Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 18 )

Ця методика базується на послідовному поєднанні класичних методів мультиваріаційної статистики – факторного та кластерного аналізів.

На першому етапі виконання структурного аналізу ГХС формується матриця її вихідних параметрів за методикою, яка викладена в попередньому підрозділі роботи.

Надійність та репрезентативність вихідної інформації є запорукою успішного проведення усієї послідовності методичних процедур. Відсутність репрезентативних показників якості води в інформаційній матриці, ненадійність введених у неї вихідних даних зводить нанівець використання розглядуваної методики аналізу просторової структури ГХС, приводить до отримання малоінформативних і помилкових результатів. Саме тому відбір репрезентативної інформації та її попередня статистична підготовка повинна виконуватися досвідченим фахівцем-гідрохіміком з використанням наших рекомендацій [55, 56] .

При формуванні просторової інформаційної матриці необхідно витримувати умову, щоб число об’єктів (пунктів гідрохімічних спостережень) було більшим від числа показників, які характеризують гідрохімічну систему в місцях розміщення цих пунктів. Як правило, на практиці виникає ситуація, коли дослідник отримує набагато більше параметрів, ніж об’єктів.

В такому випадку проводиться “стиснення” інформаційної матриці шляхом використання апарату факторного аналізу. Під цим поняттям розуміють зменшення розмірів матриці вихідних даних шляхом їх об’єктивного статистичного аналізу. Стиснення відбувається диференційовано до кожної характерної групи показників – індикаторів ГХС за методикою, описаною підпункті 3.4.1.

Після цього здійснюється відбір показників, репрезентативних для кожної проаналізованої групи (гідрохімічні показники, показники антропогенного впливу на ГХС, показники природного впливу (кліматичні, гідрологічні умови, ландшафтні особливості).

На основі вибраних показників формується редуційована матриця приоритетних ознак гідрохімічних системи, яка є одночасно вихідною матрицею для факторного аналізу процесів, що протікають в даній ГХС та подальшої інтерпретації факторів її формування.

Після виділення та інтерпретації головних факторів формування та функціонування ГХС, сам процес якого описано в підпункті 3.4.1 та в наших попередніх роботах [141, 142] , можна здійснити перехід до аналізу просторової структури ГХС.

Перш ніж розпочати дану процедуру, необхідно вирішити питання з вибором показників для проведення наступного районування території поширення ГХС.

Оскільки мова йде про необхідність об’єктивного районування території на основі вже отриманої інформації про основні фактори, що регулюють протікання основних природно-антропогенних процесів у ГХС, то для успішного проведення дослідження територіальної структури системи перш за все необхідно скористатися показниками-індикаторами цих факторів. Для цього із факторних транспонованих матриць вибираються по 2-3 показники з найбільшим факторним навантаженням, які в найбільшій мірі характеризують суть кожного з виявлених факторів.

Таким чином визначаються ключові (домінуючі) елементи системи, які визначають її головні функції і впливають на поведінку інших (другорядних) елементів та цілих блоків системи.

Виділені показники групуються (формується комплекс показників) та використовуються в подальших розрахунках для отримання об’єктивної картини територіальної структури ГХС або схеми гідрохімічного районування території поширення даної ГХС.

Обґрунтування вибору методики дослідження та основні принципи її використання. Гідрохімічним районуванням водних об’єктів території за комплексом системних показників або інтегральним гідрохімічним районуванням території слід вважати процес багатофакторного (багатопоказникового) ділення території на множину цілісних районів, що являють собою компактні згущення деяких вихідних точок (пунктів, що характеризують водні об’єкти території), як в тривимірному фізичному, так і в багатовимірному просторі ознак системних характеристик гідрохімічних систем.

В геоекологічних дослідженнях при вирішенні задач районування території найчастіше використовується метод виділення районів шляхом індивідуальної експертної оцінки (районування виконується з позиції описової концепції методики логічного ділення території) [264 - 266]. На другому місці за використовуваністю стоять методи провідного (домінуючого) фактора. Потім ідуть методи автоматичної класифікації та співставленого аналізу карт.

Щодо використання цих методів у практиці районування, незважаючи на їх широке розповсюдження, існує ряд застережень. Так, метод логічного розчленування території є занадто індивідуальним, тому охарактеризувати його через деяку сукупність операцій не вважається можливим. При використанні метода провідного фактора здійснюється логічне розчленування складного об’єкта на ряд складових (факторів); виконується ранжування факторів за їх вкладом у формування об’єкту та створюється його картографічна модель. Але всі ці операції проводяться цілком на інтуїтивній основі і таким чином, кінцевий результат залежить від компетентності дослідника. Головний недолік цього методу полягає в тому, що правильно класифікувати об’єкти шляхом послідовного аналізу кожного окремого фактора, не враховуючи його багаточисельних зв’язків з іншими факторами, неможливо.

Метод співставленого аналізу карт для виконання районування направлений на суміщення картографічних моделей окремих факторів (елементів, компонентів, груп зв’язків), пошук співпадаючих пофакторних меж, чи їх згущень і проведення в смугах таких згущень меж районів, як своєрідного компромісу між множиною близько розміщених пофакторних меж. Даний метод є досить ефективним, коли пофакторні межі проходять у вузьких територіальних смугах. Однак, частіше буває навпаки і тоді результат виділення районів виглядає суб’єктивним і неточним.

Найбільш перспективними і об’єктивними, на нашу думку, є методи автоматичної класифікації природних об’єктів, тому в даній методиці дослідження просторової структури ГХС і використано автоматичні алгоритми класифікації та районування, які закладені в апарат кластерного аналізу.

Кластерний аналіз є мультиваріаційним ієрархічним методом, що дозволяє виявити декілька (два і більше) взаємозв’язаних варіантів районування, кожен з яких отримується шляхом об’єднання (ділення) районів попереднього районування [267-270].

Суть цього методу зводиться до того, що спочатку N водних об’єктів розглядається як N окремих районів, а потім відбувається поступове групування районів на основі матриці мір подібності між ними. Загальну схему такого групування можна представити як застосування трьох операцій до мір подібності “об’єкт (район) – об’єкт (район)”, що повторяються:

знаходять найбільше значення подібності d(А, В) між сміжними об’єктами (районами) А і В;

об’єднують А і В в один район, присвоївши їм єдиний індекс, наприклад С;

розраховують міру подібності d(С, D), між районом C та любим другим районом D. Подібна процедура складається з n-1 кроків. На кожному кроці розраховується нова матриця мір подібності з врахуванням d(С, D).

Величину d можна розраховувати декількома способами. В розглядуваному випадку рекомендується в якості міри подібності d між районами використовувати Евклідову відстань, яка розраховується за формулою (XiA - XiB)2

= (4.7)

де XiA - розміщення координати об’єкту (пункту гідрохімічних спостережень) А в багатомірному просторі координат комплексу характеристик районування n ;

XiB - розміщення координати об’єкту (пункту гідрохімічних спостережень) В.

Таким чином, на основі величини міри подібності d між усіма пунктами гідрохімічного моніторингу в межах територіального поширення досліджуваної ГХС виконується ієрархічна процедура кластеризації. В результаті цього відбувається послідовне об’єднання пунктів спостережень з близькими характеристиками в один клас (кластер). Цей процес об’єднання відбувається до тих пір, доки всі пункти спостережень не попадуть в один кластер, причому міра подібності в такому випадку буде дорівнювати одиниці.

Використання кластерного аналізу для ідентифікації територіальної структури гідрохімічних систем має переваги перед іншими методами хоча б тому, що, по-перше за допомогою цього ієрархічного методу можна визначити основні таксономічні одиниці для нового виду районування, де ще теоретично не обґрунтована система таксонів. По-друге, використання ієрархічних методів дозволяє вибрати серед декількох варіантів районування найбільш оптимальний, тоді як неієрархічні методи дають лише один варіант районування, який не завжди оптимальний і не може бути замінений через відсутність інших варіантів.

Після закінчення процесу кластеризації сукупності пунктів спостережень за комплексом ознак (показників) здійснюється вибір одного із найбільш оптимальних варіантів районування гідрохімічної системи.

3.5. Третій етап аналізу: моделювання

та прогнозування розвитку системи

На третьому етапі дослідження гідрохімічної системи (рис. 3.4.) виконується двоступінчата процедура її моделювання з попереднім аналізом керованості системи та прогнозування її розвитку.

На основі отриманих результатів розробляються рекомендації щодо можливої оптимізації системи та, у разі необхідності, її стабілізації.

3.5.1. Візуалізація гідрохімічної системи.

Суть першої стадії моделювання, так званої візуалізації ГХС, полягає у створенні образно-знакових моделей системи. Такою моделлю є структурно-функціональна модель гідрохімічної системи за результатами дослідження факторів формування системи, системних структур та зв’язків. Вона сприяє формуванню уявлень про систему, як про сукупність взаємозв’язаних модулів.

Виконується інтерпретація результатів факторного та кластерного аналізу інформаційного масиву даних про систему. Для наглядності та зручності створюються структурні блок-схеми з крос-кореляційними зв’язками між елементами та окремими блоками системи.

Другим варіантом моделі ГХС є карта гідрохімічного районування території її поширення, на якій виділяються територіальні структури з однорідними умовами формування гідрохімічних процесів та рівнями антропогенного навантаження. Карта є найкращим способом візуалізації системних утворень.

Карти районування містять узагальнену інформацію про гідрохімічну систему. На їх основі можуть бути побудовані різноманітні тематичні гідрохімічні карти.