基于复杂系统理论的近海水环境容量研究

论文摘要

随着沿海地区经济的快速发展和人口的激增,使得近岸海域的污染日趋严重,为了有效地控制近岸海域的污染,就必须掌握其特征和规律,并在此基础上合理确定近海水环境容量。本文以天津市近岸海域为研究对象,完全依据环境监测数据,通过对复杂系统理论的研究和计算机软件的应用,成功实现了对近海水质的分析、预测和评价,并提出了计算近海水环境容量的新方法,为近海污染总量控制和环境管理提供了决策依据。首先,通过对分形理论的研究,采用重标极差分析方法对近海各水环境监测点的COD和无机氮时间序列进行分析,计算其Hurst指数H ,结果显示其Hurst指数H均在0.80左右,表明近海水污染物时间序列变化具有明显的分形特征;然后,采用多重分形维数谱方法对近海水污染物空间分布特征进行分析,通过多重分形矩方法计算近海20个水环境监测点的COD监测数据的多重分形维数谱函数f (α),计算结果显示其α( q )? f(α)曲线为一连续上凸曲线,表明近海水污染物的空间分布为连续多重分形分布。其次,在证明近海COD时间序列具有分形特征的基础上,根据分形拼贴定理,由基于仿射变换的分形插值方法求取各历史时间阶段水质变化的迭代函数系,然后根据近海水质变化的年周期性,对上述求得的迭代函数系加权求和,得到预测年份水质变化的统计意义上的迭代函数系,从而建立近海水质的分形预测模型,最后应用随机迭代算法求得预测年份水质变化曲线的吸引子,对近海水质进行预测,预测结果显示平均预测误差为24.4%。再次,本文通过对非线性映射理论及技术进行深入学习,以DPS软件为工具,建立了近海水质综合评价的新模型。首先,通过非线性映射理论对高维水质监测数据进行非线性变换,得到二维映射值并将其描绘在平面坐标上;然后,根据映射点之间的位置关系进行分类,从而实现对近海水质的准确评价。最后,在分析近海有机物空间分布具有连续多重分形分布特征的基础上,本文通过对分形曲面插值算法的研究,提出了近海有机物浓度估值的分形曲面插值算法模型,并在MATLAB上编制相关程序对近海有机物浓度进行空间插值,从而得到整个研究海域的有机物空间分布情况;然后,通过确定研究海域的最不利区域,依据质量守恒原理,最终确定了其在最不利条件下的水环境容量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容和方法
• 第二章 近海水污染物的时空变化特征分析
• 2.1 概述
• 2.2 分形理论
• 2.2.1 分形理论介绍
• 2.2.2 分形理论基础
• 2.3 近海水污染物时间序列的分形特征研究
• 2.3.1 基础数据
• 2.3.2 基于R/S分析方法的近海水污染物分形特性计算
• 2.3.3 结论
• 2.4 近海水污染物空间分布特性研究
• 2.4.1 多重分形与谱分析方法
• 2.4.2 基础数据
• 2.4.3 近海水污染物空间分布的多重分形维数谱函数计算
• 2.4.4 近海水污染物空间分布规律
• 2.4.5 结论
• 2.5 小结
• 第三章 近海水污染物浓度预测方法的研究
• 3.1 概述
• 3.2 分形理论基础
• 3.2.1 迭代函数系（Iterated Function System, IFS）及吸引子定理
• 3.2.2 分形拼贴定理
• 3.2.3 基于仿射变换IFS码的分形插值方法
• 3.3 近海水污染物分形预测模型
• 3.4 小结
• 第四章 近海水环境质量评价方法的研究
• 4.1 概述
• 4.2 非线性映射理论基础
• 4.2.1 非线性映射的具体原理
• 4.2.2 非线性映射分析的映射过程
• 4.3 近海水环境质量评价模型
• 4.3.1 基础数据
• 4.3.2 近海水环境质量评价模型的建立
• 4.3.3 非线性映射分析的映射结果
• 4.4 小结
• 第五章 近海水环境容量的研究
• 5.1 概述
• 5.2 分形插值介绍
• 5.3 分形曲面插值的数学模型
• 5.4 插值结果
• 5.5 近海水环境容量的计算
• 5.5.1 最不利区域的确定
• 5.5.2 近海水环境容量的确定
• 5.6 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 研究结果及结论
• 6.2 存在的不足和建议
• 参考文献
• 附录1 近海水质预测主要程序
• 附录2 分形曲面插值算法的主要MATLAB程序
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢