數(shù)字孿生驅(qū)動的水-能-糧-生耦合系統(tǒng)協(xié)同治理新范式

A new paradigm for digital twin-driven Water-Energy-Food-Ecosystem (WEFE) nexus collaborative governance

王浩12，孟現(xiàn)勇2?，丁建麗2?，杜丙照?，李江??，劉可欣

1.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.新疆理工學(xué)院，843100，阿克蘇；3.新疆河（湖）長學(xué)院，843100，阿克蘇；4.塔里木河流域智慧水利與生態(tài)治理研究院，843100，阿克蘇；5.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳，830063，烏魯木齊；6.山東省臨沂市氣象局，276004，臨沂

摘要：西北內(nèi)陸河流域承載我國35.9%的國土面積卻僅擁有5.7%的水資源總量，在全球氣候變化和高質(zhì)量發(fā)展雙重驅(qū)動下，傳統(tǒng)“就水論水”的單要素治理模式已無法破解流域系統(tǒng)的復(fù)雜巨系統(tǒng)難題。基于“自然-社會”二元水循環(huán)理論和系統(tǒng)工程理念，提出數(shù)字孿生驅(qū)動的水-能-糧-生（WEFE）耦合系統(tǒng)協(xié)同治理理論體系。該體系創(chuàng)新構(gòu)建了“技術(shù)-管理-機(jī)制”三重治理范式，通過物理流域與虛擬流域深度融合的數(shù)字孿生體，建立“感知-計(jì)算-服務(wù)-應(yīng)用”四層架構(gòu)和“感知-認(rèn)知-決策-行動”閉環(huán)調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)從“看得見”到“看得清”、從“事后分析”到“事前預(yù)判”、從“被動應(yīng)對”到“主動調(diào)控”的根本性變革。理論內(nèi)涵覆蓋WEFE四要素非線性耦合機(jī)理、多元主體協(xié)同治理機(jī)制和動態(tài)適應(yīng)性調(diào)節(jié)機(jī)制三個核心維度。協(xié)同治理機(jī)制突破傳統(tǒng)部門分割，構(gòu)建政府-市場-社會多元共治、利益協(xié)調(diào)和動態(tài)調(diào)節(jié)的現(xiàn)代化治理體系。技術(shù)體系突破多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、多尺度模型耦合、智能優(yōu)化算法和實(shí)時仿真計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。通過分階段實(shí)施路徑和全方位政策保障，以塔里木河流域2000年以來生態(tài)輸水實(shí)踐為例驗(yàn)證了該理論框架的科學(xué)性和有效性。指出該體系可為破解西北內(nèi)陸河流域資源環(huán)境約束提供系統(tǒng)性解決方案，為支撐西部大開發(fā)與“一帶一路”水安全戰(zhàn)略提供科技支撐

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；內(nèi)陸河流域；水-能-糧-生耦合；協(xié)同治理；治理現(xiàn)代化；流域治理現(xiàn)代化；系統(tǒng)工程

作者簡介：王浩，中國工程院院士，主要從事水文水資源研究

通信作者：孟現(xiàn)勇，新疆河（湖）長學(xué)院院長，教授，主要從事智慧水利與防災(zāi)減災(zāi)研究。E-mail：xymeng@cau.edu.cn

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)“天池英才”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2024TCLJ01）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.18.001

引言

西北內(nèi)陸河流域是我國面積最大的內(nèi)流區(qū)，覆蓋國土面積約349.5萬km2，包括塔里木河、準(zhǔn)噶爾河、河西走廊諸河、柴達(dá)木盆地諸河等重要流域，是維護(hù)國家生態(tài)安全、水安全、糧食安全、能源安全的重要屏障。鄧銘江在研究中國西北“水三線”空間格局時指出，西北地區(qū)面積占國土總面積的35.9%，水資源約占全國水資源總量的5.7%，水是西北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的生命線。進(jìn)入新時代，隨著生態(tài)文明建設(shè)深入推進(jìn)和高質(zhì)量發(fā)展要求不斷提升，尤其在西部大開發(fā)、共建“一帶一路”背景下，塔里木河作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)的生態(tài)命脈，其水安全直接關(guān)系到區(qū)域能源基地布局、糧食安全保障及邊境生態(tài)屏障穩(wěn)定，流域治理面臨前所未有的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路和關(guān)于治水重要論述精神正在西北內(nèi)陸河地區(qū)深入貫徹。一方面，水資源剛性約束制度全面實(shí)施，“四水四定”（以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)）理念逐步落地，以水資源承載能力為剛性約束的優(yōu)化發(fā)展格局正在形成。蔡陽在構(gòu)建智慧水利體系研究中強(qiáng)調(diào)以數(shù)字孿生流域建設(shè)為核心是新時代智慧水利發(fā)展的必然選擇，突出體現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能。另一方面，西部大開發(fā)、共建“一帶一路”、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等戰(zhàn)略深入實(shí)施，能源開發(fā)、糧食安全、生態(tài)保護(hù)等多重任務(wù)交織疊加，傳統(tǒng)治理模式難以統(tǒng)籌兼顧。特別是在全球氣候變化背景下，Chen等在塔里木河流域氣候變化研究中發(fā)現(xiàn)，過去50年研究區(qū)域氣溫顯著上升約1℃，降水量在20世紀(jì)70年代顯著減少后在80年代和90年代大幅度增加，年平均降水量每十年增加6.8mm，溫度與徑流量增加的關(guān)聯(lián)趨勢明顯，1986年前后出現(xiàn)了溫度和降水的階躍變化。這種水文過程的復(fù)雜變化和極端天氣事件頻發(fā)，使得流域水循環(huán)過程更加復(fù)雜，不確定性顯著增強(qiáng)，對治理能力提出更高要求。

當(dāng)前流域治理存在的主要問題集中體現(xiàn)在：治理理念相對滯后，仍以單要素、單部門治理為主，缺乏系統(tǒng)性思維和整體性考量；治理方式相對粗放，主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷和靜態(tài)管理，缺乏精準(zhǔn)化、智能化、動態(tài)化手段；治理機(jī)制相對分散，各部門各自為政，跨部門、跨區(qū)域、跨行業(yè)協(xié)調(diào)不夠，難以形成治理合力；治理效果相對有限，往往顧此失彼，難以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化和系統(tǒng)效益最大化。這些問題，根本原因在于對流域作為復(fù)雜巨系統(tǒng)的認(rèn)識不足，缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)和先進(jìn)技術(shù)支撐，“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的傳統(tǒng)治理模式已經(jīng)無法適應(yīng)新時代的要求。

近年來，數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展并加速與傳統(tǒng)行業(yè)融合，為流域治理現(xiàn)代化提供了前所未有的技術(shù)機(jī)遇。數(shù)字孿生作為物理世界與數(shù)字世界深度融合的重要載體，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的全息映射、實(shí)時交互、智能調(diào)控，為破解流域治理難題提供了新的技術(shù)路徑。Wang等在研究長江數(shù)字孿生系統(tǒng)時指出，構(gòu)建流域數(shù)字孿生體可以有效預(yù)防洪水災(zāi)害，通過物理世界與數(shù)字世界的深度融合實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警和調(diào)控。與此同時，水-能-糧-生（Water-Energy-Food-Ecosystem，WEFE）耦合系統(tǒng)的理論框架日益完善，為統(tǒng)籌多要素協(xié)同治理提供了科學(xué)基礎(chǔ)。如何將先進(jìn)技術(shù)與科學(xué)理念有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建適應(yīng)新時代要求的流域協(xié)同治理體系，既是重大的理論問題，也是緊迫的實(shí)踐需求。在這一背景下，本文系統(tǒng)提出基于數(shù)字孿生的西北內(nèi)陸河流域WEFE耦合系統(tǒng)協(xié)同治理理論，旨在為新時代流域治理現(xiàn)代化提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐路徑。

數(shù)字孿生驅(qū)動的WEFE耦合系統(tǒng)理論內(nèi)涵

數(shù)字孿生流域的理論內(nèi)涵，體現(xiàn)了信息時代對流域系統(tǒng)認(rèn)知和治理方式的根本性變革。傳統(tǒng)的流域治理主要基于有限的觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)判斷，往往存在信息不完整、認(rèn)知不準(zhǔn)確、決策不科學(xué)等問題。數(shù)字孿生流域則運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建與物理流域鏡像對應(yīng)、實(shí)時交互的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從“看得見”到“看得清”、從“事后分析”到“事前預(yù)判”、從“被動應(yīng)對”到“主動調(diào)控”的根本轉(zhuǎn)變。李文正在數(shù)字孿生流域研究中指出，數(shù)字孿生流域是通過綜合運(yùn)用新一代信息技術(shù)及其多種技術(shù)組合，構(gòu)建“平行于”物理流域特征數(shù)據(jù)映射形成的數(shù)字空間，在流域數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)流域仿真、模擬及推演，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)合決策和調(diào)度決策管理。其理論基礎(chǔ)涵蓋了三個層面深刻內(nèi)涵：物理層面，基于王浩提出的“自然-社會”二元水循環(huán)理論，全面刻畫自然水循環(huán)和社會水循環(huán)的演變規(guī)律及其相互作用機(jī)制，構(gòu)建流域水循環(huán)的完整圖景，這為數(shù)字孿生流域提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)；信息層面，通過多源數(shù)據(jù)融合、多模型耦合、多尺度集成，實(shí)現(xiàn)對流域系統(tǒng)狀態(tài)的全時空、全過程、全要素?cái)?shù)字化表達(dá)，形成流域“數(shù)字底座”；智能層面，基于人工智能技術(shù)，構(gòu)建具備自主學(xué)習(xí)、智能推理、動態(tài)優(yōu)化能力的智慧決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域治理從傳統(tǒng)的“人工決策”向“智能決策”轉(zhuǎn)變。三個層面相互支撐、有機(jī)統(tǒng)一，共同構(gòu)成了數(shù)字孿生流域的理論基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生流域通過建立“感知-認(rèn)知-決策-行動”閉環(huán)調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了流域治理的智能化和自適應(yīng)化。

數(shù)字孿生流域“感知-認(rèn)知-決策-行動”閉環(huán)調(diào)控機(jī)制

感知環(huán)節(jié)通過天空地一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時獲取流域水文氣象、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等多維度信息，構(gòu)建流域狀態(tài)的全息感知體系；

認(rèn)知環(huán)節(jié)運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜等技術(shù)，對感知信息進(jìn)行深度挖掘和智能分析，識別流域系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律和潛在風(fēng)險，形成對流域狀態(tài)的深度認(rèn)知；

決策環(huán)節(jié)基于認(rèn)知結(jié)果，運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化、情景分析、專家系統(tǒng)等方法，生成科學(xué)合理的調(diào)控方案和應(yīng)對策略；

行動環(huán)節(jié)將決策方案轉(zhuǎn)化為具體的工程措施、管理措施和政策措施，并通過自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)執(zhí)行。

更為重要的是，該閉環(huán)機(jī)制具備自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化能力，行動結(jié)果會實(shí)時反饋到感知環(huán)節(jié)，形成持續(xù)的迭代優(yōu)化過程，不斷提升系統(tǒng)的智能化水平和適應(yīng)能力。陳云峰等在智慧水務(wù)系統(tǒng)研究中強(qiáng)調(diào)，閉環(huán)反饋機(jī)制是實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)智能化運(yùn)行的關(guān)鍵，通過“感知-分析-決策-執(zhí)行-反饋”的完整鏈條，能夠顯著提升水資源管理的精準(zhǔn)性和時效性。這種閉環(huán)調(diào)控機(jī)制不僅實(shí)現(xiàn)了從被動治理向主動治理的轉(zhuǎn)變，更重要的是建立了流域系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下保持治理效果的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

WEFE耦合系統(tǒng)體現(xiàn)了流域多要素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)整體性，其理論內(nèi)涵遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的單要素分析范疇。張力小等在城市“食物-能源-水”關(guān)聯(lián)關(guān)系研究中指出，食物、能源、水要素間存在密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系（Nexus），即其中任何一項(xiàng)資源的生產(chǎn)與供給均依賴于另外兩項(xiàng)資源，并從“資源依存”“資源供給”“系統(tǒng)集成”等視角構(gòu)建了關(guān)聯(lián)關(guān)系概念框架。在西北內(nèi)陸河流域這一特殊地理環(huán)境中，水資源作為最稀缺的自然資源，不僅是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)，更是連接能源開發(fā)、糧食生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)的紐帶。粟曉玲在農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究中指出，變化環(huán)境下我國水資源供需矛盾加劇，農(nóng)業(yè)作為主要用水部門，其發(fā)展規(guī)模和種植結(jié)構(gòu)很大程度上取決于水資源的可利用量，而農(nóng)業(yè)用水效率的提升又能為其他行業(yè)讓出發(fā)展空間。

水資源的時空分布直接影響能源基地的布局和開發(fā)強(qiáng)度，水電、火電、化工等能源產(chǎn)業(yè)都離不開水資源支撐，同時能源開發(fā)又會改變水資源的配置格局和利用方式。生態(tài)用水作為維系流域生態(tài)安全的底線需求，既約束著水資源的開發(fā)利用強(qiáng)度，又需要通過合理的水資源配置來保障。王文科等在旱區(qū)地下水水文與生態(tài)效應(yīng)研究中強(qiáng)調(diào)，旱區(qū)地下水不僅影響地表生態(tài)系統(tǒng)，更是維系整個區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵要素。這種復(fù)雜的相互關(guān)系表明，WEFE四要素不是簡單的線性關(guān)系，而是一個相互依存、相互制約、相互促進(jìn)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具備要素耦合性、目標(biāo)協(xié)同性、管理集成性。要素耦合性體現(xiàn)在各要素間存在多重反饋回路和非線性相互作用；目標(biāo)協(xié)同性體現(xiàn)在各要素既有相對獨(dú)立的發(fā)展目標(biāo)，又需要在更高層面實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，追求經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益的有機(jī)統(tǒng)一；管理集成性體現(xiàn)在需要統(tǒng)籌水利、能源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、生態(tài)環(huán)境等多個部門的政策措施，破除部門壁壘，形成綜合性的治理體系。WEFE耦合系統(tǒng)資源交換與依賴關(guān)系見下圖。

WEFE耦合系統(tǒng)資源交換與依賴關(guān)系

協(xié)同治理作為現(xiàn)代治理的重要理念，強(qiáng)調(diào)多主體、多層次、多方式的有機(jī)結(jié)合，其在流域治理中的應(yīng)用具有特殊的復(fù)雜性和重要性。流域作為自然地理單元，往往跨越多個行政區(qū)域，涉及多個管理部門，需要統(tǒng)籌多種利益關(guān)系，這使得協(xié)同治理成為必然選擇。

主體協(xié)同要求政府、市場、社會多元主體共同參與，各司其職、各負(fù)其責(zé)，形成治理合力。政府作為公共利益的代表，主要負(fù)責(zé)頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、監(jiān)督執(zhí)法；市場作為資源配置的重要力量，主要發(fā)揮優(yōu)化配置、提高效率的作用；社會作為治理的重要參與者，主要承擔(dān)監(jiān)督評價、意見表達(dá)、協(xié)調(diào)溝通的職能。

空間協(xié)同要求統(tǒng)籌上下游、左右岸、干支流關(guān)系，破除行政區(qū)劃分割，實(shí)現(xiàn)全流域一體化治理。上游地區(qū)要承擔(dān)好水源涵養(yǎng)和生態(tài)保護(hù)責(zé)任，中游地區(qū)要平衡好開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)關(guān)系，下游地區(qū)要提高用水效率并承擔(dān)相應(yīng)的生態(tài)補(bǔ)償責(zé)任。

時間協(xié)同要求統(tǒng)籌當(dāng)前與長遠(yuǎn)、應(yīng)急與常態(tài)、建設(shè)與管理，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理。既要解決當(dāng)前面臨的突出問題，又要著眼長遠(yuǎn)發(fā)展需要；既要應(yīng)對突發(fā)事件和極端情況，又要建立常態(tài)化管理機(jī)制；既要加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，又要注重運(yùn)行管理和維護(hù)。

要素協(xié)同要求統(tǒng)籌水資源、土地資源、生態(tài)資源配置，實(shí)現(xiàn)多要素協(xié)調(diào)發(fā)展，這是協(xié)同治理的核心內(nèi)容，也是最大的難點(diǎn)所在。

數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)構(gòu)建理論

數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)的構(gòu)建需要遵循系統(tǒng)工程理念，采用分層分級的架構(gòu)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性。Shehadeh等在城市可持續(xù)性研究中通過對450個定性訪談的分析發(fā)現(xiàn)，社區(qū)對節(jié)水實(shí)踐的知識水平達(dá)到80%，但對當(dāng)前資源管理的滿意度僅為35%。分析預(yù)測，未來十年內(nèi)水資源稀缺程度將增加25%，能源需求將激增18%。研究表明，數(shù)字孿生技術(shù)在WEFE關(guān)系管理中的應(yīng)用能夠顯著提升資源管理效率，通過模擬資源配置和環(huán)境影響支持可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)采用“感知-計(jì)算-服務(wù)-應(yīng)用”四層架構(gòu)，每一層都有其特定的功能定位和技術(shù)要求。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)的四層架構(gòu)包括感知層、計(jì)算層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

▲數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)四層架構(gòu)體系

感知層作為系統(tǒng)的“神經(jīng)末梢”，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和信息感知的重要職責(zé)，需要構(gòu)建天空地一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對流域水文氣象、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等要素的全面感知。劉冰等在空天地一體化環(huán)境監(jiān)測體系研究中指出，隨著遙感技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，空天地一體化環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，能夠在監(jiān)測范圍、時空分辨率、作業(yè)條件、成本效率等方面發(fā)揮優(yōu)勢。這不僅包括傳統(tǒng)的氣象站、水文站、水質(zhì)監(jiān)測站等地面監(jiān)測設(shè)施，還要充分利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等現(xiàn)代技術(shù)手段，形成多維度、多尺度、多要素的立體監(jiān)測體系。特別是要加強(qiáng)對關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵要素的動態(tài)監(jiān)測，提升數(shù)據(jù)獲取的時效性、準(zhǔn)確性、完整性。

計(jì)算層作為系統(tǒng)的“大腦中樞”，承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算、知識推理等核心功能。計(jì)算層包含四個關(guān)鍵技術(shù)模塊：多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)負(fù)責(zé)異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理和實(shí)時同化；多尺度模型耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)水文、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會模型間的有機(jī)連接；智能優(yōu)化算法提供多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化和不確定性分析能力；實(shí)時仿真計(jì)算技術(shù)支撐高效的并行計(jì)算和模型輕量化。這四項(xiàng)技術(shù)有機(jī)集成，構(gòu)成了數(shù)字孿生WEFE系統(tǒng)的核心計(jì)算引擎。

服務(wù)層作為系統(tǒng)的“智慧中心”，承擔(dān)著知識服務(wù)和決策支持的重要功能，需要基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建智能化的知識服務(wù)體系。這包括建立領(lǐng)域知識圖譜，梳理WEFE各要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和作用機(jī)理；構(gòu)建專家系統(tǒng)，將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表達(dá)和智能化應(yīng)用；開發(fā)智能算法，實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的深度挖掘和智能分析；建立決策模型，為復(fù)雜情況下的決策提供科學(xué)支持。特別是要注重知識的動態(tài)更新和持續(xù)優(yōu)化，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)不斷提升系統(tǒng)的智能化水平。

應(yīng)用層作為系統(tǒng)的“服務(wù)窗口”，需要面向不同用戶需求，提供個性化、專業(yè)化的應(yīng)用服務(wù)。這包括為管理部門提供規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、監(jiān)督管理等功能，為科研院所提供模型驗(yàn)證、理論分析、技術(shù)研發(fā)等支持，為公眾提供信息查詢、科普教育、參與監(jiān)督等服務(wù)。

2.關(guān)鍵技術(shù)突破

關(guān)鍵技術(shù)突破是系統(tǒng)成功構(gòu)建的根本保障，需要在多方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。

多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)方面，要解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同來源、不同格式、不同精度數(shù)據(jù)的有效整合，如李文正在數(shù)字孿生流域研究中提出了基于ABCDMEETS的數(shù)字孿生流域體系結(jié)構(gòu)，為多源數(shù)據(jù)融合提供了系統(tǒng)性解決方案；要解決多尺度數(shù)據(jù)的集成問題，建立跨尺度的數(shù)據(jù)插值和降尺度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從全球尺度到局地尺度的數(shù)據(jù)一體化；要解決實(shí)時數(shù)據(jù)的同化問題，建立高效的數(shù)據(jù)同化算法，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的最優(yōu)融合。

多模型耦合技術(shù)方面，要解決模型接口的標(biāo)準(zhǔn)化問題，建立通用的模型耦合框架，實(shí)現(xiàn)不同類型模型的無縫連接；要解決參數(shù)傳遞的機(jī)制問題，建立科學(xué)的參數(shù)映射關(guān)系，確保耦合模型的物理意義和計(jì)算精度，如詹全忠等在數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則解析中強(qiáng)調(diào)，需要建立涵蓋數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫等的完整標(biāo)準(zhǔn)化體系，特別是在水文與生態(tài)模型耦合中，要明確土壤含水量、植被覆蓋度、蒸散發(fā)量等關(guān)鍵參數(shù)的傳遞機(jī)制和映射關(guān)系；要解決尺度轉(zhuǎn)換的方法問題，發(fā)展高效的尺度轉(zhuǎn)換算法，實(shí)現(xiàn)跨尺度的模型耦合。

智能優(yōu)化技術(shù)方面，要解決多目標(biāo)優(yōu)化的算法問題，如Deb等提出的NSGA-Ⅱ算法，通過快速非支配排序方法將計(jì)算復(fù)雜度從O（MN3）降低到O（MN2），并采用精英策略和擁擠距離計(jì)算，在大多數(shù)問題上能夠找到更好的解分布和更好的收斂性，為多目標(biāo)間的協(xié)調(diào)平衡提供了有效的算法支撐；要解決約束條件的處理問題，建立靈活的約束處理機(jī)制，適應(yīng)不同情景下的約束要求；要解決不確定性的分析問題，發(fā)展不確定性量化和傳播方法，提高決策的魯棒性。

實(shí)時仿真技術(shù)方面，要解決高性能計(jì)算問題，充分利用并行計(jì)算、分布式計(jì)算等技術(shù)，提升計(jì)算效率；要解決算法優(yōu)化問題，發(fā)展高效的數(shù)值算法，減少計(jì)算時間；要解決模型輕量化問題，在保證精度的前提下簡化模型結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行效率。

協(xié)同治理機(jī)制創(chuàng)新

協(xié)同治理機(jī)制創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)WEFE耦合系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵所在，需要在理論指導(dǎo)、制度設(shè)計(jì)、機(jī)制創(chuàng)新等方面實(shí)現(xiàn)全面突破?；邳S河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字孿生驅(qū)動的WEFE治理模式應(yīng)構(gòu)建流域上中下游區(qū)域協(xié)同、水生態(tài)-水環(huán)境-水資源-水安全-水文化“五水”協(xié)同的治理體系，通過“技術(shù)-管理-機(jī)制”三重創(chuàng)新，為西北內(nèi)陸河流域破解“水-能-糧-生”博弈困境提供系統(tǒng)方案。

▲數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)“技術(shù)-管理-機(jī)制”三重協(xié)同治理范式

1.多元共治機(jī)制

多元共治機(jī)制的構(gòu)建需要突破傳統(tǒng)的政府主導(dǎo)、單一管理模式，建立政府主導(dǎo)、市場驅(qū)動、社會參與的現(xiàn)代治理格局。

政府層面，要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)職能，建立高層次的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，明確各部門職責(zé)分工，避免管理空白和職責(zé)交叉。需要建立跨部門的聯(lián)席會議制度，定期協(xié)調(diào)解決重大問題；建立聯(lián)合執(zhí)法機(jī)制，統(tǒng)一執(zhí)法標(biāo)準(zhǔn)和程序；建立信息共享機(jī)制，打破部門間的信息壁壘；建立績效考核機(jī)制，將協(xié)同效果納入各部門考核體系。同時要完善法律法規(guī)體系，健全流域治理的法治基礎(chǔ)，加強(qiáng)立法的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性、針對性；要健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立涵蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的完整體系；要強(qiáng)化監(jiān)督執(zhí)法，建立全覆蓋、常態(tài)化的監(jiān)管體系，確保各項(xiàng)制度措施落地生效。

市場層面，要充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，通過完善市場機(jī)制來實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。如郭宏偉等在塔里木河流域生態(tài)補(bǔ)償研究中指出，建立科學(xué)合理的生態(tài)調(diào)水方式及生態(tài)補(bǔ)償方案是化解水資源供需矛盾的重要途徑，市場化的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制能夠有效調(diào)動各方積極性；其研究提出上游源流對開都—孔雀河每立方米水的補(bǔ)償金額，為建立量化的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。要完善水權(quán)交易制度，建立規(guī)范的水權(quán)確權(quán)、登記、交易、監(jiān)管體系，通過市場化手段優(yōu)化水資源配置效率；要完善環(huán)境權(quán)益交易制度，建立排污權(quán)、碳排放權(quán)等環(huán)境權(quán)益交易市場，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段推動環(huán)境保護(hù)；要創(chuàng)新投融資機(jī)制，建立多元化的投入保障體系，引導(dǎo)社會資本參與流域治理，發(fā)揮財(cái)政資金的杠桿作用；要完善價格機(jī)制，建立能夠反映資源稀缺程度和環(huán)境損害成本的價格體系，發(fā)揮價格信號對資源配置的引導(dǎo)作用。

社會層面，要建立健全公眾參與機(jī)制，保障公眾的知情權(quán)、參與權(quán)、監(jiān)督權(quán)。要建立信息公開制度，及時向社會發(fā)布流域治理相關(guān)信息，接受社會監(jiān)督；要建立公眾參與制度，在重大決策制定過程中充分聽取公眾意見，確保決策的科學(xué)性和民主性；要建立社會監(jiān)督制度，發(fā)揮社會組織、新聞媒體、公眾監(jiān)督的作用，形成全社會共同參與的監(jiān)督格局；要加強(qiáng)科技支撐，發(fā)揮智庫和專家的咨詢作用，提升治理的科學(xué)化水平。

2.利益協(xié)調(diào)機(jī)制

利益協(xié)調(diào)機(jī)制的建立是協(xié)同治理能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要在理論創(chuàng)新和實(shí)踐探索方面取得重要進(jìn)展。

生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制要基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估，確定科學(xué)合理的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)償方式，確保保護(hù)者的合理利益得到體現(xiàn)；在具體實(shí)施中，需要明確跨省生態(tài)補(bǔ)償?shù)呢?cái)政分擔(dān)比例，避免出現(xiàn)“協(xié)同失靈”現(xiàn)象。賈先文等在流域治理體系框架構(gòu)建研究中強(qiáng)調(diào)，需要建立全國性流域協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)行流域集中統(tǒng)一治理，化解流域治理中的“集體行動困境”；推進(jìn)流域治理法治化，完善以流域?yàn)閱挝坏木C合立法原則，健全整體性的流域治理法律法規(guī)內(nèi)容；樹立山水林田湖草沙系統(tǒng)治理思維，建立流域整體化治理體制機(jī)制，促進(jìn)流域治理多元化，推動區(qū)域一體化和部門協(xié)同化。要拓寬補(bǔ)償資金來源，建立政府補(bǔ)償、市場化補(bǔ)償、社會捐助等多元化的資金保障機(jī)制；要創(chuàng)新補(bǔ)償方式，不僅包括資金補(bǔ)償，還要包括政策補(bǔ)償、技術(shù)補(bǔ)償、智力補(bǔ)償?shù)榷喾N形式；要建立動態(tài)調(diào)整機(jī)制，根據(jù)生態(tài)保護(hù)成效和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，適時調(diào)整補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

收益分配機(jī)制要建立公平合理的分配原則，統(tǒng)籌考慮各方的貢獻(xiàn)度、受益度、承受能力等因素，確保分配的公平性；要創(chuàng)新分配方式，不僅包括直接的經(jīng)濟(jì)收益分配，還要包括發(fā)展機(jī)會、政策傾斜等間接收益分配；要建立監(jiān)督評價機(jī)制，確保收益分配的透明度和公正性。

風(fēng)險分擔(dān)機(jī)制要建立全面的風(fēng)險識別體系，對流域治理面臨的各類風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)識別和科學(xué)評估；要建立有效的風(fēng)險預(yù)警體系，通過監(jiān)測預(yù)警、情景分析等手段，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警各類風(fēng)險；要建立合理的風(fēng)險分擔(dān)體系，根據(jù)風(fēng)險的性質(zhì)、影響范圍、承受能力等因素，合理分擔(dān)各類風(fēng)險；要建立快速的風(fēng)險應(yīng)對體系，制定完善的應(yīng)急預(yù)案，確保在風(fēng)險發(fā)生時能夠快速有效應(yīng)對。

3.動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制

動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制的建立是確保協(xié)同治理體系持續(xù)優(yōu)化的重要保障，需要建立基于績效評價的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。特別是在全球氣候變化背景下，需要增強(qiáng)系統(tǒng)的氣候韌性和極端情景適應(yīng)性。應(yīng)借鑒流域協(xié)同治理的成功經(jīng)驗(yàn)，建立涵蓋水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全、水文化等多維度的綜合適應(yīng)機(jī)制，提升系統(tǒng)應(yīng)對極端天氣事件的能力。如徐海量等在塔里木河源流區(qū)氣候變化研究中發(fā)現(xiàn)，溫度升高與徑流量增加的關(guān)聯(lián)明顯，對流域治理策略提出了動態(tài)調(diào)整的要求。

監(jiān)測評估體系要建立全面的指標(biāo)體系，涵蓋水資源、能源、糧食、生態(tài)等各個方面，既要有量化指標(biāo)，也要有質(zhì)性指標(biāo)；既要有結(jié)果指標(biāo)，也要有過程指標(biāo)；既要有短期指標(biāo)，也要有長期指標(biāo)。要建立科學(xué)的評估方法，采用定量評估與定性評估相結(jié)合、客觀評估與主觀評估相結(jié)合、內(nèi)部評估與外部評估相結(jié)合的方式，確保評估結(jié)果的科學(xué)性和客觀性。要建立規(guī)范的評估程序，明確評估的組織實(shí)施、數(shù)據(jù)收集、結(jié)果發(fā)布等各個環(huán)節(jié)，確保評估工作的規(guī)范化和制度化。

反饋調(diào)整機(jī)制要建立快速的反饋渠道，確保評估結(jié)果能夠及時反饋到?jīng)Q策部門；要建立有效的調(diào)整機(jī)制，根據(jù)評估結(jié)果及時調(diào)整治理策略、優(yōu)化政策措施、完善制度安排；要建立持續(xù)的改進(jìn)機(jī)制，通過定期評估、持續(xù)改進(jìn)，不斷提升治理效果。

適應(yīng)性管理要建立靈活的管理機(jī)制，如阿布都米吉提等在塔里木河下游湖泊變化研究中發(fā)現(xiàn)，近代人為因素對湖泊水域變化的影響強(qiáng)于自然因素，這要求管理機(jī)制能夠根據(jù)內(nèi)外部環(huán)境變化，動態(tài)調(diào)整治理目標(biāo)，優(yōu)化治理路徑，創(chuàng)新治理方式；要建立學(xué)習(xí)型機(jī)制，通過實(shí)踐探索、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、知識積累，不斷提升治理能力和治理水平。

實(shí)施路徑與政策保障

基于中亞地區(qū)WEFE協(xié)同管理的經(jīng)驗(yàn)，Ma等研究發(fā)現(xiàn)，多層級決策和多種不確定性形式給管理過程帶來了巨大挑戰(zhàn)。研究表明，到2050年，農(nóng)業(yè)用水分配比例將減少到45.4%～56.6%，以節(jié)約更多水資源，確保生態(tài)恢復(fù)和能源供應(yīng)。為平衡水資源需求和支持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，政策制定者應(yīng)設(shè)定嚴(yán)格的糧食作物耕地限制，采用滴灌和噴灌提高灌溉效率，避免灌溉效率悖論的影響。這為我國西北內(nèi)陸河流域WEFE協(xié)同管理提供了重要借鑒。

1.分階段實(shí)施路徑

在實(shí)施路徑方面，需要按照“試點(diǎn)先行、逐步推廣、全面深化”的思路，分階段、有重點(diǎn)地推進(jìn)各項(xiàng)工作。

近期（2026—2030年）是打基礎(chǔ)、建框架、樹典型的關(guān)鍵階段，需要完成數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這包括完善監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，提升數(shù)據(jù)采集能力；建設(shè)計(jì)算平臺體系，提升數(shù)據(jù)處理和模型計(jì)算能力；建設(shè)服務(wù)平臺體系，提升知識服務(wù)和決策支持能力。要初步構(gòu)建WEFE耦合系統(tǒng)框架，在理論研究、技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用實(shí)踐等方面取得重要進(jìn)展，形成相對完整的理論體系、技術(shù)體系、應(yīng)用體系。要在重點(diǎn)流域開展試點(diǎn)示范，選擇具有代表性的流域進(jìn)行試點(diǎn)，探索可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為全面推廣奠定基礎(chǔ)。

中期（2030—2035年）是提能力、擴(kuò)范圍、見成效的發(fā)展階段，需要全面建成數(shù)字孿生流域體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、功能完備、運(yùn)行高效的建設(shè)目標(biāo)；深化WEFE耦合系統(tǒng)應(yīng)用，在更大范圍、更深層次推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮系統(tǒng)效益；基本實(shí)現(xiàn)流域治理現(xiàn)代化，在治理理念、治理方式、治理機(jī)制、治理效果等方面實(shí)現(xiàn)全面提升。

遠(yuǎn)期（2035—2050年）是求突破、樹標(biāo)桿、創(chuàng)一流的跨越階段，需要建成高度智能化的流域治理體系，在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)應(yīng)用方面走在世界前列；實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，在生態(tài)文明建設(shè)方面樹立全球典范；流域可持續(xù)發(fā)展能力全面提升，為中華民族永續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

2.重點(diǎn)任務(wù)統(tǒng)籌

在重點(diǎn)任務(wù)方面，需要統(tǒng)籌推進(jìn)技術(shù)研發(fā)、平臺建設(shè)、機(jī)制創(chuàng)新、能力建設(shè)等各項(xiàng)工作。

技術(shù)研發(fā)任務(wù)要圍繞關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，加強(qiáng)聯(lián)合攻關(guān)，力爭在數(shù)字孿生、多模型耦合、智能優(yōu)化、實(shí)時仿真等核心技術(shù)方面取得重大突破，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。王旭等關(guān)于人工智能在水與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究指出，人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)水與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了新的思路與方法，但仍需在關(guān)鍵核心技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破。要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)揮高等院校、科研院所、高新技術(shù)企業(yè)的優(yōu)勢，建立協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，提升技術(shù)創(chuàng)新能力；要加強(qiáng)國際交流合作，學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，提升我國在相關(guān)領(lǐng)域的國際影響力和話語權(quán)。

平臺建設(shè)任務(wù)要按照統(tǒng)一規(guī)劃、分級建設(shè)、互聯(lián)互通的原則，建設(shè)國家級、省級、市級、縣級等多層次的數(shù)字孿生流域管理平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、模型共享、服務(wù)共享。要建立健全數(shù)據(jù)共享機(jī)制，打破部門壁壘和地區(qū)分割，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效整合和充分利用；要建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范平臺建設(shè)和運(yùn)行管理，確保系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性。

機(jī)制創(chuàng)新任務(wù)要圍繞治理體制機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深化改革創(chuàng)新，破除制約發(fā)展的體制機(jī)制障礙。要建立適應(yīng)數(shù)字化時代要求的管理體制；要建立高效的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制；要建立可持續(xù)的發(fā)展保障機(jī)制。

能力建設(shè)任務(wù)要圍繞人才隊(duì)伍、技術(shù)能力、管理能力等方面，全面提升支撐保障能力。要加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)，建立多層次、多類型的人才培養(yǎng)體系；要提升技術(shù)應(yīng)用能力，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)和推廣應(yīng)用；要提升管理服務(wù)能力，建立現(xiàn)代化的管理服務(wù)體系。

3.全方位政策保障

在政策保障方面，需要從組織、資金、制度、人才等多個維度建立全方位的保障體系。賈先文等在流域治理體系框架構(gòu)建研究中強(qiáng)調(diào)，建立全國性流域協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)行流域集中統(tǒng)一治理，推進(jìn)流域治理法治化，完善以流域?yàn)閱挝坏木C合立法原則，是現(xiàn)代流域治理體系的核心要求。

組織保障維度，要建立高層次的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，成立由國家發(fā)展改革委、水利部、生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家能源局等部門組成的協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)重大事項(xiàng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和決策部署。要明確各部門職責(zé)分工，建立責(zé)任清單和工作清單，確保各項(xiàng)任務(wù)落實(shí)到位。要建立定期會商機(jī)制，及時協(xié)調(diào)解決實(shí)施過程中遇到的重大問題。要建立督查考核機(jī)制，將相關(guān)工作納入政府績效考核體系，確保工作落實(shí)。

資金保障維度，要建立多元化投入機(jī)制，充分發(fā)揮政府投資的引導(dǎo)作用，加大財(cái)政投入力度，重點(diǎn)支持基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)、公共平臺等方面需求。要引導(dǎo)社會資本參與，通過政府和社會資本合作、投資基金、貸款貼息等方式，調(diào)動社會資本積極性。要創(chuàng)新融資方式，探索綠色債券、生態(tài)基金、碳金融等新型融資工具，拓寬資金來源渠道。要建立資金監(jiān)管機(jī)制，確保資金使用效率和安全。

制度保障維度，要完善相關(guān)法律法規(guī)，修訂現(xiàn)行法律法規(guī)中與數(shù)字化治理不適應(yīng)的條款，制定專門的數(shù)字孿生流域管理法規(guī)。要健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立涵蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的完整體系。要完善政策配套，制定稅收優(yōu)惠、土地使用、人才引進(jìn)等配套政策。要強(qiáng)化制度執(zhí)行，建立制度執(zhí)行監(jiān)督機(jī)制，確保各項(xiàng)制度落地生效。

人才保障維度，要加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)，依托高等院校和科研院所，建立相關(guān)學(xué)科專業(yè)，培養(yǎng)專門人才。要完善人才激勵機(jī)制，建立有利于人才成長和作用發(fā)揮的環(huán)境。要加強(qiáng)人才交流合作，建立人才流動和共享機(jī)制。要打造高素質(zhì)專業(yè)化隊(duì)伍，提升從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)和能力水平。

塔里木河流域?qū)嵺`探索

塔里木河流域面積102萬km2，涉及新疆維吾爾自治區(qū)5個地州41個縣市，是多民族聚居區(qū)、資源富集區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)、貧困集中區(qū)，作為我國最大的內(nèi)陸河流域，地處絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)，具有重要的戰(zhàn)略地位和典型的代表意義。陳亞寧等在中國西北干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境變化研究中指出，西北干旱區(qū)水資源短缺是制約經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)安全保障的最關(guān)鍵自然因素，塔里木河流域作為典型代表具有重要的研究價值。近年來，在水利部與新疆維吾爾自治區(qū)黨委和政府的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，塔里木河流域在數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)協(xié)同治理方面進(jìn)行了積極探索，取得了顯著成效。在理念層面，體現(xiàn)了從單要素治理向系統(tǒng)治理的轉(zhuǎn)變，與WEFE耦合理念高度契合；在技術(shù)層面，通過遙感監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)感知等技術(shù)構(gòu)建了“感知-認(rèn)知-決策-行動”閉環(huán)雛形；在機(jī)制層面，建立了統(tǒng)一管理、分級負(fù)責(zé)的治理體制，初步實(shí)現(xiàn)了多元主體協(xié)同。特別是2000年至今累計(jì)生態(tài)輸水102億m3的實(shí)踐，充分體現(xiàn)了水-生態(tài)耦合的核心理念，通過“以水定綠、以綠促水”實(shí)現(xiàn)了生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)同提升，為WEFE耦合系統(tǒng)協(xié)同治理提供了成功范例。

1.理念更新與技術(shù)應(yīng)用

在理念更新方面，流域管理部門牢固樹立山水林田湖草沙生命共同體理念，堅(jiān)持系統(tǒng)治理、綜合施策，統(tǒng)籌考慮水資源配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、民生改善等多重目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了從單純工程治理向綜合治理、從局部治理向系統(tǒng)治理、從被動治理向主動治理的轉(zhuǎn)變。特別是在實(shí)施塔里木河流域綜合治理過程中，始終堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以生態(tài)輸水為紐帶，統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水，既保障了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的合理用水需求，又維護(hù)了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益的有機(jī)統(tǒng)一。

在技術(shù)應(yīng)用方面，積極運(yùn)用遙感監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)感知、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù)。冶運(yùn)濤等在數(shù)字孿生流域研究中強(qiáng)調(diào)，數(shù)字孿生流域是未來流域治理管理的新基建新范式，通過“由實(shí)入虛”、“以虛映實(shí)”和“由虛控實(shí)”，實(shí)現(xiàn)物理流域?qū)ο蟮娜芷诠芸?。塔里木河建設(shè)了覆蓋全流域的水文氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對主要河流、重要斷面、關(guān)鍵工程的實(shí)時監(jiān)控；建立了流域水資源統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)，通過信息化手段提升了調(diào)度精度和效率；開展了流域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測，定期評估植被覆蓋、土地利用、水體變化等生態(tài)指標(biāo)，為科學(xué)決策提供了有力支撐。鵬城實(shí)驗(yàn)室為塔里木河構(gòu)建的全球遙感智能分析系統(tǒng)取得了顯著成效。2024年，開都河10日來水預(yù)測準(zhǔn)確率提升至85%，胡楊林生態(tài)補(bǔ)水效益評估精度達(dá)90%以上；通過數(shù)字視網(wǎng)膜技術(shù)，葉爾羌河汗克爾渠首漂浮物識別準(zhǔn)確率提升至80%，閘門調(diào)控響應(yīng)時間縮短至6min。這些技術(shù)應(yīng)用為數(shù)字孿生WEFE耦合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行提供了有力支撐。

2.機(jī)制創(chuàng)新與管理體制

在機(jī)制創(chuàng)新方面，建立了統(tǒng)一管理、分級負(fù)責(zé)的管理體制。塔里木河流域管理局作為流域管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)“九源一干”全流域水資源的統(tǒng)一配置和統(tǒng)一調(diào)度，各地州市縣負(fù)責(zé)本行政區(qū)域內(nèi)的具體實(shí)施；建立了多部門協(xié)調(diào)的工作機(jī)制，水利、發(fā)展改革、財(cái)政、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等部門密切配合，形成治理合力；建立了上下游利益協(xié)調(diào)機(jī)制，通過生態(tài)補(bǔ)償、對口援助、產(chǎn)業(yè)合作等方式，調(diào)動各方積極性；建立了公眾參與機(jī)制，通過信息公開、聽證座談、社會監(jiān)督等方式，保障公眾的知情權(quán)和參與權(quán)。

3.實(shí)踐成效與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)過20多年的持續(xù)治理，塔里木河流域水資源配置更加合理，用水效率顯著提升，生態(tài)環(huán)境明顯改善，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展質(zhì)量不斷提高。特別是自2000年啟動塔里木河生態(tài)輸水工作以來，至今累計(jì)向下游生態(tài)輸水26次，至2024年累計(jì)下泄生態(tài)水量102億m3，年均下泄4.08億m3，水頭到達(dá)尾閭臺特瑪湖19次。下游地下水水位顯著回升，距河道750m內(nèi)地下水埋深維持在2～6m，植被恢復(fù)面積大幅擴(kuò)大，生物多樣性明顯增加，形成了人與自然和諧共生的良好局面。玉米提·哈力克等研究表明，塔里木河下游輸水恢復(fù)過程中胡楊生長對地下水水位的響應(yīng)明顯，地下水水位的回升直接促進(jìn)了胡楊林的恢復(fù)和生長。這些實(shí)踐探索驗(yàn)證了理論框架的科學(xué)性，為流域治理現(xiàn)代化提供了成功范例。

結(jié)語

基于數(shù)字孿生的西北內(nèi)陸河流域WEFE耦合系統(tǒng)協(xié)同治理，是適應(yīng)新時代要求的理論創(chuàng)新和實(shí)踐探索，代表著流域治理的發(fā)展方向。其核心在于運(yùn)用系統(tǒng)思維統(tǒng)籌多要素關(guān)系，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)提升流域治理能力，運(yùn)用協(xié)同理念凝聚流域治理合力，通過理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新，構(gòu)建適應(yīng)復(fù)雜巨系統(tǒng)特征的現(xiàn)代化治理體系。

當(dāng)前，WEFE理論仍處于探索發(fā)展階段，需要在實(shí)踐中不斷完善和深化。理論研究需要進(jìn)一步深入，特別是在WEFE耦合機(jī)理、協(xié)同治理機(jī)制、數(shù)字孿生技術(shù)等方面，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，完善理論體系，提升理論水平。技術(shù)發(fā)展需要進(jìn)一步突破，特別是在多源數(shù)據(jù)融合、多模型耦合、智能優(yōu)化算法、實(shí)時仿真計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)方面，需要加強(qiáng)攻關(guān)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，提升技術(shù)水平。機(jī)制創(chuàng)新需要進(jìn)一步深化，特別是在跨部門協(xié)調(diào)、跨區(qū)域合作、多主體參與等體制機(jī)制方面，需要深化改革創(chuàng)新，完善制度安排，增強(qiáng)制度活力。實(shí)踐應(yīng)用需要進(jìn)一步擴(kuò)展，在更大范圍、更深層次上推廣應(yīng)用，積累更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證理論正確性，完善技術(shù)方法，優(yōu)化制度設(shè)計(jì)。

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)將更加成熟完善，為流域治理現(xiàn)代化提供更加強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)和高質(zhì)量發(fā)展要求的不斷提升，流域治理將更加注重系統(tǒng)性、協(xié)同性、可持續(xù)性，對治理理論和治理技術(shù)提出更高要求。數(shù)字孿生驅(qū)動的WEFE治理模式通過“技術(shù)-管理-機(jī)制”三重創(chuàng)新，為西北內(nèi)陸河流域破解“水-能-糧-生”博弈困境提供了系統(tǒng)方案。塔里木河實(shí)踐不僅助力西部大開發(fā)戰(zhàn)略背景下的生態(tài)屏障鞏固與能源基地建設(shè)，更通過智慧治水經(jīng)驗(yàn)輸出為“一帶一路”框架下中亞跨境河流治理貢獻(xiàn)中國范式。應(yīng)抓住機(jī)遇、應(yīng)對挑戰(zhàn)，繼續(xù)深化理論研究，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，完善制度機(jī)制，擴(kuò)大實(shí)踐應(yīng)用，努力構(gòu)建具有中國特色、體現(xiàn)時代特征、引領(lǐng)發(fā)展潮流的流域治理體系，為建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展作出新的更大貢獻(xiàn)。

Abstract: The inland river basins of Northwest China cover 35.9% of the national territory but hold only 5.7% of the country’s total water resources. Under the dual pressures of global climate change and high-quality development, the traditional “water-centric” single-element governance model can no longer address the complex challenges of basin mega-systems. Based on the “natural-social” dual water cycle theory and systems engineering principles, this study proposes a digital twin-driven theoretical framework for collaborative governance of the Water-Energy-Food-Ecosystem (WEFE) nexus. The framework innovatively establishes a “technology-management-mechanism” triple governance paradigm, building a digital twin body that integrates physical and virtual basins to form a four-tier architecture of “sensing-computing-service-application” and a closed-loop control mechanism of “perception-cognition-decision-action”. This enables fundamental transformations: from “visibility” to “clear understanding”, from “post-event analysis” to “predictive assessment”, and from “passive response” to “proactive regulation”. The theoretical connotation encompasses three core dimensions: nonlinear coupling mechanisms of the WEFE nexus, multi-stakeholder collaborative governance mechanisms, and dynamic adaptive regulation mechanisms. The collaborative governance framework breaks through traditional sectoral fragmentation by establishing a modern governance system featuring government-market-society co-governance, interest coordination, and dynamic adjustment. The technical framework addresses key bottlenecks in multi-source heterogeneous data fusion, multi-scale model coupling, intelligent optimization algorithms, and real-time simulation computing. Through phased implementation pathways and comprehensive policy support, the scientific validity and effectiveness of the framework are demonstrated with the ecological water conveyance practices in the Tarim River Basin since 2000. This study shows that the proposed system can provide systematic solutions to resource and environmental constraints in Northwest China’s inland river basins and offer scientific support for the Western Development Strategy and the Belt and Road Initiative water security strategy.

Keywordsdigital twin; inland river basin; Water-Energy-Food-Ecosystem nexus; collaborative governance; governance modernization; basin governance modernization; systems engineering

本文引用格式：

王浩，孟現(xiàn)勇，丁建麗，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的水-能-糧-生耦合系統(tǒng)協(xié)同治理新范式[J].中國水利，2025（18）：1-11.

封面攝影確·胡熱

責(zé)編王慧

校對｜李盧祎

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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