Тема 13. Встановлення гдс для водних об'єктів. Визначення токсичності вод Практичні заняття 14 (№ зан. 35) –Задачі з оцінки комплексного забруднення природних систем

Відомо, що створення систем моніторингу передбачає організацію систем спостережень, аналізу стащ довкілля, прогнозування цього стану та прийняття рішень (уп­равління) стосовно природоохоронної діяльності. Дослідженнями і різних напрямах нагромаджено значний досвід з організації спосте­режень за окремими компонентами довкілля, сформовано критері оцінки, вибір об'єктів моніторингу, їхню типізацію.

Водночас моніторинг здійснюється на об'єктах, де вивчення по­в'язане зі складністю, комплексністю і багатьма факторами, ще діють у різних напрямах. Для соціально-екологічного аналізу стан довкілля, прогнозування і прийняття управлінських рішень застосо­вується системне моделювання та, як одна з його реалізацій, - ієрархічні системи прийняття рішень.

Соціо-екологічний аналіз починається, як правило, з проведено цілеспрямованих спостережень за кожною зпідсистем, побудові відповідних шкал і показників за методами впорядкування.

Шкали й показники. Для соціоекологічної оцінки здебільше вводиться подвійна шкала — якісних і кількісних оцінок.

Якісні оцінки — це система соціоекологічних оцінок, що характеризує ставлення до стану об'єкта за лінгвістичними оцінкам! типу «добрий», «задовільний», «незадовільний», «катастрофічний) тощо (якісна шкала).

Кількісні оцінки — це система оцінок, що зіставляє з даною системою альтернатив О. вектор шкал з Е_n (у вигляді ціни, балів, мірі тощо), тобто кожній альтернативі ставиться у відповідність вектор f(x) є Е_n.

У разі розв'язування задач оцінки використовуються як формаль­ні, так і неформальні оцінні процедури, такі як ранжування й класифікації.

|Ранжування — процедура встановлення відносної значущості (пе­реваги) досліджуваних об'єктів на основі їх упорядкування. Ранг – це показник, що характеризує порядковий номер оцінюваного об'єкта або явища в групі інших об'єктів (явищ), що наділені суттєвими для оцінки властивостями.

Виконуючи ранжування, експерт повинен розмістити об'єкти (фактори, альтернативи) за найраціональнішою, на його думку, послідовністю й приписати кожному з них числа натурального ряду.

Класифікація — це поділ множини альтернатив Q на непересічні підмножини (класи) є, і є [1; N], пов'язані з певною власти­вістю або їхньою сукупністю з подальшим зіставленням набору різних натуральних чисел від 1 до N (номери класів).

Для класифікації об'єктів розроблено формальні логіко-математичні методи й алгоритми кластер-аналізу, розпізнавання образів та ін.

Класифікацію можна здійснювати також методами експертних оцінок.

Наведемо загальну схему побудови системної моделі прийняття рішень, що знайшла своє застосування в ієрархічних соціоекологічних системах класифікації стану басейнів малих річок, автоматизо­ваної оцінки стану водних екосистем і використовує якісно-кількіс­ні шкали на кожному рівні ієрархії.

Комплексна ієрархічна система прийняття рішень. Нехай експерт або група експертів формулюють відносно множини об'єктів довкіл­ля (наприклад, малих річок) різні групи показників, що характери­зують даний об'єкт за його певним використанням і якістю довкілля. Тоді система складатиметься з двох підсистем: А (вид ви­користання ресурсу) і В (якості довкілля), що характеризуються век­торами показників Р= (Р₁, Р₂, ... , Р_n) і S = (S₁ , S₂, ... , S_m).

Підсистема А. Для кожного показника окремо взятої підсисте­ми переходять від його фізичних, технологічних та інших характери­стик до якісної оцінки множиною соціальних характеристик або альтернатив, наприклад:

(U₁ ,U₂ ,U₃ , U₄ ,U₅, ) = («добрий», «поліпшений», «близький до норми», «нижче норми», «незадовільний»).

За градацією показників Р„ які описують певний стан екосистеми, визначаються компоненти вектора U такою логічною функцією:

де Р^j_i— числові оцінки градацій i-го показника; U_i — символи для визначення класу використання показника Р_i, в підсистемі А.

Для кількісної оцінки стану підсистеми для кожного показника Р_i і класу U_j вводиться числова функція міри (функція рангування показників), що відповідає класам:

З метою визначення узагальненої кількісної оцінки стану підси­стеми А за п показниками, що характеризують дану підсистему, виз­начається узагальнена міра цих показників:

де — числова функція міри для i-го показника j-го об'єкта; d₁ — вагові коефіцієнти, що визначають важливість i-го показника в підсистемі A; M_j — узагальнена за всіма показниками міра j-го об'єкта.

Виходячи з узагальненої міри М та з логічних обмежень, задають вектор класів (станів) усієї підсистеми А:

L = (L₁, L₂ , L₃, L₄, L₅) = («добрий», «близький до норми», «задо­вільний», «незадовільний», «вкрай незадовільний»), де L_i — деяка логічна функція, що описує i-й стан якісно.

Для кількісної оцінки стану всієї системи на множині класів вводиться міра _A(L₁) наприклад у вигляді_A : L₁->E¹а саме:

Підсистема В. Побудову якісно-кількісної шкали оцінок для під­системи В проілюструємо на прикладі підсистеми «хімічне забруд­нення» при визначенні антропогенного навантаження в басейнах малих річок.

При класифікації води (на підставі якісної оцінки її екологічного стану за компонентами хімічного складу) виокремлюють шість класів:

(К₁ К₂, К₃, К₄, К₅, К₆) = («вода дуже чиста», «чиста», «незначно забруднена», «мало забруднена», «сильно забруднена», «дуже забруднена»).

Нехай К — логічна функція, що визначає співвідношення сумарної величини фактичних концентрацій речовин забруднення з їх гра­нично допустимими концентраціями (ГДК) зі значеннями класу:

де сума відносних фактичних концентрацій i-ї речовини до її ГДК;

S_i — концентрація i-Ї шкідливої речовини;

ГДК – відповідна гранично допустима концентрація даної категорії водокористування;

п – загальна кількість речовин; j — група речовин лімітованого показника шкідливості.

Клас (стан) у підсистемі «хімічне забруднення» визначається за формулою

К* = max K(r_j) (2.21)

як максимальне значення класу за всіма j групами лімітованого показника шкідливості (санітарний, санітарно-токсикологічний, рибо­господарський та органолептичний).

Для кількісної оцінки підсистеми В на множині класів вводиться функція _в: К_r -> Е¹ а саме:

Координуючий алгоритм. Алгоритм прийняття рішень усієї систе­ми, тобто алгоритм, що координує роботу підсистем А і В, здійснює звертання до кожної з них для обчислення якісної шкали та кіль­кісної міри класів _A(Lj)i _в (К_i).

Стан системи в цілому описується вектором класу R: (R₁ ,R₂, R₃, R₄, R₅, R₆) = («добрий», «зміни незначні», «задовіль­ний», «поганий», «дуже поганий», «катастрофічний»).

Функція кількісної міри кожного класу має вигляд

Поточне значення функції (R_n) розраховується за формулою

де _{1 2} — вагові значення підсистем, ₁ + ₂= 1; _A(Lj), _в (К_i).— поточні оцінки певного об'єкта.

Клас R, всієї системи визначається порівнянням поточного зна­чення (R_n)з еталонними значеннями міри (R₁) , що обчислюють­ся за формулою (2.23), з використанням певної міри наближеності до еталонних значень, наприклад:

Характерною особливістю комплексної ієрархічної моделі прий­няття рішень є можливість оцінювати за якісно-кількісною шкалою як кожну підсистему, так і систему в цілому.

На даному принципі побудовано системну модель «басейн малої річки». Ця модель передбачає ієрархічну логіко-математичну побудову, що класифікує антропогенний стан у басейні річки. На нижньому рівні ієрархії розглядаються моделі окремих підсистем: «радіоактивне забруд­нення», «використання земельних ресурсів», «використання річкового стоку», «якість вод». По кожній із підсистем здійснено класифікацію екологічного стану в басейнах малих річок України.