突變理論在環(huán)境科學(xué)研究中的應用論文
隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )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(lái)越受到重視。環(huán)境問(wèn)題具有類(lèi)型多、成因復雜、影響面積廣、社會(huì )危害大等特點(diǎn)，同時(shí)影響某一種環(huán)境問(wèn)題的因素較多,迫切需要采用新的研究方法應用到環(huán)境科學(xué)的研究領(lǐng)域中。
自然界中的變化有兩種基本方式，第一種是連續性的變化，即系統發(fā)生連續性的變化，存在著(zhù)連續的增長(cháng)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(zhù)不連續的突調和飛躍，從一個(gè)狀態(tài)忽然轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，此類(lèi)問(wèn)題微積分學(xué)無(wú)法研究，而這種現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、細胞的分裂、人情緒的波動(dòng)等，而系統狀態(tài)從一種形式突然跳到另一種形式，就稱(chēng)為突變。
1突變理論的主要內容
突變理論,又稱(chēng)實(shí)變理論，是在1968年由法國數學(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(lái)。突變理論是數學(xué)中拓撲學(xué)的一個(gè)分支，主要研究動(dòng)態(tài)系統中的不連續現象。近些年來(lái)，通過(guò)對突變理論的不斷了解和研究的不斷深入,突變論在理論及應用上都取得了很大的發(fā)展。
2突變理論與突變級數法
在突變理論中，突變級數法是一種應用最為廣泛的綜合評價(jià)方法。突變級數是一種多維模糊綜合隸屬函數。突變級數方法與傳統的綜合評價(jià)方法相比，在評價(jià)過(guò)程中不需要考慮各指標的權重，僅要考慮同一突變單元中的各指標的相對重要性,從而減少了評價(jià)的主觀(guān)性和復雜性。使得評價(jià)結果客觀(guān)、準確，同時(shí)計算過(guò)程較簡(jiǎn)便。通過(guò)部分學(xué)者的研究結果來(lái)看，運用突變級數法與運用傳統的綜合評價(jià)法進(jìn)行綜合評價(jià)的結果基本相同，但該方法所需數據量少、計算過(guò)程簡(jiǎn)便。突變級數法在計算多目標評價(jià)決策問(wèn)題上應用更適宜和準確。
基于突變級數法的基本步驟有：
2,1建立層次結構模型
根據綜合評價(jià)的目的，將各個(gè)目標細化為若干個(gè)指標,對評價(jià)指標進(jìn)行分組，組合建立起樹(shù)狀目標層次結構，每個(gè)指標要進(jìn)行分解成更加具體的指標，直到可以對某個(gè)子指標進(jìn)行定量化描述為止。在同一個(gè)層次的各個(gè)指標中，要將相對重要的指標放在這一層的前面。由于一般初等突變中，狀態(tài)變量不超過(guò)4個(gè)，所以應盡量將評價(jià)指標控制在4個(gè)以?xún)�，超過(guò)4個(gè)的應根據重要程度進(jìn)行相應的取舍。
2.2確定各層次的突變系統類(lèi)型
根據某一突變單元中控制變量的.數目確定突變系統類(lèi)型，如控制變量數自為2時(shí)，該突變單位則為尖點(diǎn)突變模型。
2.4數據的歸一化處理
由于各評價(jià)指標的數值和單位不同，無(wú)法進(jìn)行綜合評價(jià)運算，所以，首先通過(guò)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(jià)
根據各指標初始的數值，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(jià)的最高層，即總目標層，得出突變級數綜合隸屬度，即評價(jià)綜合值。
3.突變理論
應用突變級數法進(jìn)行綜合評判時(shí)，必須考慮兩個(gè)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(shí)來(lái)用最小值作為系統的值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)中的應用。
3.1突變理論在環(huán)境研究中的應用前提分析
生態(tài)系統是一個(gè)涉及多個(gè)因素的復雜系統，時(shí)刻處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，目卩穩態(tài)狀態(tài)，對于一定的干擾,可以通過(guò)生態(tài)系統的自身調節能力減小或消除對其產(chǎn)生的影響，并繼續保持穩態(tài)狀態(tài)，發(fā)揮自我恢復能力，最終生態(tài)系統的結構和功能依然可以保持。
但是，如果對生態(tài)系統的干擾達到一定程度，生態(tài)系統就不能通過(guò)自身的調節能力恢復到受干擾之前的狀態(tài)，生態(tài)系統結構和功能發(fā)生了根本性變化，造成了生態(tài)系統的退化。生態(tài)系統由一個(gè)連續狀態(tài)突然變?yōu)橐粋�(gè)間斷狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就是一個(gè)突變過(guò)程，使生態(tài)系統從可以自我恢復到發(fā)生根本性變化的那一點(diǎn)就是突變點(diǎn)�；谝陨戏治隹梢钥闯�，生態(tài)系統就是一個(gè)大的突變系統，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)系統中的簡(jiǎn)單應用
突變理論在生態(tài)系統中已有了簡(jiǎn)單的應用，人們在管理草場(chǎng)的草地生態(tài)系統、林場(chǎng)的森林生態(tài)系統和水生生態(tài)系統時(shí)都可以通過(guò)應用突變理論，使管理更加科學(xué)。
在草地生態(tài)系統中確定放牧與草場(chǎng)的關(guān)系。對于一個(gè)草場(chǎng)來(lái)說(shuō)，如果人們不進(jìn)行放牧或放牧量過(guò)少，草場(chǎng)則會(huì )發(fā)生正向演替，向樹(shù)木方向發(fā)展;而如果過(guò)度放牧，則會(huì )對草場(chǎng)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(gè)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(chǎng)迅速得到恢復，使牧草資源可以持續利用。根據突變理論就可構造一個(gè)突變模型，狀態(tài)變量為草場(chǎng)單位面積蓄積量，控制變量為降水量和單位面積牲畜數量。通過(guò)得出這個(gè)突變模型的突變點(diǎn)，人們就可以調節最佳的放牧量。
同理，在水生生態(tài)系統中，運用突變理論確定最佳捕魚(yú)量，既能使捕魚(yú)量最大獲得最大的經(jīng)濟效益又能保證種群的可持續發(fā)展。在森林生態(tài)系統中通過(guò)突變理論確定最佳砍伐量，判斷何時(shí)采伐能獲得木材的穩定高產(chǎn)，且不致破壞種群恢復再生產(chǎn)的能力。
3.3突變理論在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的具體應用
突變理論在環(huán)境科學(xué)的具體研究中應用還不是很多，研究的并不深入。目前在環(huán)境科學(xué)的研究中應用較好的有：(1)研究生態(tài)系統的動(dòng)態(tài)平衡，即通過(guò)控制某一條件使生態(tài)系統維持在穩態(tài)狀態(tài)中，利用生態(tài)系統的自我的恢復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(guò)突變理論中突變點(diǎn)的控制作用，制定合理的污染水平，從而實(shí)現經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的和諧統一。(3)地下水、尾礦庫、礦山等生態(tài)風(fēng)險評估，運用突變理論預測的結果與實(shí)際情況比較相符。(4)在環(huán)境模擬預測中應用突變理論，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(jià)中，特別是對單因子污染評價(jià)方面的應用，將突變理論應用在大氣環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)中，通過(guò)對污染因子次序的調換引起某地大氣質(zhì)量評價(jià)結果順序的變化可以確定某地區的主要污染物類(lèi)型，從而為當地的環(huán)境管理提供技術(shù)支持[1°]。(6)生態(tài)系統的治理與恢復方面，例如：判斷水生生態(tài)系統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)系統研究中起到很大的作用。(7)環(huán)境中多目標的綜合決策問(wèn)題，例如，生態(tài)風(fēng)險評估研究、生態(tài)系統健康評價(jià)、生態(tài)安全研究,運用突變理論具有計算簡(jiǎn)單、所需的數據量較少等明顯優(yōu)勢。部分學(xué)者運用相同的基礎數據，分別采用突變級數法和模糊理論綜合評價(jià)法獲得的結論大體相同，說(shuō)明突變理論中的突變級數法的評價(jià)結果科學(xué)、可靠。
4結語(yǔ)
目前,隨著(zhù)社會(huì )的飛速發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的矛盾日益突出，環(huán)境污染問(wèn)題多發(fā)且復雜，迫切需要先進(jìn)的理論方法應用到環(huán)境科學(xué)的研究中。突變理論能夠很好的研究系統發(fā)生的不連續變化，非常符合環(huán)境問(wèn)題發(fā)生不連續變化的特點(diǎn)。因此，隨著(zhù)人們對突變理論的認識、學(xué)習和研究的不斷深入，突變理論必將在未來(lái)環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
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