突变理论在海河流域地下水环境风险评价中的应用

《突变理论在海河流域地下水环境风险评价中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、水利学报年月第卷第期文章编号突变理论在海河流域地下水环境风险评价中的应用李绍飞孙书洪王向余天津农学院水利工程系天津清华大学土木工程系北京摘要介绍了突变理论基本原理及评价方法根据海河流域地下水环境特征及几十年的演变过程提出了地下水环境风险评价指标体系并将其应用于流域内天津沧州衡水石家庄和唐山等个典型区域的地下水环境风险评价中应用结果表明该方法的评价结果与相关资料显示的各区域地下水环境实际情况基本吻合与应用较成熟的模糊综合评价结果基本一致并验证了突变理论方法用于地下水环境风险评价的可行性相对于以往评价方法突变理论评价法无需确定指标权重减少人为主观因素且计算简便为区

2、域地下水环境质量综合评价提供了新的方法关键词突变理论地下水环境风险评价指标体系海河流域中图分类号文献标识码海河流域地处温带半干旱季风气候区多年平均降水量是我国东部沿海降水最少的地区地下水承担着全流域近的供水需求量自人类对地下水实施开采活动以后地下水环境状况在逐渐发生改变回顾世纪海河流域地下水的开发历程大致可划分为初期扩大大力发展和超采个时期相应地地下水系统先后经历了稳定自然演变可恢复调节自然演变过渡性自然演变以及不正常的自然人工二元演变模式等阶段世纪年代以来深浅层地下水都处于严重的超采状态水位持续下降长期过量无序地开采地下水不仅大量消耗了地下水天然储量改变了补

3、给排泄条件引起水位下降平原地区降落漏斗逐年扩大地面沉降海水倒灌等一系列环境地质问题并且水量减少使得水体自净能力减弱水环境变差近年来类优质地下水呈明显下降趋势这种情况下开展海河流域地下水环境风险评价问题的研究是很有意义的根据地下水环境区域划分的研究结果海河流域地下水系统可初步划分为山区山前地带和中东部平原三个大的地下水环境分区山区地带人工开采程度不高目前地下水环境问题最为严重的是山前地带和中东部平原浅层地下水分区本文重点对其加以研究以往在地下水环境综合评价问题的研究中多采用主观权重确定的方法如法模糊综合法灰色关联法等而本文则基于突变理论对地下水环境构成因子众多涵

4、盖领域广的复杂巨系统构建分层递阶评价指标体系利用初始模糊隶属函数和归一公式对其进行量化递归运算最后得到不同区域地下水环境风险的总突变隶属函数值此法优点在于没有对评价指标采取权重却考虑了各指标间的相对重要性减少了主观人为性又不失科学性和合理性并且计算简易准确很值得应用和推广突变理论综合评价方法突变理论是法国数学家创立的一门研究非连续变化和突变质变现象的新兴数学学科被誉为微积分以后数学上的一次革命突变理论能够直接处理不连续性而不收稿日期作者简介李绍飞女黑龙江人博士讲师主要从事水环境问题研究联系任何特殊的内在机制特别适用于内部作用尚未确知系统的研究虽然突变理论的证明

5、涉及数学基础较深但应用模型相对简单因此运用领域广阔十多年来已在许多领域取得了大量应用性成果也适用于多目标评价问题的研究多目标评价即是对多个对象指标的选优排序而这多种对象指标表现出不同的质态因而可用突变数学模型进行对象的多种目标准则排序选优突变理论基本原理突变理论的特点是根据系统的势函数将系统的临界点分类研究分类临界点附近非连续变化状态的特征从而归纳出若干个初等突变模型一般所讲的突变理论是指归纳的个初等突变模型进行综合评价时常用的突变模型有尖点突变燕尾突变和蝴蝶突变皆为一个状态变量见表其中表示系统状态变量的势函数的系数表示状态变量的控制变量势函数中状态变量和控制

6、变量是矛盾着的两个方面诸控制变量之间又相互作用以构成矛盾系统所处的任一状态乃是状态变量与控制变量的统一也是诸控制变量之间的相互作用的统一突变模型中势函数的所有临界点集合成一平衡曲面通过对求一阶导数并令即可得到该平衡曲面方程平衡曲面的奇点集可通过二阶导数求得令和可得到反映状态变量与各控制变量间关系的分解形式的分歧方程表表初等突变模型的势函数及示意图类型势函数表达式分歧方程示意图尖点突变??燕尾突变???蝴蝶突变????注由突变模型的内在机制决定的控制变量重要性从左至右排序分歧集是奇点集于控制空间上的投影现以尖点突变模型为典型说明突变模型的突变机制见图由图可看到当

7、控制变量的关系符合分歧方程关系时系统就会发生突变奇点集是平衡曲面上的一个尖点褶皱的两条折痕折痕于控制空间上的投影就是分歧集上的两条折痕线平衡曲面上的每一点都表示了系统在综合作用后的某一状态可以把分为三部分两条折痕所夹的部分叫中叶中叶以上部分叫上叶中叶以下部分叫下叶当势函数呈光滑变化当时则在上出现一个尖点形褶皱正是在这里发生函数的非连续变化即突变当势函数的值点处于折痕线上符合分歧方程系统的质变发生根本性突变势函数值从上叶直接向下叶突跳越过中叶或者从下叶直接向上叶突跳上下叶是稳定区中叶是不稳定区从评价角度看可把上叶规定为系统某种质态的肯定优良等级下叶规定为它的否定

8、低劣等级突变现象可发生在折痕线上任意一