突變理論在環境科學研究中的應用論文
突變理論在環境科學研究中的應用論文
隨著經濟社會的飛速發展和人民生活水平的提高,人們對於環境質量的要求愈發迫切，環境科學的研究也越來越受到重視。環境問題具有型別多、成因複雜、影響面積廣、社會危害大等特點，同時影響某一種環境問題的因素較多,迫切需要採用新的研究方法應用到環境科學的研究領域中。
自然界中的變化有兩種基本方式，第一種是連續性的變化，即系統發生連續性的變化，存在著連續的增長或者下降，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的突調和飛躍，從一個狀態忽然轉變為另一種狀態，此類問題微積分學無法研究，而這種現象在自然界中廣泛存在，例如金屬的相變、水的沸騰、橋樑的忽然坍塌、細胞的分裂、人情緒的波動等，而系統狀態從一種形式突然跳到另一種形式，就稱為突變。
1突變理論的主要內容
突變理論,又稱實變理論，是在1968年由法國數學家湯姆(ReneThom)創立的，理論創立後不久，就作為一支新興的學科迅速發展起來。突變理論是數學中拓撲學的一個分支，主要研究動態系統中的不連續現象。近些年來，透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展。
2突變理論與突變級數法
在突變理論中，突變級數法是一種應用最為廣泛的綜合評價方法。突變級數是一種多維模糊綜合隸屬函式。突變級數方法與傳統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複雜性。使得評價結果客觀、準確，同時計算過程較簡便。透過部分學者的研究結果來看，運用突變級數法與運用傳統的綜合評價法進行綜合評價的結果基本相同，但該方法所需資料量少、計算過程簡便。突變級數法在計算多目標評價決策問題上應用更適宜和準確。
基於突變級數法的基本步驟有：
2,1建立層次結構模型
根據綜合評價的目的，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。由於一般初等突變中，狀態變數不超過4個，所以應儘量將評價指標控制在4個以內，超過4個的應根據重要程度進行相應的取捨。
2.2確定各層次的突變系統型別
根據某一突變單元中控制變數的.數目確定突變系統型別，如控制變數數自為2時，該突變單位則為尖點突變模型。
2.4資料的歸一化處理
由於各評價指標的數值和單位不同，無法進行綜合評價運算，所以，首先透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
根據各指標初始的數值，按歸一化公式由下到上依次分別計算各控制變數的值，直至計算到評價的最高層，即總目標層，得出突變級數綜合隸屬度，即評價綜合值。
3.突變理論
應用突變級數法進行綜合評判時，必須考慮兩個原則：(1)“非互補性”原則：同一物件各控制變數不存在明顯相互關聯的作用，即為非互補性，在計算時來用最小值作為系統的值x=min|Z?，毛，總,毛1;(2)“互補性”原則:各控制變數存在相互關聯3突變理論在環境科學中的應用。
3.1突變理論在環境研究中的應用前提分析
生態系統是一個涉及多個因素的複雜系統，時刻處於一個動態的平衡狀態，目卩穩態狀態，對於一定的干擾,可以透過生態系統的自身調節能力減小或消除對其產生的影響，並繼續保持穩態狀態，發揮自我恢復能力，最終生態系統的結構和功能依然可以保持。
但是，如果對生態系統的干擾達到一定程度，生態系統就不能透過自身的調節能力恢復到受干擾之前的狀態，生態系統結構和功能發生了根本性變化，造成了生態系統的退化。生態系統由一個連續狀態突然變為一個間斷狀態，這個過程就是一個突變過程，使生態系統從可以自我恢復到發生根本性變化的那一點就是突變點。基於以上分析可以看出，生態系統就是一個大的突變系統，可以運用突變理論對其進行研究。
3.2突變理論在生態系統中的簡單應用
突變理論在生態系統中已有了簡單的應用，人們在管理草場的草地生態系統、林場的森林生態系統和水生生態系統時都可以透過應用突變理論，使管理更加科學。
在草地生態系統中確定放牧與草場的關係。對於一個草場來說，如果人們不進行放牧或放牧量過少，草場則會發生正向演替，向樹木方向發展;而如果過度放牧，則會對草場造成破壞，使之發生逆向演替，向荒漠化方向發展，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利用。根據突變理論就可構造一個突變模型，狀態變數為草場單位面積蓄積量，控制變數為降水量和單位面積牲畜數量。透過得出這個突變模型的突變點，人們就可以調節最佳的放牧量。
同理，在水生生態系統中，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濟效益又能保證種群的可持續發展。在森林生態系統中透過突變理論確定最佳砍伐量，判斷何時採伐能獲得木材的穩定高產，且不致破壞種群恢復再生產的能力。
3.3突變理論在環境科學領域的具體應用
突變理論在環境科學的具體研究中應用還不是很多，研究的並不深入。目前在環境科學的研究中應用較好的有：(1)研究生態系統的動態平衡，即透過控制某一條件使生態系統維持在穩態狀態中，利用生態系統的自我的恢復能力能夠維持其健康和良性迴圈。(2)控制合理的環境汙染水平，透過突變理論中突變點的控制作用，制定合理的汙染水平，從而實現經濟效益和環境效益的和諧統一。(3)地下水、尾礦庫、礦山等生態風險評估，運用突變理論預測的結果與實際情況比較相符。(4)在環境模擬預測中應用突變理論，對分析環境狀態演變及發展態勢有獨特之處。(5)在環境影響評價中，特別是對單因子汙染評價方面的應用，將突變理論應用在大氣環境質量的評價中，透過對汙染因子次序的調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的主要汙染物型別，從而為當地的環境管理提供技術支援[1°]。(6)生態系統的治理與恢復方面，例如：判斷水生生態系統是缺水性還是汙染行水生態危機，運用突變理論可以在水生態系統研究中起到很大的作用。(7)環境中多目標的綜合決策問題，例如，生態風險評估研究、生態系統健康評價、生態安全研究,運用突變理論具有計算簡單、所需的資料量較少等明顯優勢。部分學者運用相同的基礎資料，分別採用突變級數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法的評價結果科學、可靠。
4結語
目前,隨著社會的飛速發展，經濟發展和環境保護的矛盾日益突出，環境汙染問題多發且複雜，迫切需要先進的理論方法應用到環境科學的研究中。突變理論能夠很好的研究系統發生的不連續變化，非常符合環境問題發生不連續變化的特點。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境科學研究領域中發揮越來越重要的作用。