數(shù)據(jù)建模在水利管理領(lǐng)域中的應(yīng)用

白亮

摘 要 數(shù)據(jù)建模是對現(xiàn)實世界各類數(shù)據(jù)的抽象組織，確定數(shù)據(jù)庫需管轄的范圍、數(shù)據(jù)的組織形式等直至轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實的數(shù)據(jù)模型。該技術(shù)以其對數(shù)據(jù)分析完整準(zhǔn)確、科學(xué)直觀等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟分析預(yù)測、商業(yè)整合發(fā)展等各個領(lǐng)域。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)建模作為一項基礎(chǔ)功能性技術(shù)，為建立行業(yè)數(shù)據(jù)庫提供了重要的技術(shù)支持。因此，深入開展水利數(shù)據(jù)建模技術(shù)的研究與應(yīng)用，將對水利灌溉分析、水情判斷、抗旱防澇具有深遠的意義。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)建模;水利灌溉;管理;應(yīng)用

中圖分類號：TP311.13 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.24.098

傳統(tǒng)的水利管理模式是建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上的表格化分析管理模式，在水利管理中只是對本區(qū)域或本年度灌溉輪次內(nèi)的數(shù)據(jù)進行簡單的記錄與匯總，缺乏對氣象因素、種植模式、種植結(jié)構(gòu)等全要素的分析。從而導(dǎo)致水利數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確，決策滯后。數(shù)據(jù)建模技術(shù)是將一個年度內(nèi)的灌溉數(shù)據(jù)與影響因素作為一個因子，通過模型呈現(xiàn)出來，不但橫向比較各個因素對水利灌溉數(shù)據(jù)的影響，還縱向?qū)v年的灌溉模型進行分析比較，從而為水利預(yù)測與決策提供科學(xué)依據(jù)。對水利管理領(lǐng)域的發(fā)展具有深遠的影響。

1 數(shù)據(jù)建模技術(shù)的概念與重要性

1.1 數(shù)據(jù)建模技術(shù)的概念

數(shù)據(jù)建模是對現(xiàn)實世界各類數(shù)據(jù)的抽象組織，確定數(shù)據(jù)庫需管轄的范圍、數(shù)據(jù)的組織形式等直至轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實的數(shù)據(jù)庫[1]。將經(jīng)過系統(tǒng)分析后抽象出來的概念模型轉(zhuǎn)化為物理模型后，在visio或erwin等工具建立數(shù)據(jù)庫實體以及各實體之間關(guān)系的過程。

1.2 數(shù)據(jù)建模技術(shù)的重要性

數(shù)據(jù)建模在數(shù)據(jù)與實際問題之間架設(shè)一道橋梁[2]，將龐大的數(shù)據(jù)群與所面臨的問題聯(lián)系起來，從而直觀地找出解決問題的關(guān)鍵所在，為分析數(shù)據(jù)提供便捷。當(dāng)前水利管理涉及灌溉分析、水情判斷、防洪抗旱等多領(lǐng)域，數(shù)據(jù)間相互獨立，又在特定參數(shù)條件下，數(shù)據(jù)模型形態(tài)趨于一致。同時，在實際數(shù)據(jù)分析過程中也存在灌溉參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)邏輯性強、影響因子多等問題，導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)難度較大。因此，需要建立和完善的水利數(shù)據(jù)模型來加以分析。

綜上所述，數(shù)據(jù)建模技術(shù)應(yīng)用到水利管理中，對水利灌溉分析、水情判斷、抗旱防澇、水利管理成本分析具有深遠的意義。

2 數(shù)據(jù)建模技術(shù)在水利管理中應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)建模在灌溉管理中的應(yīng)用

在灌溉管理中，灌溉初期的配水計劃需要綜合考慮本輪灌溉面積、灌溉定額、干（支）口利用率、毛需水量等因素，從而得出預(yù)測來水量、余缺水量;輪期結(jié)束的用水總結(jié)，需要采納實際水量、引水系數(shù)、干渠利用率、支渠利用率，從而測算出灌水指數(shù)、斗口定額。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格很難直觀地表達出各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，同時無法準(zhǔn)確反映歷年灌溉的差異。數(shù)據(jù)建模技術(shù)的應(yīng)用，能將歷年數(shù)據(jù)建成直觀的數(shù)據(jù)模型，使其更加容易掌握灌溉與種植結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而為管理人員提供管理依據(jù)，優(yōu)化管理程序。

2.2 數(shù)據(jù)建模在抗旱防洪中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，區(qū)域內(nèi)的抗旱防洪模式一般采用經(jīng)驗加預(yù)警的模式。根據(jù)汛期上游來水量以及山洪預(yù)警系統(tǒng)，能準(zhǔn)確、及時、高效地對山洪進行預(yù)警;同時依據(jù)當(dāng)季氣象因素、水源地蓄水情況、農(nóng)作物需水情況，推測區(qū)域內(nèi)旱情，但不能更早地發(fā)出預(yù)警，規(guī)避種植風(fēng)險。故此，數(shù)據(jù)分析成為抗旱防洪預(yù)測研究的瓶頸。而數(shù)據(jù)建模應(yīng)用于抗旱防洪中，通過采集上游來水量、氣溫、降水量、水源地蓄水量、農(nóng)作物需水量等數(shù)據(jù)，建立直觀的模型，能準(zhǔn)確分析出區(qū)域內(nèi)水情的影響程度，為早期預(yù)測水情提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)建模在灌溉運營成本分析的應(yīng)用

灌溉運營成本分析是將計量水量、渠道運行維護成本等因素進行綜合分析，以此來確定灌溉水價與配水量，從而有效地促進水資源的節(jié)約，平衡區(qū)域之間水資源的利用，為水資源管理提供依據(jù)。在水價定價過程中，存在農(nóng)民負(fù)擔(dān)與管理成本之間的矛盾。定價過高，增加農(nóng)民負(fù)擔(dān)，影響種植積極性，制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展;定價過低，不能滿足管理成本，起不到調(diào)控水資源的作用。同時，不能為渠道維修養(yǎng)護建立充足資金儲備，對渠道養(yǎng)護運營不利，因此，將灌溉成本模型化對于平衡水量，水費定價起到精準(zhǔn)測算的作用。為后期階梯灌溉水價[3]提供數(shù)據(jù)支持。

3 數(shù)據(jù)建模在水利管理領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題與對策分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)樣本空間的提取采用

數(shù)據(jù)抽樣[4]主要用于建模分析，抽樣需考慮樣本具有代表性，覆蓋各要素類型。水利數(shù)據(jù)的抽樣主要以某時間段（一般為一個輪期或一個汛期）作為一個樣本容量。在抽樣時，需要保證抽取出來的樣本比例同原始數(shù)據(jù)基本一致。為了使采用的樣本能更好地反映總體的信息，除了樣本容量有一定的要求外，樣本的抽取方式也要滿足條件。

在灌溉管理中，抽取樣本空間應(yīng)該充分考慮灌溉數(shù)據(jù)的特點和時效性，尤其在灌溉高峰期的數(shù)據(jù)樣本空間抽取，應(yīng)當(dāng)加強樣本抽取頻次，為數(shù)據(jù)的完整有效打好基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)整合分類

以甘州區(qū)大滿灌區(qū)為例，一年內(nèi)的灌溉輪期分為春灌、夏灌一輪、夏灌二輪、夏灌三輪、秋灌一輪、秋灌二輪和冬灌共7個灌溉周期，每一個周期內(nèi)的灌溉面積存在差異。綜合考慮各項灌溉要素所運行的數(shù)據(jù)量大，但對于整體分析的意義不大。因此，需要對數(shù)據(jù)進行分類整合。灌溉數(shù)據(jù)的產(chǎn)生分為固定參數(shù)值和區(qū)間參數(shù)值，固定參數(shù)值為計算分析中所需要的系數(shù)，如灌溉定額，干（支）渠利用率，是經(jīng)多次測算得出的結(jié)論;區(qū)間參數(shù)值是一組數(shù)列中根據(jù)實際情況所產(chǎn)出算數(shù)均值，原始的數(shù)據(jù)量越大則得出的區(qū)間參數(shù)越接近于平均值和真實值。數(shù)據(jù)的整合能為算法設(shè)計提供便利，能很大程度上減輕算法的復(fù)雜程度，使算法邏輯更清晰，減少算法設(shè)計中出現(xiàn)邏輯性錯誤的概率。

3.3 優(yōu)化算法設(shè)計

算法設(shè)計是將數(shù)據(jù)、取值范圍通過函數(shù)公式等，運用數(shù)學(xué)的邏輯思維表達出來，根據(jù)需要計算出相應(yīng)結(jié)果的過程。因此，算法設(shè)計是數(shù)據(jù)建模分析的核心所在[5]?？茖W(xué)高效的算法，不但能有效節(jié)省計算空間，加快計算速度，減少計算錯誤而且能使計算過程簡單明了，邏輯判斷清晰，提高分析精準(zhǔn)度。這就要求在初期算法設(shè)計前積累大量固定數(shù)組，從而減少參數(shù)偏差[6];在算法設(shè)計時，考慮綜合要素，通過整合完成的數(shù)據(jù)，依據(jù)其數(shù)據(jù)特性，采用定義函數(shù)或定義數(shù)組區(qū)間等方式計算;在完成算法設(shè)計之后，對算法進行進一步優(yōu)化，使算法的邏輯更清晰，計算結(jié)果更準(zhǔn)確。

優(yōu)化算法是循序漸進、去粗取精的過程，也是將大量繁雜要素通過公式進一步甄別的過程。算法的優(yōu)化能將算式邏輯展示得更加清晰。以灌溉數(shù)據(jù)與種植結(jié)構(gòu)為例，優(yōu)化算法首先考慮種植作物需水量、灌溉方式等。西北地區(qū)以種植小麥，玉米、蔬菜、林果等作物為主，農(nóng)作物的需水量直接關(guān)系灌溉用水量，而作物成長周期不同，所需水量的時間也有差別，同時西北地區(qū)灌溉方式以大水漫灌、管灌、滴管、噴灌等多種方式并行灌溉，在優(yōu)化算法時就要充分考慮以上要素。

3.4 數(shù)據(jù)模型的驗證與采納

在水利數(shù)據(jù)模型建立之后，對模型的驗證至關(guān)重要，模型不可能一次建立完成，需要對各個參數(shù)進行校核驗證。數(shù)據(jù)模型的校核，需要根據(jù)所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的特點，逐一進行校核驗證。分析類模型一般采用實際值或區(qū)間均值、區(qū)間加權(quán)平均值計算分析;預(yù)測類模型一般采用區(qū)間極值進行分析[7]。數(shù)據(jù)校驗的關(guān)鍵是找一個合適的統(tǒng)計量，要求在數(shù)據(jù)建模之初，就積累大量的灌溉數(shù)據(jù)，后期龐大的數(shù)據(jù)組，能增加數(shù)據(jù)的覆蓋率，減少分析偏差，保證分析的準(zhǔn)確。在數(shù)據(jù)模型通過完善后，采納現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型對灌溉情況加以分析，對分析預(yù)測結(jié)果加以采納。同時建立完善的模型庫，為智能人工提供基礎(chǔ)支持。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)建模在水利管理中的應(yīng)用，將提高水利數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性、整體性，為水利灌溉運行、水環(huán)境監(jiān)測分析、抗旱防洪預(yù)測、渠道運營成本分析提供完整直觀的依據(jù)。

參考文獻：

[1] 西北工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)委員會.數(shù)學(xué)建模簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 孫國營.大數(shù)據(jù)算法分析下的節(jié)水灌溉效益評價[J].電腦知識與技術(shù)，2019（15）16-17.

[3] 薛媛，牛最榮，張芮，等.石羊河流域高效節(jié)水灌溉項目綜合效果評價[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2019（5）：100-103.

[4] 杜小勇，盧衛(wèi)，張峰.大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和未來[J].軟件學(xué)報，2019（10）：127-141.

[5] 李俊林.概率統(tǒng)計與建模[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6] 李揚，張長，朱建平.融合統(tǒng)計思想的大數(shù)據(jù)算法[J].統(tǒng)計研究，2018（7）：35.

[7] 王大星，翟明清.數(shù)據(jù)處理和建模方法在數(shù)學(xué)建模教學(xué)中的應(yīng)用[J].北京教育學(xué)院學(xué)報，2014（3）：5-10.

（責(zé)任編輯：劉 昀）