数字孪生水利技术赋能河长制的实现路径与对策

王晓莹,孔千慧,戴梦圆,赵培培,冯 晨

(1.河海大学商学院,江苏 南京 211100; 2.天津大学管理与经济学部,天津 300072;3.武汉大学经济与管理学院,湖北 武汉 430072; 4.盐城工学院盐城绿色低碳发展研究院,江苏 盐城 224051)

河长制作为一项“自上而下”的水环境管理制度,是生态文明体制改革的创新举措,在各地全面推行已6年有余,并逐渐成为建设幸福河湖、助力新阶段水利高质量发展的重要内容。2020年12月15日,水利部在北京召开河湖长制工作座谈会,强调要提升队伍能力,强化工作绩效,加快推动河长制、湖长制“有名”“有实”“有能”,河长制的发展进入新阶段。经过不断推进落实,河长制在统筹协调各治水单位、完善水治理体系、推进水环境可持续发展等方面都发挥了积极的作用,但仍存在部分问题,使得改革效果不如预期,“有实”向“有能”的跨越受到阻碍。

目前,河长制推行中存在的问题主要可按照参与主体的不同,划分为河长、主管部门、公众三方面。从河长的角度来看,存在部分河长履职不到位的现象。部分由各级地方政府官员担任的河长缺乏相关专业知识和对辖区内的水系的了解,且习惯于担任管理者、监督者的角色,将任务下放给基层河长,导致了对本职工作的疏忽。而部分基层河长又倾向于将治水职责推诿给水利部门,缺乏一定的责任意识,从而产生了虚假巡河、应付式巡河、谎报少报等现象[1-3]。李汉卿[4]以上海市为例,基于行政发包制研究了河长制中的上下级河长沟通间“阳奉阴违”式的政策冷漠。从主管部门角度来看,河长制面临水利业务协同治理难题[5-7]。由于河长制和传统治水体系的双重领导,各个部门之间存在着权责边界不清的问题。在规避风险的理性驱使下,一些部门会倾向于关注职能范围内的事务而规避边界模糊的跨部门事务[8-10],造成各自为营、各司其职的现象。高家军[11]通过史密斯政策执行模型分析了河长制政策执行机构、人员面临的制度困境和行动困境。从公众的视角来看,河长制缺乏相对透明的考核机制和社会公众意见的介入。目前河长制的考核机制没能很好地解决“怎么考、谁来考、如何追究责任”3个问题,导致河长的工作考核仍局限于体制内的“自查自考”[12],考核结果缺乏一定的公正性和可信度。同时,较为封闭的考核制度导致公众对河长工作缺乏了解和监督渠道,公众参与程度也多取决于河长办与有关部门的“自由裁量”[13],在部分地区甚至存在权力抑制权力、政治警惕社会、打击污染举报者等极端现象[14-15]。王书明等[16]从制度经济学的视角认为河长制中公众参与度低和有效监督机制的缺乏会形成恶性循环。王园妮等[17]以湘潭市“河长助手”中社会公众参与环境治理为例探讨河长制中公众参与的可能与可为。总的来说,学界针对河长制现存问题从多方面进行了较为丰富的研究,但较少有学者对河长制存在的问题进行整合,并提出较完善的解决方案。

随着新一轮信息技术发展,5G传输、云计算、人工智能等技术的爆发式增长为推动水利发展转型提供了有力支撑,水利信息化建设取得积极成效。但在河长制框架下,河湖管护工作对“人”的依赖度较高。而现有的信息技术无法提升河长的个人工作能力、加强水环境保护的意识等。因此,需要通过融合信息技术与水利管理,利用信息技术推动河长工作的精确化、高效化。数字孪生水利技术的出现可以为河长制发展赋能。数字孪生技术是一种数字建模与仿真应用的技术,能够通过大量数据及多种模型对物理实体进行模拟仿真,实现对物理实体的映射预测、验证优化、运行决策。作为一种较为普适的理论技术体系,数字孪生技术在航空航天、产品设计、工程建设等多个领域均有所涉及[18]。在水利方面,数字孪生技术能够结合不同的水利专业模型、智能分析模型、仿真可视化模型等,对物理流域全要素和水利治理管理的全过程进行数字化模拟。国家“十四五”规划纲要明确提出要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。部分学者在数字孪生技术对水利工程的应用、模型技术难题等方面进行了研究[19-20]。长江、黄河、淮河等流域已逐步尝试将数字孪生技术运用于防洪减灾等方面[21-23],构建支撑水利业务“四预”功能的数字孪生全流域模拟仿真平台,达到流域防洪抗旱、水资源管理调配等流域治理各项业务的全面覆盖应用,实现“预报精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化”,确保水利决策迅速、精准、有效。针对部分河长专业度不足的问题,高度仿真的虚拟体可以对数据进行处理以帮助河长理解,并利用智慧决策为河长工作提供参考意见;在协同治理难题方面,数字孪生技术能统筹规划、协调多方,促进跨部门跨业务的协作;在公众参与方面,数字孪生能够拓宽公众参与河湖治理的重要渠道,搭建多元联动平台。基于此,本研究探讨了数字孪生技术与河长制的协同作用、数字孪生技术运用到河长制的现实问题与挑战,并提出相应的政策建议,以期为全面赋能河长制发展提供理论支撑。

1 数字孪生水利技术赋能河长制的实现路径

目前,河长制下的众多问题都未能得到妥善解决。随着数字化技术的进步,北京、广州、安徽等地数据赋能河长制、信息化助力河长制工作、决策支持系统建设的实践和苏州工业园区“数字河长”智慧治水、四川省河长制办公室打造数字孪生流域“四川样板”等尝试都为河长制的进一步完善提供了新方案[24-29]。鉴于此,本研究分析了孪生水利技术赋能河长制的实现路径:借助数字孪生技术的互动性、智能性等特征,进一步深化落实河长制。

1.1 弥补河长专业不足,辅助解决问题

在河长制中,河长通常并不是由专员担任,而是由地区内的各级党政负责人兼职,“非专员”易产生“不专业”。部分河长缺乏水资源保护、水生态修复、水污染防治等方面的知识,对水环境治理的相关业务也较为陌生,同时缺少对河流湖泊以及水系分布系统的全面了解,即使能够短时间内对部门和区域进行统筹,也不利于河湖水环境治理的可持续发展。

而基于云计算、大数据库等技术手段的数字孪生系统可以利用自身强大的算法和深度学习训练对河湖水环境发生的变化进行分析判断、做出决策,并实时将仿真模拟结果反馈给河长,易于河长理解并辅助河长进行决策,实现对河湖水环境的事件响应即时与决策优化。在河长治理工作中,数字孪生水利技术能够为河长提供更全面的信息支撑,在一定程度上弥补河长的专业不足、考虑不周等问题,辅助河长综合决策。

1.2 远程了解河湖情况,及时解决问题

兼职河长的地区内的各级党政负责人多是“自上而下”统筹协调区域流域河湖水环境治理,存在层级过多、上下级层级距离过长等问题,会影响决策与处理速度。当面对河湖生态环境突发性以及不确定性风险时,河长无法做到即时、快速地响应和处置。而数字孪生技术作为系统建模与仿真应用的重要形式,能够借助自然环境、工程图纸、历史数据等信息,利用数字化的手段对地形、河湖、水库、管道、泵站、闸口等水利要素进行全方位建模,构建一个高度仿真物理世界的虚拟体。该虚拟体可以实时接收物理世界中的信息并更新自己的状态,从而帮助河长远程且及时地了解自己治理的河湖所处的情况及发生的问题。此外,数字孪生系统能直接接收数据、作出判断并发送到河长的接收端,在技术层面跳过了人工判断并层层上报的流程,避免信息流转链条过长和谎报漏报等问题。遇到突发洪水等特殊情况,河长也能够第一时间收到信息,即时做出响应,减少伤亡损失。

1.3 统筹规划部门合作,避免权责不清

河长制旨在整合多方力量解决河湖治理问题。然而,各部门分而治之的思想观念、行为模式根深蒂固,河长只能依靠权力约束各部门。实施过程中仍存在“九龙治水”现象,河湖有效治理得不到进一步落实。部门间出于对自身利益的维护,仍存在权力交织、多元博弈、协同困难等问题,多方协同流于形式[30]。

数字孪生技术能整合各部门资源并完成多目标任务的指派。数字孪生系统需要形成一个庞大的数据库,能够收集、存储来自各个部门的众多数据,使各部门的工作得到更好的融合和衔接。此外,数字孪生技术工作可以通过客观的算法明确各部门的职责划分,构建支撑多部门合作的方案,避免各部门间主观层面上的责任不清。在治理河湖的过程中,数字孪生技术还可以依据实际情况分配不同部门的资源份额,充分利用有限的资源。因此,数字孪生技术有助于河长进行多方面目标的决策,落实河长对不同部门的统筹规划,减少制度模糊导致的权责不清问题,使河湖治理流程更加高效。

1.4 创建全民公开平台,实现多元联动

公众参与对河长制从制度优势转化为治理效能具有重要的推动作用。河长制作为一种“自上而下”的河流治理模式,往往强调政府力量在河湖治理中的作用,而相对忽视社会公众的意见,致使河长制推行中公众参与的有效性不足[31]。具体表现为:①信息不对称以及公众参与机制的缺失容易导致大众缺乏对河湖现状、河长执行情况的了解,出现“信息闭塞”的情况。②目前河长的考核制度主要是体制内部由上而下的“自考”[16],公众参与河长制绩效考核、监督举报、及时反馈的平台建设不完善,易致公众话语权缺失。③尽管部分地方政府开启了公众协同治水的通道,但更多是一种“民意符号”,公众参与程度有限。总之,“河长制”依然是一个相对封闭、单向、统一的传统环境治理系统,存在公众获取信息渠道狭窄、参与治理空间有限、治理效能不足等诸多问题。

基于数字孪生技术,政府可以积极拓宽公众参与河湖治理的重要渠道,营造“政府主导,公众参与”的制度环境。一方面,政府可以将数字孪生技术与APP、公众号或小程序等结合[32],建立公众参与平台,利用高度仿真物理世界的虚拟体进行信息的可视化,使复杂的数据更加直观,便于公众实时观测河湖情况、监管河长的工作情况,提高公众参与度;在公众知情的基础上,政府需要完善河长制监督考核制度,避免出现河长“自考”现象。政府可以利用公众平台向大众定期推送河长周报,设置线上事务处理版块,在河长履职评分中加入公众意见部分,并通过数字孪生的智能算法综合评估河长工作表现,视情况启动问责机制,做到公开、透明。另一方面,平台可以借助数字孪生技术的虚拟体发挥科普功能。数字孪生技术的可视化等功能突破了传统媒介的限制,可对水资源介绍、水环境保护、水域岸线管控等知识条例进行衍生创作,使其深入人心。通过生动有趣的科普调动公众的积极性,唤醒公众对保护环境的责任意识与权利意识,深化大众对水生态保护、水污染防治、水环境治理的理解,使其自觉主动地维护河湖环境。同时,平台可以接入专家的联系方式,让专家通过平台及时了解区域水环境情况并给出建议。

2 河长制下数字孪生水利技术普及的问题和挑战

当前,构建数字孪生水利系统也存在多方面的困境,尤其是在高度复杂的现实环境中,数据库集成度低、模型适用面窄、人机关系处理等诸多问题等都会阻碍数字孪生系统的有效运行[33-35],新兴的数字孪生技术与河长制的结合仍然存在诸多问题与挑战。

2.1 系统建立:现有数据无法满足数字孪生数据库要求

a.数据质量存疑,收集难。数字孪生系统的数据库对数据的全面性、完整性等具有较高的要求。但目前部分地区在传感器、检测设备等水利设备上的分布仍存在空白,物理感知采集不全面导致数据缺失。例如长江流域河道外取水工程(设施)有134238个,涉及的取水项目有91290个,但目前流域水资源监控平台的取水用户只有5375个[21]。其次,水利信息化系统采集的原始数据往往夹杂随机误差和噪音,影响数字孪生系统决策的真实性和准确性。与此同时,上级政府部门习惯于将事务、责任等下放,而基层工作人员又常常面临自身任务繁重、权力有限等问题,上报的数据难免出现谎报少报、避重就轻等情况,影响数据的真实性、可靠性。

b.数字孪生系统的信息共享难。在河湖治理过程中,全域范围内各部门需提供各个阶段的数据信息,以便在数字孪生系统中实现数字的回溯与编辑。但是,数据的信息化平台建设不够完善,河湖治理过程中彼此信息不通,部分例如手绘设计方案、河道规划、河岸线图等基础数据尚未归拢到统一的信息化平台上等问题,导致无法实现信息的完全融合共享,阻碍数字孪生数据库的建设。此外,数字孪生平台涉及多维度、多领域的河湖数据,而数据采集的尺度范围、计量单位涉及时间、物理、几何等参数类型,缺乏统一计量标准。并且各个水利部门之间多采用独立开发的系统,数据存储格式和计量方法存在差异,割裂严重,不成体系,无法构建数据间的内在关系,难以形成综合性的统一数据库。

2.2 系统使用:系统在不同环境下的适用面窄

a.纵向适用度窄,系统后续难以更新维护。随着环境改变、人类活动,原始数据中地形地貌、建筑设施、经济社会等基础数据都会受到影响。如果不做到及时更新,虚拟、物理世界的同步交互和后续模型的运行计算都可能会出现偏差。此外,持续运行更新下的数据会增加数字孪生数据库内在关联的复杂性和不稳定性,需要定期检查修补以保证系统有效运行。这需要有庞大的研究费用投入,但各部门在水环境治理的规划上各自为政,相互之间体制融合较难的现状导致在水环境保护方面,财政投入和社会资金参与都缺乏相关的制度设计,部门之间协调较为困难,长期有效的投融资管理机制难以建立[36]。

b.横向适用度窄,造成系统存在因地制宜问题。一方面,数字孪生系统的建立需要庞大的数据库作为支撑,因此需要以较大的物理流域作为数据来源的基础,从而满足数据全面性和可获得性的要求。然而同一流域下的水系网络环境复杂,不同的河湖之间存在一定的差异,全流域单位下的数字孪生系统对在同一流域下的不同河湖间的适用性有待考究。另一方面,在模拟推演过程中,数字孪生系统的数据分析主要依靠历史经验、其他地区的数据、人为设定的模型,难以解决细分领域下不同河湖间的特殊性和自然环境的差异性问题,未做到因地制宜、灵活变通。

c.仿真适用度窄,系统模型运行受阻。数字孪生技术可以通过数据处理、分析在虚拟体上进行模拟推演,并反馈给物理实体,减少人工判断的时间和人为操作的错误,使治理流程简洁化、精准化。但在现实技术层面上,模型建构中现实问题的高度复杂性往往超出了数理模型所能覆盖的范围,无法在方程与模型中准确反映,导致数字孪生系统的运行出现偏差甚至决策错误。

2.3 系统管理:系统与河长、群众的关系难处理

a.系统智能化与人工决策权的平衡关系不够稳定。数字孪生技术是基于对历史经验数据的理性分析,本质上只是人工智能,而非真正的人类,无法完全理解社会问题并进行全面模拟,无法妥善处理涉及创新、情感等元素的问题。当数字孪生系统给出的结果用于辅助决策时,河长对系统决策的正确性和是否应该将算法作为决策依据缺乏合适的判断方式。河长因过度依赖系统算法而造成的问题处理不当等结果也易使事后的决策问责变得模糊[37]。人工智能的复杂性导致数字孪生系统开放设置的权限范围大小仍是难题。如何发挥数字孪生系统的智能决策作用、平衡好数字孪生系统的权限范围与治理流程的简化程度、做到数字孪生技术的智能化和人工决策自主权并重仍有待探索。

b.数字孪生系统与群众的双向互动不够充分。尽管数字孪生系统可以持续接收物理世界变化的数据,将数据具象化后映射到虚拟体上,并实时向群众更新,但这仍然只是对公众知情权的单向反馈。无论规划得如何亲民便捷,设计出了多少便于公众了解、监督水环境的渠道,数字孪生系统依旧是服务于河长制中自上而下的官员派遣治理模式,本质上只是使河长制的管理流程变得更加精简高效,无法从根本上解决公众参与的有效性。建设数字孪生公共平台只完成了对过去传统公开、监督、举报等手段在媒介形式上的转化,并不能完全实现对公众需求的回应。公众在河湖治理上的参与感只是从过去的视觉、嗅觉等表面感官认知发展到对水污染指数、水生态质量等专业参数有所了解,但仍然停留在被动接收信息的阶段,缺少主动提出建议、参与河湖治理、发挥公众价值的通道,并不能完全实现中央自上而下的官员管理和自下而上的公众参与相结合的双向联系。

3 数字孪生水利技术优化河长制实施的对策建议

虽然水利工程在信息化、智慧化方面已经有了较长时间的探索,但由于其具有大范围、长距离、环境复杂、传感器类型多而复杂等特点,数字孪生水利成为高度复杂的系统性工程,并呈现出多学科交叉、多领域融合的新形态[38]。在具体实践中,研究人员针对三峡大坝数字孪生工程的设计、开发、优化全过程提出了组织协调、沟通协商、资金来源等多方位的保障措施[39]。结合前文提出的问题,数字孪生水利技术的优化须得到从系统内部到外部环境全方位的支撑,以贯彻河长制的推行。

3.1 系统内部:完善数据管理体系,优化数据处理

目前水利系统下的相关数据获取、统一及整合力度不够,无法满足数字孪生数据库的要求。因此,政府首先需积极完善数字孪生信息平台建设,丰富现有信息底板。在现有河湖数据的基础上,升级扩展手绘河道规划、河岸线图等信息,确保河湖数据要素齐全。完善流域各网点数据信息联网,打破信息壁垒,实现全流域信息融合共享。其次,政府应对共享的河湖数据进行规范性和准确性复核,统一坐标、度量单位等,确保数据度量标准一致,构建流域一体化水利感知网。最后,政府亟须进行纵向及横向双重数据整合。纵向上结合省、市、县间的水利业务各项数据,完善各地区的物理感知及数据收集设备,提高数据精度。横向上结合水利系统、自然环境等各相关单位间的数据,为数据库建设提供全面的信息支撑。同时加快速度建设数据管理体系:设计合理的交互边界和数据接口,统一数据管理格式;对上传的异常数据进行自动筛选、剔除,并提供人机交互的数据修正功能;对数据进行深度挖掘与分析,构建不同数据间的内在联系和规律。具体措施上,各地政府可以参考2018年成立的上海市大数据中心的制度模式和2021年通过的《上海市数据条例》,构建全地区共享的数据资源体系,制定数据资源归类、共享、开放、应用、风险安全等技术标准及管理制度,由中心指导各级单位的数据管理、数据质量监督、大数据挖掘分析等工作,实现不同层级、部门、系统间的数据共享,在满足安全要求的前提下,最大程度促进数据流通和开发利用,赋能数字经济和社会发展。

3.2 项目支撑:加大研发投入,加强复合型人才培养

a.各级水利部门需将数字孪生技术作为重点项目进行落实,拓宽数字孪生系统的适用范围。各部门向上级领导积极争取资金支持,加大科研力度,并联合当地政府推进数字孪生系统的建立,在政府财政中增加研发投入的资金预算,为数字孪生水利系统全域数据电子化和系统可持续更新维护等提供资金支持。

b.水利部门需加强复合型人才队伍建设,为数字孪生技术的应用提供技术支撑。随着信息化时代的不断发展,水利部门需要丰富人才类型,打破传统“强专业、强水利”人才观念,拓展人才的专业覆盖面,引进更多熟悉计算机专业知识的复合型人才,建设科技创新人才培育基地,完善人才培养体系,营造良好的发展环境,推动人才熟悉制度建设、治理环境、落实工作,为数字孪生系统的因地制宜问题解决、模型建立、后续完善发展提供保障。

3.3 外在关系:平衡人机关系,促进技术改良

在数字孪生时代,技术智能化增强,人类能动性减弱,人类与数字孪生技术之间将不再是简单的使用者与工具间的利用关系,而是复杂的协作共生关系。如何处理好数字孪生技术使用过程中人与系统的关系,界定好河长的职责范围与孪生水利的权限边界成了新的问题。①在数字孪生技术中,系统的开放可见度至关重要。虚拟体决策的过程必须每一步是可知的,指令是清晰可操作的,事后是可溯源的。从而确保决策者能够了解决策的过程与原因,实时监测到虚拟体的动态决策变化,减少系统存在的固有偏差、安全风险和决策失灵等,做到事前规避、事后改善。②数字孪生技术只是辅助手段,系统决策应该与河长决策协作互补。当涉及情感、创新等人类与数字孪生技术的中间模糊地带的问题时,河长应处于主导位置,自主决定方案,确保人工自主性不被系统干扰,并在实操过程中对系统的模拟决策进行判断,确保决策的现实可解释性,达到以人为核心的决策目标。而数字孪生技术拥有的云计算、大数据等能力,可以完成数据处理、逻辑推理、迭代更新等任务,减轻河长负担,两者互相促进、相辅相成。③面对新兴的数字孪生技术,政府应该抛弃技术创新与风险之间此消彼长、零和博弈的想法,秉持着开放包容的态度,形成技术创新与风险规避并重的观念,由事后问责转为事前规避,不断促进数字孪生技术的改良优化,使其做出更智能的决策。

3.4 外界合作:打造开放式数字孪生公共服务平台

数字孪生公共服务平台对于水环境治理的有效性有着重要影响,因此需要加快数字孪生公共服务平台建设,突破封闭单向的传统政府管理模式,拓宽公众与政府的交流渠道,赋予公众更加多元化的参与表达和沟通渠道,实现数字化模型的共享与共建。在APP、公众号、小程序等大众平台上线的数字孪生服务平台,不仅要为公众对河湖、水利设施的了解提供渠道和对河长的事后监督提供帮助,还需要嵌入实时反馈、民意征询等公众反馈意见想法的事前治理通道,使得公众能对河长进行满意度评价并对河湖治理提出自己的想法,实现河长与公众的互动[40-41]。数字孪生公共服务平台一方面能够将收集到的信息直接反馈到各级河长端,由河长直接采取行动推动公众社会问题的解决。另一方面,平台能将社会问题、公众意愿诉求等通过模型计算、数字量化等转为机器语言输入数字孪生系统的终端,在数据库中实现公众意见与理性信息的融合,在河湖治理的过程中考虑公众的需求,实现河长行为被看见、公众心声被听到的双向互动,推动数字孪生技术在政府与公众之间的协同交流机制,加深纵向交流合作与需求对接,打造注重民意、公开透明、多元互动的新治理模式。地方政府应当持续深化和完善公众参与河湖治理机制,精简优化公众参与流程,降低协调沟通成本,形成以政府为核心,公众参与的全民治水新格局。

4 结 论

虽然河长制在中国已实施多年,但在实际过程中暴露出的许多问题并未得到妥善解决。随着数字技术的进步,数字孪生技术的交互性和智能化特点可以为河长制的进一步完善提供帮助。本研究从河长制中的不同参与者的角度讨论了数字孪生技术在河长制中的作用。从河长的角度来看,数字孪生技术可以为其提供更全面的信息支持,辅助决策;数字孪生技术可以避免信息流链过长和误报等问题,简化治理流程,帮助河长及时了解自己管理的河湖情况,及时反应。从主管部门的角度来看,数字孪生技术可以协助河长进行多目标决策,减少系统模糊带来的权责不清的问题。从公众参与的角度来看,政府可以借助数字孪生技术积极拓宽公众参与河湖治理的重要渠道,创建全民公开平台,实现多元联动。

然而,在目前的技术条件下,系统的建立、使用和管理上的诸多问题将阻碍数字孪生系统的推进。在建立系统时,现有数据质量低、共享难,无法满足数字孪生数据库要求;在使用系统时,还需解决系统更新维护、因地制宜和现实问题的复杂性等问题;在系统管理中,系统的智能化与人工决策权的平衡关系不够稳定,与公众的双向互动不够充分。因此,本研究提出了一些优化数字孪生水利系统的政策建议:在内部系统建设前期,政府应建立一个完善的数据资源系统;水利部门要加大对数字孪生技术的科研力度,培养更多专业人才,为数字孪生即使提供内部支持;在与外界的关系协调上,政府应明确河长的责任和数字孪生系统的权责边界,并考虑公众的需求,打造开放的政府与民众的互动平台。