水文水資源及水環(huán)境研究中新理論的應(yīng)用

水文水資源及水環(huán)境研究中新理論的應(yīng)用

近10年來(lái)，不規(guī)則分析在水上水文環(huán)境中取得了迅速進(jìn)展。新的理論和分析技術(shù)主要集中在隨機(jī)理論、模糊理論、灰色系統(tǒng)、混合理論、波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳理論、物源學(xué)和跟蹤跟蹤等方面。作者分別對(duì)上述理論和技術(shù)在水文、水資源及水環(huán)境中的應(yīng)用取得的若干進(jìn)展作簡(jiǎn)要評(píng)述。1不確定性分析方法在水文水資源分析中的應(yīng)用水文水資源及水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)包括隨機(jī)性、模糊性和灰色性等多種不確定性信息的系統(tǒng)。隨機(jī)理論、模糊集論和灰色系統(tǒng)具有處理不確定性信息的能力。不確定性分析最初主要采用單一分析途徑。事實(shí)上,隨機(jī)性、模糊性和灰色性等多種不確定性共存于水文、水資源及水環(huán)境系統(tǒng)之中。為了克服單一的隨機(jī)分析、模糊分析和灰色分析的不足,出現(xiàn)了將多種不確定性分析相互耦合用于水文水資源及水環(huán)境分析的新途徑。丁晶等研究了在貝葉斯定理框架下,分別將先驗(yàn)分布和似然函數(shù)考慮成灰色先驗(yàn)分布和模糊似然函數(shù),然后進(jìn)行耦合,推斷出灰色模糊后驗(yàn)分布,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水文水資源分析決策,這是一種優(yōu)良的不確定性分析方法。筆者曾提出將概率統(tǒng)計(jì)與模糊集理論相結(jié)合,用于包括水污染物和大氣污染物在內(nèi)的區(qū)域環(huán)境Fuzzy-概率綜合評(píng)價(jià)法。作者還將模糊概念引入灰色決策中,應(yīng)用Fuzzy-Grey耦合決策,對(duì)湖泊水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià),并將主分量法(PCA)和層次分析法(AHP)相耦合對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類(lèi)。將多種耦合新方法用于分析水文水資源及水環(huán)境中的不確定性問(wèn)題,為該領(lǐng)域研究開(kāi)辟了新思路。2子波分析方法在水文研究中的應(yīng)用混沌是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)在一定條件下出現(xiàn)的奇特的混亂,是一種貌視隨機(jī)的現(xiàn)象,其實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性。國(guó)外嘗試將混沌分析應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域開(kāi)始于90年代初。WilcoxB.P.對(duì)融雪徑流中的混沌性作了初步探討;JayawardenaA.W.依據(jù)日降雨和月徑流資料探討了水文現(xiàn)象的混沌性,SangoyomiT.B.等利用混沌分析得出了描述美國(guó)大鹽湖水量變化的非線性動(dòng)力系統(tǒng),并建立了相空間中的非參數(shù)預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)結(jié)果與自回歸預(yù)測(cè)模型相比顯示出較大的優(yōu)越性。丁晶,等最先論述了將混沌理論用于洪水分析的可能性,指出混沌將確定性和隨機(jī)性聯(lián)系在一起,豐富了對(duì)水文現(xiàn)象隨機(jī)性和確定性的辯證統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。他們還探索了在重現(xiàn)水文系統(tǒng)相空間的基礎(chǔ)上,水文系統(tǒng)信息的混沌性識(shí)別和預(yù)測(cè)方法。混沌理論用于分析水文現(xiàn)象有助于消除長(zhǎng)期存在水文信息中的確定性和隨機(jī)性的鴻溝,開(kāi)創(chuàng)了探索水文現(xiàn)象變化的新途徑。子波分析是一種時(shí)頻分析技術(shù),其基本思想是以一簇子波函數(shù)去表示時(shí)間序列。其特點(diǎn)是可以深刻揭示時(shí)間序列過(guò)程的變化特性,具有較強(qiáng)的多分辨功能。進(jìn)入90年代以來(lái),國(guó)外出現(xiàn)了將子波分析應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的熱潮。Gambis最早將子波分析用于地球動(dòng)力學(xué)研究,Chakraboraty等將子波分析用于地震資料的處理。子波分析在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用研究國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。丁晶等通過(guò)對(duì)水文時(shí)間序列的離散子波變換,給出了計(jì)算水文過(guò)程變化特征的信息量系數(shù)的方法。他們還將混沌理論和子波分析技術(shù)、子波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合用于水文信息分析計(jì)算。子波分析可以深刻揭示各種水文序列的變化特性,對(duì)不同序列過(guò)程加以識(shí)別分類(lèi)和建立水文預(yù)測(cè)模型。通過(guò)子波分解和重構(gòu),還可以隨機(jī)地模擬水文序列,用于水文水資源分析與計(jì)算。因此,子波分析在水文中有巨大的應(yīng)用潛力。混沌理論和子波分析極大地豐富了水文水資源領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容。3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)智能和遺傳算法是信息處理的優(yōu)化求解新方法。從上世紀(jì)90年代起,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域分析研究的熱潮。AndrewC.C.將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于臭氧預(yù)測(cè),并與回歸預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。JaquesR.應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了NOx發(fā)射的辨別與控制模型。蔡煜東等提出了徑流長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,胡明星等提出了基于誤差平方和準(zhǔn)則與模糊熵準(zhǔn)則下的多準(zhǔn)則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型,劉國(guó)東等應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬了氣溫和降水變化對(duì)流域水資源的影響。作者應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)和新型BP網(wǎng)絡(luò)建立了水環(huán)境質(zhì)量和湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化分類(lèi)、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的新模型。實(shí)踐表明:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于水文水資源及水環(huán)境分析具有適應(yīng)性強(qiáng)、容錯(cuò)性好和簡(jiǎn)便、實(shí)用的特點(diǎn)。遺傳算法(GA)是一種基于Darvin進(jìn)化論和Mendel遺傳學(xué)機(jī)理的一種處理復(fù)雜問(wèn)題的全局優(yōu)化搜索新算法,特別適用于參數(shù)尋優(yōu)。國(guó)外已將這一方法應(yīng)用于地下水管理的各個(gè)領(lǐng)域。劉國(guó)東、金菊良等用遺傳算法對(duì)地下水模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,他們還應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化門(mén)限自回歸模型參數(shù),進(jìn)行淺層地下水位預(yù)測(cè)和對(duì)水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)。作者在設(shè)定了各污染物的“參照值”情況下,用污染指標(biāo)相對(duì)于“參照值”的相對(duì)值替代水質(zhì)污染損害指數(shù)公式中的實(shí)測(cè)值,采用GA對(duì)公式中參數(shù)優(yōu)化,得到多種水質(zhì)污染指標(biāo)都能適用的水質(zhì)污染損害指數(shù)公式,還采用GA優(yōu)化得出對(duì)多種指標(biāo)都能通用的富營(yíng)養(yǎng)化Carlson指數(shù)公式。GA已廣泛用于水文水資源及水環(huán)境分析建模和優(yōu)化處理等一系列問(wèn)題中,為解決水科學(xué)優(yōu)化問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。4在水文預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)的應(yīng)用物元可拓是解決不相容問(wèn)題的一種分析方法。其基本思想是根據(jù)事物關(guān)于特征的量值來(lái)判斷事物屬于某集合的程度。環(huán)境中的多因素問(wèn)題往往是不相容問(wèn)題,因而物元可拓的概念和分析方法為水資源及水環(huán)境分析計(jì)算提供了新的手段和方法。物元可拓最早用于環(huán)境災(zāi)情評(píng)估。隨后樊文艷等用物元分析法建立了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型,得到比較合理的結(jié)果。投影尋蹤(PP)是一種處理高維、非線性、非正態(tài)數(shù)據(jù)信息的一種有效方法。水文水資源及水環(huán)境信息具有高維、非線性特征,因而PP應(yīng)用于該領(lǐng)域是可行的。國(guó)外將PP廣泛用于模式識(shí)別領(lǐng)域。鄭祖國(guó)等首先將PP應(yīng)用于水文預(yù)測(cè)中金菊良等為了提高水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的分辨率,提出了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的投影尋蹤模型。張欣莉等則提出了基于遺傳算法的參數(shù)投影尋蹤回歸的洪水預(yù)報(bào)新模型。筆者用PP建立了降水預(yù)測(cè)模型及水污染物濃度預(yù)測(cè)模型,還用PP研究了降水中離子濃度對(duì)降水酸度pH值的影響。5密度真實(shí)密度的適用范圍參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的適用性是有條件的。參數(shù)統(tǒng)計(jì)需要對(duì)時(shí)序結(jié)構(gòu)和概率密度函數(shù)形式作某種假設(shè)。當(dāng)人們不能對(duì)研究對(duì)象的總體密度函數(shù)作任何假設(shè)時(shí),就需要用到非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)在于:1)它不需對(duì)研究對(duì)象的總體密度作任何假設(shè),因此適用的范圍廣;2)能充分利用資料的一般信息;3)有良好的穩(wěn)健性,估計(jì)出的密度是真實(shí)密度的最優(yōu)估計(jì)。隨著非參數(shù)統(tǒng)計(jì)理論在數(shù)學(xué)上的突破,非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法已在水文頻率分析、水文現(xiàn)象不確定性分析、水文水資源、水環(huán)境預(yù)報(bào)與模擬方面得到了成功的應(yīng)用,并且展現(xiàn)出巨大的潛力。Mandelbrot創(chuàng)立的分形理論是解決自相似問(wèn)題的普適理論。由于水文現(xiàn)象中普遍存在自相似現(xiàn)象,因此將分形理論引入水文水資源研究中,研究時(shí)空尺度對(duì)于水文變量變化規(guī)律的影響。其應(yīng)用包括降雨或暴雨時(shí)空分布,洪水時(shí)空分布,徑流過(guò)程的分形特征,產(chǎn)匯流模型中的尺度,河床表面形態(tài)及其演變等方面。分形理論應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域加深了對(duì)水文運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),并為水文水資源的研究提供了新的思路。6ws-saost和wsas的環(huán)境分析方法由趙克勤提出的集對(duì)分析法(SPA)是將確定性分析和不確定性分析相結(jié)合用于描述和處理綜合集成問(wèn)題的一種新的分析方法。其基本思想是:在一定的問(wèn)題背景下,對(duì)所論及的2個(gè)集合所具有的特性作同異反分析,并建立這2個(gè)集合在所論問(wèn)題背景下的同異反聯(lián)系度表達(dá)式。由于環(huán)境研究對(duì)象大多是同時(shí)具有確定性和不確性的特征,因此,可將SPA用于環(huán)境系統(tǒng)分析研究。集對(duì)分析法最先用于大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià),隨后有人將集對(duì)分析用于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià),取得了較滿(mǎn)意的結(jié)果。7環(huán)境生態(tài)學(xué)的早期研究由于水文水資源及水環(huán)境領(lǐng)域不確定性分析的需要,使多種新理論和新技術(shù)被開(kāi)拓到水文水資源及水環(huán)境研究領(lǐng)域,掀起了該領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用研究的熱潮,開(kāi)創(chuàng)并促進(jìn)了環(huán)境