Úvod

Geoinformatika a geostatistika jsou části informatiky a statistiky zaměřené na aplikaci uvedených vědních oborů na informace a data, mající zdroj a interpretační využití v geo- vědách obecně; tedy v těch vědách a vědních oborech, které jsou spojeny se Zemí jako takovou. Jde o širokou řadu oborů a disciplin, jimž je společné jedno: data, která zkoumají, jsou vázána na Zemi, její (především geologický) vývoj v čase, a jsou podrobena vlivu tolika proměnných, že je často nelze ani vyjmenovat, natož deterministicky zpracovat. Zpracovávají se proto speciálními metodami, díky kterým vznikly zcela nové okruhy matematické statistiky. Ty však - pro rozumnou aplikovatelnost - vyžadují značné množství statistických jednotek; statisíce patří spíše k menším objemům dat. Zpracování pomocí výpočetní techniky je proto nutností, avšak pro zpracování v reálném čase i na rychlých počítačích je zapotřebí využívat takové modely datových struktur, ke kterým je optimální doba přístupu na jedné straně a které zaujímají optimální objem úložného prostoru na straně druhé. Nové metody a nástroje informatiky vyvinuté právě pro geo-vědy umožňují nejenom tuto optimalizaci, ale zahrnují i (matematické) předzpracování a zpracování takových dat, jako jsou rovinné a prostorové souřadnice a jejich nejrůznější projekce, popisy útvarů na povrchu Země (body, lineární útvary, polygony) i modely podzemních ploch a těles.

Geostatistika a zvláště geoinformatika je tedy velmi široce využitelná. Tato práce popisuje a teoreticky zdůvodňuje informační systém pro monitorování a hodnocení vodohospodářských subsystémů podniků velké průmyslové aglomerace s velmi omezenými vodními zdroji a přitom s velkou spotřebou vody při průmyslové činnosti a jejím následným značným znečištěním. Monitorována a hodnocena je zde jednak kvalita vod, jednak množství používané při průmyslové činnosti. Nástroji použitými při analýze systému a jeho koncipování jsou právě uvedené statistické a informatické podobory. Praktickým výstupem práce je informační systém provozovatelný v prostředí relačního databázového systému. Praktickým použitím výstupu práce je informační systém důlních podniků ostarvsko - karvinské průmyslové aglomerace a podniků na ně svou činností bezprostředně navazujících (tedy zdaleka ne všech podniků aglomerace).

Tato práce je prací v oblasti geostatistiky a geoinformatiky. Proto cílem této práce není (a práce se tím ani nezabývá) hodnocení kvality vod, výstavba a provoz vodohospodářských děl, diskuse ekologických a jiných dopadů produkce znečištěné vody, otázky hydrogeologie a geochemie důlních vod apod. Je ovšem faktem, že informace získané z popisovaného informačního systému ke všem těmto účelům sloužit mohou a v praxi také většinou slouží.

Podpůrným aparátem, poskytujícím teoretickou bázi modelu, je teorie grafů. Podpůrným aparátem, poskytujícím teoretické nástroje pro datové prostředí, je teorie datových struktur. V práci jsou postupně uváděny základní pojmy, definice a věty obou podpůrných aparátů, které jsou okamžitě důsledně aplikovány do předmětné oblasti, tj. pro použití ve vodohospodářských subsystémech obecně a pro monitorování a hodnocení objemu a kvality vod v nich zvlášť.

Povrchové vody a informační systém

Povrchové vody mají v ekosystému Země významné postavení. Jsou především zcela nezastupitelným a téměř neobnovitelným zdrojem pitné vody. Jsou nenahraditelným životním prostředím řady živočišných a rostlinných druhů. Jsou dominantním průmyslovým médiem v převážné většině oborů. Z geologického hlediska jsou významným krajinotvorným prvkem. Vodní toky ovlivňují každodenní život lidstva jak v kladném (dopravní cesty), tak v záporném (eroze, záplavy) smyslu.

Z postavení povrchových vod v ekosystému Země je zřejmé, že civilizované země řadou zákonů usměrňují vztah fyzických i právnických osob právě k povrchovým vodám, a to především restriktivním způsobem. Určuje se především kvalita vod, které po použití v jakémkoliv oboru lidské činnosti se vrací zpět do vod povrchových. Pro závažnost celé problematiky jsou za porušování těchto zákonů stanoveny jedny z nejvyšších zákonných sankcí.

V každodenní praxi každého producenta odpadních vod tedy nabývá na významu - už z prostých ekonomických důvodů - průkazné vedení informací o svém vodním hospodářství. Na druhé straně se hospodaření s vodou stalo již nyní závažným problémem lokálním (její výroba a cena) i globálním (použitelné vodní zdroje); v budoucnu lze očekávat pouze zvětšování těchto problémů.

Evidenční, fakturační, provozně informační, analytické, prognostické i jiné funkce v oblasti vodního hospodářství lze zajistit tím lépe, čím lépe bude vodní hospodářství modelováno v oblasti svých dat a vazeb. Na různých úrovních státních správ i soukromého sektoru vznikají proto především monitorovací systémy, které jsou podstatným zdrojem vstupů do komplexnějších informačních systémů (nejen) v oblasti povrchových vod. Tyto - ve své podstatě geo-informační - systémy poskytují jednak podklady pro hodnocení dodržování zmíněných zákonů resp. vyměřování sankcí, ale uplatňují se také řadě praktických i teoretických oborů, jako např. geochemii půd, hydrologii, urbanistickém plánování apod.

Provozování informačních systémů tohoto typu je dnes myslitelné pouze v prostředí výpočetní techniky. Cenová dostupnost a výkon dnešních osobních počítačů ve spojení s počítačovými sítěmi a relativně obecnými programovými produkty v oblasti zpracování dat k tomu dávají všechny předpoklady.

Výchozím pojmem je v informačním systému vodohospodářský systém, sestávající z vodohospodářských soustav. Na území ČR je 8 soustav, navazujících na soustavy v okolních zemích (viz následující schéma, převzaté z [25]). Pojem vodohospodářské soustavy je sám ještě velmi široký. Jsou to "soubory vodohospodářských prvků spojených vzájemnými vazbami v účelový celek k využívání a ochraně vodních zdrojů" ([25]). Mezi základní prvky patří podzemní zdroje a přirozené i umělé nádrže; často se sem zařazují i uživatelé vody. Mezi základní vazby patří především vodní toky jako vazby přirozené a kanály, potrubí, štoly a jiné zbudované transportní cesty jako vazby umělé.

 

Obr. 1.1: České vodohospodářské soustavy
(VSP = vodohospodářská soustava povodí ...)

 

Práce používá modely odpovídající vodohospodářské soustavě v povodí Odry. Jde o oblast geologicky výraznou, s extrémní hlubinnou důlní a průmyslovou činností a jejími negativními pozůstatky, které zasahují do všech oblastí lidského bytí. Je zřejmé, že i pouhé monitorování byť jediné veličiny v rámci celé soustavy je nesmírně náročný problém. Protože prioritní je při hospodaření s vodou udržení její kvality, lze při jedné z možných dekompozic systému použít kriterium změny kvality.

Informační systém je vybudován zcela obecně. Jeho naplnění konkrétními daty, zejména konfigurací vodohospodářské sítě a daty konkrétních podniků, určuje okruh jeho uživatelů. Pro demonstrační potřeby této práce byly - zejména pro tradiční dobré styky mezi HGF VŠB a doly - zvoleny důlní podniky ostravsko - karvinské aglomerace.

Označme symbolem P množinu všech důlních podniků ostravsko - karvinské aglomerace a podniků na ně výrobně navazujících. Označme symbolem V podniky Ostravské vodovody a kanalizace a Severomoravské vodovody a kanalizace. Subsystém, kterým se práce zabývá, tvoří všechny

Takto pojatý subsystém nezahrnuje přirozený vodní tok jako cestu, ale uvažuje z něj pouze (bodová) místa styky vodního toku a transportní cesty podniku z P.

Nejdůležitější zákonné normy v ČR

Vztah k vodám obecně a povrchovým vodám zvlášť upravuje řada zákonů a vyhlášek. V popisované oblasti to jsou především zákony o znečišťování vod. Zvláště po roce 1990 byla přijata řada zákonů, které jednak zpřísňují dosavadní podmínky, jednak přibližují legislativu legislativě okolních zemí.

Dne 4.3.1998 schválil parlament ČR zákon "O poplatcích za vypouštění odpadních vod do vod povrchových". Zákon byl uveřejněn ve Sbírce zákonů, částka 25, počínaje str. 4802, pod číslem 58. Zákon nabyl účinnosti dne 1.7.1998 s výjimkou vyjmenovaných paragrafů, které nabyly účinnosti dnem 1.1.1999. Tento zákon bezprostředně souvisí se zákony a vyhláškami:

Zákon 58/98 stanovil pro vodní hospodářství znečišťovatelů některé nové skutečnosti oproti zákonům existujícím a naopak některé skutečnosti stanovené dřívějšími zákony a vyhláškami zrušil.

Zásadní změny je možno (zjednodušeně) postihnout následovně:

Podle §1 zákona 58/1998 Sb. je znečišťovatelem především každý jednotlivý samostatný podnik. Ten platí podle §2 odst. (2) za vypouštěné množství znečištění do povrchových vod. U každé výpusti proto musí znečišťovatel sledovat množství a kvalitu.

Podle §2 odst. (4) však může od celkového vypouštěného množství znečištění odečíst množství znečištění v jím odebrané vodě. Je proto v zájmu každého znečišťovatele sledovat také vody odebírané. Znečišťovatel tedy může sledovat množství a kvalitu vod přijímaných, a to i pro své další vlastní účely, např. kontrolu fakturace apod.

O kvalitě a kvantitě vod odebíraných (odečítá-li je) i vypouštěných musí vést znečišťovatel předepsané provozní evidence.

Protože přílohy 1 a 2 zákona 58/98 explicitně vyjmenovávají látky podléhající zpoplatnění, musí znečišťovatel sledovat chemickými analýzami předepsaných devět prvků a sloučenin. Pro své další účely může sledovat další prvky a sloučeniny. O povinných analýzách musí vést předepsanou provozní evidenci.

Zaměření práce

Z aspektu výše uvedeného je tedy bází dalších diskusí následující situace, jak vyplývá z §2 odst. (2) a (4) zákona 58/1998 Sb.:

 

Obr. 1: Situace podle zákona 58/98 Sb.

 

Obecně lze vyjádřit minimální schéma vodního hospodářství vyžadované zákonem 58/1998 Sb. takto:

 

Obr. 2: Minimální schéma vodního hospodářství

 

Předchozí schéma je běžně používané v teorii grafů. Celé vodní hospodářství - zvláště jeho topologie - je proto vhodné považovat za jednu z aplikací teorie grafů.

V současném počítačovém prostředí existuje řada obecných softwarových produktů pro zpracování dat. Žádný z nich však nepodporuje přímo grafové datové struktury. Zvláště relační databázové systémy však poskytují takový výkon, že se nabízí jako realizační prostředí - už z toho důvodu, že mají propracovaný mechanismus (kontrolovatelných) vstupů a aparát pro nejrůznější typy informačních výstupů.

Zásadním problémem je však vhodný model databází reprezentujících jednotlivé komponenty modelu grafového.

Tato práce popisuje (současně se základními teoretickými poznatky z oblasti teorie grafů, geostatistiky a geoinformatiky) monitorovací a informační systém, kterým největší znečišťovatelé oblasti Severní Moravy - důlní podniky a podniky s nimi úzce kooperující - sledují použití, znečištění, čištění a vypouštění vod při své výrobní činnosti.

Další text podává proto nejprve stručný úvod do teorie grafů. Ukazuje dále, jak využít konkrétní typ grafu pro model vodního hospodářství. Předkládá možnou praktickou aplikaci tohoto modelu v prostředí relačních databázových systémů, za tím účelem uvádí i základní pojmy z teorie datových struktur. Konečně uvádí některé algoritmy řešící vybrané úlohy vodního hospodářství.

Příklady a konkrétní řešení jsou podávány na datech, vycházejících z existující situace největšího znečišťovatele vod na Severní Moravě.

 

Autor této práce však výslovně upozorňuje, že data jsou záměrně modifikovaná a neodpovídají skutečnosti. Důvodem jsou zákony o ochraně hospodářských informací. Přestože jsou použity názvy skutečných podniků, v příkladech nejsou uvedeny skutečné ani úplné konfigurace vnitřní vodohospodářské sítě a jen některá data jsou skutečná - je přitom dbáno na to, aby nebylo zřejmé, která.

 

Na druhé straně skutečnosti, které lze zjistit z obecně dostupných materiálů nebo které jsou obecně známy, jsou použity reálně. Jde např. o polohy podniků samotných, jejich propojení vodními toky, model terénu, ve kterém se nachází, obecné geologické poměry apod.