“東數西算”賦能黃河流域生態保護策略研究

張紅太

(洛陽理工學院 馬克思主義學院,河南 洛陽 471023)

“東數西算”是中國數字經濟發展重大工程,是經濟和科技發展到一定歷史階段的必然產物。當前,黃河流域東西部之間數字化發展不平衡,技術擴散和產業轉移能夠實現東西部之間優勢互補和協同發展,而“東數西算”是實現產業擴散和產業轉移的有效方式,對黃河流域生態保護和高質量發展產生了深刻的影響?？偨Y“東數西算”推動產業綠色化發展的一般規律,探析“東數西算”數字技術革命賦能黃河流域生態保護的策略,對促進數字經濟賦能黃河流域經濟高質量發展,進而推動黃河流域生態保護和高質量發展具有重要意義。

一、“東數西算”相關概念的厘定

“數字”是對現實世界的抽象反映,是一個空間到另一個空間的映射,這種映射可以用不同的語言(例如十進制或二進制)來表達。在“數字經濟”中,所謂的“數字”是二進制的計算機語言。數字化過程是把現實物理世界映射或遷移到數字世界的過程。一般而言,數字化過程指的是利用二進制語言來表達這種映射的過程。數字技術的推進使得萬物皆可數字化,即萬物都可以轉化為數字。由于信息技術的發展嚴重依賴二進制的計算機“數字”語言,當前人們把“信息”和“數字”看作同一概念。換言之,信息技術即數字技術。

根據實施空間范圍大小不同,“東數西算”的涵義有狹義和廣義之分。狹義的“東數西算”指依靠完善的新型算力網絡設施,把東部算力需求轉移到西部,優化東西部大數據中心布局,在空間上實現東西部聯動發展,即讓西部的算力資源更充分地支撐東部數據的運算,更好為數字化發展賦能[1],發揮西部算力資源優勢,促進東部地區數字化轉型升級發展。廣義的“東數西算”指實現全國范圍內算力資源和基礎設施工程協調配合,發揮全國范圍內數據中心、互聯網絡形成一盤棋的計算優勢,構建由云計算、大數據和人工智能技術為核心的一體化算力網絡[2]。簡而言之,“東數西算”將算力資源緊張地區的數據處理任務分配給算力資源充裕地區進行計算處理,然后再將處理好的信息進行反饋,實現全國范圍內算力資源統一配置,促進區域間優勢互補、協同發展?？梢?狹義和廣義的“東數西算”除所涉及空間范圍大小不同之外,在內容表述上基本是一致的,均是針對區域間數字經濟發展不平衡問題提出的協同解決方案。黃河流域橫跨我國東西部地區,是發展“東數西算”重大工程的關鍵核心區域,大力推進黃河流域“東數西算”重大工程對于推進黃河流域經濟、社會、環境發展具有重要意義。

二、黃河流域“東數西算”的歷史必然性

物質、能量、信息是創造世界的決定性力量,是人類生產方式的基礎性內容。在人類社會發展的初期階段,物質-能量在生產方式中居于支配地位,信息的作用沒有充分顯現。隨著經濟社會的發展和生產方式的變遷,信息對物質-能量的統攝作用不斷增強,在當下人類生產方式中,信息已具有了超越物質-能量的更重要的地位,引起了物理世界、虛擬世界的融合重塑。信息的變化歷程表明,數字化是人類歷史發展的趨勢,數字產業邊際報酬遞減規律決定了黃河流域“東數西算”的歷史必然性。

(一)黃河流域經濟社會發展愈加需要大型服務器

黃河流域是一個地理系統概念,也是一個社會系統概念。隨著黃河流域社會系統的成長壯大,社會結構因適應外部環境的變化而愈加復雜化,新的構成部分被創造出來。新的構成部分之間、原有的構成部分之間以及新舊構成部分之間產生了多樣化的聯系,因而衍生了大量的信息和數據。在經濟領域,由于市場經濟高速發展,商品交換逐漸從線下轉移到線上,電子商務應運而生,各種網上交易平臺產生了大量的買賣信息以及由此而生發出的各種數據。在政治領域,國家治理需要大量數據在各級政府間流動,電子政務愈發復雜化。在文化領域,文學藝術的創造及傳播都要通過信息來進行。在社會領域,對居民生活中產生的信息進行儲存、加工、提取,產品和服務的分配需要統一的大數據、云計算的支撐。在生態建設領域,統籌自然資源環境和經濟發展之間的關系,需要對信息進行處理。社會有機體不斷生成產生的海量信息,需要大型服務器運算、加工、清洗。同時,由此產生的新的數據信息也需要反饋給社會有機體。因此,只有保證以上流程運轉和諧有序,才能促進經濟社會發展預期目標的達成。

(二)黃河流域數據中心大型服務器電能消耗量巨大

大型服務器的物理單元是電子線路、電子元器件,高頻電流流經這些單元時會產生熱量,因而要耗費大量電能。從相對數量來看,據相關研究資料顯示,到2025年,全國范圍內算力中心耗電量將達到全國所有行業總用電量的4.05%,將在2018年耗電量的基礎上增加一倍。其中,電費開支占計算中心總開支比例最高,約為70%[3]。從絕對數量來看,2018年全國計算中心耗電量達到1 608.89億千瓦時,占全國所有行業總用電量的2.35%[4]。大量電能的耗費增加了產業發展成本,加劇了能源資源緊張狀況,增加了碳排放量,經濟可持續發展受到了嚴重影響。

目前,黃河流域在鄭州市、西安市、濟南市、太原市設有4個國家計算中心,在寧夏回族自治區中衛市、內蒙古自治區和林格爾縣、甘肅省慶陽市設有3個國家算力樞紐。盡管這些計算中心進行了節能環保和綠色化設計,但其消耗的電能數量依然十分龐大,特別是位于黃河下游的鄭州超算中心、濟南超算中心比黃河上游同等規模的數據中心耗費的電能更多。因此,如何進行節能減排和實現可持續發展,是黃河下游地區數據中心亟須解決的問題。

(三)黃河流域東部地區數據中心用能瓶頸效應凸顯

東部地區指的是“胡煥庸線”以東的地區,該線是我國地理學家胡煥庸在1935年提出的劃分我國人口密度和經濟水平的對比線?！昂鸁ㄓ咕€”把黃河流域分為東西兩部分,東部地區指的是黃河中下游地區,西部地區指的是黃河上游地區。黃河流域東部地區分布了流域內絕大多數的人口,經濟總量占流域內的絕大部分。該線連接黑河與騰沖,該線東南方36%的國土居住著96%的人口,該線西北方64%的國土僅居住著4%的人口?！昂鸁ㄓ咕€”充分彰顯了地理環境對社會發展的重要作用。黃河流域東部地區經濟發達,算力資源緊張,算力供給滿足不了算力需求,如果擴大數據中心規模,將增加用地、用電、用工成本,導致邊際報酬遞減,從而限制數據中心的規模和機架數量。同時,東部地區各級政府均將數據中心產業定位為高耗能產業并對其加以嚴格限制,特別是北上廣深等一線城市用電、用水指標嚴重不足,進一步凸顯了數據中心產業發展的瓶頸[4]。因此,通過產業轉移解決用能問題日益被提上日程。

三、黃河流域“東數西算”的現實必要性

黃河流經我國地理空間的三大階梯,我國從西到東地形地貌逐級變化,形成黃河流域內千差萬別的自然地理環境。不同的地理環境孕育了不同的能源資源優勢,黃河流域西部地區水、風、光、電、礦產資源豐富,黃河流域東部地區煤、石油、天然氣、農產品資源豐富。地理環境的差異為黃河流域東西部地區協同發展提供了條件。在自然地理環境與人類社會協同進化的過程中,黃河流域東部地區經濟發達,數字經濟發展充分,但環境資源瓶頸約束效應凸顯,制約了產業的發展;黃河流域西部地區一二三產業較為落后,數字經濟發展不足,但生態環境優勢明顯,產業發展空間大。因而,改變黃河流域發展不平衡現狀是黃河流域東西部地區協調發展的前提,也是促進黃河流域整體平衡、充分發展的基礎。

(一)西部地區發揮地理環境比較優勢的必要

黃河流域西部能夠開發利用的地區年平均氣溫較低、濕度小,可以利用自然風冷卻機房,降低電能消耗量。同時,黃河流域西部地區自然資源豐富,除可利用煤、石油、天然氣發電外,還可以將水能、光能轉換成綠電,為數據中心提供充沛、低廉的電能,具有地域上的比較優勢,如表1所示。此外,黃河流域西部地區用地、用工成本較低,且位于我國國土內陸核心區域,具有廣闊戰略縱深,安全程度較高。

表1 黃河流域上游“東數西算”工程西部樞紐地區(集群地區)比較優勢[5]

(二)區域間能源資源優勢互補的必要

黃河流域西部地區蘊含的水、風、光、電等生態資源是數字經濟發展的基礎條件,如果沒有將這些資源(包括可再生能源資源)納入生產力系統中,就會造成生態優勢的浪費,阻礙西部地區經濟發展。黃河流域東部地區(山東省、河南省、陜西省)利用當地資源環境稟賦發展高新技術產業產生的海量大數據需要進行計算分析,但該地區算力嚴重不足,迫切需要西部地區的支援?！皷|數西算”可降低黃河流域東部地區發展數字產業成本,有利于向黃河流域西部地區進行產業轉移,既能使黃河流域東部地區利用有限的算力資源進行數字產業升級迭代,又能使黃河流域西部地區接受產業轉移發展數字經濟,使得土地資源、光電資源優勢得到充分發揮,實現東中西部地區區域數字產業協調發展[6]。黃河流域東西部地區之間加強協同合作可充分挖掘西部地區的資源優勢,突破東部地區算力資源不足的限制,滿足東西部地區能源資源優勢互補發展的需要。

(三)黃河流域系統整體協調發展的必要

黃河流域是由水的關聯作用而形成的系統整體,但這種關聯作用因受到空間地理環境的影響而導致水資源利用呈現一定的局限性。數字和信息可以突破地理空間的限制,降低區域間交易成本、優化區域產業結構,強化黃河流域的系統整體性。通過信息網絡優化資源配置手段和提升資源配置效率,賦予了區域內以及區域間經濟發展新動能[7]。長期以來,黃河流域上游地區傳統的經濟發展模式嚴重依賴物質要素,由于受到氣候、自然環境的制約,其物質要素的流動速度遲緩。黃河流域中下游地區經濟發展雖然也依賴物質要素,但該區域物質要素的流動受氣候、自然環境的制約作用較小,物質要素流動較快。因此,黃河流域區域發展不平衡、不充分問題長期存在,未充分實現黃河流域整體經濟效益的提升。數字經濟的到來,以信息化帶動與優化物質、能量的運動和存在方式,為黃河流域系統發展提供了契機。

(四)黃河流域生態環境保護的必要

黃河流域生態安全形勢不容樂觀。黃河流域的工業、城鎮生活和農業面源三方面的污染,加之尾礦庫污染,使得2018年黃河137個水質斷面中,劣V類水占比達12.4%,明顯高于全國6.7%的平均水平[8]241。對黃河流域進行生態保護,必須以綠色化為導向,轉變產業模式,發展信息技術。數字經濟條件下,數據已成為生產力的重要構成要素,數據的可復制性、綠色化、實時傳播、可海量獲取、低成本等優勢,克服了傳統物質性生產要素在各方面的固有缺陷[9]。實施“東數西算”重大工程,既減少了黃河流域東部地區數據中心的耗電量,又相應地減少了發電用煤的數量,間接減少了人類開發建設活動對黃河流域的生態破壞。同時,黃河流域西部地區產業數字化和數字產業化的實現,必將加速產業升級迭代,減少資源消耗量與污染物排放量,減輕黃河流域西部地區的生態壓力,更好地將生態效益轉化為經濟、社會效益,為西部地區進一步進行生態治理奠定經濟基礎。

(五)黃河流域高質量發展的必要

高質量發展是一種生產要素投入低、資源配置效率高、資源環境成本低、經濟社會效益好的質量型發展模式[10]。黃河流域經濟高質量發展要求其不能走過去消耗能源資源的粗放型發展之路,只有走新型工業化和數字化相融合的綠色發展之路,才能解決群眾關切的生態安全、飲水安全、防洪安全和提高經濟收入水平等問題。數字技術的數據要素能夠促進數字產業化和產業數字化交匯融合,催化一大批新技術、新產業、新業態、新模式的產生,帶動群眾更高質量就業和更好地保護環境。計算力(數據中心的計算能力)成為新的生產力構成要素,可以深度融入制造、交通、教育、航空航天、金融、傳媒等更多行業,賦能傳統行業轉型升級。以人工智能為代表的產業發展和應用場景強烈依賴算力要素,金融市場高頻交易、VR/AR、超高清視頻等實時性要求高的場景和業務,在豐富算力資源加持下得到快速發展和落地[11]。升級后的產業將數據和算力作為生產資料,可提供數字化場景和業務服務,消耗更少的能量,排放更少的污染物,產生更多的經濟效益、社會效益、環境效益,更好地滿足黃河流域人民群眾日益增長的物質、文化和生態需要。

四、“東數西算”賦能黃河流域生態保護具體策略

習近平總書記在全國生態環境保護大會上強調,要“深化人工智能等數字技術應用,構建美麗中國數字化治理體系,建設綠色智慧的數字生態文明”[12]?！皷|數西算”重大工程是建設數字中國的創新實踐,是發展方式綠色化轉變的體現。作為新基建的重要構成部分,“東數西算”通過數字將黃河流域上中下游地區整合起來,對促進區域協調發展、發揮生態保護整體價值具有重要意義。

(一)減少水土流失

“東數西算” 重大工程的實施,可以減少黃河流域東部地區大數據中心的耗電量,進而減少煤的開采量,減輕對采煤地區的環境破壞,使產煤區有更多時間和空間進行生態修復和生態治理,間接實現涵養水源、減少水土流失的目標。對于黃河流域西部地區來說,算力中心和數據中心等基礎設施的建成和使用,促使云計算、人工智能、大數據等領先技術帶動當地數字產業的發展,借助空天地一體化的數字監測設備,科學開展生態環境狀況的監測、預警、勘察工作,為及時進行人工生態修復提供參考信息;借助大數據技術,采集當地生態環境數據,模擬當地未來生態環境發展變化趨勢,為生態治理提供參考;借助人工智能技術,實施地質災害救助、噴灑農藥、飛播造林種草等生態治理工作;借助信息技術,在理論和實踐上提升生態治理水平,促進當地生態環境質量改善,達成涵養水源、減少水土流失的目標。

(二)降碳節能減排

黨的二十大報告指出,“推動經濟社會發展綠色化、低碳化是實現高質量發展的關鍵環節”[13]50,為黃河流域高質量發展指明了方向。在數字經濟時代,必須緊跟數字潮流發展大數據產業,而發展大數據產業需要建立大型服務器。日夜運行的服務器及其配套的環境控制設施需要耗費大量的能源, 數據中心超過半數的運維成本花費在電力使用上。據我國生態環境部環境規劃院專家測算,2021年,全國數據中心能源消耗達到2 166億千瓦時,占全社會用電量的2.6%左右;二氧化碳排放量約為1.35億噸,占全國二氧化碳排放量的1.14%左右。到2025年,全國數據中心能源消耗總量將達到3 500億千瓦時,約占全社會用電量的4%;二氧化碳排放量達2.1億噸,占全國二氧化碳排放量的比例接近2%[14]?？梢?數據中心綠色化轉型迫在眉睫。

“東數西算”重大工程將黃河流域東部地區后臺加工、離線分析、存儲備份等非實時需求的算力轉移到黃河流域西部,利用有限的算力發展區塊鏈、物聯網、人工智能等數字經濟高端產業,從而實現黃河流域整體性節能減排。一是黃河流域上游地區將可再生能源發出的電(如光電、風電)接入供電系統,直接提供給本地區算力中心使用,減少了遠距離輸電過程中因線路自身發熱產生的能量損耗。二是黃河流域西部地區通過空氣冷卻降低服務器運行時的溫度,在同等技術條件下,可節約30%至60%的能耗。按照工業用電平均電價每千瓦時0.5元來計算,10萬臺服務器的標準數據中心機房所在地氣溫每降低1 ℃,每天可節約9.6萬元[5]。如果將節約的能量換算成相應燃煤產生的碳排放量,則減少的碳排放量更是驚人的。2020年,我國新型數字基礎設施碳排放量是23 945.01萬噸,實施“東數西算”重大工程之后,同等條件下,按照節約能耗30%來計算,將減少碳排放量7 183.5萬噸,節能減排效果顯著。

(三)減緩荒漠化進程

大漠、戈壁是我國西部地區典型的地貌特征。截至2019年,我國荒漠化土地面積257.37萬平方公里,沙化土地面積168.78萬平方公里。惡劣的自然條件使得以上國土面積難以被開發利用,造成了國土資源浪費,且在極端氣候條件下,可能加速荒漠化進程?！皷|數西算”重大工程的實施,可從兩個方面減緩荒漠化進程并在一定程度上促進經濟效益的提升。一是建設綠電基礎工程,生態化利用荒漠化土地資源,減緩荒漠化進程。例如,在青海省塔拉灘戈壁灘,當地人民群眾在太陽能發電站內飼養“光伏羊”,探索出數字產業和生態農業相融合的發展模式。戈壁灘上安裝太陽能電池板之后,改變了空氣中水蒸氣的凝結方式,有利于露水在夜晚集結于太陽能電池板下,促進雜草的生長,進而使得戈壁灘上長出綠洲。同時,在此處飼養羊群既可省掉清除雜草的費用,又可增加農民收入,使其投入更多資金用于環境保護與修復,可謂一舉多得。二是“東數西算”重大工程的實施能夠促進黃河流域西部地區產業結構升級,為當地荒漠化治理提供經濟支撐。據業內機構估算,算力每增長10個百分點,將引致數字經濟增長3.3個百分點、GDP增長1.8個百分點,數據中心建設將拉動8倍左右投資,“東數西算”每年將會帶動4 000至5 000億元投資規模[6]。數字產業與其他產業的嵌入性作用可以促進黃河流域上游地區產業規模的擴大與經濟效益的提升,為荒漠化治理積累更多的人力、物力、財力。

(四)優化能源消費結構

辯證來看,“碳達峰”“碳中和”是制約我國目前和未來產業發展的重要指標,但同時為正處于工業化階段的中國帶來了機遇和挑戰。實現“碳達峰”“碳中和”,必須以科技創新為先導?！皷|數西算”重大工程是科技創新的主陣地,對于實現“雙碳”目標具有強有力的推動作用。黃河流域推進“東數西算”重大工程是順應“雙碳”目標要求的重要舉措。從大數據中心用能結構來看,目前,在黃河上游地區,煤炭在提供能源構成中占比高達57%,可再生能源占比僅為43%。這一現象在黃河中下游地區更為突出,“東數西算”重大工程的實施,可將一部分數據中心引導至黃河流域西部建設,有利于提升數據中心綠色能源使用率,提高算力綠色化水平[15]。未來,黃河流域數字經濟用能消費結構偏向風能、太陽能、水能等可再生能源的消費和使用。普及“光伏+農業”“光伏+畜牧業養殖”等清潔用能方式,加快促進綠電對散煤、煤電的替代[16],必將促進黃河流域生態環境質量水平的提升。

(五)促進數字治黃能力提升

早在21世紀初,我國就已經開始利用信息化手段和數字技術治理黃河,但囿于相關基礎設施不完善、技術水平較低,治理效果并不顯著,具體表現之一為治黃信息化支撐能力弱。一是監測感知能力較低;二是數據底板不完善;三是流域數學模型與智能算法落后;四是服務于數字孿生流域的算力支撐能力亟須加強;五是業務應用智能化水平不高[17]?！皷|數西算”重大工程的實施,可有效促進黃河流域數字基礎設施完善和技術升級,有利于統籌利用云計算、大數據、移動互聯網、物聯網、人工智能、5G技術等科技手段,全面透徹感知黃河流域整體生態狀況,完善信息庫數據內容,解決監測感知能力不足和數據庫底板不完善等問題。通過超級計算中心和算力樞紐聯動,可以解決流域內數學建模和智能算法不足的問題。通過新增互聯網數據中心、協同各算力樞紐、拓寬數據通信網絡,可以解決流域內算力不足和智能化水平低下問題?？梢?“東數西算”重大工程的實施,為黃河流域生態治理帶來了新的技術革命,為新時代數字治黃注入新動能。

五、結論

新時代以來,習近平總書記多次前往河南省視察黃河,并將黃河流域生態保護和高質量發展定位為重大國家戰略。探索實現黃河流域生態保護和高質量發展的道路,成為新時代的重要課題?？茖W、經濟、社會之間具有互促共融的系統性關系?？萍寄軌蛲苿咏洕鐣l展,反之經濟、社會發展也有利于科技的進步。發揮科技創新與數字技術的聯合優勢,推動黃河流域經濟社會發展成為當今的時代主題。我國經濟層面市場規模巨大,為我國發展數字經濟提供了更多可能性?！皷|數西算”是數字經濟新發展理念的創新實踐,對于黃河流域生態治理和生態保護具有重要意義,是推進生態文明建設的重要路徑。通過減少水土流失,降碳節能減排,減緩荒漠化進程,優化能源消費結構,促進數字治黃能力提升等策略的實施,持續推動“東數西算”重大工程,以數字賦能經濟社會發展和生態文明建設,可為早日實現人與自然和諧共生的中國式現代化提供新的路徑選擇。