基于復(fù)雜性理論的河湖環(huán)境系統(tǒng)模型研究.pdf

1、本論文首先綜述了復(fù)雜性理論及其在河湖環(huán)境系統(tǒng)模型應(yīng)用中的研究進(jìn)展，指出復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)模型現(xiàn)狀研究中存在的問題，并具體針對復(fù)雜河湖環(huán)境系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量模型、水環(huán)境容量計(jì)算模型、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模型、湖泊富營養(yǎng)化模型、水環(huán)境時(shí)序變化機(jī)制探討和酸沉降子系統(tǒng)時(shí)空分布特征模擬等方面，從數(shù)學(xué)理論、方法和應(yīng)用相結(jié)合的角度出發(fā)，系統(tǒng)的研究了基于復(fù)雜性理論的河湖環(huán)境系統(tǒng)建模的新理論、新方法，以期建立的復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)模型更符合客觀規(guī)律和事實(shí)。 本文的研究工

2、作和研究成果包括以下內(nèi)容：(1)針對缺乏河流流場和參數(shù)資料的環(huán)境系統(tǒng)，建立了基于區(qū)間有限單元法的二維水質(zhì)模型，通過對規(guī)則河流采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)(最優(yōu)化的區(qū)間解析解)方法驗(yàn)證基于區(qū)間有限單元法的二維區(qū)間水質(zhì)模型的可靠性和精度，并以區(qū)間數(shù)“度”的測度描述水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)該模型為傳統(tǒng)的隨機(jī)理論和模糊理論研究水環(huán)境模擬、預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供了有益的補(bǔ)充。(2)針對湖泊富營養(yǎng)化Chlorophyll-a與環(huán)境參數(shù)、生物參數(shù)之間的非線性關(guān)系，建立了基于

3、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BRBPNN)和貝葉斯最小二乘支持向量機(jī)(BEFLSSVM)的Chlorophyll-a預(yù)測模型。實(shí)例數(shù)據(jù)研究表明基于貝葉斯推斷理論自動獲取后驗(yàn)分布意義上的最大值，大大方便了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和支持向量機(jī)估計(jì)算法的規(guī)整化參數(shù)、核參數(shù)的選擇，且具有優(yōu)良的穩(wěn)健性和泛化能力，可以為有效及時(shí)的控制湖泊富營養(yǎng)化變化趨勢提供科學(xué)依據(jù)。(3)基于未確知數(shù)學(xué)的盲數(shù)理論和皮爾遜Ⅲ型曲線的Monte-Carlo模擬，以出湖水體水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)率小于1

4、0％的污染物濃度均值作為水質(zhì)控制目標(biāo)，提出了不確定信息下湖泊富營養(yǎng)化水環(huán)境容量的計(jì)算方法，可以獲得理論上較為可行且計(jì)算結(jié)果偏于安全的水環(huán)境容量。(4)根據(jù)頻率冪律分布分析、功率譜分析和消除趨勢波動分析三種統(tǒng)計(jì)方法和自組織臨界系統(tǒng)的三個(gè)基本特征，研究發(fā)現(xiàn)湖泊溶解氧序列的頻率分布在一定區(qū)間內(nèi)遵從冪律分布(尺度不變性)且在時(shí)域上具有1/f<'β>噪聲特性，分析了可將水體的飽和溶解氧濃度作為水環(huán)境系統(tǒng)臨界狀態(tài)的原因，探討了自組織臨界性可能是水環(huán)

5、境系統(tǒng)溶解氧時(shí)序形成與演化的內(nèi)在機(jī)制之一。(5)在Streeter-Phelps和Shastry水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上引入隨機(jī)力，建立了基于線性和非線性隨機(jī)微分方程的突發(fā)性水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型，并以數(shù)值方法求解多維隨機(jī)偏微分方程得到概率密度分布函數(shù)，獲得污染物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)率與超標(biāo)時(shí)間長短的關(guān)系。研究表明一個(gè)微小的隨機(jī)擾動都有可能改變系統(tǒng)的“命運(yùn)”，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理者和規(guī)劃者應(yīng)充分重視環(huán)境系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)和不確定效應(yīng)。(6)基于酸沉降系統(tǒng)中存在的非線性

6、和不確定性特征，建立了酸沉降時(shí)空分布特征的BRBPNN和BEFLSSVM模型，模擬結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)多元線性回歸(MLR)模型，改善提高了酸沉降化學(xué)組分的月平均濃度的時(shí)空分析模型的模擬精度，有利于解釋酸沉降時(shí)空分布特征的機(jī)理。本文基于環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性特征，較為系統(tǒng)、深入地提出了基于復(fù)雜性理論的河湖環(huán)境系統(tǒng)模型的預(yù)測、模擬、評價(jià)和規(guī)劃的理論與方法。一方面，有助于發(fā)展一套較完整的針對復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)的建模理論與方法，在本質(zhì)上加深了對復(fù)雜河湖環(huán)境系