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    突變理論在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用論文

    時間:2021-01-28 09:04:52 論文 我要投稿

    突變理論在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用論文

      隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對于環(huán)境質(zhì)量的要求愈發(fā)迫切,環(huán)境科學(xué)的研究也越來越受到重視。環(huán)境問題具有類型多、成因復(fù)雜、影響面積廣、社會危害大等特點,同時影響某一種環(huán)境問題的因素較多,迫切需要采用新的研究方法應(yīng)用到環(huán)境科學(xué)的研究領(lǐng)域中。

    突變理論在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用論文

      自然界中的變化有兩種基本方式,第一種是連續(xù)性的變化,即系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)性的變化,存在著連續(xù)的增長或者下降,運用微積分的方法可以很好的研究和解釋這種變化;另一種就是變化存在著不連續(xù)的突調(diào)和飛躍,從一個狀態(tài)忽然轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài),此類問題微積分學(xué)無法研究,而這種現(xiàn)象在自然界中廣泛存在,例如金屬的相變、水的沸騰、橋梁的忽然坍塌、細(xì)胞的分裂、人情緒的波動等,而系統(tǒng)狀態(tài)從一種形式突然跳到另一種形式,就稱為突變。

      1突變理論的主要內(nèi)容

      突變理論,又稱實變理論,是在1968年由法國數(shù)學(xué)家湯姆(ReneThom)創(chuàng)立的,理論創(chuàng)立后不久,就作為一支新興的學(xué)科迅速發(fā)展起來。突變理論是數(shù)學(xué)中拓?fù)鋵W(xué)的一個分支,主要研究動態(tài)系統(tǒng)中的不連續(xù)現(xiàn)象。近些年來,通過對突變理論的不斷了解和研究的不斷深入,突變論在理論及應(yīng)用上都取得了很大的發(fā)展。

      2突變理論與突變級數(shù)法

      在突變理論中,突變級數(shù)法是一種應(yīng)用最為廣泛的綜合評價方法。突變級數(shù)是一種多維模糊綜合隸屬函數(shù)。突變級數(shù)方法與傳統(tǒng)的綜合評價方法相比,在評價過程中不需要考慮各指標(biāo)的權(quán)重,僅要考慮同一突變單元中的各指標(biāo)的相對重要性,從而減少了評價的主觀性和復(fù)雜性。使得評價結(jié)果客觀、準(zhǔn)確,同時計算過程較簡便。通過部分學(xué)者的研究結(jié)果來看,運用突變級數(shù)法與運用傳統(tǒng)的綜合評價法進(jìn)行綜合評價的結(jié)果基本相同,但該方法所需數(shù)據(jù)量少、計算過程簡便。突變級數(shù)法在計算多目標(biāo)評價決策問題上應(yīng)用更適宜和準(zhǔn)確。

      基于突變級數(shù)法的基本步驟有:

      2,1建立層次結(jié)構(gòu)模型

      根據(jù)綜合評價的目的,將各個目標(biāo)細(xì)化為若干個指標(biāo),對評價指標(biāo)進(jìn)行分組,組合建立起樹狀目標(biāo)層次結(jié)構(gòu),每個指標(biāo)要進(jìn)行分解成更加具體的指標(biāo),直到可以對某個子指標(biāo)進(jìn)行定量化描述為止。在同一個層次的各個指標(biāo)中,要將相對重要的指標(biāo)放在這一層的前面。由于一般初等突變中,狀態(tài)變量不超過4個,所以應(yīng)盡量將評價指標(biāo)控制在4個以內(nèi),超過4個的應(yīng)根據(jù)重要程度進(jìn)行相應(yīng)的取舍。

      2.2確定各層次的突變系統(tǒng)類型

      根據(jù)某一突變單元中控制變量的.數(shù)目確定突變系統(tǒng)類型,如控制變量數(shù)自為2時,該突變單位則為尖點突變模型。

      2.4數(shù)據(jù)的歸一化處理

      由于各評價指標(biāo)的數(shù)值和單位不同,無法進(jìn)行綜合評價運算,所以,首先通過歸一化的方式去掉量綱。

      2.5利用歸一化公式進(jìn)行綜合評價

      根據(jù)各指標(biāo)初始的數(shù)值,按歸一化公式由下到上依次分別計算各控制變量的值,直至計算到評價的最高層,即總目標(biāo)層,得出突變級數(shù)綜合隸屬度,即評價綜合值。

      3.突變理論

      應(yīng)用突變級數(shù)法進(jìn)行綜合評判時,必須考慮兩個原則:(1)“非互補性”原則:同一對象各控制變量不存在明顯相互關(guān)聯(lián)的作用,即為非互補性,在計算時來用最小值作為系統(tǒng)的值x=min|Z?,毛,總,毛1;(2)“互補性”原則:各控制變量存在相互關(guān)聯(lián)3突變理論在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用。

      3.1突變理論在環(huán)境研究中的應(yīng)用前提分析

      生態(tài)系統(tǒng)是一個涉及多個因素的復(fù)雜系統(tǒng),時刻處于一個動態(tài)的平衡狀態(tài),目卩穩(wěn)態(tài)狀態(tài),對于一定的干擾,可以通過生態(tài)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)能力減小或消除對其產(chǎn)生的影響,并繼續(xù)保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài),發(fā)揮自我恢復(fù)能力,最終生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能依然可以保持。

      但是,如果對生態(tài)系統(tǒng)的干擾達(dá)到一定程度,生態(tài)系統(tǒng)就不能通過自身的調(diào)節(jié)能力恢復(fù)到受干擾之前的狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了根本性變化,造成了生態(tài)系統(tǒng)的退化。生態(tài)系統(tǒng)由一個連續(xù)狀態(tài)突然變?yōu)橐粋間斷狀態(tài),這個過程就是一個突變過程,使生態(tài)系統(tǒng)從可以自我恢復(fù)到發(fā)生根本性變化的那一點就是突變點。基于以上分析可以看出,生態(tài)系統(tǒng)就是一個大的突變系統(tǒng),可以運用突變理論對其進(jìn)行研究。

      3.2突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中的簡單應(yīng)用

      突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中已有了簡單的應(yīng)用,人們在管理草場的草地生態(tài)系統(tǒng)、林場的森林生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)時都可以通過應(yīng)用突變理論,使管理更加科學(xué)。

      在草地生態(tài)系統(tǒng)中確定放牧與草場的關(guān)系。對于一個草場來說,如果人們不進(jìn)行放牧或放牧量過少,草場則會發(fā)生正向演替,向樹木方向發(fā)展;而如果過度放牧,則會對草場造成破壞,使之發(fā)生逆向演替,向荒漠化方向發(fā)展,因此,確定一個合適的放牧量,既可以使牧草資源得到充分利用,而且也可以使草場迅速得到恢復(fù),使牧草資源可以持續(xù)利用。根據(jù)突變理論就可構(gòu)造一個突變模型,狀態(tài)變量為草場單位面積蓄積量,控制變量為降水量和單位面積牲畜數(shù)量。通過得出這個突變模型的突變點,人們就可以調(diào)節(jié)最佳的放牧量。

      同理,在水生生態(tài)系統(tǒng)中,運用突變理論確定最佳捕魚量,既能使捕魚量最大獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益又能保證種群的可持續(xù)發(fā)展。在森林生態(tài)系統(tǒng)中通過突變理論確定最佳砍伐量,判斷何時采伐能獲得木材的穩(wěn)定高產(chǎn),且不致破壞種群恢復(fù)再生產(chǎn)的能力。

      3.3突變理論在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

      突變理論在環(huán)境科學(xué)的具體研究中應(yīng)用還不是很多,研究的并不深入。目前在環(huán)境科學(xué)的研究中應(yīng)用較好的有:(1)研究生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡,即通過控制某一條件使生態(tài)系統(tǒng)維持在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)中,利用生態(tài)系統(tǒng)的自我的恢復(fù)能力能夠維持其健康和良性循環(huán)。(2)控制合理的環(huán)境污染水平,通過突變理論中突變點的控制作用,制定合理的污染水平,從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一。(3)地下水、尾礦庫、礦山等生態(tài)風(fēng)險評估,運用突變理論預(yù)測的結(jié)果與實際情況比較相符。(4)在環(huán)境模擬預(yù)測中應(yīng)用突變理論,對分析環(huán)境狀態(tài)演變及發(fā)展態(tài)勢有獨特之處。(5)在環(huán)境影響評價中,特別是對單因子污染評價方面的應(yīng)用,將突變理論應(yīng)用在大氣環(huán)境質(zhì)量的評價中,通過對污染因子次序的調(diào)換引起某地大氣質(zhì)量評價結(jié)果順序的變化可以確定某地區(qū)的主要污染物類型,從而為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境管理提供技術(shù)支持[1°]。(6)生態(tài)系統(tǒng)的治理與恢復(fù)方面,例如:判斷水生生態(tài)系統(tǒng)是缺水性還是污染行水生態(tài)危機,運用突變理論可以在水生態(tài)系統(tǒng)研究中起到很大的作用。(7)環(huán)境中多目標(biāo)的綜合決策問題,例如,生態(tài)風(fēng)險評估研究、生態(tài)系統(tǒng)健康評價、生態(tài)安全研究,運用突變理論具有計算簡單、所需的數(shù)據(jù)量較少等明顯優(yōu)勢。部分學(xué)者運用相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分別采用突變級數(shù)法和模糊理論綜合評價法獲得的結(jié)論大體相同,說明突變理論中的突變級數(shù)法的評價結(jié)果科學(xué)、可靠。

      4結(jié)語

      目前,隨著社會的飛速發(fā)展,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出,環(huán)境污染問題多發(fā)且復(fù)雜,迫切需要先進(jìn)的理論方法應(yīng)用到環(huán)境科學(xué)的研究中。突變理論能夠很好的研究系統(tǒng)發(fā)生的不連續(xù)變化,非常符合環(huán)境問題發(fā)生不連續(xù)變化的特點。因此,隨著人們對突變理論的認(rèn)識、學(xué)習(xí)和研究的不斷深入,突變理論必將在未來環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。

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