数字孪生催动水利新质生产力与数字水利经济发展研究
2023年9月，习近平总书记在黑龙江考察期间首次提出“新质生产力”，这是在我国进入新发展阶段、面对全球科技革命和产业变革浪潮、传统生产力理论和模式已经无法满足高质量发展要求的背景下提出的新的论述。新质生产力是创新起主导作用，摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，以高科技、高效能、高质量承载新发展，以技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型升级催生新动能，以劳动者、劳动资料、生产关系的重构跃升撬动经济发展新支点，赋能生产效率大幅提升，激发经济活力，带动社会发展。
传统水利管理形态总体效率较低、协同决策困难，实时感知、水信互联、过程跟踪、智能调度等物联网体系的生产管理形态支撑薄弱，对变化环境适应性低，与人民群众对美好生活的向往有差距，迫切需要创新发展方式，以水利新质生产力的变革提升水利服务经济社会发展和满足人民群众需求的能力。本文以数字孪生水利带动水利行业的一系列变革为背景，探讨数字孪生促进水利新质生产力形成的途径，实证分析数字孪生带动数字水利经济发展的方式，提出进一步发展数字孪生技术促进水利新质生产力发展的实施路径。
01、水利新质生产力的特点与内涵
生产力三要素中，劳动者最活跃，包括数量、质量及其技能、知识和创造力；劳动资料是物因，相对稳定；劳动对象则是被改变产生新价值的此物或彼物。生产力是形成在一定社会关系中的客观事物，随着人类历史的发展而发展，随着各要素的变化而变化，不断推动着生产关系和社会制度的变革。在中国式现代化建设中，提高生产力是实现国家富强、人民幸福的基础。
与传统生产力相比，新质生产力有如下特点：劳动者的知识、创新和学习能力是推动发展的关键，劳动资料的网络、智能和进化性是提升效率的关键，劳动对象的新型、高端和高附加值性是其效果的集中体现。新质生产力的科技创新性，决定了其发展是知识密集型的，高度依赖知识和信息；是网络密集型的，高度依赖物联网协同；是进化密集型的，高度依赖自我学习能力。
水利新质生产力的表象与特点
水利新质生产力是新质生产力在水利行业的体现，除一般新质生产力特征外，还具有由水资源这一特殊载体传递而来的特点。
水利科技创新的重点是信息技术在水利行业的深度嵌入。然而，水利基础科学的水力学和水文学本身发展不充分，其表述多以经验公式和欧拉方法为主，使得水利行业实现数字化和信息化较其他行业更加困难。
水利新生产资料的核心是丰富的数据生产与积累以及信息共享。然而，水利数据获取难，存在获取手段不足、站点稀疏、质量不高等问题；另外，受行业传统和体制机制限制，有限的水利数据多呈条块分割，“数据孤岛”进一步制约了水利数据形成有效的生产资料。
水利新生产关系的要点是不断培育和完善社会主义市场经济。然而，由于行业特点及其具有公益属性，水利投资财务评价指标较低，吸引社会资本能力弱，无论是已形成的水利固定资产还是正在投入的水利建设资金，都难以盘活成有效的市场新动能。
水利新质生产力核心与内涵
新质生产力的特征是科技创新催生的劳动资料和生产关系的变革，表象是数字治理、数字产业和数字经济的高速形成。对于水利新质生产力来说，其发展的核心和内涵主要包括以下内容。
发展水利新质生产力的理论基础和关键技术
主动将信息技术基础理论嵌入水力学、水文学等水利基础学科，用物联网的指导思想和技术体系评价水利行业信息化改造的目标方向和任务效果。积极拥抱数字孪生，使水利行业内涵和外延发展全面实现从不能到能、从低效到高效。
建立水利新质生产力所要求的新生产机制
新质生产力的“新”体现在新技术、新模式、新产业、新业态、新动能，“质”体现在高质量、高科技、高效率和高素质，核心在于建立水利设施“3I”机制（Instrumented， Interconnected， Intelligent，即仪器化、网络化、智能化）和数据共享机制。
重构水利新质生产力所要求的新经济业态
全要素优化劳动者、劳动资料、劳动对象的关系，在若干具体应用层面探索重构业务流程和业务形态。全方位提升水利行业的资源效率、管理效率和财务效率，在若干具体应用层面探索市场经济的产业形态。
02、数字孪生促进了水利新质生产力发展
数字孪生促进水利新质生产力诞生及发展的机制，包括催动新一轮水利技术迭代升级、水利生产资料形成及水利生产关系调整。
▲数字孪生促进水利新质生产力发展机制
新质生产力形成的基本条件
纵观人类发展历史的生产力变革，不难发现，新生产力的形成都是以生产力三要素革命性变革为前提的。首先，要有科学技术革命性突破带来新动能；其次，要有科技进步推动的生产要素重新调整，产生新需求；最后是科技进步和生产要素调整引发新产业、新模式、新业态。
新质生产力也是如此。以信息技术为代表的科学技术全面突破，为各行各业的科技创新提供了全新基础；以智能网络大数据为代表的生产资料全面加入，正在推动生产要素的全新调整；以数字产业化和产业数字化为代表的新经济形态，将要占据经济总量的半壁江山。
新质生产力的形成是一个复杂的过程，需要上述条件的综合作用和相互促进。随着全球化和信息化的发展，这些条件也在不断变化和升级，推动新质生产力不断发展。
数字孪生催动水利技术迭代升级
科技创新是新质生产力的龙头，水利新质生产力同样如此。从数字黄河到数字孪生，水利科技不断创新，数字流域、水联网、数字治水、智慧水利等，为水利现代化注入新的活力，尤以数字孪生为重点，催动水利科技迭代升级。
促进水利科技的数字化发展
通过引入物联网、大数据、云计算和人工智能等，推动了水利行业的数字化发展，提高了水资源管理的效率、效益和效能，成为水利新质生产力的重要技术支撑。
促进对水利新技术的实践检验
通过预报、预警、预演、预案“四预”，促进了暴雨洪水精准预报、“互联网+农村供水”、数字孪生灌区、数字孪生水网以及智慧河长等新一代水利技术的应用，激发了数字治水的新动能。
助力水利人才的快速成长
数字孪生水利要求水利人才掌握信息技术，能将水利工程映射到数字世界并装入智慧“大脑”，七大江河数字孪生平台、49个数字孪生灌区先行先试建设，成为了水利人才快速成长的新摇篮。
数字孪生促进水利新生产资料形成
新生产资料是新质生产力的动力，水利新质生产力亦然。数字孪生通过技术融合与创新产生水利数据、水利模型和智控系统，通过模拟预演产生规划方案、调度策略和知识图谱，通过边缘计算促进水利设施网络化、智能化和自动化，促进了水利新生产资料的形成。
促进生产要素重新配置
传统水利的生产要素主要围绕工程、资本、水资源展开配置，数字孪生水利提出后，推动了水利生产要素向信息、数据、知识和人才配置的转变。这种配置转变，既是水利新质生产力的要求，也为新质生产力发展创造了新的条件。
促进水利大数据快速增长
数字孪生水利要求对流域、水网、水利工程和水利治理管理全过程进行数字映射、智能模拟和前瞻预演，这一过程产生了远超传统水利的大数据，在数字孪生水利平台整合下，形成了水利新生产资料，为水利现代化和智能化发展提供了基础。
促进水利设施向“3I”蜕变
仪器化（Instrumented）让水利设施具备传感器和监测功能，实现实时监控和数据收集；网络化（Interconnected）将水利设施联接起来，成为统一监控系统的重要部分；智能化（Intelligent）通过实时在线大数据分析，实现智能决策和自动处理。“3I”是新质生产力区别于其他生产力的重要特征。
数字孪生促使水利生产关系进行调整
新生产关系是新质生产力的必然要求，这既是由生产力和生产关系的本质属性决定的，更是由新质生产力的特点决定的。新质生产力科学技术的革命性创新及人工智能机器人的全面加入，将对传统的生产组织形式、管理方式和劳动分工产生全面挑战，促使水利生产关系相应调整。
重新定义角色和职责
数字孪生水利，一方面使管理层获取信息更加精确和实时、决策更加迅速和科学，管理层级扁平化进而提高决策效率；另一方面也要求工作层面掌握新的技能，如数据分析、模型构建等，从而改变其劳动方式。
重新优化资源配置
数字孪生的实时模拟和分析系统运行状态功能，能够更有效地优化配置和利用资源，如水资源、土地资源、光热能源和人力资源，协调多部门紧密合作，促进跨学科、跨领域的协作，减少浪费，提高资源利用效率。
改变利益相关者的关系
数字孪生水利可显著提高水利行业管理的透明度及延伸能力，有效协调政府与公众、政府与企业、企业与合作方的关系，强化公众对水利决策的理解、支持和参与，形成新质生产力下的“大伙伴”关系模式，促进水利市场经济发展，成为水利经济的新增长点。
03、数字孪生促进数字水利经济发展
数字黄河赋能，黄河25年不断流
2001年7月，水利部黄河水利委员会提出了“数字黄河”，利用数字信息技术对黄河流域全要素（如水沙运移过程、污染物和沉积物输送以及水利治理管理和决策方案）进行全过程映射、模拟、分析，对创新社会管理、保障和改善民生有着重要的现实意义。
数字黄河为增强黄河水量统一调度的科学性、提高调度精度和快速反应能力提供了强有力的支持，支撑了水量调度精细化管理，助力黄河流域多目标协调、区域经济布局和高质量发展，提升了流域资源利用效率，促进流域多方式、多层次的创新水平提升。黄河水量实施统一调度管理以来，沿黄各省份供水保障度趋于全面均衡，生态水量基本保证，2007—2021年利津站日均最小流量40.3m³/s，黄河断流得到遏制，为实现黄河连续25年不断流提供了保障。同时，入海水量显著增加，黄河河口三角洲生态环境得到持续改善，取得了显著的经济、社会和生态效益。
数字长江赋能，抵御6场持续洪水
长江流域具有世界规模最大的巨型水库群，科学进行水库群联合调度、提升长江防洪能力是长江流域治理的重中之重。
在数字长江框架下，长江上中游水库群联合调度系统在国内率先实现了预报调度一体化，极大提高了时效性。2020年长江流域遭受了连续6场大洪水，其中有5次强度达到编号标准。基于该系统的准确预报及调度分析，对长江流域41座水库实施联合调度，拦蓄洪水490亿m³，降低长江干流川渝河段洪峰水位2.9～3.3m，降低中下游干流宜昌至大通河段洪峰水位0.3～4m，避免宜昌至石首河段出现超保证水位，缩短中下游干流超警时间8～22天，发挥了巨大的防洪减灾效益。
数字孪生技术赋能长江流域洪水防御，推演特大洪水“降雨-产流-汇流-调度-演进”全过程，实时模拟洪水灾害的发生及演变，高效制定洪水应对措施，有效减轻了洪水灾害影响。数字孪生三峡防洪系统刚刚建成，就在2024年长江1号洪水防御中发挥了重要作用，彰显出数字孪生技术与防洪业务共融互馈的巨大潜力。
“互联网+”赋能，农村供水由亏转盈
宁夏回族自治区“互联网+农村供水”是水利部智慧水利和数字孪生流域建设的一次重要实践，也是水利新质生产力推动高质量发展的典型案例。宁夏地处西北内陆，是我国水资源最少的省份之一，饮水困难长期制约着当地群众的正常生活与生产，也是造成当地农村群众贫困的根本原因之一。
针对传统城乡供水工程点多、面广、线长，跑冒滴漏严重，管理成本高，供水保证率低等问题，宁夏“互联网+农村供水”引入基于物联网的水联网技术体系，提出了提高农村供水保障程度的水源、水厂、管网和入户四级伺服技术体系并付诸实施，农村供水系统整体可靠度提升，带动了农村供水的公共服务水平，成为撬动乡村振兴的新支点和新动能。
对宁夏最早开展“互联网+农村供水”的固原市彭阳县进行测算，实施“互联网+农村供水”的前一年，其水费收入远不能覆盖运行维护支出，亏损数百万元，主要靠政府补贴；“互联网+农村供水”实施后的第4年，供水系统整体可靠度从82%上升到96%，群众供水满意度从65%上升到98%，水费计收率从36%上升至98%。效率提升，降本增效，2020年彭阳县农村供水已由亏转盈。
▲宁夏固原市彭阳县“互联网 + 农村供水”实施前后
2019年9月和2024年5月，水利部分别在宁夏召开农村饮水安全工作推进会和农村供水高质量发展现场推进会，充分肯定“互联网+农村供水”的技术模式和体制机制创新，并向全国宣传推广。宁夏“互联网+农村供水”的实施，充分体现了水利新质生产力在推动农村供水数字治理、形成农村供水数字经济中的重要作用，也充分说明水利新质生产力是推动城乡一体化供水改革发展的重要动力。
数字治水赋能，水利经济发展高效集约
数字治水推进水资源节约集约高效利用，推动水利现代化。数字孪生水网对流域内自然与社会水循环进行实时监测和动态预测，进而实现对水资源总量和社会取、用、排水量的实时监测、模拟预测、优化分配，促进水资源节约集约高效利用、需求刚性合理、开发规模适度，为用水总量和强度控制双重管控提供智能决策基础，进而实现水资源利用空间均衡。
数字孪生技术通过创建物理实体的高精度虚拟副本，对灌区系统实时感知、水信互联、过程跟踪和智能处理，实现水资源的实时监测、智能调度和优化管理，提高了灌区水资源利用效率和农业生产效益。宁夏某大型灌区建立了数字孪生水联网现代化灌区管理系统，使灌区节水8.2%，水资源利用效率提高15%，农业生产效益提高10%，灌区生态环境得到有效保护。
▲宁夏某大型灌区数字孪生水联网现代化灌区管理系统
数字治水提升了涉水管理部门的生产效率，通过降低单位产出水消耗，为国民经济扩大生产提供更多的水生产要素，促进经济社会发展，产生数字经济效应。以宁夏为例，2011—2020年通过数字治水提升涉水管理部门效率而节约的水资源为国民经济生产提供了更多的可用水量，使得宁夏一、二、三产业增加值分别提升了21.1亿元、165.8亿元、38.44亿元。
04、结论与建议
水利新质生产力正在为水利现代化发展输入强劲动力，推动传统水利向智慧水利转变，带来水利及其所支撑的经济结构的升级和转型，创造新的水利产业模式和新的水利经济形态。只有主动拥抱新质生产力带来的各种挑战，才能适应时代发展趋势，提升创新能力和竞争力，优化水资源配置，促进社会和谐发展，保持行业领先地位，支撑经济社会创新发展。
勇敢拥抱以人工智能为代表的新生产力
提升水利科技创新能力是推动水利新质生产力的核心动力。积极采用人工智能技术，以提升生产效率和创新能力；加强人工智能的教育和培训，培养能够驾驭水利新质生产力的专业人才队伍；推动传统水利的智能化升级，发展智能监测、智能预报、智能调度和智能决策的新水利业态；出台相关政策，为人工智能在水利行业的研发、应用和推广提供良好的政策环境。
积极拥抱以实时感知为代表的新生产资料
充分利用物联网、传感器等技术实现生产过程的实时监测和数据采集；基于实时感知数据，进行智能分析和数据价值的挖掘，优化生产流程和资源配置，为行业和企业带来竞争优势；通过实时感知技术优化水资源管理链路，提高资产利用率，降低维护成本，延长设备寿命；实时感知技术使得生产线更加智能化，能够实时监控生产状态，预测和避免设备故障，从而提高生产效率和稳定性。
主动拥抱以数字治理为代表的新生产关系
构建新型生产关系，保障利益分配，完善政策制度保障，推动可持续发展。在治理模式上，采用数字化手段进行企业治理和政府监管，提高治理效率和透明度；在协作机制上，构建数字化平台，促进跨部门、跨行业、跨地区的协作与共享；在分配制度上，利用数字技术优化建立更加公平、合理的利益分配机制，确保各参与主体在水利新质生产力发展中能够公平分享收益；在法律法规上，完善数字治理相关的法律法规，通过合理的利润分配和激励机制，提高各方的积极性和参与度，保障新生产关系的健康发展。
全面拥抱数字时代变革带来的挑战
在技术层面，不断学习新技术，应对技术更新迭代带来的挑战，保持技术领先地位；在公平与效率层面，直面就业结构变化，确保治理的公平性，防止数字鸿沟的产生，提供职业培训和再教育，帮助劳动者实现转型和技能升级；在伦理层面，重视数据隐私、算法歧视等伦理问题，确保技术应用的正当性，减少数字技术引发社会心理的不适应，包括隐私泄露、失业恐惧等，通过必要措施缓解这些心理压力；在安全层面，加强网络安全防护，保护关键信息基础设施，防范数字时代的安全风险。
