数字孪生水利赋能水利新质生产力发展框架研究

钱 峰，夏润亮

（水利部信息中心，100053，北京）

近年来，随着劳动年龄人口逐年减少，我国人口数量红利快速消失，土地、资源供需形势发生变化，生态环境硬约束强化，支撑经济发展的主要驱动力已由生产要素高强度投入转向提高生产效率。随着气候变化和经济社会的快速发展，我国水资源供需矛盾日益突出，极端气象水文事件加剧，严重威胁我国水安全、粮食安全及生态环境安全。为了应对水安全问题，我国修建了点多面广的水利工程体系，这些工程体系在保障经济社会快速发展中发挥了重要作用，但仍存在精准预测预报、工程群智能化联合调度支撑薄弱等问题，制约着水利工程整体效益发挥。劳动密集型、经验依赖型的传统生产力模式已不能适应水利治理管理的高科技、高效能、高质量的时代要求。这就需要通过以知识密集型、数据主导型、创新驱动型为特色的新质生产力为新阶段水利高质量发展提供新的理论指导和实践指南。

一、深刻理解新质生产力的重要性

以数字化、网络化、智能化为主要特征的新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。从信息化到数字化再到数智化，数字科技从工具和技术支撑逐渐演变为高质量发展的关键引擎和新兴范式，成为构成新质生产力和新型生产关系的核心要素。

1.深刻认识新质生产力的内涵

高质量发展需要新的生产力理论来指导，而新质生产力已经在实践中形成并展示出对高质量发展的强劲推动力、支撑力，需要从理论上进行总结、概括，用以指导新的发展实践。新质生产力有别于传统生产力，涉及领域新，技术含量高，依靠创新驱动是其中关键。从经济学角度看，新质生产力代表一种生产力的跃迁，是科技创新在其中发挥主导作用的生产力，区别于依靠大量资源投入、高度消耗资源能源的生产力发展方式，是摆脱了传统增长路径、符合高质量发展要求的生产力，是更具融合性、更体现新内涵的生产力。

2.发展新质生产力是推动高质量发展的必然要求

习近平总书记指出，发展新质生产力是推动高质量发展的内在要求和重要着力点。新质生产力具有新一轮科技革命和产业变革的质态特征。我国进入高质量发展阶段，迫切需要摆脱传统经济增长方式，大力发展以高科技、高效能、高质量为特征，代表先进生产力发展方向的新质生产力。

高质量发展需要新的生产力理论来指导。从发展方式看，提高发展质量和效益，关键是要加快转变发展方式、调整生产结构，促进生产力增长由主要依靠增加物质资源消耗向主要依靠科技进步、劳动者素质提高、管理创新转变。从投入产出看，高质量发展应该不断提高劳动、资本、土地、资源、环境的效率，不断提升科技进步贡献率，不断提高全要素生产率。新质生产力是创新起主导作用，以全要素生产率大幅度提升为核心标志，就是要摆脱传统生产力发展路径，不断形成先进的生产力。发展新质生产力正是在遵循和把握生产力发展规律、调整和变革生产关系中，通过技术革命突破，促进劳动者、劳动资料、劳动对象的动力结构优化，实现生产要素的创新性配置，推动发展的质量变革、效率变革、动力变革，最终实现高质量发展。新质生产力和高质量发展均坚持并创新运用了马克思主义唯物史观和辩证法，结合中国当代发展实践特征，围绕回答新时代发展要素、结构、动力和趋势等重大问题，是高质量发展的必然要求。

3.新质生产力为高质量发展赋能

新质生产力作为新发展阶段激发高质量发展新动能的决定性力量，其瞄准世界科技进步的前沿，着眼于加快推进我国现代化进程。发展新质生产力是推动我国经济社会高质量发展的重要动力，也是提升我国国际竞争实力的重要支撑，是更好满足人民群众对美好生活需要的必然之举。

技术革命性突破为高质量发展提供革新动力。新质生产力中的新技术，是对传统的模仿式、渐进式的科技创新的超越，是对前瞻性、颠覆性关键核心技术进行突破而产生的。新质生产力内含的突破性科技一经出现，必将有力推动战略性新兴产业和未来产业不断涌现，赋能传统产业不断向高附加值、高效益的产业攀升，提升产业韧性和自主可控能力。

二、数字孪生水利是发展水利新质生产力的关键路径

要发展水利新质生产力，就要深刻理解、深入解析如何把创新技术与水利业务需求深入融合的问题。要将革命性突破技术在水利行业落地，进而引导水利生产要素的创新性配置，实现水利产业深度转型升级，并且优化水利劳动者、生产资料、劳动对象的组织关系，提升水利高质量发展的能力。

水利是自然对象、人造设施、社会活动共同组成、相互作用的开放复杂巨系统，其状态复杂、过程复杂、控制调度复杂，无法在现实世界进行所有边界条件下的场景预演。通过数字孪生水利系统，融合各类专业、智能的水利专业数学模型、人工智能模型，结合业务规则、专家经验、历史案例等，挖掘水利设施运行的内在规律，分析模拟水利设施在常态、极端或特定场景的运行状态，开展实时监控、问题发现、优化调度，最终达到风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施的目标。

数字孪生水利体系由数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程构成，充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程等新型基础设施，实现流域防洪、水资源管理与调配等“2+N”业务应用“四预”（预报、预警、预演、预案）功能，提升水利治理管理数字化、网络化、智能化水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。图1为数字孪生水利赋能水利新质生产力发展框架图。

图1 数字孪生水利赋能水利新质生产力发展框架图

1.数字孪生水利推动水利生产要素创新性配置

生产要素指进行社会生产经营活动时所需要的各种社会资源，包括土地、劳动力、资本、技术、数据等。传统水利行业生产要素主要为水利工程建设、开发、运行、管理和水利业务过程中的人、财、物。数字孪生水利推动水利生产要素从传统侧重于土地、资本、劳动力等的配置模式创新转变为技术、信息、知识、数据等为主导的配置模式。

2023年12月，国家数据局印发《“数据要素×”三年行动计划（2024—2026年）》，发挥数据作为生产要素的放大、叠加、倍增作用，构建以数据为关键要素的数字经济，推动高质量发展。数字孪生水利就是以数据作为基础的新型水利基础设施，通过数字化智能化技术创新，催生数字孪生水利数据、模型、知识“四预”智能业务应用等新产业，构建标准统一、协同共享的模型平台、知识平台等新产品，为流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理“四统一”提供新服务，形成依托数字孪生手段开展业务的新模式等。通过数字孪生水利的赋能，水利新质生产力链接、渗透、重组、赋能水利工程等传统生产力要素，扩展传统生产力的效率边界，提升水利高质量发展水平。

2.数字孪生水利促进水利劳动者、生产资料、劳动对象及其优化组合跃升

数字孪生水利可促进水利劳动者、生产资料、劳动对象及其优化组合进一步跃升。劳动者方面，数字孪生水利建设推动单一水利专业背景，从事大量劳动密集型、经验依赖型传统水利工作的劳动者，向多专业交叉，掌握水利、计算机、气象、地理、海洋等多学科知识，从事创新工作的劳动者跃升；生产资料方面，数字孪生水利促进水利生产资料从传统的土石料、建筑工具等向科学技术驱动、知识产权工具、管理机制保障等方面跃升；劳动对象方面，数字孪生水利促进劳动对象从传统的物质、原材料等对象向重构业务流程以及生产新的业务数据、业务方案、知识信息等新型生产对象跃升。

当前，以新一代信息技术、大数据、云计算、人工智能、物联网等为代表的数字技术革命和数字经济正在深刻改变人类社会，同样影响着以水利为代表的传统行业，成为新质生产力赋能的重要对象。数字化、网络化、智能化是新质生产力发展的重要手段和体现，数字孪生水利通过促进水利劳动者、生产资料、劳动对象及其优化组合的跃升，推动水利新质生产力的发展。

3.数字孪生水利是推动水利高质量发展的关键

水利高质量发展是我国高质量发展体系的重要组成。水利部党组将推进数字孪生水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的显著标志和重要路径，对于新质生产力具有很好的契合性。

数字孪生水利推动了新质生产力的培育和发展。数字孪生水利的建设和应用，促进了水利行业的数字化转型和智能化升级，提升了水利工作的效能和效果，创新了生产要素、生产资料和对象，培育了技术创新人才、数据分析专家和智能设备制造商等，创新了劳动者，为新质生产力的发挥创造了条件。

数字孪生水利的发展也带来了新的发展机遇和业态。数字孪生水利的应用涉及流域防洪、水资源管理与调配、智能用水设备等多个领域，推动了相关水利产业链的发展和壮大。这些新兴产业和业态为水利行业发展创造了新的方向和动力，进一步推动了新质生产力在水利行业的形成与发展。

三、以数字孪生水利建设引领水利新质生产力发展

数字孪生水利是新质生产力在水利领域的具体表现，其内涵是利用先进的信息技术和创新手段，推动水利领域的现代化转型和升级，即借助物联网、大数据分析、人工智能等先进技术，实现对水的智能感知、精细管理和智能决策。这种技术应用和创新模式，提高了水的利用效率、管理水平和服务质量，从而为经济社会发展提供有力水安全保障。数字孪生水利是水利新质生产力的显著代表、主要组成和核心驱动。数字孪生水利涉及多学科交叉、新技术融合，有诸多重点和难点，需要以新质生产力理论为指导，以算据为要素，以算法和算力为工具，以应用需求为牵引，引领水利新质生产力发展。

1.推进七大流域数字孪生整体立项建设

按照“政治工程、优质工程、廉洁工程”的标准，统筹推进国家数字孪生水利工程建设，通过建成七大江河数字孪生流域，建设动态更新的数据底板、精准高效的模型知识平台、安全可靠的信息化基础设施和网络安全防护体系，建成水利部和七个流域管理机构具有较强“四预”功能的数字孪生流域，初步实现大江大河大湖及其主要支流等的“降水-产流-汇流-演进”流域防洪“四预”业务全覆盖，提升水旱灾害防御快速响应能力和决策支撑水平；在跨流域跨区域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，提高水资源科学管控和精细调度支撑能力；水利工程建设与运行管理、河湖管理、农村水利水电等N 项业务数字化、网络化、智能化水平显著提升，为水利决策管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持，培育水利新质生产力，驱动引领新阶段水利高质量发展。

2.实施“天空地”一体化监测感知夯基提能行动

实施“天空地”一体化监测感知夯基提能行动，锚定构建数字化场景的目标，建立“天空地”一体化水利感知网，构建全国统一、及时更新的数据底板，保持与物理流域交互的精准性、同步性、及时性，全面提升水利对象全要素和治理管理全过程智能感知能力，推进物理流域监测系统科学建设和高频乃至在线运行，为数字孪生水利的高保真建设运行提供算据支撑。通过行动的实施，落实水利新质生产力理念下以数据、信息、科技为核心的新型生产资料的升级，为水利新质生产力发展夯实数据基础。

3.发挥数字孪生水利样板示范作用

统筹推进数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程建设，发挥好数字孪生水利十大样板的示范带动作用。持续推进省级水网先导区及南水北调工程数字孪生水网建设先行先试，总结提炼典型经验做法，加强经验推广和示范宣传。同时，加强对市、县级数字孪生水网建设的技术指导，加强以数字孪生水利为标志的新质生产力理念和技术在数字孪生水网、工程先行先试建设中的深入融合，以数字孪生水利促进以数据、流程机制等为代表的生产要素升级。

4.构建水利数学模型通用平台

算法是物理流域自然规律的数学表达，是数字孪生水利建设的核心，通过数学模拟技术对水利业务应用进行精准化模拟支撑，以创新性和融合性体现水利新质生产力的内涵。一方面要加强技术攻关，加快建设水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水生态、水利工程安全等水利专业模型，提升算法的先进性和实用性。另一方面要构建部本级和流域协同的数学模型平台，从顶层设计数学模型标准化封装体系、模型组耦合计算标准，开发模型前后处理的工具组件，支撑数字孪生的在线计算和同步仿真能力。统筹数学模型的需求侧、供给侧和管理侧，通过模型的公开评测遴选细分领域的优秀数学模型，促进专业模型加快发展。

5.研发水利大模型

推进水利大模型的自主研发，以技术创新助力水利新质生产力发展。在全国水利一张图、水利部数字孪生模型平台的基础上，基于大模型遴选、领域训练以及知识图谱强化等技术研究，构建具备先进性、实用性、集成性、开放性、可靠性、安全性，实现“听懂水利话”“会分解水利任务”“可调用水利专业模型”“可演示水利需求”“可驱动水网运行”，具备语言理解、业务推理、计算展示、终端应用等核心能力的水利大模型，并在“2+N”业务中运用，逐步形成水利领域大模型共建共享体系。

6.增强水利算力水平

算力包括计算、存储、网络通信的资源和会商环境等。算力是数字孪生水利高效稳定运行的重要支撑，是水利新质生产力新型生产要素的主要存储载体，必须适度超前。要根据数据处理、模型计算的需要，扩展计算存储资源，升级通信网络，完善会商环境，提升算力水平，使其高效快速、安全可靠，确保对数字孪生算法计算和算据存储的支撑保障。通过数字孪生水利算力建设，大幅度带动水利国产化软硬件产业的扩展，充分发挥水利新质生产力推动水利生产要素创新性配置的作用。

7.完善数字孪生水利标准体系

在水利技术标准体系框架下，根据数字孪生水利建设工作实际需求，结合数字孪生水利标准基本功能，推进包括通用、设计、施工与安装、运行维护、质量与评价、安全与监督、监测预报等七类标准的数字孪生水利标准体系建设，与水利技术标准体系中的水文、水资源、水旱灾害防御等专业大类相关标准协同构建可操作可考核的数字孪生水利标准体系。

8.打造具有“四预”功能的智能应用

推进打造水利业务“四预”功能智能应用，强化应用思维，优化业务流程，创新业务模式，构建流域防洪、水资源管理与调配等覆盖水利主要业务领域的智能化应用和管理体系，实现对业务事件的精准化决策，以水利新质生产力发展加强水利业务模式深度转型升级。其重点是流域防洪和水资源管理与调配两大智能业务应用系统建设。流域防洪智能业务应用系统方面，水利部本级、7 个流域管理机构和32 个省级水行政主管部门，基于数字孪生平台，搭建“1+7+32”的流域防洪“四预”业务平台，提高风险早期识别和预报预警能力，切实加强重大风险预测预警能力，实现风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施，确保水利决策精准安全有效。水资源管理与调配智能业务应用系统方面，基于数字孪生平台，逐步建立流域和区域水资源总量、初始水权分配以及经济社会发展指标综合台账，明确取用水总量控制红线，实施取用水量和生态水量等要素在线监测，提高水资源优化配置和实时、智能调度水平，通过水利新质生产力发展，优化升级完善从流域、区域到全域的水资源管理与调配体系。此外，面向其他N 项水利业务应用需求，构建水利工程建设与运行管理、河湖长制管理、水土保持、农村水利水电等业务智能化应用，优化水利业务的管理应用模式，提升业务工作的效率和科学化水平。

9.培养水利新质生产力新劳动者

人才培养是全面推进数字孪生水利建设和水利新质生产力发展的基石。全面做好第一批数字孪生水利卓越工程师培养，面向世界科技前沿和水利高质量发展重大需求，结合数字孪生水利建设实际，培养熟练掌握数字化、网络化、智能化等领域交叉融合新知识、新技术的复合型创新人才，探索解决构建数字化场景、开展智慧化模拟、实现精准化决策中的核心问题和关键技术，以水利新劳动者保障水利新质生产力发展。

四、结 语

以数字孪生水利为代表的水利新质生产力是水利高质量发展的显著标志和实施路径。本文就新质生产力的内涵和意义、数字孪生水利建设与新质生产力的理论联系以及以数字孪生水利建设引领水利新质生产力发展的具体途径，阐述了发展以数字孪生水利为标志的水利新质生产力的重要意义，为全面推进数字孪生水利建设、发展水利新质生产力、驱动引领水利高质量发展贡献力量。