“东数西算”赋能黄河流域生态保护策略研究

张红太

(洛阳理工学院 马克思主义学院,河南 洛阳 471023)

“东数西算”是中国数字经济发展重大工程,是经济和科技发展到一定历史阶段的必然产物。当前,黄河流域东西部之间数字化发展不平衡,技术扩散和产业转移能够实现东西部之间优势互补和协同发展,而“东数西算”是实现产业扩散和产业转移的有效方式,对黄河流域生态保护和高质量发展产生了深刻的影响。总结“东数西算”推动产业绿色化发展的一般规律,探析“东数西算”数字技术革命赋能黄河流域生态保护的策略,对促进数字经济赋能黄河流域经济高质量发展,进而推动黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。

一、“东数西算”相关概念的厘定

“数字”是对现实世界的抽象反映,是一个空间到另一个空间的映射,这种映射可以用不同的语言(例如十进制或二进制)来表达。在“数字经济”中,所谓的“数字”是二进制的计算机语言。数字化过程是把现实物理世界映射或迁移到数字世界的过程。一般而言,数字化过程指的是利用二进制语言来表达这种映射的过程。数字技术的推进使得万物皆可数字化,即万物都可以转化为数字。由于信息技术的发展严重依赖二进制的计算机“数字”语言,当前人们把“信息”和“数字”看作同一概念。换言之,信息技术即数字技术。

根据实施空间范围大小不同,“东数西算”的涵义有狭义和广义之分。狭义的“东数西算”指依靠完善的新型算力网络设施,把东部算力需求转移到西部,优化东西部大数据中心布局,在空间上实现东西部联动发展,即让西部的算力资源更充分地支撑东部数据的运算,更好为数字化发展赋能[1],发挥西部算力资源优势,促进东部地区数字化转型升级发展。广义的“东数西算”指实现全国范围内算力资源和基础设施工程协调配合,发挥全国范围内数据中心、互联网络形成一盘棋的计算优势,构建由云计算、大数据和人工智能技术为核心的一体化算力网络[2]。简而言之,“东数西算”将算力资源紧张地区的数据处理任务分配给算力资源充裕地区进行计算处理,然后再将处理好的信息进行反馈,实现全国范围内算力资源统一配置,促进区域间优势互补、协同发展。可见,狭义和广义的“东数西算”除所涉及空间范围大小不同之外,在内容表述上基本是一致的,均是针对区域间数字经济发展不平衡问题提出的协同解决方案。黄河流域横跨我国东西部地区,是发展“东数西算”重大工程的关键核心区域,大力推进黄河流域“东数西算”重大工程对于推进黄河流域经济、社会、环境发展具有重要意义。

二、黄河流域“东数西算”的历史必然性

物质、能量、信息是创造世界的决定性力量,是人类生产方式的基础性内容。在人类社会发展的初期阶段,物质-能量在生产方式中居于支配地位,信息的作用没有充分显现。随着经济社会的发展和生产方式的变迁,信息对物质-能量的统摄作用不断增强,在当下人类生产方式中,信息已具有了超越物质-能量的更重要的地位,引起了物理世界、虚拟世界的融合重塑。信息的变化历程表明,数字化是人类历史发展的趋势,数字产业边际报酬递减规律决定了黄河流域“东数西算”的历史必然性。

(一)黄河流域经济社会发展愈加需要大型服务器

黄河流域是一个地理系统概念,也是一个社会系统概念。随着黄河流域社会系统的成长壮大,社会结构因适应外部环境的变化而愈加复杂化,新的构成部分被创造出来。新的构成部分之间、原有的构成部分之间以及新旧构成部分之间产生了多样化的联系,因而衍生了大量的信息和数据。在经济领域,由于市场经济高速发展,商品交换逐渐从线下转移到线上,电子商务应运而生,各种网上交易平台产生了大量的买卖信息以及由此而生发出的各种数据。在政治领域,国家治理需要大量数据在各级政府间流动,电子政务愈发复杂化。在文化领域,文学艺术的创造及传播都要通过信息来进行。在社会领域,对居民生活中产生的信息进行储存、加工、提取,产品和服务的分配需要统一的大数据、云计算的支撑。在生态建设领域,统筹自然资源环境和经济发展之间的关系,需要对信息进行处理。社会有机体不断生成产生的海量信息,需要大型服务器运算、加工、清洗。同时,由此产生的新的数据信息也需要反馈给社会有机体。因此,只有保证以上流程运转和谐有序,才能促进经济社会发展预期目标的达成。

(二)黄河流域数据中心大型服务器电能消耗量巨大

大型服务器的物理单元是电子线路、电子元器件,高频电流流经这些单元时会产生热量,因而要耗费大量电能。从相对数量来看,据相关研究资料显示,到2025年,全国范围内算力中心耗电量将达到全国所有行业总用电量的4.05%,将在2018年耗电量的基础上增加一倍。其中,电费开支占计算中心总开支比例最高,约为70%[3]。从绝对数量来看,2018年全国计算中心耗电量达到1 608.89亿千瓦时,占全国所有行业总用电量的2.35%[4]。大量电能的耗费增加了产业发展成本,加剧了能源资源紧张状况,增加了碳排放量,经济可持续发展受到了严重影响。

目前,黄河流域在郑州市、西安市、济南市、太原市设有4个国家计算中心,在宁夏回族自治区中卫市、内蒙古自治区和林格尔县、甘肃省庆阳市设有3个国家算力枢纽。尽管这些计算中心进行了节能环保和绿色化设计,但其消耗的电能数量依然十分庞大,特别是位于黄河下游的郑州超算中心、济南超算中心比黄河上游同等规模的数据中心耗费的电能更多。因此,如何进行节能减排和实现可持续发展,是黄河下游地区数据中心亟须解决的问题。

(三)黄河流域东部地区数据中心用能瓶颈效应凸显

东部地区指的是“胡焕庸线”以东的地区,该线是我国地理学家胡焕庸在1935年提出的划分我国人口密度和经济水平的对比线。“胡焕庸线”把黄河流域分为东西两部分,东部地区指的是黄河中下游地区,西部地区指的是黄河上游地区。黄河流域东部地区分布了流域内绝大多数的人口,经济总量占流域内的绝大部分。该线连接黑河与腾冲,该线东南方36%的国土居住着96%的人口,该线西北方64%的国土仅居住着4%的人口。“胡焕庸线”充分彰显了地理环境对社会发展的重要作用。黄河流域东部地区经济发达,算力资源紧张,算力供给满足不了算力需求,如果扩大数据中心规模,将增加用地、用电、用工成本,导致边际报酬递减,从而限制数据中心的规模和机架数量。同时,东部地区各级政府均将数据中心产业定位为高耗能产业并对其加以严格限制,特别是北上广深等一线城市用电、用水指标严重不足,进一步凸显了数据中心产业发展的瓶颈[4]。因此,通过产业转移解决用能问题日益被提上日程。

三、黄河流域“东数西算”的现实必要性

黄河流经我国地理空间的三大阶梯,我国从西到东地形地貌逐级变化,形成黄河流域内千差万别的自然地理环境。不同的地理环境孕育了不同的能源资源优势,黄河流域西部地区水、风、光、电、矿产资源丰富,黄河流域东部地区煤、石油、天然气、农产品资源丰富。地理环境的差异为黄河流域东西部地区协同发展提供了条件。在自然地理环境与人类社会协同进化的过程中,黄河流域东部地区经济发达,数字经济发展充分,但环境资源瓶颈约束效应凸显,制约了产业的发展;黄河流域西部地区一二三产业较为落后,数字经济发展不足,但生态环境优势明显,产业发展空间大。因而,改变黄河流域发展不平衡现状是黄河流域东西部地区协调发展的前提,也是促进黄河流域整体平衡、充分发展的基础。

(一)西部地区发挥地理环境比较优势的必要

黄河流域西部能够开发利用的地区年平均气温较低、湿度小,可以利用自然风冷却机房,降低电能消耗量。同时,黄河流域西部地区自然资源丰富,除可利用煤、石油、天然气发电外,还可以将水能、光能转换成绿电,为数据中心提供充沛、低廉的电能,具有地域上的比较优势,如表1所示。此外,黄河流域西部地区用地、用工成本较低,且位于我国国土内陆核心区域,具有广阔战略纵深,安全程度较高。

表1 黄河流域上游“东数西算”工程西部枢纽地区(集群地区)比较优势[5]

(二)区域间能源资源优势互补的必要

黄河流域西部地区蕴含的水、风、光、电等生态资源是数字经济发展的基础条件,如果没有将这些资源(包括可再生能源资源)纳入生产力系统中,就会造成生态优势的浪费,阻碍西部地区经济发展。黄河流域东部地区(山东省、河南省、陕西省)利用当地资源环境禀赋发展高新技术产业产生的海量大数据需要进行计算分析,但该地区算力严重不足,迫切需要西部地区的支援。“东数西算”可降低黄河流域东部地区发展数字产业成本,有利于向黄河流域西部地区进行产业转移,既能使黄河流域东部地区利用有限的算力资源进行数字产业升级迭代,又能使黄河流域西部地区接受产业转移发展数字经济,使得土地资源、光电资源优势得到充分发挥,实现东中西部地区区域数字产业协调发展[6]。黄河流域东西部地区之间加强协同合作可充分挖掘西部地区的资源优势,突破东部地区算力资源不足的限制,满足东西部地区能源资源优势互补发展的需要。

(三)黄河流域系统整体协调发展的必要

黄河流域是由水的关联作用而形成的系统整体,但这种关联作用因受到空间地理环境的影响而导致水资源利用呈现一定的局限性。数字和信息可以突破地理空间的限制,降低区域间交易成本、优化区域产业结构,强化黄河流域的系统整体性。通过信息网络优化资源配置手段和提升资源配置效率,赋予了区域内以及区域间经济发展新动能[7]。长期以来,黄河流域上游地区传统的经济发展模式严重依赖物质要素,由于受到气候、自然环境的制约,其物质要素的流动速度迟缓。黄河流域中下游地区经济发展虽然也依赖物质要素,但该区域物质要素的流动受气候、自然环境的制约作用较小,物质要素流动较快。因此,黄河流域区域发展不平衡、不充分问题长期存在,未充分实现黄河流域整体经济效益的提升。数字经济的到来,以信息化带动与优化物质、能量的运动和存在方式,为黄河流域系统发展提供了契机。

(四)黄河流域生态环境保护的必要

黄河流域生态安全形势不容乐观。黄河流域的工业、城镇生活和农业面源三方面的污染,加之尾矿库污染,使得2018年黄河137个水质断面中,劣V类水占比达12.4%,明显高于全国6.7%的平均水平[8]241。对黄河流域进行生态保护,必须以绿色化为导向,转变产业模式,发展信息技术。数字经济条件下,数据已成为生产力的重要构成要素,数据的可复制性、绿色化、实时传播、可海量获取、低成本等优势,克服了传统物质性生产要素在各方面的固有缺陷[9]。实施“东数西算”重大工程,既减少了黄河流域东部地区数据中心的耗电量,又相应地减少了发电用煤的数量,间接减少了人类开发建设活动对黄河流域的生态破坏。同时,黄河流域西部地区产业数字化和数字产业化的实现,必将加速产业升级迭代,减少资源消耗量与污染物排放量,减轻黄河流域西部地区的生态压力,更好地将生态效益转化为经济、社会效益,为西部地区进一步进行生态治理奠定经济基础。

(五)黄河流域高质量发展的必要

高质量发展是一种生产要素投入低、资源配置效率高、资源环境成本低、经济社会效益好的质量型发展模式[10]。黄河流域经济高质量发展要求其不能走过去消耗能源资源的粗放型发展之路,只有走新型工业化和数字化相融合的绿色发展之路,才能解决群众关切的生态安全、饮水安全、防洪安全和提高经济收入水平等问题。数字技术的数据要素能够促进数字产业化和产业数字化交汇融合,催化一大批新技术、新产业、新业态、新模式的产生,带动群众更高质量就业和更好地保护环境。计算力(数据中心的计算能力)成为新的生产力构成要素,可以深度融入制造、交通、教育、航空航天、金融、传媒等更多行业,赋能传统行业转型升级。以人工智能为代表的产业发展和应用场景强烈依赖算力要素,金融市场高频交易、VR/AR、超高清视频等实时性要求高的场景和业务,在丰富算力资源加持下得到快速发展和落地[11]。升级后的产业将数据和算力作为生产资料,可提供数字化场景和业务服务,消耗更少的能量,排放更少的污染物,产生更多的经济效益、社会效益、环境效益,更好地满足黄河流域人民群众日益增长的物质、文化和生态需要。

四、“东数西算”赋能黄河流域生态保护具体策略

习近平总书记在全国生态环境保护大会上强调,要“深化人工智能等数字技术应用,构建美丽中国数字化治理体系,建设绿色智慧的数字生态文明”[12]。“东数西算”重大工程是建设数字中国的创新实践,是发展方式绿色化转变的体现。作为新基建的重要构成部分,“东数西算”通过数字将黄河流域上中下游地区整合起来,对促进区域协调发展、发挥生态保护整体价值具有重要意义。

(一)减少水土流失

“东数西算” 重大工程的实施,可以减少黄河流域东部地区大数据中心的耗电量,进而减少煤的开采量,减轻对采煤地区的环境破坏,使产煤区有更多时间和空间进行生态修复和生态治理,间接实现涵养水源、减少水土流失的目标。对于黄河流域西部地区来说,算力中心和数据中心等基础设施的建成和使用,促使云计算、人工智能、大数据等领先技术带动当地数字产业的发展,借助空天地一体化的数字监测设备,科学开展生态环境状况的监测、预警、勘察工作,为及时进行人工生态修复提供参考信息;借助大数据技术,采集当地生态环境数据,模拟当地未来生态环境发展变化趋势,为生态治理提供参考;借助人工智能技术,实施地质灾害救助、喷洒农药、飞播造林种草等生态治理工作;借助信息技术,在理论和实践上提升生态治理水平,促进当地生态环境质量改善,达成涵养水源、减少水土流失的目标。

(二)降碳节能减排

党的二十大报告指出,“推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节”[13]50,为黄河流域高质量发展指明了方向。在数字经济时代,必须紧跟数字潮流发展大数据产业,而发展大数据产业需要建立大型服务器。日夜运行的服务器及其配套的环境控制设施需要耗费大量的能源, 数据中心超过半数的运维成本花费在电力使用上。据我国生态环境部环境规划院专家测算,2021年,全国数据中心能源消耗达到2 166亿千瓦时,占全社会用电量的2.6%左右;二氧化碳排放量约为1.35亿吨,占全国二氧化碳排放量的1.14%左右。到2025年,全国数据中心能源消耗总量将达到3 500亿千瓦时,约占全社会用电量的4%;二氧化碳排放量达2.1亿吨,占全国二氧化碳排放量的比例接近2%[14]。可见,数据中心绿色化转型迫在眉睫。

“东数西算”重大工程将黄河流域东部地区后台加工、离线分析、存储备份等非实时需求的算力转移到黄河流域西部,利用有限的算力发展区块链、物联网、人工智能等数字经济高端产业,从而实现黄河流域整体性节能减排。一是黄河流域上游地区将可再生能源发出的电(如光电、风电)接入供电系统,直接提供给本地区算力中心使用,减少了远距离输电过程中因线路自身发热产生的能量损耗。二是黄河流域西部地区通过空气冷却降低服务器运行时的温度,在同等技术条件下,可节约30%至60%的能耗。按照工业用电平均电价每千瓦时0.5元来计算,10万台服务器的标准数据中心机房所在地气温每降低1 ℃,每天可节约9.6万元[5]。如果将节约的能量换算成相应燃煤产生的碳排放量,则减少的碳排放量更是惊人的。2020年,我国新型数字基础设施碳排放量是23 945.01万吨,实施“东数西算”重大工程之后,同等条件下,按照节约能耗30%来计算,将减少碳排放量7 183.5万吨,节能减排效果显著。

(三)减缓荒漠化进程

大漠、戈壁是我国西部地区典型的地貌特征。截至2019年,我国荒漠化土地面积257.37万平方公里,沙化土地面积168.78万平方公里。恶劣的自然条件使得以上国土面积难以被开发利用,造成了国土资源浪费,且在极端气候条件下,可能加速荒漠化进程。“东数西算”重大工程的实施,可从两个方面减缓荒漠化进程并在一定程度上促进经济效益的提升。一是建设绿电基础工程,生态化利用荒漠化土地资源,减缓荒漠化进程。例如,在青海省塔拉滩戈壁滩,当地人民群众在太阳能发电站内饲养“光伏羊”,探索出数字产业和生态农业相融合的发展模式。戈壁滩上安装太阳能电池板之后,改变了空气中水蒸气的凝结方式,有利于露水在夜晚集结于太阳能电池板下,促进杂草的生长,进而使得戈壁滩上长出绿洲。同时,在此处饲养羊群既可省掉清除杂草的费用,又可增加农民收入,使其投入更多资金用于环境保护与修复,可谓一举多得。二是“东数西算”重大工程的实施能够促进黄河流域西部地区产业结构升级,为当地荒漠化治理提供经济支撑。据业内机构估算,算力每增长10个百分点,将引致数字经济增长3.3个百分点、GDP增长1.8个百分点,数据中心建设将拉动8倍左右投资,“东数西算”每年将会带动4 000至5 000亿元投资规模[6]。数字产业与其他产业的嵌入性作用可以促进黄河流域上游地区产业规模的扩大与经济效益的提升,为荒漠化治理积累更多的人力、物力、财力。

(四)优化能源消费结构

辩证来看,“碳达峰”“碳中和”是制约我国目前和未来产业发展的重要指标,但同时为正处于工业化阶段的中国带来了机遇和挑战。实现“碳达峰”“碳中和”,必须以科技创新为先导。“东数西算”重大工程是科技创新的主阵地,对于实现“双碳”目标具有强有力的推动作用。黄河流域推进“东数西算”重大工程是顺应“双碳”目标要求的重要举措。从大数据中心用能结构来看,目前,在黄河上游地区,煤炭在提供能源构成中占比高达57%,可再生能源占比仅为43%。这一现象在黄河中下游地区更为突出,“东数西算”重大工程的实施,可将一部分数据中心引导至黄河流域西部建设,有利于提升数据中心绿色能源使用率,提高算力绿色化水平[15]。未来,黄河流域数字经济用能消费结构偏向风能、太阳能、水能等可再生能源的消费和使用。普及“光伏+农业”“光伏+畜牧业养殖”等清洁用能方式,加快促进绿电对散煤、煤电的替代[16],必将促进黄河流域生态环境质量水平的提升。

(五)促进数字治黄能力提升

早在21世纪初,我国就已经开始利用信息化手段和数字技术治理黄河,但囿于相关基础设施不完善、技术水平较低,治理效果并不显著,具体表现之一为治黄信息化支撑能力弱。一是监测感知能力较低;二是数据底板不完善;三是流域数学模型与智能算法落后;四是服务于数字孪生流域的算力支撑能力亟须加强;五是业务应用智能化水平不高[17]。“东数西算”重大工程的实施,可有效促进黄河流域数字基础设施完善和技术升级,有利于统筹利用云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能、5G技术等科技手段,全面透彻感知黄河流域整体生态状况,完善信息库数据内容,解决监测感知能力不足和数据库底板不完善等问题。通过超级计算中心和算力枢纽联动,可以解决流域内数学建模和智能算法不足的问题。通过新增互联网数据中心、协同各算力枢纽、拓宽数据通信网络,可以解决流域内算力不足和智能化水平低下问题。可见,“东数西算”重大工程的实施,为黄河流域生态治理带来了新的技术革命,为新时代数字治黄注入新动能。

五、结论

新时代以来,习近平总书记多次前往河南省视察黄河,并将黄河流域生态保护和高质量发展定位为重大国家战略。探索实现黄河流域生态保护和高质量发展的道路,成为新时代的重要课题。科学、经济、社会之间具有互促共融的系统性关系。科技能够推动经济社会发展,反之经济、社会发展也有利于科技的进步。发挥科技创新与数字技术的联合优势,推动黄河流域经济社会发展成为当今的时代主题。我国经济层面市场规模巨大,为我国发展数字经济提供了更多可能性。“东数西算”是数字经济新发展理念的创新实践,对于黄河流域生态治理和生态保护具有重要意义,是推进生态文明建设的重要路径。通过减少水土流失,降碳节能减排,减缓荒漠化进程,优化能源消费结构,促进数字治黄能力提升等策略的实施,持续推动“东数西算”重大工程,以数字赋能经济社会发展和生态文明建设,可为早日实现人与自然和谐共生的中国式现代化提供新的路径选择。