突變理論在環(huán)境科學研究中的應用論文
隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對于環(huán)境質量的要求愈發(fā)迫切，環(huán)境科學的研究也越來越受到重視。環(huán)境問題具有類型多、成因復雜、影響面積廣、社會危害大等特點，同時影響某一種環(huán)境問題的因素較多,迫切需要采用新的研究方法應用到環(huán)境科學的研究領域中。
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不連續(xù)的突調(diào)和飛躍，從一個狀態(tài)忽然轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，此類問題微積分學無法研究，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、細胞的分裂、人情緒的波動等，而系統(tǒng)狀態(tài)從一種形式突然跳到另一種形式，就稱為突變。
1突變理論的主要內(nèi)容
突變理論,又稱實變理論，是在1968年由法國數(shù)學家湯姆(ReneThom)創(chuàng)立的，理論創(chuàng)立后不久，就作為一支新興的學科迅速發(fā)展起來。突變理論是數(shù)學中拓撲學的一個分支，主要研究動態(tài)系統(tǒng)中的不連續(xù)現(xiàn)象。近些年來，通過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(shù)法
在突變理論中，突變級數(shù)法是一種應用最為廣泛的綜合評價方法。突變級數(shù)是一種多維模糊綜合隸屬函數(shù)。突變級數(shù)方法與傳統(tǒng)的綜合評價方法相比，在評價過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,從而減少了評價的主觀性和復雜性。使得評價結果客觀、準確，同時計算過程較簡便。通過部分學者的研究結果來看，運用突變級數(shù)法與運用傳統(tǒng)的綜合評價法進行綜合評價的結果基本相同，但該方法所需數(shù)據(jù)量少、計算過程簡便。突變級數(shù)法在計算多目標評價決策問題上應用更適宜和準確。
基于突變級數(shù)法的基本步驟有：
2,1建立層次結構模型
根據(jù)綜合評價的目的，將各個目標細化為若干個指標,對評價指標進行分組，組合建立起樹狀目標層次結構，每個指標要進行分解成更加具體的指標，直到可以對某個子指標進行定量化描述為止。在同一個層次的各個指標中，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4個，所以應盡量將評價指標控制在4個以內(nèi)，超過4個的應根據(jù)重要程度進行相應的取舍。
2.2確定各層次的突變系統(tǒng)類型
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)類型，如控制變量數(shù)自為2時，該突變單位則為尖點突變模型。
2.4數(shù)據(jù)的歸一化處理
由于各評價指標的數(shù)值和單位不同，無法進行綜合評價運算，所以，首先通過歸一化的方式去掉量綱。
2.5利用歸一化公式進行綜合評價
根據(jù)各指標初始的數(shù)值，按歸一化公式由下到上依次分別計算各控制變量的值，直至計算到評價的最高層，即總目標層，得出突變級數(shù)綜合隸屬度，即評價綜合值。
3.突變理論
應用突變級數(shù)法進行綜合評判時，必須考慮兩個原則：(1)“非互補性”原則：同一對象各控制變量不存在明顯相互關聯(lián)的作用，即為非互補性，在計算時來用最小值作為系統(tǒng)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聯(lián)3突變理論在環(huán)境科學中的應用。
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(tǒng)是一個涉及多個因素的復雜系統(tǒng)，時刻處于一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，目卩穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，對于一定的干擾,可以通過生態(tài)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)能力減小或消除對其產(chǎn)生的影響，并繼續(xù)保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，發(fā)揮自我恢復能力，最終生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能依然可以保持。
但是，如果對生態(tài)系統(tǒng)的干擾達到一定程度，生態(tài)系統(tǒng)就不能通過自身的調(diào)節(jié)能力恢復到受干擾之前的狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)結構和功能發(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)由一個連續(xù)狀態(tài)突然變?yōu)橐粋�間斷狀態(tài)，這個過程就是一個突變過程，使生態(tài)系統(tǒng)從可以自我恢復到發(fā)生根本性變化的那一點就是突變點。基于以上分析可以看出，生態(tài)系統(tǒng)就是一個大的突變系統(tǒng)，可以運用突變理論對其進行研究。
3.2突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中的簡單應用
突變理論在生態(tài)系統(tǒng)中已有了簡單的應用，人們在管理草場的草地生態(tài)系統(tǒng)、林場的森林生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)時都可以通過應用突變理論，使管理更加科學。
在草地生態(tài)系統(tǒng)中確定放牧與草場的關系。對于一個草場來說，如果人們不進行放牧或放牧量過少，草場則會發(fā)生正向演替，向樹木方向發(fā)展;而如果過度放牧，則會對草場造成破壞，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，而且也可以使草場迅速得到恢復，使牧草資源可以持續(xù)利用。根據(jù)突變理論就可構造一個突變模型，狀態(tài)變量為草場單位面積蓄積量，控制變量為降水量和單位面積牲畜數(shù)量。通過得出這個突變模型的突變點，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，運用突變理論確定最佳捕魚量，既能使捕魚量最大獲得最大的經(jīng)濟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)中通過突變理論確定最佳砍伐量，判斷何時采伐能獲得木材的穩(wěn)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)境科學領域的具體應用
突變理論在環(huán)境科學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)境科學的研究中應用較好的有：(1)研究生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，即通過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，通過突變理論中突變點的控制作用，制定合理的污染水平，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一。(3)地下水、尾礦庫、礦山等生態(tài)風險評估，運用突變理論預測的結果與實際情況比較相符。(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)境影響評價中，特別是對單因子污染評價方面的應用，將突變理論應用在大氣環(huán)境質量的評價中，通過對污染因子次序的調(diào)換引起某地大氣質量評價結果順序的變化可以確定某地區(qū)的主要污染物類型，從而為當?shù)氐沫h(huán)境管理提供技術支持[1°]。(6)生態(tài)系統(tǒng)的治理與恢復方面，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，運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)境中多目標的綜合決策問題，例如，生態(tài)風險評估研究、生態(tài)系統(tǒng)健康評價、生態(tài)安全研究,運用突變理論具有計算簡單、所需的數(shù)據(jù)量較少等明顯優(yōu)勢。部分學者運用相同的基礎數(shù)據(jù)，分別采用突變級數(shù)法和模糊理論綜合評價法獲得的結論大體相同，說明突變理論中的突變級數(shù)法的評價結果科學、可靠。
4結語
目前,隨著社會的飛速發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的矛盾日益突出，環(huán)境污染問題多發(fā)且復雜，迫切需要先進的理論方法應用到環(huán)境科學的研究中。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)境問題發(fā)生不連續(xù)變化的特點。因此，隨著人們對突變理論的認識、學習和研究的不斷深入，突變理論必將在未來環(huán)境科學研究領域中發(fā)揮越來越重要的作用。
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