ГОЛОВНІ ТРЕНДИ СУЧАСНОЇ ПІДГОТОВКИ PHD у ГАЛУЗІ ПРИРОДНИЧИХ НАУК – АЛГОРИТМІЗАЦІЯ ТА ДІДЖИТАЛІЗАЦІЯ

 Тематика наукових досліджень аспірантів кафедри аналітичної і біонеорганічної хімії та якості води пов’язана із аналітичними дослідженнями параметрів складу та властивостей природних вод. Так само, як лікар не може поставити правильний діагноз пацієнтові, не провівши аналітичних досліджень його організму, так і дослідник водних ресурсів не може оцінити їхню якість лише на основі зовнішніх ознак. Щоб розробити тактику «лікування» водного об’єкту, слід визначитися, що у нього «болить». Тому експериментальна робота здобувачів має результатом одержання дуже значних масивів чисельних даних – показників органолептичних, фізико-хімічних, фізико-токсикологічних параметрів складу та властивостей вододжерел.
Напевне, основною методологічною проблемою в області якості води є питання щодо узагальнення та інтерпретації результатів аналітичних досліджень. Справа у тому, що результати моніторингу стану природних вод, організованого за існуючою схемою, яка базується на порівнянні показників складу води з величинами ГДК, не дають відповіді на головне питання: чи придатні вододжерела в цілому для певного виду водокористування. Яким чином, базуючись на багаторічних даних, дати адекватний прогноз зміни якості на тривалий період, визначити критичні параметри.
Для комплексної оцінки якості води ще в 1968 р. американським дослідником Е. Хортоном було запропоновано концепцію індексу якості води (WQI). У подальшому цю концепцію стали активно розвивати у всьому світі (рис. 1).

Рисунок 1 – Ретроспектива розвитку концепції WQI

Проте існуючі методики WQI використовують різні набори показників, їхніх вагових коефіцієнтів, обраних авторами, виходячи з мети екологічного оцінювання стану водних біоценозів.
Тому актуальною науковою й прикладною задачею є розроблення концепції інтегрального оцінювання якості води з урахуванням нормативних вимог до її використання в різних галузях водоспоживання та водокористування. Друга частина задачі – розробка програмного продукту, за допомогою якого можна отримати кількісний параметр, зрозумілий навіть пересічному споживачу води.
Наша ідея полягає у тому, щоб використати для перетворення натуральних значень показників складу та властивостей води у формалізовані за допомогою так званої узагальненої функції бажаності Харрінгтона, яка дозволить об’єднати різнорідні за своєю природою вимоги (гігієнічні, агрономічні, екологічні, технологічні тощо). Як цим способом можна вирішити методологічні протиріччя, можна проілюструвати простими прикладами. Так, майже всі WQI включають показник вмісту розчиненого кисню. Проте жодна директива у світі, включаючи вимоги ВООЗ, не нормує цей показник стосовно якості питної води. Тоді як для риборозведення він буде основним критерієм. Для питної води не нормується співвідношення вмісту катіонів кальцію, магнію, натрію + калію. А для поливної води це обов’язковий параметр, пов'язаний із ризиком осолонцювання ґрунтів. Заключне завдання – створення прикладної продукції – бази даних інтегральної оцінки водних ресурсів (рис. 2).

Рисунок 2 – Науковий апарат створення концепції WQI

Як підсумок цієї роботи, нами було створено програмний продукт, названий WODA 2.0. У його основі – створення шкал бажаності для кожного параметру якості води, які трансформують фізичну величину у безрозмірний показник через нескладне математичне перетворення (рис. 3).

Рисунок 3 – Графічне зображення трансформації фізичних величин параметрів складу води у функцію бажаності (а – для двосторонніх обмежень, коли параметр має діапазон оптимальних значень, б – для одностороннього обмеження по принципу – чим менше, тим краще)

Як підсумок, власними силами створено Python програмний продукт, за допомогою якого за наявним, а не фіксованим набором параметрів складу та властивостей води оцінити її придатність для різних видів водопостачання у вигляді простого результату – відсотку відповідності за 100-бальною шкалою. Інтерфейс дозволяє спілкуватися з програмним продуктом українською та англійською мовами.
На рис. 4 показано приклад розрахунку оцінювання якості води річки Уманка для риборозведення за 10 параметрами, яку досліджує аспірантка кафедри Заленська Є.А. Підсумкова оцінка – якість води задовільна, оцінена у 60 балів за 100-бальною шкалою. Величини часткових бажаностей свідчать про те, що найгіршими є показники вмісту розчиненого кисню (28 балів, погано), перманганатної окисності (22 бали, погано) та амонійного азоту (26 балів, погано). Очевидний діагноз такому водному об’єкту – до нього надходять стічні води комунального підприємства, які містять органічні відходи. Внаслідок цього розчинений кисень окиснює органіку, і риба гине у такій воді (рис. 4).
Наразі ми розпочали роботу із використання іншого, дуже популярного наразі методологічного напрямку узагальненої оцінки якості води на основі так званої «нечіткої логіки» (fozzy logics). Математична теорія нечітких множин та нечітка логіка є узагальненням класичної теорії множин та формальної логіки. Вона запропонована американським математиком Лотфі Заде ще в 1965 р. Основною причиною появи цієї теорії є наявність нечітких та наближених міркувань при описанні людиною процесів, систем, об’єктів, у тому числі водних. Спектр застосування нечітких моделей дуже широкий – від управління процесами прання у пральній машині до керування роботою метрополітену. Нечітка логіка забезпечує ефективні засоби відображення, невизначеностей та неточностей реального світу.

Рисунок 4 – Узагальнена оцінка якості води для риборозведення та її наглядна валідація на прикладі річки Уманка (дані Заленської Є.А.)

Приклад використання принципів нечіткої логіки до оцінювання водного об’єкту наведено на рис. 5. Маючи значення лише двох показників якості води – вмісту розчиненого кисню та біологічного споживання кисню через 5 діб інкубації (БСК5), можна достатньо впевнено оцінити наявність антропічного впливу на якість води. Для валідації оцінки достатньо перевірити іще три параметри – вміст форм неорганічного азоту (амонійного, нітратного та нітритного).

Рисунок 5 - Приклад алгоритмізації процесу оцінювання якості води з використанням принципу неявної логіки (Fuzzy logics)

Аспірантка кафедри Гаць А.К. спробувала використати цей підхід для оцінювання якості води питних водозаборів м. Києва, яка знаходяться у вільному доступі. Алгоритм побудови логістичних змінних для п’яти параметрів показано на рис. 6.

Рисунок 6 – Логістичні змінні для п’яти параметрів якості води за принципами «нечіткої логіки»

Результати оцінювання за описаною методикою з використанням функції бажаності Харрінгтона та «нечіткої логіки» показали достатньо високий ступінь погодженості оцінок (рис. 7). На наш подив, виявилося, що вода дніпровського водозабору краща за деснянський, хоч традиційно вважалося навпаки.

Рисунок 7 – Результати узагальненого оцінювання якості води питних водозаборів м. Києва за двома методиками

Аспірантка Гаць А.К. дослідила два методологічних підходи до обробки результатів інструментальних вимірювань в процесі проведення екологічного контролю: розрахунок ІЯВ з використанням функції бажаності Харрінгтона та з використанням принципу неявної логіки (fuzzy-logics). На прикладі оцінювання якості води двох водозаборів м. Києва вона показала, що fuzzy-індекс дає достатньо точну оцінку за значно меншим переліком параметрів. Основне завдання – точний вибір критичних параметрів та вибір процедури дефазифікації.
Наукові дослідження у даному напрямку, на жаль, висвітлили болючу проблему стосовно недостатнього рівня підготовки здобувачів PhD у області математики, програмування та інформаційних технологій. Нам доводиться самотужки та із залученням сторонніх ентузіастів освоювати передові рубежі сучасного інструментарію природничих наук. До цього для допомоги аспірантам ми розробили робочу програму і підготували вибіркову дисципліну «Особливості формування погрішностей при оцінюванні екологічної безпеки об’єктів довкілля» з виданням у 2022 році однойменного навчального посібника: 

Кандидат хімічних наук,
доцент кафедри аналітичної
і біонеорганічної хімії та якості води                                    Войтенко Л.В.