硕士研究生论文范文:基于混沌理论的建三江分局水土资源复杂性研究

来源: www.sblunwen.com 作者:linbingkun 发布时间:2013-09-30 23:37 论文字数:22132字
论文编号: sb201309302216398605 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文 论文价格: 150
近年来,由于受外部环境及人为因素的影响,水资源配置及土地利用结构不合理现象日益严重,导致农业水土资源系统表现出非线性(不可叠加性)与动态性、多样性与多层性、非周期性与开放

绪论

 
1.1 立题依据
本对黑龙江省农垦建三江分局水土资源系统要素的复杂性进行了识别和测度,在此基础上,结合 GIS 技术对建三江分局复合系统的总体复杂性、复杂度与系统预测模型预测精度的相关性及建三江分局水土资源空间匹配状况进行了进一步研究分析,建立了复杂性视角下的建三江分局水土资源优化配置模型并进行了求解,为产粮核心区水土资源的合理开发及可持续利用提供了理论参考依据。
 
1.2 研究目的和意义
水乃生命之源,是人类社会生存与发展的支撑和保障,土乃生存之本,是人类生产活动最基本的自然资源和劳动对象。水土资源不仅是万物赖以生存的物质基础,,同时也是社会经济发展的先决条件,我国水土资源总量丰富,然而却存在地区分布不均、可用耕地少、人均占有量缺乏等许多长期存在的问题,如何实现水土资源的可持续利用及合理开发显得尤为重要。同时水土资源系统作为一个开放的复杂巨系统,其存在变化受到众多因素的影响和制约,随着温室气体的增加、臭氧层的破坏、土地荒漠化的蔓延、酸雨的频繁发生、全球经济的进一步发展、科学技术水平的不断提高以及人口规模的不断扩大,其表现出非线性(不可叠加性)与动态性、多样性与多层性、非周期性与开放性、涌现性、不可逆性、自适应性、积累效应(初值敏感性)、奇怪吸引性及结构自相似性(分形性)等诸多复杂性特征,致使在运用传统科学认知水土资源系统变化规律时显得力不从心[1]。
在此背景下,混沌理论的成功引入为水土资源复杂性规律的进一步研究提供了新的思路。混沌是确定性非线性系统中变量之间相互作用产生的貌似随机的行为(即内在随机性),即所谓确定系统的随机性[2,3]。它主要讨论了系统对初始条件的极端敏感性、遍历性、拓扑传递性、周期点的稠密性等,其在解决水土资源复杂性问题方面具有以下几方面的优势:首先,众多研究表明,系统复杂性问题本身源于混沌边缘现象,这使得混沌理论较为容易被应用于复杂性问题的解决中来;其次,混沌序列的基本特征量在一定程度上可以很好的定性定量描述系统的复杂性及复杂性程度,对于复杂性问题的识别及测度具有积极地推动意义;再次,混沌理论在水土资源的研究中已经得到了初步应用,并取得了一定的成果,这为其在该领域的进一步研究奠定了基础;最后,在考虑复杂性影响的基础上,混沌理论方法可以准确预测各水土资源序列短时期内的波动变化,为进一步的水土资源合理调配提供科学依据。建三江分局位于黑龙江省东北部,北纬 46°49′~48°12′、东经 132°31′~134°32′,属三江平原一部分,是我国重要的商品粮和绿色有机食品基地,也是实现黑龙江省千亿斤粮食产能工程及保障我国粮食安全的关键所在。近些年来,由于过度追求经济效益,水田面积迅速增加,以开采地下水为主的农田灌溉用水量也随之增加,导致建三江分局井灌水稻区地下水位普遍下降,“吊泵”、局部超采现象时有发生。加之地表水利用不合理,致使建三江分局地下水、地表水利用存在较严重的不平衡问题,导致建三江分局风蚀现象严重。再之建三江分局耕作方式粗放,滥占耕地及土地浪费比较严重[4]。
总体来看,建三江分局水土资源利用结构不尽合理,综合利用效率低,复杂性特征已日益明显,因此,深入挖掘本区域水土资源动态变化规律,实现有限水土资源的合理调配及可持续利用已成为促进本地区农业发展的焦点。因此,从保证农业可持续发展的角度出发,运用混沌理论对建三江分局水土资源复杂性进行分析测度,确定区域内水土资源复合系统的复杂性空间分布,并在此基础上实现复杂性视角下的水土资源合理优化配置,对于指导区域农业水土资源的合理有效利用及社会、经济、生态的协调发展具有重要的研究意义,同时可以为建三江分局水土资源合理调配及管理提供科学的参考依据。
 
1.3 国内外研究进展
1.3.1 水土资源复杂性研究进展
1.3.1.1 复杂性科学定义与发展复杂性科学主要是指以复杂系统和复杂性为研究对象,研究自然界、社会经济以及组织、管理、思维、认知等各种复杂性现象的共性,同时揭示复杂性系统运行规律,以提高人们认知世界、探究世界、改造世界的能力,吸收系统论、理性论以及人文精神而发展形成的一门新兴学科,是系统科学发展的新阶段,也是当代科学发展的前沿领域之一。随着复杂性科学的形成发展,各个领域对于复杂系统及复杂性的研究也越来越多,然而到目前为止,仍然没有形成一个系统、科学的科学理论体系,国内外众多学者对其都进行了研究,并取得了独立的研究成果。1948 年,沃伦·韦弗尔(Warren Weaver)发表了名为《科学和复杂性》的重要论文,开启了复杂性研究的大门[5];1973 年,埃德加·莫兰(Edgar Morin)在《迷失的范式:人性研究》中正式提出核心为“来自噪声的有序”原则的复杂性方法,打破了有关有序性和无序性相互对立和排斥的传统观念,解释了动态有序现象的本质[6];1979 年,普利高津(I.Progogine)提出了“复杂性科学”的概念,认为经典物理学中基本过程是不可逆的,不可逆性和随机性占据主导地位[7];1994 年,约翰·霍兰(J.H.Holland)提出了复杂适应系统的概念,认为复杂性来源于系统内部,是系统内部各个层次不同要素的适应性促成并发展了复杂性[8];我国钱学森最早明确提出探索复杂性方法论,其认为,开放的复杂巨系统的动力学特性称为复杂性,即巨型性、内在差异性、层次性、开放性和动态性,并针对复杂系统的研究方法提出了“从定性到定量的的综合集成研讨厅体系”的设想[9~11];而宋学峰则将复杂性狭义的定义为:“复杂性是指系统由于内在因素非线性交互作用而产生的行为无序性的外在表象”[1]。总之,复杂性研究已广泛渗透入物理[12]、化学[13]、经济学[14]、医学[15]、信息科学[16]等各个领域,形成了一门新兴交叉学科,有力地推动了各学科领域的向前发展,引发的自然科学界的变革,然而国内外对于复杂性的研究还存在众多不足,进一步探索系统内在复杂性,确定关于复杂性完整而科学的理论体系仍然是研究的热点难点。
1.3.1.2 水土资源复杂性及其测度方法研究
水土资源系统是一个动态的非线性复合系统,其系统要素种类繁多,彼此间具有复杂的层次结构及关联关系,各系统要素之间、系统要素与外部环境之间都在不断进行着物质、信息及能量的传递与交流,其发展变化使得系统存在了复杂性特点,对于复杂性测度方法的研究一直是国内外学者的研究热点,目前,复杂性的测度方法主要有信息量系数、分形理论、符号动力学理论、混沌理论、信息熵理论、复杂网络、涨落复杂性及 C1、C2与 C0复杂度等。多种复杂性分析方法已经被引入到水土资源分析中,然而研究多侧重于水文时间序列的分析,对于土地相关数据的分析研究的相对较少。王文圣等[17]提出了基于小波消噪和符号动力学相结合的径流变化复杂度研究方法,以长江、黄河流域为例,运用 Lempel-Ziv 复杂度算法计算了其复杂度,并定性定量分析了年径流的复杂性;桑燕芳等[18]以海河流域黑龙洞泉域47a 年降水序列及黄河利津站 54a 年径流序列为例,定量描述了水文时间序列随序列长度变化呈现的复杂性变化规律;李彬贤等[19]在水文时间序列分析中引入子波变换法,比较了表征水文过程变化特征的三种指标,即不均匀系数、信息量系数和分维,结果表明,三种指标从不同角度表征了水文变化特征的复杂性;郭本华[20]从复杂网络的拓扑统计特性和动力学机制出发,主要研究了在非平衡涨落驱动下复杂网络的动力学稳定性,并综述了复杂网络理论在电子电路与微电子学方面的应用;申维[21]通过研究分形模型及其曲率,提出了一种求分维数的新方法,并将其应用在成矿规律与成矿预测中,取得了较好的成果;荣冠等[22]结合裂隙网络模拟技术,分析了计算结构面分布分维数的方法,并给出了工程应用实例;刘爽[23]提出了一种利用分形理论预测储层岩相的新方法,并且取得了很好的效果等。通过对水土资源系统复杂性的定性定量分析.
 
2 区域水土资源系统复杂性研究方法 ·············· 10
2.1 构建水土资源结构要素体系 ············· 10
2.2 相空间重构············ 10
2.3 复杂性识别方法 ············ 12
3 基于混沌理论的建三江分局水资源系统复杂性测度分析 ··········· 16
3.1 区域概况 ··············· 16
3.2 基于混沌理论的降水序列复杂性识别与测度 ············· 17
3.3 基于混沌理论的地下水埋深序列复杂性识别与测度 ············ 24
4 基于混沌理论的建三江分局土地资源系统复杂性测度分析 ············ 31
4.1 基于混沌理论的粱豆作物单产序列复杂性识别与测度 ············ 31
4.2 基于混沌理论的农药施用量序列的复杂性识别与测度 ············ 37
4.3 基于混沌理论的化肥施用量序列复杂性测度与分析············ 44
 
结论
近年来,由于受外部环境及人为因素的影响,水资源配置及土地利用结构不合理现象日益严重,导致农业水土资源系统表现出非线性(不可叠加性)与动态性、多样性与多层性、非周期性与开放性、涌现性、不可逆性、自适应性、积累效应(初值敏感性)、奇怪吸引性及结构自相似性(分形性)等诸多复杂性特征,因此复杂性视角下的水土资源合理优化配置已成为区域农业研究的热点。本文从可持续发展的角度出发,运用混沌理论对建三江分局水土资源系统复杂性进行了测度,并对区域内水土资源进行了合理优化配置。
(1)根据建三江分局水土资源实际利用情况,考虑资料数据的可获取性及科学性原则,选取月降水量、逐月地下水埋深、粮豆作物单产、农药、化肥施用量作为水土资源系统分析要素,采用功率谱法和主分量分析法对各要素序列进行了复杂性识别,结果表明各序列均存在有序的混沌复杂性特征,然后在此基础上采用饱和关联维数法、最大 Lyapunov 指数法和Kolmogorov 熵法对序列复杂性进行了定量测度,测度结果同时进一步验证了各序列可能为混沌序列。结合算法稳定性分析理论,筛选得出月降水量序列、逐月地下水埋深序列、粮豆作物单产序列及化肥施用量序列均为基于最大 Lyapunov 指数的复杂性测度结果最优,而农药施用量序列则是基于 Kolmogorov 熵的复杂性测度结果最优。
(2)结合上述水土资源系统各系统要素的复杂性测度结果,采用熵权法确定了各系统要素的权重,月降水量、逐月地下水埋深、粮豆作物单产、农药、化肥施用量的权重分别为 0.0786、0.1295、0.0772、0.3143、0.4003,在这一基础上对建三江分局水土资源复合系统的复杂度进行了计算,并结合 GIS 技术的可视化功能,绘制了各农场及各分区水土资源复杂性空间分布图,结果表明:建三江分局水土资源系统具有明显的区域性差异,其中北区复杂性程度最高,南区次之,中区复杂性程度最低,各分区水土资源的复杂性差异主要受区域环境及人为因素的共同影响。
 
参考文献
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