刘悦忆，郑 航

（东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523008）

0 前言

治水，自古以来是中国国家治理的重要内容。现代治水的核心要义是以水利工程为抓手，面向水安全和生态安全的综合性精细化治理。然而由于水资源与社会经济系统的复杂性，水系统管理的对象数量大、类型多、空间分布广、运行环境复杂，加之气候变化和强人类活动的影响，给科学系统的治水带来了巨大挑战。

随着现代社会发展对水和生态安全要求的进一步提升，以经验决策为主的传统治水模式，由于不同部门和不同地区之间在数据、信息以及决策上的孤立，难以实现对水资源系统的全面认知和精细治控。数字治水是解决这一问题的重要手段。以数字化、信息化和智能化的方式突破传统治水模式的瓶颈，可为治水现代化目标实现提供科学的综合决策、精准的协同监管以及便捷的公共服务。

数字治水是指以数据、信息和知识为关键要素，以现代信息网络为重要载体，以信息技术与水治理融合应用以及治水全要素的数字化转型为重要动力，形成水治理的新模式。在过去的几十年间，我国在数字治水的技术研究方面取得了丰富成果。以“数字黄河”为代表的数字流域相关研究和实践，建立覆盖全流域的整体模型，模拟流域运动变化规律，为流域管理实践提供了多维描述［1]。“数字流域”的研究内容是综合处理流域的空间、地理、气象、水文和历史信息，应用模拟、显示等技术手段，描述流域过去、现在和未来的各种行为，并为流域管理提供决策支持［2]。朱伯芳等［3]提出的大坝的数字监控系统，实现了大坝全过程仿真分析，在施工期可给出温度场和应力场，在运行期亦可充分反映施工过程及运行中各项因素的影响，在水利工程的安全管理方面取得了显著效益。钟登华和宋洋［4]以GIS为开发平台，构建了大型水利工程三维可视化仿真方法，通过空间数据库的建立及地形地物数字模型，开发了能够科学、直观、逼真地表现大型水利工程施工的三维可视化仿真系统，为工程施工管理决策提供了可靠依据。王国利等［5]在水雨情自动测报提取技术及洪水预报、洪水调度模型的基础上，构建了我国大型水库的洪水调度系统，为我国大型水库的防洪减灾工作提供了技术支撑。施勇等［6]在长江中下游洪水演进数学模型的基础上，围绕水沙输运、河床演变和闸坝水沙调控等相关的关键问题开展深入研究，支撑了长江中下游的防洪规划。

在实践层面，我国的数字治水起步于“七五”期间的水利信息化推广，并在20 世纪90年代迎来了较快的发展。“九五”期间，我国初步实现从数据的采集、传输、接收、处理、监控到联机洪水预报，形成了全国流域机构的水情信息的逐步互联。“十三五”以来，中央及各省市相继发布各项建设规划并提供系列财政支持。目前我国大部分省市及流域委员会均已初步建成部分信息化基础设备、信息中心、专用网络及水利电子政务信息系统、水资源管理决策支持系统等的业务应用系统，水利信息化和水资源管理水平得到较大提高。

然而，现有的研究和实践大都围绕治水的数字化或信息化技术，缺乏对数化条件下治水模式的深入理解，缺乏相应的体制机制设计。这导致我国现有水利信息和业务系统的使用效率偏低。业务系统质量参差不齐，系统功能与水资源精细化管理需求的差距较大。当前我国治水模式呈现俞加多元化的趋势，水利工程的管理主体及相应的管理权限、管理手段、利益诉求、数据和技术标准等将来面临更为复杂的局面。为此，本文以宁夏为例，解析其数字治水的内涵与创新机制，提出体制机制设计，以期为推进我国的数字治水提供案例和思路借鉴。

1 宁夏智慧水利的发展概况。

宁夏回族自治区地处西北内陆干旱半干旱区，降水稀少，蒸发强烈。水资源匮乏一直是制约宁夏发展的瓶颈，其经济社会发展主要依靠过境黄河分配可耗水量40 亿m3。宁夏的经济社会发展用水需求主要依靠黄河引水，宁夏水资源可利用总量为41.50 亿m3，人均可利用水资源量为641 m3，属于典型的资源型缺水地区。“87”分水方案分配给宁夏可耗水量40 亿m3，包括黄河干流37.0 亿m3、支流当地地表水3.0 亿m3。随着经济社会的快速发展，宁夏工业化、城镇化进程不断加快，人民生活水平日益提高，生活、生产和生态用水需求不断增加，使得宁夏对黄河水的依赖及用水需求的不断增大。鉴于黄河水资源日益紧张的现实，有效解决发展需求与水资源约束之间的矛盾，是宁夏实现全面协调可持续发展必须解决的首要问题。

宁夏水利信息化自20 世纪90年代起步，经过20 多年发展特别是“十二五”时期加快建设，已经初步形成较为完整的水利信息化体系。在信息采集方面，已建成各类数据采集站点总计3435 个；在网络系统建设方面，基本建成覆盖35 个厅属单位、25 个水务局、2910 个自动采集点和144 个视频监测点的网络系统；数据存储方面，采用数据大集中方式基本建成水利数据中心，已完成数据中心基础库、元数据库、专用库、主题库的数据库分类；在应用平台方面，对内建成了覆盖全区水利69 家单位可供全系统水利干部职工进行协同办公的公共应用平台“水慧通”；在应用系统方面，已建成水利防灾减灾管理通过国家防汛抗旱指挥系统一期、二期工程，开发了水情应用系统、防洪调度应用系统、抗旱管理系统，山洪灾害监测预警系统，水资源监控能力建设系统，农村水利管理建设了水量调度系统等多项业务系统。经过多年建设，宁夏信息水利基本进入初步融合的发展新阶段，现代水利已初露端倪，在互联网全覆盖、泵站自动化、渠道测控一体化、“互联网+人饮”等方面实现了重点突破。

2 宁夏现代水利数字治水创新机制

2.1 面向全链条节水，实施水利供应链数字化创新

基于数字化和信息化技术，依托智慧水利建设，探索适合宁夏的节水效能提升与定量监管机制，促进供、用、耗、排及回用的全链条节水，是宁夏现代水利数字治水的关键突破。把节约用水作为水资源开发利用的前提，以实施国家节水行动为抓手，实行水资源消耗总量和强度双控，全面提升水资源利用效率和效益，是宁夏落实“节水优先”的主要内容。其中，实施供水、输水、用水、耗水、排水以及污水回用的全链条数字化监控；破除节水产业各个环节之间的信息障碍，集信息发布、技术咨询、工程招投标、工程施工、后期运维、金融配套等各类型资源为一体，将节水产业链的各方资源集中于数字治水平台，是宁夏数字治水节水创新的核心。

第一，需要强化用水计量统计。全面落实取用水计量过程，充分保障农业、工业、行政不同用水场合的准确计量。创建节水调查以及不同用户用水管理体系。根据用水场合的差异，对农业、工业、生态等四种不同用水，进行全面的数据信息管理。落实相应的用水报告制度，在年用水量达到一定规模的情况下，引导企业号或者园区等用水单位创建水务部门，设置专业工作人员进行管理。实施倒闭模式，对于用户所出现的一些违规记录纳入当地信息化治水的运作平台。第二，全面普及合同节水管理。引进新的节水服务体系，创建相关设备以及产品使用的质量评估以及市场门槛机制，优化水循环利用设备、附属水设施等相应委托运行服务模式，在公共部门、大型建筑、耗水地带、农业集中灌溉等方面，推进更大力度的合同节水管理。第三，促进一些新技术的研发以及使用。通过引进全新的节水技术，加快技术创新，结合大数据、智能技术等运用，实现与用水管理的全面结合。将发展的主要精力放在用水准确计量、水资源高效运用等方面，将技术的优越性释放到最大。

2.2 面向全过程监管，强化严格水管理信息化创新

目前，最严格水资源管理制度及其“三条红线”指标已在全国落实并考核。到2020年，宁夏的取水总量要控制在72.38 亿m3以内，农业灌溉水利用系数提高到0.53，万元工业增加值用水量降至52 m3以下，重要一级河湖水功能区水质达标率到80%以上。落实并强化最严格水资源管理，需要在用水总量、节水效率以及排水质量全过程上，进行信息化、数字化和定量化的监管。最严格水资源管理制度下的水资源数字化监管，是宁夏现代水利数字治水机制的关键突破。

在系统收集、整理取用水等相关资料信息，以及水资源规划、污染防治等数据信息的前提下，创建包含取水、河道等单元的监测网络体系，建立并优化数据库以及管理平台，设计结合GIS 及网络结构的应用体系，创建相应的水资源运维平台。利用平台的功能达到数据信息的及时更新、数据资源共享的效果，充分改善水资源使用的监管质量，对于水资源方面的一些决策带来更为充分的保障和支撑。其建立的结构需要含有数据收集与传输、通讯与网络管理、辅助决策等多个模块，同时分别部署相应的准则和运行机制，充分保障规范性、安全性。其中数据信息收集、传输模块是整个系统的关键所在。而监测数据库含有地表、地下两个方面的取水监测，其监测对象含有一些具体的流量数据。另外，对于地下水的监测而言，主要含有水深位置、时间、仪表设备等监测工作。

通过创建此类管理信息系统，可以让相关部门的工作人员对于取用水、地下水位、水费管理等信息尽在掌握。这可以让工作人员更加准确、系统地分析水资源数据，同时按照数据信息的变化，推出更为完善的管控方案。管理信息系统所覆盖到的部门机构、管理人员都能够利用系统平台获得所需的资料信息，从而让数据信息实现高度的共享，提高信息的使用效率。而不同部门机构与人员的操作都将接受系统的监督，此时的水资源管理操作更为透明化、公开化，有利于提升整体管理效率以及质量。在信息建设与完善过程中，未来需要朝着采集自动化、传输网络化、管理集成化等方向而不断演变，能进一步提高宁夏开展最严格水资源管理的能力。

2.3 基于全要素水价，落实水权配置的市场化创新

目前，宁夏农业用水的计量仅仅覆盖到一些干渠进口以及直开口，相关设施的精度需要提升，要求在后续时间中尽快完善改进。斗渠以下的基本都未创建相应的计量设施，无法进行精准的计量，离从“按亩收费”到“按方收费”还有较长的路要走。灌区在缺乏完善计量设备、设施的现状下，造成水资源确权、水权交易等问题面临较多障碍。这些不足，需要较长时间才可能完成。灌溉区域大小是划分用水指标、设定分配方案等过程的重要前提。当下，灌区呈现出登记在册、申报配水、土地确权等多种不同的面积大小，一些基层组织有多种面积信息，因此数据比较混乱。一些农户在册交费面积和真实灌溉部分存在不小的差距，这对水资源划分、水权确权等带来了很多难题。通过建设现代水利数字治水机制，依托水联网、大数据、云计算和人工智能等技术，实现水价影响因素的精确度量，形成精准计量、全要素覆盖的水价形成机制，是推进宁夏数字治水的创新之一。

2.3.1 基于数字治水核定农业水价的全要素成本

综合灌区的具体情况，利用数字治水的模式，明确相应的成本核定、价格制定等过程，核算不同水利项目的成本投入，同时进行系统的监督审查，技术公开结论等资料信息。供水管理机构需要基于一定的间隔公开成本信息，创建完善的成本公开机制，透明化运作；将供水成本、用户承受、政府补贴等全面考虑进来，出台更加合理的调节方案，按照上级原则有序调整；结合的大数据分析和处理，划分不同的用水场合以及用水类型，按照农业用水定额、投入产出比，在终端用水方面划分水价，一些高附加值的灌溉、用水作业，适当提价；对于超定额部分，落实相应的累进加价。

2.3.2 基于数字治水核算水权转换的全要素价格

根据《黄河水权转让管理实施办法》，水权转换总费用包括水权转换成本和合理收益。涉及节水改造工程的水权转换，其转换总费用应涵盖节水工程建设费用、节水工程和量水设施的运行维护费用、节水工程的更新改造费用、农灌风险补偿费、必要的经济利益补偿和生态补偿等。

上述水价的核算，涉及节水工程的建设、运行、维护和管理；涉及农业灌溉用水的调度和计量；涉及农作物生产和销售；涉及灌溉管理部门的运行和营收；涉及灌区生态系统的监测与评估，是数据需求密集程度非常高的系统工程。数字治水机制和智慧水利系统的建立完善，可为水权转换水价的制定提供全要素的数据支撑，包括规范化的水利工程建设管理数据，标准化的灌溉工程运行维护数据，精准化的用水计量数据；精细化的水管单位财务数据；动态化的农作物生产和销售数据；以及系统化、连续性的灌区生态系统变化监测和评估数据。这些数据的获取是宁夏数字治水的核心，是通过数字治水实现水权转换全要素价格创新的基础，是落实水市场创新机制的坚实根基。

2.3.3 基于全系统调控，开展协同治理的智能化创新

宁夏发展的最大瓶颈在水、最大出路在水、最大动力在水、最大价值也在水。做好“以水兴业、以水富民、以水维安”的大文章，构建涵盖经济、政治、文化、社会、生态的“大水业”系统格局，才能够为贯彻中央治水方针闯出新路、打造宁夏典范。实现水资源水环境水生态系统治理的目标需要水利、市政、环境、国土等多部门的充分协同，需要协调各地市、各部门、集体和个人用水利益的用水分配，协调地下水、地表水和雨水等不同水体管理部门的冲突，协调农业、工业、居民生活用水等不同管理部门的冲突；需要加强宁夏水资源管理部门的权威以及协同涉水相关部门的能力。

基于物联网和智慧水务的数字治水工程，可以有效增强降雨、蒸发、地面径流、供输排水管道压力及水位、地下水位的监测能力，为水资源的多部门协同治理科学决策提供第一手的准确信息。为水资源精细化管理和联合调控提供可能。通过数字治水机制建设，构建水务部门与其他相关部门信息共享和业务协同机制，整合多方资源，通过掌握数据增强水资源管理部门的治理能力，推进全方位、全领域、全社会的生态文明建设。将数字治水建设将成为宁夏水资源系统治理和生态文明建设的重要抓手。权系统调控的数字治水为水资源的协同治理提供了智能化的新概念，主要表现为对水资源和生态系统的联合监控和智能决策以及对用水户的个性服务。数字治水应集成各领域、各部门的信息资源，通过新一代IT 技术实现不同来源信息的整合与分析，过云计算达到数据采集和应用的标准化、模块化与规范化，进而将有用的信息精准、快捷、智能地送达不同的用户端，实现协同治理的智能创新。

3 结语

数字治水是融合物联网、云计算和人工智能等现代信息技术对水资源和水生态系统进行精准化治控的治水新模式，可为水资源的可持续利用提供科学的综合决策、精准的协同监管以及便捷的公共服务。我国过去几十年的数字流域研究和实践为新时期数字治水的实施提供了深厚的基础和技术储备。然后，以往的成果往往围绕治水手段的数字化和信息化技术研发，相应的体制和机制研究还不充分。本文以宁夏的现代水利建设为背景，解析了新时期水利发展改革对数字治水的需求，提出了宁夏数字治水的创新机制，包括面向全链条节水的水利供应链数字化创新机制；面向全过程监管的严格水管理信息化创新机制；以及基于全要素水价落实水权配置的市场化创新机制。在此基础上，提出相应的数字治水机制设计，以期为推进我国的数字治水提供案例和思路借鉴。