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(duì)現(xiàn)實(shí)世界各類(lèi)數(shù)據(jù)的抽象組織，確定數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)的數(shù)據(jù)模型。該技術(shù)以其對(duì)數(shù)據(jù)分析完整準(zhǔn)確、科學(xué)直觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)分析預(yù)測(cè)、商業(yè)整合發(fā)展等各個(gè)領(lǐng)域。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)建模作為一項(xiàng)基礎(chǔ)功能性技術(shù)，為建立行業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了重要的技術(shù)支持。因此，深入開(kāi)展水利數(shù)據(jù)建模技術(shù)的研究與應(yīng)用，將對(duì)水利灌溉分析、水情判斷、抗旱防澇具有深遠(yuǎn)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(lèi)號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)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(yàn)基礎(chǔ)上的表格化分析管理模式，在水利管理中只是對(duì)本區(qū)域或本年度灌溉輪次內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的記錄與匯總，缺乏對(duì)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(gè)年度內(nèi)的灌溉數(shù)據(jù)與影響因素作為一個(gè)因子，通過(guò)模型呈現(xiàn)出來(lái)，不但橫向比較各個(gè)因素對(duì)水利灌溉數(shù)據(jù)的影響，還縱向?qū)v年的灌溉模型進(jìn)行分析比較，從而為水利預(yù)測(cè)與決策提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)水利管理領(lǐng)域的發(fā)展具有深遠(yuǎn)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(duì)現(xiàn)實(shí)世界各類(lèi)數(shù)據(jù)的抽象組織，確定數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。將經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析后抽象出來(lái)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(kù)實(shí)體以及各實(shí)體之間關(guān)系的過(guò)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(shí)際問(wèn)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(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，從而直觀地找出解決問(wèn)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(dú)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(shí)，在實(shí)際數(shù)據(jù)分析過(guò)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(qiáng)、影響因子多等問(wèn)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(lái)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(duì)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(yuǎn)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(jì)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(cè)來(lái)水量、余缺水量;輪期結(jié)束的用水總結(jié)，需要采納實(shí)際水量、引水系數(shù)、干渠利用率、支渠利用率，從而測(cè)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(dá)出各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，同時(shí)無(wú)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(yàn)加預(yù)警的模式。根據(jù)汛期上游來(lái)水量以及山洪預(yù)警系統(tǒng)，能準(zhǔn)確、及時(shí)、高效地對(duì)山洪進(jìn)行預(yù)警;同時(shí)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(cè)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(xiǎn)。故此，數(shù)據(jù)分析成為抗旱防洪預(yù)測(cè)研究的瓶頸。而數(shù)據(jù)建模應(yīng)用于抗旱防洪中，通過(guò)采集上游來(lái)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(cè)水情提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)建模在灌溉運(yùn)營(yíng)成本分析的應(yīng)用

灌溉運(yùn)營(yíng)成本分析是將計(jì)量水量、渠道運(yùn)行維護(hù)成本等因素進(jìn)行綜合分析，以此來(lái)確定灌溉水價(jià)與配水量，從而有效地促進(jìn)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(jià)定價(jià)過(guò)程中，存在農(nóng)民負(fù)擔(dān)與管理成本之間的矛盾。定價(jià)過(guò)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(jià)過(guò)低，不能滿足管理成本，起不到調(diào)控水資源的作用。同時(shí)，不能為渠道維修養(yǎng)護(hù)建立充足資金儲(chǔ)備，對(duì)渠道養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)不利，因此，將灌溉成本模型化對(duì)于平衡水量，水費(fèi)定價(jià)起到精準(zhǔn)測(cè)算的作用。為后期階梯灌溉水價(jià)[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(wèn)題與對(duì)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(lèi)型。水利數(shù)據(jù)的抽樣主要以某時(shí)間段（一般為一個(gè)輪期或一個(gè)汛期）作為一個(gè)樣本容量。在抽樣時(shí)，需要保證抽取出來(lái)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(diǎn)和時(shí)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(qiáng)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(lèi)

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(gè)灌溉周期，每一個(gè)周期內(nèi)的灌溉面積存在差異。綜合考慮各項(xiàng)灌溉要素所運(yùn)行的數(shù)據(jù)量大，但對(duì)于整體分析的意義不大。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)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(jì)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(cè)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(shí)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(shí)值。數(shù)據(jù)的整合能為算法設(shè)計(jì)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(jì)中出現(xiàn)邏輯性錯(cuò)誤的概率。

3.3 優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)是將數(shù)據(jù)、取值范圍通過(guò)函數(shù)公式等，運(yùn)用數(shù)學(xué)的邏輯思維表達(dá)出來(lái)，根據(jù)需要計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果的過(guò)程。因此，算法設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)建模分析的核心所在[5]。科學(xué)高效的算法，不但能有效節(jié)省計(jì)算空間，加快計(jì)算速度，減少計(jì)算錯(cuò)誤而且能使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)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(jì)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(jì)時(shí)，考慮綜合要素，通過(guò)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(jì)算;在完成算法設(shè)計(jì)之后，對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使算法的邏輯更清晰，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

優(yōu)化算法是循序漸進(jìn)、去粗取精的過(guò)程，也是將大量繁雜要素通過(guò)公式進(jìn)一步甄別的過(guò)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(zhǎng)周期不同，所需水量的時(shí)間也有差別，同時(shí)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(shí)就要充分考慮以上要素。

3.4 數(shù)據(jù)模型的驗(yàn)證與采納

在水利數(shù)據(jù)模型建立之后，對(duì)模型的驗(yàn)證至關(guān)重要，模型不可能一次建立完成，需要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行校核驗(yàn)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(diǎn)，逐一進(jìn)行校核驗(yàn)證。分析類(lèi)模型一般采用實(shí)際值或區(qū)間均值、區(qū)間加權(quán)平均值計(jì)算分析;預(yù)測(cè)類(lèi)模型一般采用區(qū)間極值進(jìn)行分析[7]。數(shù)據(jù)校驗(yàn)的關(guān)鍵是找一個(gè)合適的統(tǒng)計(jì)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(guò)完善后，采納現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型對(duì)灌溉情況加以分析，對(duì)分析預(yù)測(cè)結(jié)果加以采納。同時(shí)建立完善的模型庫(kù)，為智能人工提供基礎(chǔ)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

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(yùn)行、水環(huán)境監(jiān)測(cè)分析、抗旱防洪預(yù)測(cè)、渠道運(yùn)營(yíng)成本分析提供完整直觀的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 孫國(guó)營(yíng).大數(shù)據(jù)算法分析下的節(jié)水灌溉效益評(píng)價(jià)[J].電腦知識(shí)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(xiàng)目綜合效果評(píng)價(jià)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，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(lái)[J].軟件學(xué)報(bào)，2019（10）：127-141.

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

[6] 李揚(yáng)，張長(zhǎng)，朱建平.融合統(tǒng)計(jì)思想的大數(shù)據(jù)算法[J].統(tǒng)計(jì)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(bào)，2014（3）：5-10.

（責(zé)任編輯：劉 昀）