Модификация баз данных и программного обеспечения автоматизированной системы оценки водных ресурсов

В результате многолетних исследований в лаборатории гидрологии Института проблем экологии и недропользования Академии наук РТ накоплен огромный объем информации, являющийся полноценным каталогом водных объектов не только РТ, но и сопредельных территорий. Данный каталог объединяет сведения, содержащие разнообразные характеристики водных объектов, сформированные в виде многочисленных таблиц (файлов). Эти характеристики делятся на два вида - одни непосредственно заносятся в компьютер, другие получаются в результате обработки исходной информации, расчетов и обобщений. Для работы с БД разработаны программные средства, позволяющие преобразовать сухой язык цифр в оценку состояния бассейнов малых рек [1]. Компьютерные БД и программы их обработки являются основными объектами данного исследования.

Были разработаны БД и программы их обработки, позволяющие получить пол- ную картину о сложившейся гидрологической обстановке в бассейне той или иной реки, найти ее критерии и показатели, ранжировать их по степени остроты, в виде АСОВР. Функционально АСОВР состоит из трех основных частей: БД, Системы управления БД и Интерфейса пользователя, обеспечивающего доступ к данным, их обработку, анализ и вывод полученной информации.

Информационные таблицы БД АСОВР формировались и обрабатывались с помощью компьютерных программ, имеющих различное функциональное назначение. Одни программы предназначены для ведения локальных БД, другие являются специализированными прикладными программами, позволяющими проводить расчеты стандартными математическими методами, в том числе методами статистического анализа. Работы по формированию АСОВР постоянно совершенствуются, так как появляются современные программные средства, позволяющие находить но- вые, более рациональные подходы, увеличивающие точность и легкость производства расчетов.

Основной целью данного исследования стала модификация (корректировка, редактирование, обновление) БД АСОВР, совершенствование программных средств, позволяющих автоматически выбирать и обрабатывать гидрологические характеристики рек РТ, представленные данными 177 гидрологических станций и постов, с числом значений измеренных параметров равным 477015. В настоящее время все БД перенесены в формат SQLite, что обеспечивает доступность и легкость в производстве расчетов.

Материалы и методы . Прикладные программы обработки и анализа БД АСОВР, позволяющие получить полную картину о сложившейся гидрологической обстановке в бассейнах рек, основаны на специально разработанном методическом обеспечении, включающем методы проведения натурных обследований и камеральной обработки полученного материала. Все расчетные характеристики получены методами математической статистики. Пространственная интерпретация исходного материала осуществляется картографическими методами, с помощью которых легко выявить и наглядно представить закономерности, которые зачастую трудно улавливаются в статистических таблицах. Для оценки состояния водных объектов и формирования их ресурсов применяются и методы описательного характера.

Первоначально АСОВР формировалась на основе сервисного пакета управления базами данных СУБД PARADOX 3.5. и функционировала на ЭВМ IBM PC AT-286, в операционной системе MS DOS или

РС DOS в оболочке Norton Commander. Несовместимость кодировок кириллических шрифтов в MS DOS и MS Windows, операционной системы, используемой в современных компьютерах, вызвало необходимость переноса данных в Windows-совместимый формат. В качестве формата хранения информации решено было использовать программное средство MS Excel из состава пакета MS Office, как наиболее распространенное и позволяющее производить легкий перенос содержимого таблиц, в том числе и в полноценные СУБД (MS Access, Pstgres SQL, MS SQL, Oracle, MySQL и др.).

В настоящий период специалистам лаборатории гидрологии приходится решать задачи, связанные с обновлением и добавлением БД АСОВР современными характеристиками, а, следовательно, и с усовершенствованием прикладного программного обеспечения в целях получения более надежных обеспеченных значений.

Результаты исследования . В результате модификации АСОВР были разработаны специальные прикладные программные средства - «БД гидрологических характеристик малых водотоков территории Республики Татарстан» (далее БД) и «Программа для работы с БД гидрологических характеристик малых водотоков территории Республики Татарстан» (далее Программа), написанная в двух вариантах на языке Python 3.7 и на языке Pascal. Программа позволяет не только просмотреть таблицы БД, выбрать необходимые характеристики, статистически их обработать, сохранить полученную информацию, но и с помощью созданного модуля в среде программы QGIS отыскать местоположение пунктов наблюдений на карте (рис. 1).

Рис. 1. Географическая привязка данных к местности

БД объединяет как географические характеристики водосборов 177 пунктов стационарных наблюдений, в том числе 36-ти действующим в настоящий период, так и параметры гидрологического режима рек, на которых расположены гидрологические посты. Объём обновленной и отредактированной информации, представленный на данный момент в БД АСОВР, содержит значения среднесуточных (более 430 тыс.), среднемесячных (более 36 тыс.) и среднегодовых (более 2.6 тыс.) расходов воды. Кроме того, имеется информация о параметрах половодья, температуре и мутности воды, толщине льда и снега на нём в зимний период.

Интерфейс программного средства по БД АСОВР, представленный на рисунке 2, состоит из двух разделов – «Файл» и «База Данных».

Рис. 2. Интерфейс программного средства по БД АСОВР

Раздел «Файл» по своей сути обеспечивает представление гидрологической изученности и его вывод в файл, отражающий местоположения пункта наблюдений. В составе файла 23 колонки, содержащие сведения о постах. Здесь название реки и поста, коды реки и поста, расстояние от устья, площадь водосбора, период работы, нуль графика с указанием его географических координат, принадлежность поста и характеристики водосбора реки (уклон, ширина, высота, озёрность, заболоченность, лесистость, распаханность и др.). Все данные или их часть можно представить в виде файла и при необходимости распечатать.

Раздел «База данных» позволяют обновить или найти необходимые данные -расходы воды (годовые, месячные, ежедневные), сроки половодья (начало, пик, конец, продолжительность), слой весеннего стока, а также температуру и мутность воды при наличии данных наблюдений. Есть возможность выбора высоты снега на льду в зимний период и толщины льда на реках региона, а также сохранения данных в виде таблицы доступной для загрузки в офисные приложения. Пример выбора данных по ежедневным расходам за весь имеющийся период наблюдений приведен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример выбора данных ежедневных наблюдений

Программа обработки данных позволяет определить необходимые обеспеченные (1%, 5%, 25%, 50%, 75%, 95%, 99%) значения расходов воды. Делается это с помощью построения кривых обеспеченности на основе различных функций распределения (трехпараметрическое, логнор- мальное, степенная нормализация), что позволяет выбрать необходимое для более точного определения нужного значения расхода. Пример оценки обеспеченности выбранных данных приведён на рисунке 4.

Рис. 4. Пример оценки обеспеченности выбранных данных

Проведенные расчеты ординат кривой обеспеченности средних годовых расходов воды показали, что фактически любой из типов распределения обеспечивает оценки одного порядка с отклонением, не превышающим погрешностей исходных данных. По этой причине подход с нормализацией исходных данных, обеспечивающий более простой способ оценки обеспеченности (логнормальное распределение), оказыва- ется предпочтительнее, т.е. показывает не худшую предсказательную способность по сравнению с трехпараметрическим гамма-распределением [2].

Программа предусматривает и расчет внутригодового распределения стока рек по выбранному диапазону данных. На рисунке 5 приведен пример расчёта доли обеспеченного стока по месяцам в бассейне р. Сюнь у с. Миньярово.

Рис. 5. Результат расчета внутригодового стока по посту Сюнь-Миньярово

Особое место в гидрологическом режиме рек уделяется периоду весеннего половодья, формирование и прохождение которого для каждой реки индивидуально. Разработанная Программа на основе обработки рядов наблюдений позволяет построить и проанализировать гидрографы стока весеннего половодья, что дает возможность детального определения основных фаз развития и характеристики элементов весеннего половодья, получив численные значения предельно высоких расходов воды [3]. Результаты расчета выводятся в файл со значениями для каждого выбранного года и статистическими оценками найденных значений (рис. 6).

Рис. 6. Результаты расчета параметров весеннего половодья по посту Сюнь-Миньярово

Заключение. Усовершенствованное программное обеспечение объединило в себе не только программы первичной обработки гидрологических данных (выбор пункта и ряда наблюдений, гидрографов стока и др.). АСОВР, как постоянно совершенствующаяся информационно-расчетная система, имеет практическое применение. Она позволяет быстро подобрать нужную информацию, удлинение и восстановление ряда, расчет выполнить расчеты, сделать оценки и характерных значений и др.), но и обобщения, требующиеся для выработки специализированные (определения решений по управлению водными обеспеченных значений, внутригодовое ресурсами.

распределения стока, построение