Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мониторинг от приложений к общей теории. Монография
.pdf
нилище может пополняться за счет внешних источников, например
статистических отчетов, различных справочников и т. д. Хранилище данных, кроме детализированной информации, содержит в
себе агрегаты, т. е. обобщающую информацию, например, значения
фоновых загрязнений, значения естественных фонов загрязнений
и т. д. Анализировать данные оперативных систем напрямую невозможно или очень затруднительно. Это объясняется различными
причинами, в том числе разрозненностью данных и хранением их в
форматах различных СУБД. Но, даже если все данные различных
систем мониторинга хранить на едином сервере БД, аналитику
получения необходимой информации придется разбираться в их
сложных, подчас запутанных структурах.
Таким образом, задача хранилища – предоставить данные для
анализа в одном месте и в простой, понятной структуре.
Концепция построения хранилища данных подразумевает,
что данные в хранилище могут загружаться из различных систем.
Это могут быть OLTP-системы, различные справочники статистической информации и т. д. Источники данных могут находиться
на различных серверах СУБД и храниться в различных форматах.
Следовательно, необходимо обеспечить возможность загрузки данных из различных источников.
Все СУБД, поддерживающие аналитическую обработку данных, имеют в своем составе средства, обеспечивающие импорт и
экспорт данных. Существует огромное множество драйверов СУБД,
обеспечивающих доступ практически ко всем существующим реляционным базам данных.
Однако данные, которые необходимо загрузить в хранилище, могут содержаться не только в БД. Это могут быть текстовые
данные, индексно-последовательные файлы, электронная почта,
электронные таблицы, средства управления проектами и многое
другое. Поэтому система хранилища данных должна обеспечивать
взаимодействие с источником данных на основе некоторого интерфейса, который будет определять требования к формату информации, загружаемой в ИАС для ее дальнейшей обработки.
Можно сформулировать следующие требования, на основе
которых должен реализовываться такой интерфейс.
1. Подсистема загрузки данных в хранилище не должна предъ-
являть особых требований к формату загружаемых файлов. Следует
äëÿ
61
предоставить возможность загрузки информации из тек стовых файлов, файлов в формате DBF и XML-файлов. Для каждого формата
используется свой шаблон преобразования данных при загрузке их
в хранилище.
2. Необходимо выполнять проверку на корректность выбора шаблона преобразования и корректность исходных данных.
Должна быть исключена возможность выбора неверного шаблона,
а также ввода неверных данных в результате каких-либо ошибок
на предыдущих этапах – в процессе измерений и ввода данных в
базу системы наблюдений. Иными словами, предполагается, что
преобразуемый файл может содержать различного рода ошибки.
Результаты проверок, по некоторому правилу, сводятся к интегрированному показателю. Это степень достоверности: 1 – норма,
ошибок нет, 0 – фатальная ошибка, 0,7 – сомнительные данные
и т. п. Такой показатель будет сохранен вместе с конвертированными данными.
3. Выполнять преобразования исходных данных. Необходимо
предусмотреть возможность вычисления некоторых новых величин/показателей, вплоть до возможности применения математических моделей. Проведение некоторых вычислений, которые
можно условно разделить на две части: эквивалентные преобразования, например, перевод из одних единиц измерения в другие:
грамм/литр – кг/м
3
и т. п. Такие вычисления не добавляют новой
информации, и данные, полученные с помощью этих вычислений, обладают такой же степенью достоверности, что и исходные
(в пределах вычислительной погрешности); использование математических моделей – например, для получения новых данных в
промежуточных точках с помощью интерполяции. Достоверность
результатов таких вычислений ниже, она должна
быть оценена,
и эту оценку нужно сохранять как атрибут данных.
Механизм преобразований зависит от выбранной среды разработки и от СУБД. Возможно применение, к примеру, хранимых
процедур или интерпретатора выражений. В результате строится
новое представление данных, или же результаты записываются
напрямую в выходной файл/базу данных. Для каждого показателя
указывается его источник и степень достоверности.
На основе анализа задач и функций ИАС можно сформулировать основные требования к базовой информации.
62
1. Данные наблюдений по каждому параметру, на каждом пункте функционирующих сетей экологического мониторинга. Данные
должны быть идентифицированы по средам, сетям наблюдения и
ведомственной принадлежности. Списки параметров согласуются с
соответствующими ведомствами, имеющими свои сети наблюдения.
При необходимости возможно добавление новых параметров. В случае отсутствия первичных данных, они могут быть заменены обработанными (статистическими) данными. В качестве примера списка
параметров для определения качества поверхностных вод приведены
данные, используемые в сети Росгидромета (табл. 1.3.1).
Таблица 1.3.1
Показатели химического состава поверхностных вод, определяемые
в лабораториях Росгидромета
на территории Ростовской области
¹ ï/ï Определяемые показатели
1 Температура
2РÍ
3 Взвешенные вещества
4 Цветность
5 Прозрачность
6 Запах
7 Растворенный кислород
8 Диоксид углерода
9 Хлориды
10 Сульфаты
11 Гидрокарбонаты
12 Кальций
13 Магний
14 Жесткость
15 Натрий+калий
16 ÕÏÊ
17 ÁÏÊ
18 Азот аммонийный
19 Азот нитритный
20 Азот нитратный
21 Азот общий
22 Фосфаты
23 Фосфор общий
24 Кремний
5
63
Окончание табл. 1.3.1
¹ ï/ï Определяемые показатели
25 Железо общее
26 Фенолы летучие
27 Нефтепродукты
28 ÑÏÀÂ
29 Ìåäü
30 Öèíê
31 Сероводород
32 Ртуть
33
34
35 n, n–ÄÄÝ
36 n, n–ÄÄÒ
α–ÃÕÖÃ
γ–ÃÕÖÃ
Для каждого наблюдаемого параметра на данном пункте, участ-
ке реки определяются следующие характеристики
Õ
min
è Õ
– самая низкая и самая высокая концентрация
max
:
загрязняющего вещества на водном объекте в году;
N – число определений соответствующего ингредиента;
Õ
– средняя годовая (средняя арифметическая) концентрация
ñð
загрязняющего ингредиента;
Õ
– медиана (является второй оценкой средней годовой кон-
50
центрации ингредиента);
Ê
– оценка отличия средних за отчетный период и предыду-
õ
ùèå ãîäû;
Ê
– уточняет оценки надежности и показывает, во сколько
ñ
раз изменилась повторяемость высоких концентраций;
Ï
, Ï10, Ï30, Ï50, Ï
1
– повторяемость (число случаев в году)
100
содержания в воде загрязняющего ингредиента выше 1, 10, 30,
50, 100 ПДК, в %.
Кроме того, для каждого пункта в Ростовской области опре-
деляются:
УКИЗВ – удельная величина комбинаторного индекса загрязненности воды (комплексный относительный показатель степени
загрязненности поверхностных вод);
Ê – коэффициент комплексности загрязненности воды;
КПЗ – критические показатели загрязненности воды.
64
Данные по загрязнению атмосферного воздуха могут быть получены уже в обработанном виде по постам наблюдения. В табл. 1.3.2
приведена форма представления результатов обработки данных.
В табл. 1.3.3 приведен список загрязняющих веществ, по которым должны проводиться измерения и обработка данных. Дополнительно к этим данным должны быть сведения о скорости и направлении ветра (возможно – роза ветров за месяц наблюдения).
Таблица 1.3.2
Форма представления и обработки данных по атмосферному
воздуху в Ростовской области
¹ ï/ï
1 Месяц
2 ¹ пункта
3 Загрязняющее вещество
4 Число наблюдений
5 Средняя концентрация, мг/м
6 Максимальная концентрация, мг/м
3
3
7 Äàòà
8 Ñðîê
9 Среднеквадратическое отклонение
10 Коэффициент вариации
11 Повторяемость, %: > ПДК > 5 ПДК
12 Число случае превышения норматива:
1 ÏÄÊ
5 ÏÄÊ
10 ÏÄÊ
13 Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА)
Таблица 1.3.3
Перечень показателей, определяемых в атмосферном воздухе
¹
ï/ï
Определяемый показатель ¹
ï/ï
Определяемый показатель
1 Взвешенные вещества 13 Формальдегид
2 Водородный показатель 14 Гидрохлорид
3 Оксид углерода 15 Бензол
4 Диоксид азота 16 Метанол
5 Сажа (углерод) 17 Метиламин
65
Окончание табл. 1.3.3
¹
ï/ï
Определяемый показатель ¹
ï/ï
Определяемый показатель
6 Диоксид серы 18 Тяжелые металлы
7 Сероводород 19 Толуол
8 Сульфаты 20 Ксилол
9 Хлориды 21 Жирные кислоты (уксусная,
метакриловая)
10 Углеводороды 22 Аммиак
11 Серная кислота 23 Бутилацетат
12 Фенол 24 Этилацетат
При анализе химического состава почвы проводится сбор èí-
формации по концентрациям показателей (мкг/кг), представленных
в табл. 1.3.4.
Таблица 1.3.4
Перечень химических и микробиологических показателей,
определяемых при анализе почв и определении их
токсикологического загрязнения
Анализ почвы Показатели
токсикологического
загрязнения
Микробиологические
показатели
ðÍ Мышьяк БГКП
Органическое в-во Ртуть МАФАМ
Обменный марганец Öèíê Cl. perfringeus
Нитратный азот Кадмий Термофильные
Бактерии
Аммонийный азот Свинец Энтерококки
Подвижная сера Никель Сальмонеллы
Фосфор и калий (вал) Ìåäü Сибирской язвы
Нитратный азот Марганец Обнаружение яиц
и личинок
гельминтов
Обменный кальций Пестициды
Обменный магний
Общий азот
Мышьяк
Фтор
Емкость катионного
обмена
Сумма поглощенных
оснований
66
Окончание табл. 1.3.4
Анализ почвы Показатели
Подвижные соединения:
фосфора, калия,
марганца, меди,
кобальта, цинка,
бора, молибдена,
железа
Тяжелые металлы:
свинец, кадмий,
никель, цинк, ртуть,
кобальт, медь
Радионуклиды Радионуклиды
токсикологического
загрязнения
Подвижные формы:
фосфора, калия,
меди, свинца,
цинка, никеля,
кадмия, марганца,
кобальта, молибдена,
железа
Валовые формы:
меди, свинца,
цинка, никеля,
кадмия, хрома
Микробиологические
показатели
2. Информация о расположении пунктов наблюдения с привязкой к сетям экологического мониторинга, включая расстояния
до конкретных точек, например, до устья реки, до ближайшего
населенного пункта, до местоположения источников выбросов/сбросов. В случае закрытия существующих пунктов наблюдения или
открытия новых пунктов, соответствующая информация должна
быть отражена в ИАС.
В силу особой важности наличия информации по качеству
воды для трансграничных (между странами) и межрегиональных
(между областями) участков, а также в местах крупных городских
водозаборов/водосбросов, в местах возможных водосбросов крупных
предприятий-загрязнителей, соответствующие пункты должны быть
отмечены как особо важные.
В случае отсутствия данных наблюдений в соответствующих
пунктах оценка качества воды может быть признана необъективной
с выдачей предупреждающих сообщений.
Аналогичные требования могут быть предъявлены и к пунктам
наблюдения по другим средам (воздух, почвы, подземные воды).
3. Справочники ПДК, нормативы допустимого воздействия
(ранее ПДС) и другие нормативные коэффициенты, используемые
различными ведомствами при оценке качества природной среды.
Если для одного и того же коэффициента различные ведомства
используют разные нормативы, все они должны быть представле-
67
ны в ИАС. Также должна быть предусмотрена возможность учета
изменения нормативов в случае изменения законодательства.
4. Списки основных и специфических показателей, используемых в мониторинге для оценки окружающей среды. Допустима
возможность изменения (в частности, расширения) списка в случае
изменения методики оценки, а также возможность формирования
новых списков при разработке новых методик в рамках ИАС.
5. Таблицы оценки качества для каждой из методик и описание
способа оценки для каждой методики. Описание способа оценки
содержит указание, какие статистические данные используются
при оценке качества среды (среднее, максимальное, минимальное
значение, среднее с заданным уровнем достоверности, количество
проб, в которых превышено заданное значение и т. д.).
6. Справочники коэффициентов, используемые в моделях распространения загрязняющих веществ. Например, коэффициенты
дисперсии для различных видов загрязняющих веществ, коэффициенты распада, коэффициенты фильтрации, испарения и прочее.
7. Гидрологические, геофизические параметры территории, для
которой предполагается моделирование процессов распространения
загрязняющих веществ. Скорость течения, уклон русла, площадь
поперечного сечения – для водоемов и водотоков. Характеристики
почв, рельеф, уровень залегания грунтовых вод и прочее.
8. Гидробиологические и биотестовые показатели для оценки
воздействия и отклика экосистемы.
9. Информация об источниках загрязнения. Местоположение
источников (места сбросов, выбросов и складирования отходов).
Используемые технологические циклы. Справочники загрязнений
по отраслям промышленности. Функции зависимости степени
загрязнения окружающей среды от объема производства и технологического цикла.
10. Эколого-экономические параметры (функции): затраты на
очистку, платежи за пользование природными ресурсами, налоги,
штрафы за загрязнение и др.
Аналитический блок ИАС активно связан с хранилищем данных. В нем предусматривается возможность выбора природной
среды (поверхностные воды, воздух, почвы), для которой осуществляется мониторинг. Аналитический блок решает следующие
задачи анализа состояния окружающей среды:
68
• Статистическая обработка данных.
• Вычисление среднего арифметического значения для выборки
данных, выявление среднемноголетних тенденций.
• Вычисление минимального/максимального значения по выборке.
• Оценивание доверительных интервалов.
• Проверка статистических гипотез.
• Сравнение расчетных значений со стандартами качества (ПДК
è ïð.)
• Определение количества проб с превышением ПДК.
• Вычисление максимального значения превышения ПДК.
• Определение доли проб, превышающих ПДК.
• Определение оптимальной частоты проведения наблюдений с
учетом или без учета превышений ПДК.
• Расчет оптимальной частоты наблюдений
• Расчет оптимальной частоты наблюдений с учетом отклонения
значений от ПДК.
• Расчет оптимальной частоты наблюдений с учетом осреднения
при нахождении максимума производной.
• Получение интегральных оценок состояния окружающей среды с использованием различных методик обработки данных.
Сравнение результатов применения разных методик обработки
статистических данных.
• Расчет по выбранной пользователем методике.
• Расчет по нескольким выбранным методикам, сравнение ре-
зультатов использования различных методик.
• Расчет по нескольким методикам и возможность учета экспертных оценок при получении окончательной оценки.
• Формирование новой методики путем определения новых таблиц
интегральных оценок и новых списков оцениваемых веществ.
Формирование региональных нормативов качества природной
среды.
• Прогноз с использованием интерполяции и экстраполяции по
времени и пространственным координатам.
• Прогноз на основе интерполяции.
• Прогноз на основе экстраполяции.
• Прогноз на основе уравнений в частных производных с учетом
временной и пространственной неоднородностей.
69
• Демонстрация возможных сценариев развития экологической
ситуации позволяет моделировать развитие экологической
ситуации целиком во всей Ростовской области или в ее отдельных районах в нормальных условиях или в чрезвычайных
ситуациях, возникающих при аварийных сбросах загрязняющих
веществ.
• Управление уровнем загрязнения окружающей среды.
• Построение математической модели с выбором среды, списка
загрязняющих веществ, стандартов качества, целевых функций
уравнений, описывающих динамику.
• Выбор метода управления.
• Проведение расчетов по выбранной модели.
• Анализ результатов и выработка рекомендаций по улучшению
экологической ситуации.
При этом в аналитическом блоке должна быть предусмотрена
возможность визуализации, графического представления получаемых результатов путем построения различных графиков, диаграмм,
схем и карты Ростовской области с нанесением на нее уровней
загрязненности различных территорий.
Остановимся подробнее на задачах, решаемых аналитическим
блоком ИАС.
Статистическая обработка данных
Аналитический блок ИАС предоставляет многочисленные и
разнообразные возможности статистической обработки данных.
Статистическая выборка может формироваться из как необработанных данных наблюдений, так и уже предварительно каким-либо
образом обработанных данных. Входные данные для статистической
обработки берутся из хранилища данных. При этом пользователь
ИАС имеет возможность определения временного интервала и
пространственной области, данные наблюдений на которой будут
подвергнуты статистической обработке. Также при формировании
статистической выборки пользователь может проводить проверку
входных данных, взятых из хранилища данных, на достоверность,
их обработку с удалением значений, вызывающих сомнения в их
правильности и достоверности.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]