力，切實加強重大風險預測預警能力，實現風險提前發現、預警提前發布、方案提前制定、措施提前實施，確保水利決策精準安全有效。水資源管理與調配智能業務應用系統方面，基于數字孿生平臺，逐步建立流域和區域水資源總量、初始水權分配以及經濟社會發展指標綜合臺賬，明確取用水總量控制紅線，實施取用水量和生態水量等要素在線監測，提高水資源優化配置和實時、智能調度水平，通過水利新質生產力發展，優化升級完善從流域、區域到全域的水資源管理與調配體系。此外，面向其他N 項水利業務應用需求，構建水利工程建設與運行管理、河湖長制管理、水土保持、農村水利水電等業務智能化應用，優化水利業務的管理應用模式，提升業務工作的效率和科學化水平。

9.培養水利新質生產力新勞動者

人才培養是全面推進數字孿生水利建設和水利新質生產力發展的基石。全面做好第一批數字孿生水利卓越工程師培養，面向世界科技前沿和水利高質量發展重大需求，結合數字孿生水利建設實際，培養熟練掌握數字化、網絡化、智能化等領域交叉融合新知識、新技術的復合型創新人才，探索解決構建數字化場景、開展智慧化模擬、實現精準化決策中的核心問題和關鍵技術，以水利新勞動者保障水利新質生產力發展。

四、結 語

以數字孿生水利為代表的水利新質生產力是水利高質量發展的顯著標志和實施路徑。本文就新質生產力的內涵和意義、數字孿生水利建設與新質生產力的理論聯系以及以數字孿生水利建設引領水利新質生產力發展的具體途徑，闡述了發展以數字孿生水利為標志的水利新質生產力的重要意義，為全面推進數字孿生水利建設、發展水利新質生產力、驅動引領水利高質量發展貢獻力量。