复杂水资源系统动力学特征研究

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1、华北水利水电学院硕士学位论文在时间、空间上和其它物理现象一样具有必然性和偶然性，在水资源学中称必然性为确定性，偶然性称为随机性。实际的工作中，水资源工作者研究水资源现象不可能考虑到问题的方方面面，它受各种因素的综合影响，同时这些因素本身在时间和空间上不断进行演化，并且相互影响着。例如，从流域尺度来研究一次洪水过程，可以发现暴雨的强度、历时及覆盖面积与所产生的洪水之问存在着因果关系，当一条河流的流域上降落一场暴雨，这条河流就会涨水，出现一次洪水过程，如果暴雨强度大，历时时间长，笼罩面积大，则会出现

2、较大的洪峰；反之洪水较小。这种因果关系一般是确定的，这种确定表现出降水的季节性、周期性和趋势性的变化性质，这样的结果说明水资源现象具有其发生的原因和形成条件，服从确定性规律。但是，水资源研究的对象并不是在时间和空间上总是服从确定性规律，河流每年都可能出现数次洪水和洪峰，但对某一特定的断面，洪水出现的时间是不固定的，洪峰流量大小是不相同的，每年的最大洪峰流量也是不同的，所以水文现象的变化过程，特别是长时期的水文过程，表现出明显的不确定性，即随机性。根据长期大量的观测资料可以发现，特大洪水和特小洪水

3、出现的机会较小，中等洪水和枯水出现的机会较大，多年平均径流量是一个趋于稳定的一个数值。综上所述，水文现象往往既受到确定因素的作用，又受到随机因素的作用，是十分复杂的。实际应用中，当某种水资源现象确定性因素起主要作用时，则应用确定性规律来描述能反映此种水资源现象的本质：反之，随机性亦然。水资源系统与其它系统的不同点，除了具有通过自然界水文循环获得的可再生和更新补充功能外，更由于其在气态和液态时在势能的推动下具有较大的流动性，从而连成一个整体，以致在一个点的扰动会影响周围和其下游。因此，在进行水资源

4、规划和水文预报时，不但要统筹兼顾，合理安排，按照当地的自然和社会条件，考虑合理开发的条件，而且还要对水文系统的内在属性和特征有一个充分的认识“1，特别是水资源系统的内在动力学特征，这些研究将为以后的水文模拟，水文预报和水资源保护、规划、配置等工作提供坚实理论基础。在水资源开发和利用方面，我国水资源存在时空分布不合理、供需矛盾突出，开发程度高，利用效率低，浪费严重等特点，随着社会经济快速发展，水资源短缺已成为制约各行业发展的瓶颈因素“’“，一方面水资源短缺，另一方面却又存在水资源分配不合理、利用率

5、低及水资源浪费严重等不良现象，因此，急需着力研究和解决水资源的开发、利用、配置、节约、保护和治理等重大问题，同时通过先进的方法、手段对水资源系统的复杂性和不确定性进行深入的研究，掌握水资源系统的内在变化规律和特征，以确保水资源的可持续利用来支撑社会经济的可持续发展。基于以上所述，对水资源系统规律的认识显得极为重要。水文预报又是认识水资源系统的一个更高的层次，水文预报是根据已有的水文资料对水文现象中水文要素的未来2华北水利水电学院硕士学位论文状态及变化做出提前的估计，它综合了水文学、水文模拟、水文

6、分析、气象学以及其它水文科学和非水文科学，如站网设计、资料处理、3s技术、数据库和计算机技术等知识的一门综合性科学技术。同时，水文预报是研究水文系统动力学特征的目的之一，是使抗旱防汛减灾工作从定性向定量转变，从被动性救灾向积极主动防灾减灾转化，因此，水文预报的一个发展方向是，根据抗旱减灾的需要，建立中长期径流预报；另一个方向水文预报的建设目标是完善短期洪水预报，使决策者预先积极稳妥采取行之有效的抗旱防汛减灾措施，减免灾害损失，服务于国民经济的快速发展。1．1．2水资源系统动力学特征研究的意义水资

7、源系统动力学特征研究的意义，主要有如下几个方面：首先，水资源系统不断与周围环境进行能量和物质的交换，显示出了很强的耗散作用和动力学行为。从时间上看，水资源系统的发展过程是不可逆的，并且水资源系统是一类高度非线性、极端敏感的非线性系统，所以，目前尚不能用非线性方程或方程组定量描述水资源现象的时间和空间强度变化，但一些水文现象发生的复杂机理还是可以用非线性理论和方法来描述。其次，过去对水资源动力学系统的研究一般多限于线性系统，即其动力学方程都是线性的，这样做是因为线性方程易于求解，当初始条件给定后，

8、方程的解便是确定的。然而，实际的水资源现象或社会现象毕竟是复杂的，其动力学规律往往都需要用非线性方程来描述，即实际存在的客体大多数都是非线性的。水资源系统涉及社会、经济等诸多方面，所以是一个复杂的系统‘71。水资源系统要素的时空变化具有高度的非线性特点，仅从线性角度或近似线性方法去研究本质上是非线性的承资源系统要素变化闯题，必然有其固有的局限性“1。因此，非线性科学的迅速发展及其在应用领域的不断拓展，为更深刻地认识水资源系统变化规律提供了新的理论、方法与机遇。最后，非线性混沌理论发现统一了水资源