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(huì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)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(fù)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(yīng)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(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(zhǎng)或者下降，運(yùn)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(gè)狀態(tài)忽然轉(zhuǎn)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(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(dòng)等，而系統(tǒng)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(nèi)容
突變理論,又稱(chēng)實(shí)變理論，是在1968年由法國(guó)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(lái)。突變理論是數(shù)學(xué)中拓?fù)鋵W(xué)的一個(gè)分支，主要研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的不連續(xù)現(xiàn)象。近些年來(lái)，通過(guò)對(duì)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(jí)數(shù)法
在突變理論中，突變級(jí)數(shù)法是一種應(yīng)用最為廣泛的綜合評(píng)價(jià)方法。突變級(jí)數(shù)是一種多維模糊綜合隸屬函數(shù)。突變級(jí)數(shù)方法與傳統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)方法相比，在評(píng)價(jià)過(guò)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(duì)重要性,從而減少了評(píng)價(jià)的主觀性和復(fù)雜性。使得評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確，同時(shí)計(jì)算過(guò)程較簡(jiǎn)便。通過(guò)部分學(xué)者的研究結(jié)果來(lái)看，運(yùn)用突變級(jí)數(shù)法與運(yùn)用傳統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果基本相同，但該方法所需數(shù)據(jù)量少、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便。突變級(jí)數(shù)法在計(jì)算多目標(biāo)評(píng)價(jià)決策問(wèn)題上應(yīng)用更適宜和準(zhǔn)確。
基于突變級(jí)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(píng)價(jià)的目的，將各個(gè)目標(biāo)細(xì)化為若干個(gè)指標(biāo),對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分組，組合建立起樹(shù)狀目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)指標(biāo)要進(jìn)行分解成更加具體的指標(biāo)，直到可以對(duì)某個(gè)子指標(biāo)進(jìn)行定量化描述為止。在同一個(gè)層次的各個(gè)指標(biāo)中，要將相對(duì)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(guò)4個(gè)，所以應(yīng)盡量將評(píng)價(jià)指標(biāo)控制在4個(gè)以?xún)?nèi)，超過(guò)4個(gè)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(lèi)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(lèi)型，如控制變量數(shù)自為2時(shí)，該突變單位則為尖點(diǎn)突變模型。
2.4數(shù)據(jù)的歸一化處理
由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值和單位不同，無(wú)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)運(yùn)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(píng)價(jià)
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(jì)算各控制變量的值，直至計(jì)算到評(píng)價(jià)的最高層，即總目標(biāo)層，得出突變級(jí)數(shù)綜合隸屬度，即評(píng)價(jià)綜合值。
3.突變理論
應(yīng)用突變級(jí)數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)判時(shí)，必須考慮兩個(gè)原則：(1)“非互補(bǔ)性”原則：同一對(duì)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(bǔ)性，在計(jì)算時(shí)來(lái)用最小值作為系統(tǒng)的值x=min|Z?，毛，總,毛1;(2)“互補(bǔ)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(gè)涉及多個(gè)因素的復(fù)雜系統(tǒng)，時(shí)刻處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，目卩穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，對(duì)于一定的干擾,可以通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)能力減小或消除對(duì)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(duì)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(guò)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(gè)連續(xù)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(tǒng)從可以自我恢復(fù)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(tǒng)就是一個(gè)大的突變系統(tǒng)，可以運(yùn)用突變理論對(duì)其進(jìn)行研究。
3.2突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用
突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中已有了簡(jiǎn)單的應(yīng)用，人們?cè)诠芾聿輬?chǎng)的草地生態(tài)系統(tǒng)、林場(chǎng)的森林生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)時(shí)都可以通過(guò)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(chǎng)的關(guān)系。對(duì)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(duì)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(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(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(shù)量。通過(guò)得出這個(gè)突變模型的突變點(diǎn)，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(yùn)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(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(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(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(dòng)態(tài)平衡，即通過(guò)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(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(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(kù)、礦山等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，運(yùn)用突變理論預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際情況比較相符。(4)在環(huán)境模擬預(yù)測(cè)中應(yīng)用突變理論，對(duì)分析環(huán)境狀態(tài)演變及發(fā)展態(tài)勢(shì)有獨(dú)特之處。(5)在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，特別是對(duì)單因子污染評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)中，通過(guò)對(duì)污染因子次序的調(diào)換引起某地大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果順序的變化可以確定某地區(qū)的主要污染物類(lèi)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(jī)，運(yùn)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(wèn)題，例如，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究、生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)、生態(tài)安全研究,運(yùn)用突變理論具有計(jì)算簡(jiǎn)單、所需的數(shù)據(jù)量較少等明顯優(yōu)勢(shì)。部分學(xué)者運(yùn)用相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別采用突變級(jí)數(shù)法和模糊理論綜合評(píng)價(jià)法獲得的結(jié)論大體相同，說(shuō)明突變理論中的突變級(jí)數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)、可靠。
4結(jié)語(yǔ)
目前,隨著社會(huì)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(wèn)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(wèn)題發(fā)生不連續(xù)變化的特點(diǎn)。因此，隨著人們對(duì)突變理論的認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)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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