数字孪生驱动的水-能-粮-生耦合系统协同治理新范式

数字孪生驱动的水-能-粮-生耦合系统协同治理新范式

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

王浩¹²，孟现勇²⁴，丁建丽²⁴，杜丙照⁵，李江⁴⁵，刘可欣

1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.新疆理工学院，843100，阿克苏；3.新疆河（湖）长学院，843100，阿克苏；4.塔里木河流域智慧水利与生态治理研究院，843100，阿克苏；5.新疆维吾尔自治区水利厅，830063，乌鲁木齐；6.山东省临沂市气象局，276004，临沂

摘要：西北内陆河流域承载我国35.9%的国土面积却仅拥有5.7%的水资源总量，在全球气候变化和高质量发展双重驱动下，传统“就水论水”的单要素治理模式已无法破解流域系统的复杂巨系统难题。基于“自然-社会”二元水循环理论和系统工程理念，提出数字孪生驱动的水-能-粮-生（WEFE）耦合系统协同治理理论体系。该体系创新构建了“技术-管理-机制”三重治理范式，通过物理流域与虚拟流域深度融合的数字孪生体，建立“感知-计算-服务-应用”四层架构和“感知-认知-决策-行动”闭环调控机制，实现从“看得见”到“看得清”、从“事后分析”到“事前预判”、从“被动应对”到“主动调控”的根本性变革。理论内涵覆盖WEFE四要素非线性耦合机理、多元主体协同治理机制和动态适应性调节机制三个核心维度。协同治理机制突破传统部门分割，构建政府-市场-社会多元共治、利益协调和动态调节的现代化治理体系。技术体系突破多源异构数据融合、多尺度模型耦合、智能优化算法和实时仿真计算等关键技术瓶颈。通过分阶段实施路径和全方位政策保障，以塔里木河流域2000年以来生态输水实践为例验证了该理论框架的科学性和有效性。指出该体系可为破解西北内陆河流域资源环境约束提供系统性解决方案，为支撑西部大开发与“一带一路”水安全战略提供科技支撑

关键词：数字孪生；内陆河流域；水-能-粮-生耦合；协同治理；治理现代化；流域治理现代化；系统工程

作者简介：王浩，中国工程院院士，主要从事水文水资源研究

通信作者：孟现勇，新疆河（湖）长学院院长，教授，主要从事智慧水利与防灾减灾研究。E-mail：xymeng@cau.edu.cn

基金项目：新疆维吾尔自治区“天池英才”科技创新领军人才（2024TCLJ01）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.18.001

引言

西北内陆河流域是我国面积最大的内流区，覆盖国土面积约349.5万km²，包括塔里木河、准噶尔河、河西走廊诸河、柴达木盆地诸河等重要流域，是维护国家生态安全、水安全、粮食安全、能源安全的重要屏障。邓铭江在研究中国西北“水三线”空间格局时指出，西北地区面积占国土总面积的35.9%，水资源约占全国水资源总量的5.7%，水是西北地区可持续发展的生命线。进入新时代，随着生态文明建设深入推进和高质量发展要求不断提升，尤其在西部大开发、共建“一带一路”背景下，塔里木河作为丝绸之路经济带核心区的生态命脉，其水安全直接关系到区域能源基地布局、粮食安全保障及边境生态屏障稳定，流域治理面临前所未有的复杂挑战。

习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和关于治水重要论述精神正在西北内陆河地区深入贯彻。一方面，水资源刚性约束制度全面实施，“四水四定”（以水定城、以水定地、以水定人、以水定产）理念逐步落地，以水资源承载能力为刚性约束的优化发展格局正在形成。蔡阳在构建智慧水利体系研究中强调以数字孪生流域建设为核心是新时代智慧水利发展的必然选择，突出体现在能够实现“四预”（预报、预警、预演、预案）功能。另一方面，西部大开发、共建“一带一路”、黄河流域生态保护和高质量发展等战略深入实施，能源开发、粮食安全、生态保护等多重任务交织叠加，传统治理模式难以统筹兼顾。特别是在全球气候变化背景下，Chen等在塔里木河流域气候变化研究中发现，过去50年研究区域气温显著上升约1℃，降水量在20世纪70年代显著减少后在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，温度与径流量增加的关联趋势明显，1986年前后出现了温度和降水的阶跃变化。这种水文过程的复杂变化和极端天气事件频发，使得流域水循环过程更加复杂，不确定性显著增强，对治理能力提出更高要求。

当前流域治理存在的主要问题集中体现在：治理理念相对滞后，仍以单要素、单部门治理为主，缺乏系统性思维和整体性考量；治理方式相对粗放，主要依靠经验判断和静态管理，缺乏精准化、智能化、动态化手段；治理机制相对分散，各部门各自为政，跨部门、跨区域、跨行业协调不够，难以形成治理合力；治理效果相对有限，往往顾此失彼，难以实现多目标协同优化和系统效益最大化。这些问题，根本原因在于对流域作为复杂巨系统的认识不足，缺乏科学理论指导和先进技术支撑，“头痛医头、脚痛医脚”的传统治理模式已经无法适应新时代的要求。

近年来，数字孪生、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术快速发展并加速与传统行业融合，为流域治理现代化提供了前所未有的技术机遇。数字孪生作为物理世界与数字世界深度融合的重要载体，能够实现对复杂系统的全息映射、实时交互、智能调控，为破解流域治理难题提供了新的技术路径。Wang等在研究长江数字孪生系统时指出，构建流域数字孪生体可以有效预防洪水灾害，通过物理世界与数字世界的深度融合实现智能预警和调控。与此同时，水-能-粮-生（Water-Energy-Food-Ecosystem，WEFE）耦合系统的理论框架日益完善，为统筹多要素协同治理提供了科学基础。如何将先进技术与科学理念有机结合，构建适应新时代要求的流域协同治理体系，既是重大的理论问题，也是紧迫的实践需求。在这一背景下，本文系统提出基于数字孪生的西北内陆河流域WEFE耦合系统协同治理理论，旨在为新时代流域治理现代化提供理论指导和实践路径。

数字孪生驱动的WEFE耦合系统理论内涵

数字孪生流域的理论内涵，体现了信息时代对流域系统认知和治理方式的根本性变革。传统的流域治理主要基于有限的观测数据和经验判断，往往存在信息不完整、认知不准确、决策不科学等问题。数字孪生流域则运用现代信息技术构建与物理流域镜像对应、实时交互的虚拟仿真系统，实现了从“看得见”到“看得清”、从“事后分析”到“事前预判”、从“被动应对”到“主动调控”的根本转变。李文正在数字孪生流域研究中指出，数字孪生流域是通过综合运用新一代信息技术及其多种技术组合，构建“平行于”物理流域特征数据映射形成的数字空间，在流域数字空间中实现流域仿真、模拟及推演，最终实现人机联合决策和调度决策管理。其理论基础涵盖了三个层面深刻内涵：物理层面，基于王浩提出的“自然-社会”二元水循环理论，全面刻画自然水循环和社会水循环的演变规律及其相互作用机制，构建流域水循环的完整图景，这为数字孪生流域提供了坚实的物理基础；信息层面，通过多源数据融合、多模型耦合、多尺度集成，实现对流域系统状态的全时空、全过程、全要素数字化表达，形成流域“数字底座”；智能层面，基于人工智能技术，构建具备自主学习、智能推理、动态优化能力的智慧决策系统，实现流域治理从传统的“人工决策”向“智能决策”转变。三个层面相互支撑、有机统一，共同构成了数字孪生流域的理论基础。

在此基础上，数字孪生流域通过建立“感知-认知-决策-行动”闭环调控机制，实现了流域治理的智能化和自适应化。

数字孪生流域“感知-认知-决策-行动”闭环调控机制

感知环节通过天空地一体化监测网络，实时获取流域水文气象、生态环境、社会经济等多维度信息，构建流域状态的全息感知体系；

认知环节运用大数据分析、机器学习、知识图谱等技术，对感知信息进行深度挖掘和智能分析，识别流域系统运行规律和潜在风险，形成对流域状态的深度认知；

决策环节基于认知结果，运用多目标优化、情景分析、专家系统等方法，生成科学合理的调控方案和应对策略；

行动环节将决策方案转化为具体的工程措施、管理措施和政策措施，并通过自动化控制系统实现精准执行。

更为重要的是，该闭环机制具备自学习和自优化能力，行动结果会实时反馈到感知环节，形成持续的迭代优化过程，不断提升系统的智能化水平和适应能力。陈云峰等在智慧水务系统研究中强调，闭环反馈机制是实现水务系统智能化运行的关键，通过“感知-分析-决策-执行-反馈”的完整链条，能够显著提升水资源管理的精准性和时效性。这种闭环调控机制不仅实现了从被动治理向主动治理的转变，更重要的是建立了流域系统的自适应能力，能够在复杂多变的环境条件下保持治理效果的稳定性和可持续性。

WEFE耦合系统体现了流域多要素间的内在关联性和系统整体性，其理论内涵远超传统的单要素分析范畴。张力小等在城市“食物-能源-水”关联关系研究中指出，食物、能源、水要素间存在密切的关联关系（Nexus），即其中任何一项资源的生产与供给均依赖于另外两项资源，并从“资源依存”“资源供给”“系统集成”等视角构建了关联关系概念框架。在西北内陆河流域这一特殊地理环境中，水资源作为最稀缺的自然资源，不仅是人类生存和经济社会发展的基础，更是连接能源开发、粮食生产、生态保护的纽带。粟晓玲在农业水资源优化配置研究中指出，变化环境下我国水资源供需矛盾加剧，农业作为主要用水部门，其发展规模和种植结构很大程度上取决于水资源的可利用量，而农业用水效率的提升又能为其他行业让出发展空间。

水资源的时空分布直接影响能源基地的布局和开发强度，水电、火电、化工等能源产业都离不开水资源支撑，同时能源开发又会改变水资源的配置格局和利用方式。生态用水作为维系流域生态安全的底线需求，既约束着水资源的开发利用强度，又需要通过合理的水资源配置来保障。王文科等在旱区地下水水文与生态效应研究中强调，旱区地下水不仅影响地表生态系统，更是维系整个区域生态安全的关键要素。这种复杂的相互关系表明，WEFE四要素不是简单的线性关系，而是一个相互依存、相互制约、相互促进的复杂网络系统，具备要素耦合性、目标协同性、管理集成性。要素耦合性体现在各要素间存在多重反馈回路和非线性相互作用；目标协同性体现在各要素既有相对独立的发展目标，又需要在更高层面实现协调统一，追求经济效益、社会效益、生态效益的有机统一；管理集成性体现在需要统筹水利、能源、农业农村、生态环境等多个部门的政策措施，破除部门壁垒，形成综合性的治理体系。WEFE耦合系统资源交换与依赖关系见下图。

WEFE耦合系统资源交换与依赖关系

协同治理作为现代治理的重要理念，强调多主体、多层次、多方式的有机结合，其在流域治理中的应用具有特殊的复杂性和重要性。流域作为自然地理单元，往往跨越多个行政区域，涉及多个管理部门，需要统筹多种利益关系，这使得协同治理成为必然选择。

主体协同要求政府、市场、社会多元主体共同参与，各司其职、各负其责，形成治理合力。政府作为公共利益的代表，主要负责顶层设计、统筹协调、监督执法；市场作为资源配置的重要力量，主要发挥优化配置、提高效率的作用；社会作为治理的重要参与者，主要承担监督评价、意见表达、协调沟通的职能。

空间协同要求统筹上下游、左右岸、干支流关系，破除行政区划分割，实现全流域一体化治理。上游地区要承担好水源涵养和生态保护责任，中游地区要平衡好开发利用和环境保护关系，下游地区要提高用水效率并承担相应的生态补偿责任。

时间协同要求统筹当前与长远、应急与常态、建设与管理，实现全生命周期管理。既要解决当前面临的突出问题，又要着眼长远发展需要；既要应对突发事件和极端情况，又要建立常态化管理机制；既要加强基础设施建设，又要注重运行管理和维护。

要素协同要求统筹水资源、土地资源、生态资源配置，实现多要素协调发展，这是协同治理的核心内容，也是最大的难点所在。

数字孪生WEFE耦合系统构建理论

数字孪生WEFE耦合系统的构建需要遵循系统工程理念，采用分层分级的架构设计，确保系统的科学性、先进性、实用性。Shehadeh等在城市可持续性研究中通过对450个定性访谈的分析发现，社区对节水实践的知识水平达到80%，但对当前资源管理的满意度仅为35%。分析预测，未来十年内水资源稀缺程度将增加25%，能源需求将激增18%。研究表明，数字孪生技术在WEFE关系管理中的应用能够显著提升资源管理效率，通过模拟资源配置和环境影响支持可持续发展目标的实现。整个系统采用“感知-计算-服务-应用”四层架构，每一层都有其特定的功能定位和技术要求。

1.系统架构设计

数字孪生WEFE耦合系统的四层架构包括感知层、计算层、服务层、应用层。

▲数字孪生WEFE耦合系统四层架构体系

感知层作为系统的“神经末梢”，承担着数据采集和信息感知的重要职责，需要构建天空地一体化监测网络，实现对流域水文气象、生态环境、社会经济等要素的全面感知。刘冰等在空天地一体化环境监测体系研究中指出，随着遥感技术及信息技术的发展，空天地一体化环境监测技术的应用越来越广泛，能够在监测范围、时空分辨率、作业条件、成本效率等方面发挥优势。这不仅包括传统的气象站、水文站、水质监测站等地面监测设施，还要充分利用卫星遥感、无人机、物联网传感器等现代技术手段，形成多维度、多尺度、多要素的立体监测体系。特别是要加强对关键区域、关键节点、关键要素的动态监测，提升数据获取的时效性、准确性、完整性。

计算层作为系统的“大脑中枢”，承担着数据处理、模型计算、知识推理等核心功能。计算层包含四个关键技术模块：多源数据融合技术负责异构数据的标准化处理和实时同化；多尺度模型耦合技术实现水文、生态、经济、社会模型间的有机连接；智能优化算法提供多目标协同优化和不确定性分析能力；实时仿真计算技术支撑高效的并行计算和模型轻量化。这四项技术有机集成，构成了数字孪生WEFE系统的核心计算引擎。

服务层作为系统的“智慧中心”，承担着知识服务和决策支持的重要功能，需要基于云计算、大数据、人工智能等技术，构建智能化的知识服务体系。这包括建立领域知识图谱，梳理WEFE各要素间的关联关系和作用机理；构建专家系统，将领域专家的经验知识进行结构化表达和智能化应用；开发智能算法，实现对海量数据的深度挖掘和智能分析；建立决策模型，为复杂情况下的决策提供科学支持。特别是要注重知识的动态更新和持续优化，通过机器学习等技术不断提升系统的智能化水平。

应用层作为系统的“服务窗口”，需要面向不同用户需求，提供个性化、专业化的应用服务。这包括为管理部门提供规划设计、调度运行、监督管理等功能，为科研院所提供模型验证、理论分析、技术研发等支持，为公众提供信息查询、科普教育、参与监督等服务。

2.关键技术突破

关键技术突破是系统成功构建的根本保障，需要在多方面实现创新发展。

多源数据融合技术方面，要解决异构数据的标准化问题，建立统一的数据模型和交换标准，实现不同来源、不同格式、不同精度数据的有效整合，如李文正在数字孪生流域研究中提出了基于ABCDMEETS的数字孪生流域体系结构，为多源数据融合提供了系统性解决方案；要解决多尺度数据的集成问题，建立跨尺度的数据插值和降尺度技术，实现从全球尺度到局地尺度的数据一体化；要解决实时数据的同化问题，建立高效的数据同化算法，实现观测数据与模型数据的最优融合。

多模型耦合技术方面，要解决模型接口的标准化问题，建立通用的模型耦合框架，实现不同类型模型的无缝连接；要解决参数传递的机制问题，建立科学的参数映射关系，确保耦合模型的物理意义和计算精度，如詹全忠等在数字孪生水利工程建设技术导则解析中强调，需要建立涵盖数据底板、模型库、知识库等的完整标准化体系，特别是在水文与生态模型耦合中，要明确土壤含水量、植被覆盖度、蒸散发量等关键参数的传递机制和映射关系；要解决尺度转换的方法问题，发展高效的尺度转换算法，实现跨尺度的模型耦合。

智能优化技术方面，要解决多目标优化的算法问题，如Deb等提出的NSGA-Ⅱ算法，通过快速非支配排序方法将计算复杂度从O（MN³）降低到O（MN²），并采用精英策略和拥挤距离计算，在大多数问题上能够找到更好的解分布和更好的收敛性，为多目标间的协调平衡提供了有效的算法支撑；要解决约束条件的处理问题，建立灵活的约束处理机制，适应不同情景下的约束要求；要解决不确定性的分析问题，发展不确定性量化和传播方法，提高决策的鲁棒性。

实时仿真技术方面，要解决高性能计算问题，充分利用并行计算、分布式计算等技术，提升计算效率；要解决算法优化问题，发展高效的数值算法，减少计算时间；要解决模型轻量化问题，在保证精度的前提下简化模型结构，提高运行效率。

协同治理机制创新

协同治理机制创新是实现WEFE耦合系统有效运行的关键所在，需要在理论指导、制度设计、机制创新等方面实现全面突破。基于黄河流域生态保护和高质量发展的实践经验，数字孪生驱动的WEFE治理模式应构建流域上中下游区域协同、水生态-水环境-水资源-水安全-水文化“五水”协同的治理体系，通过“技术-管理-机制”三重创新，为西北内陆河流域破解“水-能-粮-生”博弈困境提供系统方案。

▲数字孪生WEFE耦合系统“技术-管理-机制”三重协同治理范式

1.多元共治机制

多元共治机制的构建需要突破传统的政府主导、单一管理模式，建立政府主导、市场驱动、社会参与的现代治理格局。

政府层面，要强化顶层设计职能，建立高层次的统筹协调机制，明确各部门职责分工，避免管理空白和职责交叉。需要建立跨部门的联席会议制度，定期协调解决重大问题；建立联合执法机制，统一执法标准和程序；建立信息共享机制，打破部门间的信息壁垒；建立绩效考核机制，将协同效果纳入各部门考核体系。同时要完善法律法规体系，健全流域治理的法治基础，加强立法的系统性、协调性、针对性；要健全标准规范，建立涵盖技术标准、管理标准、服务标准的完整体系；要强化监督执法，建立全覆盖、常态化的监管体系，确保各项制度措施落地生效。

市场层面，要充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，通过完善市场机制来实现资源的优化配置。如郭宏伟等在塔里木河流域生态补偿研究中指出，建立科学合理的生态调水方式及生态补偿方案是化解水资源供需矛盾的重要途径，市场化的生态补偿机制能够有效调动各方积极性；其研究提出上游源流对开都—孔雀河每立方米水的补偿金额，为建立量化的补偿标准提供了参考。要完善水权交易制度，建立规范的水权确权、登记、交易、监管体系，通过市场化手段优化水资源配置效率；要完善环境权益交易制度，建立排污权、碳排放权等环境权益交易市场，运用经济手段推动环境保护；要创新投融资机制，建立多元化的投入保障体系，引导社会资本参与流域治理，发挥财政资金的杠杆作用；要完善价格机制，建立能够反映资源稀缺程度和环境损害成本的价格体系，发挥价格信号对资源配置的引导作用。

社会层面，要建立健全公众参与机制，保障公众的知情权、参与权、监督权。要建立信息公开制度，及时向社会发布流域治理相关信息，接受社会监督；要建立公众参与制度，在重大决策制定过程中充分听取公众意见，确保决策的科学性和民主性；要建立社会监督制度，发挥社会组织、新闻媒体、公众监督的作用，形成全社会共同参与的监督格局；要加强科技支撑，发挥智库和专家的咨询作用，提升治理的科学化水平。

2.利益协调机制

利益协调机制的建立是协同治理能否成功的关键环节，需要在理论创新和实践探索方面取得重要进展。

生态补偿机制要基于生态系统服务价值评估，确定科学合理的补偿标准和补偿方式，确保保护者的合理利益得到体现；在具体实施中，需要明确跨省生态补偿的财政分担比例，避免出现“协同失灵”现象。贾先文等在流域治理体系框架构建研究中强调，需要建立全国性流域协调机构，实行流域集中统一治理，化解流域治理中的“集体行动困境”；推进流域治理法治化，完善以流域为单位的综合立法原则，健全整体性的流域治理法律法规内容；树立山水林田湖草沙系统治理思维，建立流域整体化治理体制机制，促进流域治理多元化，推动区域一体化和部门协同化。要拓宽补偿资金来源，建立政府补偿、市场化补偿、社会捐助等多元化的资金保障机制；要创新补偿方式，不仅包括资金补偿，还要包括政策补偿、技术补偿、智力补偿等多种形式；要建立动态调整机制，根据生态保护成效和经济社会发展水平，适时调整补偿标准。

收益分配机制要建立公平合理的分配原则，统筹考虑各方的贡献度、受益度、承受能力等因素，确保分配的公平性；要创新分配方式，不仅包括直接的经济收益分配，还要包括发展机会、政策倾斜等间接收益分配；要建立监督评价机制，确保收益分配的透明度和公正性。

风险分担机制要建立全面的风险识别体系，对流域治理面临的各类风险进行系统识别和科学评估；要建立有效的风险预警体系，通过监测预警、情景分析等手段，及时发现和预警各类风险；要建立合理的风险分担体系，根据风险的性质、影响范围、承受能力等因素，合理分担各类风险；要建立快速的风险应对体系，制定完善的应急预案，确保在风险发生时能够快速有效应对。

3.动态调节机制

动态调节机制的建立是确保协同治理体系持续优化的重要保障，需要建立基于绩效评价的持续改进机制。特别是在全球气候变化背景下，需要增强系统的气候韧性和极端情景适应性。应借鉴流域协同治理的成功经验，建立涵盖水生态、水环境、水资源、水安全、水文化等多维度的综合适应机制，提升系统应对极端天气事件的能力。如徐海量等在塔里木河源流区气候变化研究中发现，温度升高与径流量增加的关联明显，对流域治理策略提出了动态调整的要求。

监测评估体系要建立全面的指标体系，涵盖水资源、能源、粮食、生态等各个方面，既要有量化指标，也要有质性指标；既要有结果指标，也要有过程指标；既要有短期指标，也要有长期指标。要建立科学的评估方法，采用定量评估与定性评估相结合、客观评估与主观评估相结合、内部评估与外部评估相结合的方式，确保评估结果的科学性和客观性。要建立规范的评估程序，明确评估的组织实施、数据收集、结果发布等各个环节，确保评估工作的规范化和制度化。

反馈调整机制要建立快速的反馈渠道，确保评估结果能够及时反馈到决策部门；要建立有效的调整机制，根据评估结果及时调整治理策略、优化政策措施、完善制度安排；要建立持续的改进机制，通过定期评估、持续改进，不断提升治理效果。

适应性管理要建立灵活的管理机制，如阿布都米吉提等在塔里木河下游湖泊变化研究中发现，近代人为因素对湖泊水域变化的影响强于自然因素，这要求管理机制能够根据内外部环境变化，动态调整治理目标，优化治理路径，创新治理方式；要建立学习型机制，通过实践探索、经验总结、知识积累，不断提升治理能力和治理水平。

实施路径与政策保障

基于中亚地区WEFE协同管理的经验，Ma等研究发现，多层级决策和多种不确定性形式给管理过程带来了巨大挑战。研究表明，到2050年，农业用水分配比例将减少到45.4%～56.6%，以节约更多水资源，确保生态恢复和能源供应。为平衡水资源需求和支持区域可持续发展，政策制定者应设定严格的粮食作物耕地限制，采用滴灌和喷灌提高灌溉效率，避免灌溉效率悖论的影响。这为我国西北内陆河流域WEFE协同管理提供了重要借鉴。

1.分阶段实施路径

在实施路径方面，需要按照“试点先行、逐步推广、全面深化”的思路，分阶段、有重点地推进各项工作。

近期（2026—2030年）是打基础、建框架、树典型的关键阶段，需要完成数字孪生流域基础设施建设，这包括完善监测网络体系，提升数据采集能力；建设计算平台体系，提升数据处理和模型计算能力；建设服务平台体系，提升知识服务和决策支持能力。要初步构建WEFE耦合系统框架，在理论研究、技术开发、应用实践等方面取得重要进展，形成相对完整的理论体系、技术体系、应用体系。要在重点流域开展试点示范，选择具有代表性的流域进行试点，探索可复制、可推广的经验模式，为全面推广奠定基础。

中期（2030—2035年）是提能力、扩范围、见成效的发展阶段，需要全面建成数字孪生流域体系，实现技术先进、功能完备、运行高效的建设目标；深化WEFE耦合系统应用，在更大范围、更深层次推广应用，充分发挥系统效益；基本实现流域治理现代化，在治理理念、治理方式、治理机制、治理效果等方面实现全面提升。

远期（2035—2050年）是求突破、树标杆、创一流的跨越阶段，需要建成高度智能化的流域治理体系，在人工智能、大数据、云计算等技术应用方面走在世界前列；实现人与自然和谐共生，在生态文明建设方面树立全球典范；流域可持续发展能力全面提升，为中华民族永续发展提供重要支撑。

2.重点任务统筹

在重点任务方面，需要统筹推进技术研发、平台建设、机制创新、能力建设等各项工作。

技术研发任务要围绕关键技术瓶颈，加强联合攻关，力争在数字孪生、多模型耦合、智能优化、实时仿真等核心技术方面取得重大突破，形成具有自主知识产权的技术体系。王旭等关于人工智能在水与环境领域的应用研究指出，人工智能技术的飞速发展为实现水与环境可持续发展目标提供了新的思路与方法，但仍需在关键核心技术方面实现突破。要加强产学研合作，发挥高等院校、科研院所、高新技术企业的优势，建立协同创新机制，提升技术创新能力；要加强国际交流合作，学习借鉴国外先进经验，参与国际标准制定，提升我国在相关领域的国际影响力和话语权。

平台建设任务要按照统一规划、分级建设、互联互通的原则，建设国家级、省级、市级、县级等多层次的数字孪生流域管理平台，实现数据共享、模型共享、服务共享。要建立健全数据共享机制，打破部门壁垒和地区分割，实现数据的有效整合和充分利用；要建立统一的技术标准体系，规范平台建设和运行管理，确保系统的兼容性和可扩展性。

机制创新任务要围绕治理体制机制的关键环节，深化改革创新，破除制约发展的体制机制障碍。要建立适应数字化时代要求的管理体制；要建立高效的协调运行机制；要建立可持续的发展保障机制。

能力建设任务要围绕人才队伍、技术能力、管理能力等方面，全面提升支撑保障能力。要加强专业人才培养，建立多层次、多类型的人才培养体系；要提升技术应用能力，加强技术培训和推广应用；要提升管理服务能力，建立现代化的管理服务体系。

3.全方位政策保障

在政策保障方面，需要从组织、资金、制度、人才等多个维度建立全方位的保障体系。贾先文等在流域治理体系框架构建研究中强调，建立全国性流域协调机构，实行流域集中统一治理，推进流域治理法治化，完善以流域为单位的综合立法原则，是现代流域治理体系的核心要求。

组织保障维度，要建立高层次的统筹协调机制，成立由国家发展改革委、水利部、生态环境部、农业农村部、国家能源局等部门组成的协调领导小组，负责重大事项的统筹协调和决策部署。要明确各部门职责分工，建立责任清单和工作清单，确保各项任务落实到位。要建立定期会商机制，及时协调解决实施过程中遇到的重大问题。要建立督查考核机制，将相关工作纳入政府绩效考核体系，确保工作落实。

资金保障维度，要建立多元化投入机制，充分发挥政府投资的引导作用，加大财政投入力度，重点支持基础研究、共性技术、公共平台等方面需求。要引导社会资本参与，通过政府和社会资本合作、投资基金、贷款贴息等方式，调动社会资本积极性。要创新融资方式，探索绿色债券、生态基金、碳金融等新型融资工具，拓宽资金来源渠道。要建立资金监管机制，确保资金使用效率和安全。

制度保障维度，要完善相关法律法规，修订现行法律法规中与数字化治理不适应的条款，制定专门的数字孪生流域管理法规。要健全技术标准规范，建立涵盖数据标准、技术标准、管理标准、服务标准的完整体系。要完善政策配套，制定税收优惠、土地使用、人才引进等配套政策。要强化制度执行，建立制度执行监督机制，确保各项制度落地生效。

人才保障维度，要加强专业人才培养，依托高等院校和科研院所，建立相关学科专业，培养专门人才。要完善人才激励机制，建立有利于人才成长和作用发挥的环境。要加强人才交流合作，建立人才流动和共享机制。要打造高素质专业化队伍，提升从业人员的专业素养和能力水平。

塔里木河流域实践探索

塔里木河流域面积102万km²，涉及新疆维吾尔自治区5个地州41个县市，是多民族聚居区、资源富集区、生态脆弱区、贫困集中区，作为我国最大的内陆河流域，地处丝绸之路经济带核心区，具有重要的战略地位和典型的代表意义。陈亚宁等在中国西北干旱区水资源与生态环境变化研究中指出，西北干旱区水资源短缺是制约经济社会高质量发展和生态安全保障的最关键自然因素，塔里木河流域作为典型代表具有重要的研究价值。近年来，在水利部与新疆维吾尔自治区党委和政府的坚强领导下，塔里木河流域在数字孪生WEFE耦合系统协同治理方面进行了积极探索，取得了显著成效。在理念层面，体现了从单要素治理向系统治理的转变，与WEFE耦合理念高度契合；在技术层面，通过遥感监测、物联网感知等技术构建了“感知-认知-决策-行动”闭环雏形；在机制层面，建立了统一管理、分级负责的治理体制，初步实现了多元主体协同。特别是2000年至今累计生态输水102亿m³的实践，充分体现了水-生态耦合的核心理念，通过“以水定绿、以绿促水”实现了生态效益与经济效益的协同提升，为WEFE耦合系统协同治理提供了成功范例。

1.理念更新与技术应用

在理念更新方面，流域管理部门牢固树立山水林田湖草沙生命共同体理念，坚持系统治理、综合施策，统筹考虑水资源配置、生态环境保护、经济社会发展、民生改善等多重目标，实现了从单纯工程治理向综合治理、从局部治理向系统治理、从被动治理向主动治理的转变。特别是在实施塔里木河流域综合治理过程中，始终坚持生态优先、绿色发展，以生态输水为纽带，统筹生产、生活、生态用水，既保障了经济社会发展的合理用水需求，又维护了河流生态系统的健康稳定，实现了经济效益、社会效益、生态效益的有机统一。

在技术应用方面，积极运用遥感监测、物联网感知、大数据分析等现代信息技术。冶运涛等在数字孪生流域研究中强调，数字孪生流域是未来流域治理管理的新基建新范式，通过“由实入虚”、“以虚映实”和“由虚控实”，实现物理流域对象的全生命周期管控。塔里木河建设了覆盖全流域的水文气象监测网络，实现了对主要河流、重要断面、关键工程的实时监控；建立了流域水资源统一调度系统，通过信息化手段提升了调度精度和效率；开展了流域生态环境遥感监测，定期评估植被覆盖、土地利用、水体变化等生态指标，为科学决策提供了有力支撑。鹏城实验室为塔里木河构建的全球遥感智能分析系统取得了显著成效。2024年，开都河10日来水预测准确率提升至85%，胡杨林生态补水效益评估精度达90%以上；通过数字视网膜技术，叶尔羌河汗克尔渠首漂浮物识别准确率提升至80%，闸门调控响应时间缩短至6min。这些技术应用为数字孪生WEFE耦合系统的实际运行提供了有力支撑。

2.机制创新与管理体制

在机制创新方面，建立了统一管理、分级负责的管理体制。塔里木河流域管理局作为流域管理机构，负责“九源一干”全流域水资源的统一配置和统一调度，各地州市县负责本行政区域内的具体实施；建立了多部门协调的工作机制，水利、发展改革、财政、生态环境、农业农村等部门密切配合，形成治理合力；建立了上下游利益协调机制，通过生态补偿、对口援助、产业合作等方式，调动各方积极性；建立了公众参与机制，通过信息公开、听证座谈、社会监督等方式，保障公众的知情权和参与权。

3.实践成效与经验总结

经过20多年的持续治理，塔里木河流域水资源配置更加合理，用水效率显著提升，生态环境明显改善，经济社会发展质量不断提高。特别是自2000年启动塔里木河生态输水工作以来，至今累计向下游生态输水26次，至2024年累计下泄生态水量102亿m³，年均下泄4.08亿m³，水头到达尾闾台特玛湖19次。下游地下水水位显著回升，距河道750m内地下水埋深维持在2～6m，植被恢复面积大幅扩大，生物多样性明显增加，形成了人与自然和谐共生的良好局面。玉米提·哈力克等研究表明，塔里木河下游输水恢复过程中胡杨生长对地下水水位的响应明显，地下水水位的回升直接促进了胡杨林的恢复和生长。这些实践探索验证了理论框架的科学性，为流域治理现代化提供了成功范例。

结语

基于数字孪生的西北内陆河流域WEFE耦合系统协同治理，是适应新时代要求的理论创新和实践探索，代表着流域治理的发展方向。其核心在于运用系统思维统筹多要素关系，运用数字技术提升流域治理能力，运用协同理念凝聚流域治理合力，通过理论创新、技术创新、机制创新，构建适应复杂巨系统特征的现代化治理体系。

当前，WEFE理论仍处于探索发展阶段，需要在实践中不断完善和深化。理论研究需要进一步深入，特别是在WEFE耦合机理、协同治理机制、数字孪生技术等方面，需要加强基础理论研究，完善理论体系，提升理论水平。技术发展需要进一步突破，特别是在多源数据融合、多模型耦合、智能优化算法、实时仿真计算等关键技术方面，需要加强攻关研发，实现技术突破，提升技术水平。机制创新需要进一步深化，特别是在跨部门协调、跨区域合作、多主体参与等体制机制方面，需要深化改革创新，完善制度安排，增强制度活力。实践应用需要进一步扩展，在更大范围、更深层次上推广应用，积累更多实践经验，验证理论正确性，完善技术方法，优化制度设计。

随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，数字孪生、人工智能、大数据、云计算等技术将更加成熟完善，为流域治理现代化提供更加强有力的技术支撑。随着生态文明建设的深入推进和高质量发展要求的不断提升，流域治理将更加注重系统性、协同性、可持续性，对治理理论和治理技术提出更高要求。数字孪生驱动的WEFE治理模式通过“技术-管理-机制”三重创新，为西北内陆河流域破解“水-能-粮-生”博弈困境提供了系统方案。塔里木河实践不仅助力西部大开发战略背景下的生态屏障巩固与能源基地建设，更通过智慧治水经验输出为“一带一路”框架下中亚跨境河流治理贡献中国范式。应抓住机遇、应对挑战，继续深化理论研究，加强技术创新，完善制度机制，扩大实践应用，努力构建具有中国特色、体现时代特征、引领发展潮流的流域治理体系，为建设人与自然和谐共生的现代化、实现中华民族永续发展作出新的更大贡献。

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，孟现勇，丁建丽，等.数字孪生驱动的水-能-粮-生耦合系统协同治理新范式[J].中国水利，2025（18）：1-11.

封面摄影确·胡热

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