3.4.1.1. Giới thiệu chung:
Định nghĩa: Chỉ số chất lượng không khí (viết tắt là AQI) là chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí và mức độảnh hưởng đến sức khỏe con người, được biểu diễn qua một thang điểm.
Quy trình thực hiện: Quy trình tính toán và sử dụng AQI trong đánh giá chất lượng môi trường không khí xung quanh bao gồm các bước sau:
Bước 1. Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc từ trạm quan trắc môi trường không khí tựđộng cốđịnh liên tục (số liệu đã qua xử lý).
Bước 2. Tính toán các chỉ số chất lượng không khí đối với từng thông số theo công thức.
Bước 3. Tính toán chỉ số chất lượng không khí theo giờ/theo ngày. Bước 4. So sánh chỉ số chất lượng không khí với bảng xác định mức cảnh báo ô nhiễm môi trường không khí và mức độ ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
3.4.1.2. Các bước tính
1. Tính toán giá trị AQI theo giờ
a. Giá trị AQI theo giờ của từng thông số (AQIxh)
Giá trị AQI theo giờ của từng thông số được tính toán theo công thức sau đây:
100 . x x h x QC TS AQI =
(1) TSx: Giá trị quan trắc trung bình 1 giờ của thông số X
(2) QCx: Giá trị quy chuẩn trung bình 1 giờ của thông số X (Riêng với thông số PM10: do không có quy chuẩn trung bình 1 giờ, vì vậy lấy quy chuẩn của TSP trung bình 1 giờ thay thế cho PM10) (3) AQIxh : Giá trị AQI theo giờ của thông số X (được làm tròn
thành số nguyên). b. Giá trị AQI theo giờ
Sau khi đã có giá trị AQIxh theo giờ của mỗi thông số, chọn giá trị AQI lớn nhất của 05 thông số trong cùng một thời gian (01 giờ) để lấy làm giá trị AQI theo giờ.
AQIh = max(AQIhx)
Trong 01 ngày, mỗi thông số có 24 giá trị trung bình 01 giờ, vì vậy, đối với mỗi thông số sẽ tính toán được 24 giá trị AQIxh giờ, tương ứng sẽ tính toán được 24 giá trị AQI theo giờ để đánh giá chất lượng môi trường không khí xung quanh và mức độảnh hưởng tới sức khỏe con người theo giờ.
2. Tính toán giá trị AQI theo ngày
a. Giá trị AQI theo ngày của từng thông số
Đầu tiên tính giá trị trung gian là AQI trung bình 24 giờ của từng thông số theo công thức sau đây:
100 . 24 x x h x QC TS AQI =
(1) TSx: giá trị quan trắc trung bình 24 giờ của thông số X (2) QCx: giá trị quy chuẩn trung bình 24 giờ của thông số X
(3) AQIx24: giá trị AQI tính bằng giá trị trung bình 24 giờ của thông số X (được làm tròn thành số nguyên). Không tính giá trị AQI24hO3.
Giá trị AQI theo ngày của từng thông số được xác định là giá trị lớn nhất trong số các giá trị AQI theo giờ của thông số đó trong 01 ngày và giá trị AQI trung bình 24 giờ của thông sốđó.
) , max( 24 h x h x d x AQI AQI AQI =
(1) Lưu ý: Giá trị AQIdO3 = max(AQIhO3)
(2) Trong đó AQIdx là giá trị AQI ngày của thông số X b. Giá trị AQI theo ngày
Sau khi đã có các giá trị AQI theo ngày của mỗi thông số, giá trị AQI lớn nhất của các thông số đó được lấy làm giá AQI theo ngày của trạm quan trắc đó. ) max( d x d AQI AQI =
3.4.1.3. Thang đo các ngưỡng cảnh báo
Sau khi tính toán được chỉ số chất lượng không khí, sử dụng bảng xác định giá trị AQI tương ứng với mức cảnh báo chất lượng không khí và mức độảnh hưởng tới sức khỏe con người để so sánh, đánh giá, cụ thể như sau:
Bảng 3.1: Thang đo các ngưỡng cảnh báo của chỉ số AQI
Khoảng giá trị AQI
Chất lượng
không khí Ảnh hưởng sức khỏe Màu
0 – 50 Tốt Không ảnh hưởng đến sức khỏe Xanh 51 – 100 Trung bình Nhóm nhạy cảm nên hạn chế thời gian
ở bên ngoài Vàng 101 – 200 Kém Nhóm nhạy cảm cần hạn chế thời gian ở bên ngoài Da cam 201 – 300 Xấu Nhóm nhạy cảm tránh ra ngoài. Những
người khác hạn chếở bên ngoài
Đỏ Trên 300 Nguy hại Mọi người nên ở trong nhà Nâu
Ghi chú: Nhóm nhạy cảm bao gồm: trẻ em, người già và những người mắc bệnh hô hấp
3.4.2. Công thức tính toán chỉ số chất lượng nước (WQI) [13] 3.42.1. Giới thiệu chung: 3.42.1. Giới thiệu chung:
Định nghĩa: Chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tảđịnh lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó; được biểu diễn qua một thang điểm.
Quy trình thực hiện: Quy trình tính toán và sử dụng WQI trong đánh giá chất lượng môi trường nước bao gồm các bước sau:
Bước 1: Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc từ trạm quan trắc môi trường nước mặt lục địa (số liệu đã qua xử lý);
Bước 2: Tính toán các giá trị WQI thông số theo công thức; Bước 3: Tính toán WQI;
Bước 4: So sánh WQI với bảng các mức đánh giá chất lượng nước.
3.4.2.2. Các bước tính
1. Tính toán giá trị WQI theo thông số
WQI thông số (WQISI) được tính toán cho các thông số BOD5, COD, N-NH4, P-PO4 , TSS, độđục, Tổng Coliform theo công thức như sau:
( 1 ) 1 1 1 + + + + − + − − = i p i i i i i SI BP C q BP BP q q WQI Trong đó:
(1) BPi: Nồng độ giới hạn dưới của giá trị thông số quan trắc được quy định trong bảng 1 tương ứng với mức i
(2) BPi+1: Nồng độ giới hạn trên của giá trị thông số quan trắc được quy định trong bảng 1 tương ứng với mức i+1
(3) qi: Giá trị WQI ở mức i đã cho trong bảng tương ứng với giá trị
(4) qi+1: Giá trị WQI ở mức i+1 cho trong bảng tương ứng với giá trị BPi+1
(5) Cp: Giá trị của thông số quan trắc được đưa vào tính toán.
Bảng 3.2. Bảng quy định các giá trị qi, BPi
i qi
Giá trị BPi quy định đối với từng thông số BOD5 (mg/l) COD (mg/l) N-NH4 (mg/l) P-PO4 (mg/l) Độđục (NTU) TSS (mg/l) Coliform (MPN/100 ml) 1 100 ≤4 ≤10 ≤0.1 ≤0.1 ≤5 ≤20 ≤2500 2 75 6 15 0.2 0.2 20 30 5000 3 50 15 30 0.5 0.3 30 50 7500 4 25 25 50 1 0.5 70 100 10.000 5 1 ≥50 ≥80 ≥5 ≥6 ≥100 >100 >10.000 Ghi chú: Trường hợp giá trị Cp của thông số trùng với giá trị BPi đã cho trong bảng, thì xác định được WQI của thông số chính bằng giá trị qi tương ứng.
Tính giá trị WQI đối với thông số DO (WQIDO): tính toán thông qua giá trị DO % bão hòa.
Bước 1: Tính toán giá trị DO % bão hòa:
- Tính giá trị DO bão hòa:
2 0.000077774 0079910 . 0 41022 . 0 652 . 14 T T T DObaohoa = − + −
T: nhiệt độ môi trường nước tại thời điểm quan trắc (đơn vị: 0C). - Tính giá trị DO % bão hòa:
DO%bão hòa= DOhòa tan / DObão hòa*100 DOhòa tan: Giá trị DO quan trắc được (đơn vị: mg/l)
Bước 2: Tính giá trị WQIDO:
( p i ) i i i i i SI C BP q BP BP q q WQI − + − − = + + 1 1 (công thức 2)
Trong đó:
(1) Cp: giá trị DO % bão hòa
(2) BPi, BPi+1, qi, qi+1 là các giá trị tương ứng với mức i, i+1 trong Bảng 2.
Bảng 3.3: Bảng quy định các giá trị BPi và qi đối với DO% bão hòa
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
BPi ≤20 20 50 75 88 112 125 150 200 ≥200
qi 1 25 50 75 100 100 75 50 25 1
(1) Nếu giá trị DO% bão hòa ≤ 20 thì WQIDO bằng 1.
(2) Nếu 20< giá trị DO% bão hòa< 88 thì WQIDO được tính theo công thức 2 và sử dụng Bảng 3.3.
(3) Nếu 88≤ giá trị DO% bão hòa≤ 112 thì WQIDO bằng 100.
(4) Nếu 112< giá trị DO% bão hòa< 200 thì WQIDO được tính theo công thức 1 và sử dụng Bảng 2.
(5) Nếu giá trị DO% bão hòa ≥200 thì WQIDO bằng 1.
Tính giá trị WQI đối với thông số pH
Bảng 3.4: Bảng quy định các giá trị BPi và qiđối với thông số pH
I 1 2 3 4 5 6
BPi ≤5.5 5.5 6 8.5 9 ≥9
qi 1 50 100 100 50 1
(1) Nếu giá trị pH≤5.5 thì WQIpH bằng 1.
(2) Nếu 5,5< giá trị pH<6 thì WQIpH được tính theo công thức 2 và sử dụng bảng 3.4.
(3) Nếu 6≤ giá trị pH≤8,5 thì WQIpH bằng 100.
(4) Nếu 8.5< giá trị pH< 9 thì WQIpH được tính theo công thức 1 và sử dụng bảng 3.
2. Tính toán giá trị AQI theo ngày
Sau khi tính toán WQI đối với từng thông số nêu trên, việc tính toán WQI được áp dụng theo công thức sau:
3 / 1 2 1 5 1 2 1 5 1 100 ⎢⎣⎡ × × ⎥⎦⎤ = ∑ ∑ = = b c b a a
pH WQI WQI WQI WQI
WQI
Trong đó:
(1) WQIa: Giá trị WQI đã tính toán đối với 05 thông số: DO, BOD5, COD, N-NH4, P-PO4
(2) WQIb: Giá trị WQI đã tính toán đối với 02 thông số: TSS, độđục (3) WQIc: Giá trị WQI đã tính toán đối với thông số Tổng Coliform (4) WQIpH: Giá trị WQI đã tính toán đối với thông số pH.
Ghi chú: Giá trị WQI sau khi tính toán sẽ được làm tròn thành số nguyên.
3.4.2.3. Thang đo các ngưỡng cảnh báo
Sau khi tính toán được WQI, sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước để so sánh, đánh giá, cụ thể như sau:
Bảng 3.5 : Thang đo ngưỡng cảnh báo chỉ số chất lượng nước WQI
Giá trị WQI Mức đánh giá chất lượng nước Màu
91 - 100 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt
Xanh nước biển
76 - 90 Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt
nhưng cần các biện pháp xử lý phù hợp Xanh lá cây 51 - 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và các mục
đích tương đương khác Vàng 26 - 50 Sử dụng cho giao thông thủy và các mục
đích tương đương khác Da cam 0 - 25 Nước ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử
3.4.3. Các yêu cầu đối với việc giám sát số liệu quan trắc thời gian thực tại các trạm tựđộng các trạm tựđộng
Việc giám sát số liệu quan trắc thời gian thực (cho phép trễ 1 đến 2 chu kỳ lấy mẫu, tương ứng với 5 đến 10 phút) tại các trạm tựđộng được thực hiện dựa trên 2 tiêu chí: trợ giúp việc quan sát kết quả đo theo thời gian cho từng thông số quan trắc tương ứng với các module đặt tại trạm. Ví dụ, đối với môi trường không khí, các thông số cần đề cập là (CO, CO2, SO2, Nox, O3 ngoài ra là các thông số khí tượng như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, hướng gió…); so sánh được diễn biến của từng thông số, có phân nhóm đối với các thông số có quan hệ với nhau (ví dụ nhóm NO, NO2, Nox..) Báo cáo diễn biến từng thông số bằng hình thức biểu biểu đồ, có hệ quy chiếu và đơn vị đo đầy đủ.
Tóm lại, trong chương 3, luận văn đã đề cập đến việc xây dựng các mô hình tổ chức dữ liệu, cách thức lưu trữ, phân tích dữ liệu và kiến trúc hỗ trợ ra quyết định. Với cách tiếp cận này, dữ liệu sẽ được tổ chức dữ liệu theo mô hình logic hình sao, dưới dạng các cube theo chủ đề. Dữ liệu từ các bảng chiều sẽ là dữ liệu đầu vào, phụ vụ việc tính toán kết quả theo các hàm dơn giản, lưu trữ trong bảng sự kiện. Các thông tin này sẽ là đầu vào thực hiện các truy vấn phức tạp hơn trong quá trình phân tích tại OLAP để giải quyết bài toán. Đây là cơ sở lý thuyết để xây dựng ứng dụng phần mềm trong chương sau.
Chương 4 – XÂY DỰNG PHẦN MỀM MINH HỌA NGHIỆP VỤ THÔNG MINH TRONG QUẢN TRỊ HỆ THỐNG THÔNG TIN CHẤT
LƯỢNG MÔI TRƯỜNG
Chương này sẽ giới thiệu việc triển khai giải pháp ứng dụng nghiệp vụ thông minh BI trong quản trị hệ thống thông tin chất lượng môi trường đã đề xuất trong chương 3. Các nội dung cụ thể gồm có tổ chức lưu trữ dữ liệu tại kho dữ liệu theo cấu trúc hình sao, triển khai xây dựng phần mềm theo mô hình 3 lớp, ứng dụng kiến trúc phân tích dữ liệu và hỗ trợ quyết định vào tính toán chỉ số chất lượng không khí (AQI) và chất lượng nước (WQI) và một số các chức giám sát số liệu nhận về từ các trạm tựđộng dưới hai hình thức báo cáo là biểu đồ và bảng số liệu.
4.1. Giải pháp kỹ thuật
Luận văn sẽ sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server (MSSQL)[9] để tạo công cụ xây dựng kho dữ liệu và OLAP do các tính năng hỗ trợ của hệ quản trị này (xem hình 4.2). MSSQL là một trong những hệ quản trị cơ sở dữ liệu thích hợp với các các mô hình vừa và nhỏ. Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là chi phí đầu tư thấp, giải pháp kỹ thuật đáp ứng việc quản lý, lưu trữ thích hợp với các CSDL không quá lớn, một yếu tố quan trọng không kém đó là dễ sử dụng và quen thuộc đối với người dùng.
Để giải quyết bài toán, luận văn sử dụng ba trong số bốn dịch vụ chính của MSSQL là dịch vụ tích hợp (Integration Service), dịch vụ phân tích dữ liệu (Analysis Service) và dịch vụ báo cáo (Reporting Service).
(1) Dịch vụ tích hợp dữ liệu thực hiện xây dựng tiến trình ETL để lấy dữ liệu từ CSDL gốc ban đầu và đẩy vào kho dữ liệu; (2) Dịch vụ phân tích dữ liệu phục vụ quá trình xây dựng dữ liệu
trong kho dữ liệu, tổ chức lưu trữ và quản lý dưới dạng các Cube dữ liệu phục vụ quá trình phân tích dữ liệu trực tuyến OLAP;
(3)Cuối cùng ta sẽ dùng các công cụ BI gồm có dịch vụ báo cáo và các ứng dụng phân tích dữ liệu để thực hiện các truy vấn để chiết xuất dữ liệu, cung cấp thông tin cho người sử dụng.
4.2. Tổ chức lưu trữ dữ liệu
Hình 4.3 và 4.4. mô tả thiết kế lược đồ dữ liệu của hệ thống. Thiết kế này gồm có 2 lược đồ hình sao tương ứng với 2 loại dữ liệu thu mẫu và dữ liệu tự động.
Cube dữ liệu quan trắc tựđộng bao gồm sáu chiều và một bảng sự kiện, được biểu diễn trong một bảng dữ liệu. Đối với quan trắc tự động, một trạm có nhiều điểm quan trắc, mỗi điểm quan trắc thuộc một hoặc nhiều thành phần môi trường, mỗi thành phần sẽ thực hiện quan trắc nhiều thông số và cho ra các kết quả quan trắc theo thời gian. Đối với mỗi trạm quan trắc, tùy theo loại thiết bị và hãng sản xuất, cứ năm phút một lần thu được 1 số liệu quan trắc do đó ta cũng quan tâm tới yếu tố thời gian để ghi dữ liệu. Kho dữ liệu cũng được thiết kế dựa trên thực tếđó.
Dữ liệu trong kho bao gồm các bảng WH_TRAMQUANTRAC_DIM lưu thông tin trạm quan trắc; bảng WH_DIEMQUANTRAC_DIM lưu thông tin điểm quan trắc; bảng WH_TPMT_DIM lưu thông tin thành phần môi trường; bảng WH_THONGSO_DIM lưu thông tin các thông số quan trắc được tại một điểm, bảng WH_SOLIEUTUDONG_FACT lưu giá trị các kết quả thu được tương ứng với từng thông số theo thời gian và một số tính toán theo các hàm đơn giản phục vụ giải quyết bài toán; bảng WH_NGAY_DIM và bảng WH_GIOPHUTGIAY_DIM phục vụ truy xuất kết quả theo thời gian.
Bảng 4.1. Bảng chiều điểm quan trắc WH_DIEMQUANTRAC_DIM trong cube quan trắc tựđộng
STT Tên trường Ý nghĩa trường Kiểu dữ liệu Độ dài
Được
phép NULL
1. uuid Mã điểm thuộc trạm CharacterString 50 2. tenDiem Tên điểm quan trắc CharacterString 500
3. kinhDo Kinh độ Real 8
4. viDo Vĩ độ Real 8
5. loaiDiem Phân loại điểm quan trắc theo tiêu chí điểm tự động hoặc thu mẫu: 0-điểm tự động, 1-điểm thu mẫu
Integer 2
6. trangThaiHoatDo ng
Trạng thái hoạt động của điểm (0-Không hoạt động, 1-Đang hoạt động)
Integer 2
7. uuidTinh Mã tỉnh CharacterString 50 8. tenTinh Tên tỉnh (Vị trí điểm QT) CharacterString 500
Ghi chú: Bảng này lưu trữ toàn bộ danh mục các điểm quan trắc trong hệ