（環(huán)境工程專業(yè)論文）基于復(fù)雜系統(tǒng)理論的近海水環(huán)境容量研究.pdf

摘要 隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的激增，使得近岸海域的污染日趨嚴(yán) 重，為了有效地控制近岸海域的污染，就必須掌握其特征和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上 合理確定近海水環(huán)境容量。本文以天津市近岸海域為研究對象，完全依據(jù)環(huán)境監(jiān) 測數(shù)據(jù)，通過對復(fù)雜系統(tǒng)理論的研究和計算機(jī)軟件的應(yīng)用，成功實現(xiàn)了對近海水 質(zhì)的分析、預(yù)測和評價，并提出了計算近海水環(huán)境容量的新方法，為近海污染總 量控制和環(huán)境管理提供了決策依據(jù)。 首先，通過對分形理論的研究，采用重標(biāo)極差分析方法對近海各水環(huán)境監(jiān)測 點的c o d 和無機(jī)氮時間序列進(jìn)行分析，計算其h l l r s t 指數(shù)日，結(jié)果顯示其h u r s t 指數(shù)何均在0 8 0 左右，表明近海水污染物時間序列變化具有明顯的分形特征； 然后，采用多重分形維數(shù)譜方法對近海水污染物空間分布特征進(jìn)行分析，通過多 重分形矩方法計算近海2 0 個水環(huán)境監(jiān)測點的c o d 監(jiān)測數(shù)據(jù)的多重分形維數(shù)譜函 數(shù)廠位) ，計算結(jié)果顯示其口( g ) 一廠似) 曲線為一連續(xù)上凸曲線，表明近海水污染 物的空間分布為連續(xù)多重分形分布。 其次，在證明近海c o d 時間序列具有分形特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)分形拼貼定 理，由基于仿射變換的分形插值方法求取各歷史時間階段水質(zhì)變化的迭代函數(shù) 系，然后根據(jù)近海水質(zhì)變化的年周期性，對上述求得的迭代函數(shù)系加權(quán)求和，得 到預(yù)測年份水質(zhì)變化的統(tǒng)計意義上的迭代函數(shù)系，從而建立近海水質(zhì)的分形預(yù)測 模型，最后應(yīng)用隨機(jī)迭代算法求得預(yù)測年份水質(zhì)變化曲線的吸引子，對近海水質(zhì) 進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果顯示平均預(yù)測誤差為2 4 4 。 再次，本文通過對非線性映射理論及技術(shù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，以d p s 軟件為工 具，建立了近海水質(zhì)綜合評價的新模型。首先，通過非線性映射理論對高維水質(zhì) 監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性變換，得到二維映射值并將其描繪在平面坐標(biāo)上；然后，根 據(jù)映射點之間的位置關(guān)系進(jìn)行分類，從而實現(xiàn)對近海水質(zhì)的準(zhǔn)確評價。 最后，在分析近海有機(jī)物空間分布具有連續(xù)多重分形分布特征的基礎(chǔ)上，本 文通過對分形曲面插值算法的研究，提出了近海有機(jī)物濃度估值的分形曲面插值 算法模型，并在m 棚，a b 上編制相關(guān)程序?qū)Ｓ袡C(jī)物濃度進(jìn)行空間插值，從 而得到整個研究海域的有機(jī)物空間分布情況；然后，通過確定研究海域的最不利 區(qū)域，依據(jù)質(zhì)量守恒原理，最終確定了其在最不利條件下的水環(huán)境容量。 關(guān)鍵詞：近岸海域：監(jiān)測數(shù)據(jù)；分形理論；預(yù)測；評價；水環(huán)境容量 a b s t r a c t w i m 吐1 er a p i dc c o n o i i l i cd e v e l o p m e m 鋤dt h ep o p u l a t i o nb o o m m gi nc o 嬲t a l z o n e ，t l l ec o a s t a lw a t e rq u a l i 鑼w a sd 酏e r i o r a t e d i no r d e rt 0c o n t r o lt i l ec o a s t a lw a t e r p o l l u 6 0 ne 脅i v e l y i t sc h a r a c t e 璐躚dr e g u l a t i o n sm u s tb em a s t e r e d ，b a s e do nw h i c h 也e c o a s t a lw 掀鋤v 的n m 髓t a lc 印a c 時c o u l db ec a l c u l a t e d 1 1 1 廿l i sd i s s e n a 6 0 瑪 t h r o u g ht h ei n t e 伊a t e du s i n go fc o m p l e xs y s t e mm c 0 巧觚dc o m p u t e r f 附a 化，也e 鋤a 1 ) ，z a t i o n p 川i c t i o na n d 勰s e s s m 咖o ft l l ew a t 盯q u a l i 妙i nt i a i l j i nc o a s t a lm a r i n e w e 陀s t u m c d 刪l yb 鵲e do nt l l e 鋤v 心d i m l 咖a lm o l l i t o r i n gd a t a f u r m 鋤。他，an e w c a l c u l 撕o nm e t l l o df 0 i 。c o a s t a lw 撒e n v 的衄t a lc a p a c 時w 鷦p r o p o s 吐w l l i c h c o u l d 剮l p p l y 也ed e c i s i o n 吼i p p d nf 0 rc o a s t a lp o u u _ t i o n 刪鋤。衄tc o m r o la n d e n 、血o m n e n t a lm 觀a g e m e n t f 砌y ，b 嬲e do n 舶c t i o n a l 血r y 也er e “c d 眥g ea n a l y s i sw 弱l 培e d 幻 c o m p u t e t t l eh u r s tc x p o n t s 日o ft h ec o da n di n o 唱a i l i cn i 仃0 9 t i m es 耐懿1 飛屺 r e s u l t ss _ h o w 酣t 1 1 a tt l i eh 嘲e x p o 小m _ t so ft h et w ow a t 盯q u a l 時i 小l e x e sw e 他a r o u n d 0 8 0 ， i t p r o v e d t h a tt l l ec 0 勰t a lw a t c rq 砌i t ) r p o l l u d o np r 懿饑t s 舶c 6 0 胍l c h 鋤c t 舐s 6 c s t h e 皿b a s e do nm u l t i - 丘a c t a lt h e o r y a 咖i c a lm u l t i 一丘t a lm e 也。也 w h i c hc a i l c dt l l em e t h o do fm o m 伽臨，w 弱印p l i e dt 0c o m p u t et 1 1 em u l t i - 納c t a l m m 髓s i o ns p e c 仇吼 m c t i o n ) o f 也e2 0m o i l i t 0 血gp o i n t s f r o m 也e 他跚l t s ，w e c o u l df 0 衄dt h ec u r v eo f 口( g ) 一廠( 口) w 弱ac o n t i n u o 鄴c u e 1 1 1 e 豫m l t si n d i c a t c d t l l a t 也es p a t i a ld i s t r i b u t i n gm o d eo fc 0 刪w 砷e rp o l l 砸o nw 嬲ac o n t i i l u o 鸛 m u l t i 觸c 氣硝d i s t r i b u t i o n s e c o n d l y a c c o r d i n gt 0m e 納c t i o n a lc o l l a g et l l e 0 也e 丘a c t a l 血e 巾o l a t i o n w h i c hb 嬲e do na 街m e 艦n s f 0 珊w u s 酣t 0f m dt h ei t c r a t e d 劬c t i o ns y s t e m so f h i s t o r i c a lw a t e rq u a l i 夠t h ew e i g h t e ds u m m a t i o nm e m o dw 嬲u s c dt 0f - m dt 1 1 ei t e r a t c d m n c t i o ns y s t e mo f p r c d i c t i n gp 麗o d c o r d i i l gt 0m ea b o v ei t 洲e d 丘m c t i o ns y s t e m s ， w h i c hw 勰b 嬲e do np e r i o d i c i t y t h t l l ef m c t a jp r e d i c t i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt 0t h ei t c 豫t e df h i l c t i o ns y s t e mo fp r e d i c t i n gp e r i o d f i n a l l y t 1 1 e 舢d o m i t e 豫t c da l g o r i t t l mw 豁u s e dt 0f i n dt h ea t 仃a c t o ro f c hp r e d i c t i i l gp 謝o d sw l l i c h c o u l dp r o v i d et h ep r c d i c t i n gd a t a c o r d i i l gt 0 也et i i t l ev a l u e s t l t l ep 川i c d n g 他s u l t s s h o w e dt l l a tt l l ea v e 豫g ep r e d i c t i n ge r r o rw 齬2 4 4 t h 耐l y an e wa s s e s s m tm o d e lf o rc o a s t a lw a t 盱q u a l i t yw 嬲p r o p o s e dm r o u g h t l l e s t l l d y o nt l l e p o n l i n e 盯m a p p i i l gt l l c 0 d ，趾dd p sf h v a r c f i r s t l y ， 也e 1 1 i g h - d i n l 吼s i o nw a t 盱q u a l 崎d a t aw 訛m 印p e dt 0 錒o - d i m 鈕s i o np 1 鋤eb yn o l l l i n e 盯 m a p i p i n gm e t h o d s c c o n d l y ，也ew a t e rq u a l i t ) r 鶴s e s s m e n tm o d e lw 硒e s t a b l i s h e d c o r d i n gt 0l o c a t i o no fm em a p p i n gp o i n t s s ot h ew a t 盯q u a l i t ya s s e s 鋤e n tc o u l db e s i i n p l i f i e d 趾di i i l p r 0 v c d a tl a s t ，b a s e do nm e 陀跚l t so b t a i n e di n 也ec h 印t 囂2 鋤d 觸c t a ls u r f a c e 證魄p o l a t c da l g o r i t h m ， an e wm e m o df o re s t i m a t i o no f o 曜a l l i c s u b s t 觚c e c o n c 鋤協(xié)l t i o ni nc o 嬲t a lm 痂ew 硒p r o p o s e d t h em a r l a bp r o g 舢o f t 1 1 e 仔a c t a l 跚r f a c e 缸叩o l a t i o na l g o r i 也mw 私m a d et oe s t i n l a t et h ec o n c 鋤仇l t i o no ft l l eo 曜a n i c s u b 鮑眥c ei nc o 嬲t a lm 撕n e 1 1 1 e n ，也ec o d c o n c 廿a t i o no fo r g a n i c 蛐b 鼬蛆c ei nt l l e w h o l ea 佗aw 嬲g o t t e n f i n a l l y ，也ew a t e r 衄v 的眥e n t a lc a p a c i t ) ru n d c r 也ew o r s t c o n d i t i o nw 髂c a l c u l a t e d c o r d i n gt 0t l l ec o 璐e r v a t i o no fm a s s 1 ( e yw o i m s ：c o 硒t a lm a 血e ；m 嘶t o 血gd a t a ；丘佻t i o m lt h e 0 巧；p 川i 面。珥 弱s 骼s m 朗t ；w a t i 盯朗v i i 伽瞄e i l _ t a lc 印a c i t ) r i i l 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章前言 第一章前言 1 1 課題的提出及研究意義 海岸帶地區(qū)是自然界的特殊區(qū)域，一方面，這里有著豐富且便于開發(fā)的能源、 生物和礦產(chǎn)等資源，以及適宜生產(chǎn)、生活的自然環(huán)境，具有對當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域乃至全 球都十分重要的“三生”功能( 生活、生產(chǎn)和生態(tài)功能) ；另一方面，這里是海 陸交互地帶，不但受到海洋、陸地、大氣等自然環(huán)境的綜合影響，更受到人類活 動劇烈、頻繁、持久的作用。但是，近年來，由于海岸帶人口的過度集中，經(jīng)濟(jì) 的高速發(fā)展以及人類對近海資源掠奪式的開發(fā)、利用，加之全球氣候變化所帶來 的海平面上升，使得本來就相當(dāng)敏感和脆弱的海岸帶環(huán)境承受著日益嚴(yán)重的壓 力，出現(xiàn)了近岸海域富營養(yǎng)化、生物多樣性喪失、近海濕地的減少等多種環(huán)境問 題，而這些問題反過來都會影響海岸帶的人類活動，會大大削弱人類在這一區(qū)域 追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展所賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。世界上許多國家都曾報道過海灣及近岸海 域的污染情況【l o 】，包括近海水體中營養(yǎng)類物質(zhì)的逐漸增多和營養(yǎng)物質(zhì)比例的變 化，比如波羅的海、北海、黑海、亞得里亞海、荷蘭海、日本海、泰國灣以及印 度洋等，可以說遍布整個世界的近岸海域。但是，在過去3 0 年里，只有少數(shù)的 發(fā)達(dá)國家開始了海洋環(huán)境的保護(hù)工作，并且這些工作也有很大的局限性。但是， 海洋環(huán)境不僅沒能改善，還在進(jìn)一步惡化。不過，人們對于海洋污染的觀念有了 很大的變化，并開始重視海洋污染，特別是近海污染的問題【4 】。 近年來，隨著我國沿海地區(qū)人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生 活污水直接或間接的排入近岸海域，導(dǎo)致沿海水體受到不同程度的污染，由此導(dǎo) 致的經(jīng)濟(jì)損失十分可觀。據(jù)2 0 0 3 年的數(shù)據(jù)統(tǒng)訓(xùn)5 1 ，我國全海域未達(dá)到清潔海域 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積約為1 4 2 萬平方公里，比上年減少了3 2 萬平方公里，總體污染 趨勢有所減緩。其中：較清潔海域面積約為8 0 萬平方公里，減少3 1 萬平方公 里；輕度污染海域面積約為2 2 萬平方公里，增加o 3 萬平方公里：中度污染海 域面積約為1 5 萬平方公里，減少o 3 萬平方公里；嚴(yán)重污染海域面積約為2 5 萬平方公里，減少0 1 萬平方公里。我國近岸海域污染依然嚴(yán)重，但中度污染和 嚴(yán)重污染海域的面積均比上年有所減少：近海大部分海域符合清潔海域水質(zhì)標(biāo) 準(zhǔn)；遠(yuǎn)海海域水質(zhì)繼續(xù)保持良好。海水中的主要污染物依然是無機(jī)氮、活性磷酸 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章前言 鹽和鉛。嚴(yán)重污染海域主要分布在鴨綠江口、遼東灣、渤海灣、長江口、杭州灣、 珠江口和部分大中城市近岸局部水域。其中，渤海污染范圍減小，未達(dá)到清潔海 域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積由2 0 0 2 年的3 2 萬平方公里降至2 1 萬平方公里，占渤海總面 積的2 7 3 。污染范圍減小的海域主要包括萊州灣和遼東灣。主要污染物是無機(jī) 氮、活性磷酸鹽和鉛。天津近岸海域中度和嚴(yán)重污染海域范圍較小，主要集中在 北塘近岸水域，輕度污染海域主要集中在渤海灣近岸海域。主要污染物為無機(jī)氮 和鉛。 本文研究的海域為天津市近岸海域。天津市地處渤海灣西岸、海河水系與永 定新河水系的尾閭，東臨渤海灣，北依燕山，西接首都北京，南北與河北省接壤， 地處華北平原的東北部；是海河五大支流南運河、子牙河、大清河、永定河和北 運河的匯合處和入海口。天津市海岸線長約15 3l a n l ，灘涂面積約3 7 0 時，管轄 海域面積約3 0 0 0i q n 2 。2 0 0 3 年的監(jiān)測結(jié)果表明：天津市大部分近岸海域海水環(huán) 境質(zhì)量符合較清潔海域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，永定新河和海河河口之間5 米等深線以內(nèi)海 域，屬于輕度污染海域，局部海域?qū)儆谥卸任廴竞Ｓ?，主要污染物為無機(jī)氮、鉛 和銅；永定新河和海河河口區(qū)污染嚴(yán)重，屬于嚴(yán)重污染海域，污染物為硫化物和 活性磷酸鹽。 天津市近岸海域一直是天津市發(fā)展的經(jīng)濟(jì)中心，國家“十一五”規(guī)劃確定了 重點發(fā)展天津市濱海新區(qū)的戰(zhàn)略，天津市近岸海域在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的功能更得以 體現(xiàn)，近岸海域水質(zhì)的優(yōu)劣是其更好發(fā)揮作用的前提和基礎(chǔ)。但是近年來由于地 理位置和自然條件的影響、污染負(fù)荷的日益加重，其水質(zhì)有加快惡化的趨勢，也 持續(xù)出現(xiàn)了水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，給天津市近岸海域的環(huán)境帶來更大的壓 力，盡管采取了大量的技術(shù)手段，其污染問題仍然呈現(xiàn)日益嚴(yán)重的趨勢【6 】：2 0 0 3 年中度和重度污染海域面積比2 0 0 2 年均有所增加，2 0 0 4 年的赤潮次數(shù)由2 0 0 3 的1 次增加至4 次，赤潮發(fā)生面積由2 0 0 3 年的l o o 虹2 增加至3 2 3 0 虹2 。而經(jīng) 過環(huán)境管理實踐發(fā)現(xiàn)，只有進(jìn)行容量總量控制才能有效改善水環(huán)境質(zhì)量，所以國 家環(huán)保總局在地表水環(huán)境容量及總量控制的工作基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備進(jìn)行近海水環(huán)境容 量和總量控制的研究。 本課題正是針對近海水環(huán)境容量總量控制的重要性及其研究的先導(dǎo)性開展 研究。力求借助天津市濱海新區(qū)輻射周邊的區(qū)極效應(yīng)和示范效應(yīng)，對有關(guān)揭示區(qū) 域尺度的近海水環(huán)境污染規(guī)律的理論和方法進(jìn)行整合與創(chuàng)新，制定一套符合地區(qū) 特點和中國國情的海岸帶污染規(guī)律研究模式、水環(huán)境容量與總量控制的理論方法 體系和陸海協(xié)調(diào)發(fā)展的系統(tǒng)對策，指導(dǎo)研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)格局調(diào)整、污染治理策略 的制定，促進(jìn)天津市及周邊區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。通過本研究， 制定一套科學(xué)的污染控制方案，實現(xiàn)最大限度的利用近海水域的水環(huán)境容量；同 2 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章前言 時本研究采用的方法具有普遍性意義，可以推廣到其它地區(qū)近岸海域水環(huán)境管理 的研究和應(yīng)用中。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無論在發(fā)達(dá)地區(qū)還是發(fā)展中地區(qū)，海洋，尤其是近岸海域正遭受著人為活動 帶來的污染。如何有效的控制近海的污染，使其達(dá)到功能區(qū)劃提出的水質(zhì)目標(biāo)， 是世界各國環(huán)境管理和研究機(jī)構(gòu)的工作焦點。隨著環(huán)境管理工作的摸索，大家一 致認(rèn)為必須在與濃度管理相結(jié)合的基礎(chǔ)上，實行容量總量控制，才能真正實現(xiàn)近 海水質(zhì)的改善。所以，如何科學(xué)的確定近岸海域的水環(huán)境容量，成為大家研究的 重心。國內(nèi)外學(xué)者對近海水質(zhì)預(yù)測、評價和水環(huán)境容量計算這幾個方面都做了大 量的研究工作。 國外對近岸海域污染問題的研究開始較早，很多專家和學(xué)者對于近海水環(huán)境 污染問題進(jìn)行了大量的理論研究工作。j a m e s 在對近岸海域的水質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)和 污染物擴(kuò)散模擬研究這一文指出，由于最近l o 年來包含多種學(xué)科的模型逐漸增 多，并且計算機(jī)的并行計算能力達(dá)到了一定高度，使得多學(xué)科模型進(jìn)入了實用化 階段，能夠用于預(yù)測和模擬近海水劂刀。n i i i ag i e r d ew i i l t h e r 等人通過三個不同 垂直坐標(biāo)設(shè)計的實驗驗證了適用于北海和斯卡格拉克海峽之間循環(huán)模擬的 h y c o m 模型同樣適用于海岸帶的模擬【8 】。m i n n ak 眥s i s t 0 等人采用三維水質(zhì)和 水流模型模擬芬蘭灣中的浮游植物數(shù)量和溶解性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度【9 】。q i u w c h 等人采用d e l m w a q 模塊計算荷蘭海灣水體中光照因子、營養(yǎng)物質(zhì)等非生 物條件，利用模糊元胞自動機(jī)模擬了荷蘭海灣水體中藻類生物的數(shù)量【1 0 1 。d o n gs l 幻等人利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了一個對海洋海平面變化、溫度、鹽度等因子的實時 短期預(yù)測系統(tǒng)，并對實例進(jìn)行了預(yù)測研究【l l 】。m i c h a e ldl ( r o m 等人通過測定以 色列地中海海岸線受汞污染海域魚的體重和含汞量之間的關(guān)系，擬合出一條關(guān)系 曲線，并依據(jù)此關(guān)系曲線計算出了海域的環(huán)境容量【1 2 1 。 在國內(nèi)，陶建華等人用物理模型實驗和數(shù)學(xué)模型計算相結(jié)合的方法，研究了 均勻緩坡岸灘上，規(guī)則波和不規(guī)則波浪作用下形成的沿岸流及其對岸邊排放污染 物輸移擴(kuò)散的影響【l3 1 。沈永明等人在分析海洋環(huán)境中各種物理、化學(xué)和生物過程 基礎(chǔ)上，建立了統(tǒng)一考慮三種過程綜合作用的近岸海域污染物遷移轉(zhuǎn)化的三維水 質(zhì)動力學(xué)模型【1 4 1 。牛志廣等人通過確定近海水質(zhì)數(shù)據(jù)符合l o g 1 0 9 i s t i c 的概率密 度函數(shù)，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和傅立葉級數(shù)法對近海水質(zhì)進(jìn)行了組合預(yù)測，提出一種 完全依據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的近海水質(zhì)預(yù)測模型【”】。婁安剛等人通過對膠州灣水質(zhì)現(xiàn) 狀的數(shù)值模擬，預(yù)測了膠州市城市污水處理廠建成后，在正常運行和事故情況下 3 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章前言 大沽河口鄰近海域的水質(zhì)【1 6 】。栗蘇文等人利用d e l f t 3 d 數(shù)學(xué)模型對大鵬灣現(xiàn)狀和 未來條件下的水質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用模型試算法估算出大鵬灣的水環(huán)境容 量【l 刀。郭森等人選用多源線性迭加的方法確定納污海域水環(huán)境容量計算的幾個重 要條件，并以此計算納污海域水環(huán)境容量更加便利和有效【墻】。 在近海水質(zhì)評價方面，常用的水環(huán)境評價指數(shù)包括單因子評價指數(shù)，多因子 評價指數(shù)( 包括均值型、計權(quán)型和內(nèi)梅羅指數(shù)三種) 【1 9 】。近年來，隨著模糊數(shù)學(xué)、 灰色系統(tǒng)、物元分析、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的興起與發(fā)展，國外學(xué)者 提出了新的水環(huán)境質(zhì)量評價方法體系，而國內(nèi)研究的發(fā)展亦大致呈現(xiàn)這一趨勢 凹】。謝宏斌采用權(quán)重貢獻(xiàn)率分析法優(yōu)選因子和確定因子權(quán)值的基礎(chǔ)上，應(yīng)用b p 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對南湖水質(zhì)富營養(yǎng)化進(jìn)行綜合評價【2 。王曉鵬等選擇湟水流域內(nèi)空 間跨度大及污染差異分布廣泛的水質(zhì)斷面作為研究評價對象，建立河流水質(zhì)評價 的多級模糊模式識別模型，并以級別特征值方法對湟水流域的主要水質(zhì)斷面就污 染程度進(jìn)行定量化評價和分級【矧。羅定貴等針對模糊綜合評價法的評價結(jié)果具有 模糊性，簡單依據(jù)最大隸屬度原則確定評價結(jié)果存在的不足，提出了模糊綜合評 價與模糊聚類分析相結(jié)合進(jìn)行地下水質(zhì)評價與分區(qū)的復(fù)合模型，并將模型應(yīng)用于 撫州市地下水環(huán)境質(zhì)量評價與分區(qū)。而且，針對b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和初始權(quán)值確 定的人為性，應(yīng)用m a t i ，a b 6 5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)對研究區(qū)域的 地表水質(zhì)進(jìn)行了評價【2 m 4 】。 由上述可知，大多數(shù)學(xué)者在研究近海污染的規(guī)律時，多以機(jī)理性研究為主， 即以二維或三維水動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，配合物理、化學(xué)、生物等模型，并將這些 模型組合在一起，力圖模擬出各種污染物的時空變化特征。但是近海水質(zhì)數(shù)據(jù)變 化劇烈，規(guī)律性不強，海洋污染的復(fù)雜性使得這些工作舉步維艱，不太適合于環(huán) 境管理的實際，而且模擬模型所需基本數(shù)據(jù)很難獲得。所以，隨著各種基礎(chǔ)學(xué)科 和計算機(jī)軟、硬件的發(fā)展和環(huán)境監(jiān)測設(shè)施的逐步完善，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可得性較 好，近海水環(huán)境越來越多的研究可借助于交叉學(xué)科的優(yōu)勢，可以應(yīng)用機(jī)理性研究 的部分成果，依據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)開發(fā)出科學(xué)性和實用性并重的研究方法。 1 3 本文主要研究內(nèi)容和方法 本文主要探討了復(fù)雜系統(tǒng)理論用于近海水污染物時空變化特征的分析、水質(zhì) 的預(yù)測、水質(zhì)綜合評價、有機(jī)物濃度的估值和近海水環(huán)境容量計算方面的研究， 通過實例應(yīng)用，驗證了復(fù)雜系統(tǒng)理論用于近海水環(huán)境研究方面的實用性和科學(xué) 性。 ( 1 ) 首先，采用分形理論中的重標(biāo)極差分析方法( 亦稱v s 法) 對c o d 等 4 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章前言 水質(zhì)參數(shù)的時間序列進(jìn)行分析，分析水質(zhì)時間序列變化的單重分形特征；然后， 采用多重分形理論中的多重分形維數(shù)譜方法對天津市近海2 0 個水環(huán)境監(jiān)測點的 c o d 監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析c o d 空間分布的連續(xù)多重分形分布特征。 ( 2 ) 其次，針對我國近海水質(zhì)污染呈現(xiàn)的年周期性和自相似性特點，在分 析近海水質(zhì)時間序列具有分形特征的基礎(chǔ)上，通過對分形理論的研究，充分利用 分形時間序列具有大小時間尺度規(guī)律可以互用的特點，提出了基于分形拼貼定理 和分形插值函數(shù)迭代系的近海水質(zhì)污染變化的分形預(yù)測方法。 ( 3 ) 再次，通過對非線性映射理論及技術(shù)進(jìn)行研究，借助d p s 數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)軟件，將高維水質(zhì)信息通過非線性映射過程變換為二維水質(zhì)信息，根據(jù)映射點 之間的位置相互關(guān)系，建立近海水質(zhì)綜合評價的新模型，并實現(xiàn)對近海高維水質(zhì) 信息的可視化。 ( 4 ) 最后，在分析近海有機(jī)物空間分布具有連續(xù)多重分形分布特征的基礎(chǔ) 上，通過對分形曲面插值算法的研究，提出了一種完全基于環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的近海 有機(jī)物空間變異特性和濃度估值研究的新方法，并在此基礎(chǔ)上，依據(jù)質(zhì)量守恒原 理，通過確定天津市近岸海域的最不利區(qū)域，成功的實現(xiàn)了近海水環(huán)境容量的計 算。 通過以上研究工作，本文形成了一套完整的基于復(fù)雜系統(tǒng)理論的近海水質(zhì)分 析、預(yù)測、水質(zhì)綜合評價、有機(jī)物濃度估值和近海水環(huán)境容量計算的方法體系， 能夠為近海水環(huán)境管理提供全方位決策支持，具有一定的理論意義和實用價值。 5 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章近海水污染物的時空變化特征分析 2 1 概述 第二章近海水污染物的時空變化特征分析 對于近岸海域的水環(huán)境管理來講，由于管轄區(qū)域和監(jiān)測難度較大，不可能設(shè) 置高密度的水環(huán)境監(jiān)測點和進(jìn)行高頻率的海上水質(zhì)監(jiān)測，也就造成對近海水環(huán)境 在時間和空間上的變化存在盲區(qū)。建立近海水環(huán)境功能區(qū)，并在每個功能區(qū)當(dāng)中 設(shè)置合理數(shù)目的水環(huán)境監(jiān)測點，可以在一定程度上解決這個矛盾。進(jìn)行近岸海域 環(huán)境功能區(qū)劃的目的是為了優(yōu)化海洋環(huán)境和資源的配置，解決海洋資源開發(fā)利用 上的矛盾，建立近岸海域環(huán)境功能利用的正常秩序，對海域?qū)嵭邪此|(zhì)分類管理， 這樣也就可以根據(jù)各個功能區(qū)的人為影響強度和重要程度合理設(shè)置水環(huán)境監(jiān)測 點，監(jiān)測各個環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)變化，為近海水環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)水 環(huán)境監(jiān)測點上某個水質(zhì)指標(biāo)的變化，可以體現(xiàn)出該水環(huán)境監(jiān)測點所代表的功能區(qū) 的水質(zhì)變化情況，但是不能反映近岸海域各個不同的子區(qū)域之間的水質(zhì)空間變化 關(guān)系。事實上，由于近岸海域受到各種作用的影響，不同水環(huán)境監(jiān)測點的水質(zhì)指 標(biāo)呈現(xiàn)一定的關(guān)聯(lián)性，在長期變化過程中分為不同的變化區(qū)域，體現(xiàn)相同或相近 的變化趨勢，這將為近海的區(qū)域化管理提供決策支持；同時，由于某些水環(huán)境監(jiān) 測點水質(zhì)受局部因素的影響，而導(dǎo)致水質(zhì)變化在空間上又存在變異特征。 為了對近海水環(huán)境進(jìn)行有效的管理，這就需要了解其污染的時空變化規(guī)律， 為近海水污染的防治提供理論依據(jù)，如何利用少數(shù)的幾個水環(huán)境監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān) 測數(shù)據(jù)分析近海水污染變化的規(guī)律性是一大難題。根據(jù)以往的研列2 5 之6 】，通過對 所有水期和不同水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢驗，已經(jīng)排除水污染物正態(tài)分布的可能， 采用灰色系統(tǒng)理論和統(tǒng)計學(xué)方法分析表明，在不同的陸源入海河流的影響下，天 津市近岸海域的2 0 個水環(huán)境監(jiān)測點按照c o d 的變化規(guī)律被分成了北塘區(qū)域、大 沽區(qū)域、以及獨流減河區(qū)域。在上述分析近海水環(huán)境監(jiān)測點水質(zhì)空間分布關(guān)聯(lián)關(guān) 系的基礎(chǔ)上，本文嘗試采用分形理論對近海水污染物時間和空間上的變化規(guī)律和 變異特征進(jìn)行分析，力圖確定近岸海域水質(zhì)污染的分形變化特性，為近海水質(zhì)的 預(yù)測和水環(huán)境的管理提供理論依據(jù)。 本文將以天津市近岸海域c o d 和無機(jī)氮( 礬) 監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，采用分形理 論中的重標(biāo)極差分析方法( 亦稱剛s 方法) 對單個水環(huán)境監(jiān)測點的水質(zhì)時間序列 6 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章近海水污染物的時空變化特征分析 進(jìn)行分析，采用多重分形理論中的多重分形維數(shù)譜方法對2 0 個水環(huán)境監(jiān)測點水 質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間變異特征進(jìn)行分析。 2 2 分形理論 2 2 1 分形理論介紹 分形理論是非線性科學(xué)研究中十分活躍的一個分支，它的研究對象是自然界 和非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則的幾何形體【2 7 1 。分形理論的基本思想起源 于2 0 世紀(jì)初，發(fā)展于2 0 紀(jì)6 0 年代后，創(chuàng)立分形理論的代表人物為美國數(shù)學(xué)家 b b m 觚d e l b r o t ，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是分形幾何。1 9 6 0 年，b b m 鋤d e l b r o t 發(fā)現(xiàn)自己研 究的經(jīng)濟(jì)模式中高低收入的分布圖與利塔臥經(jīng)濟(jì)中心大廈黑板上的棉花價格變 動圖是一樣的，之后，他轉(zhuǎn)向為研究棉價變化。他采用一種特殊的變換尺度的方 式考察棉價變化的內(nèi)在序列，驚人的發(fā)現(xiàn)了：盡管棉價的每一次變化是隨機(jī)的， 但價格的日變化和月變化的曲線竟然完全一致，也就是說，在大量的無序的數(shù)據(jù) 里存在一種出乎意料的有序。隨后，b b m 鋤d e l b r o t 又對“海岸線到底有多長 這個問題進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)在不同的尺度研究下，任何一段海岸線都是無限長 的。雖然一條曲折的海岸線不能精確測量，但它卻有某種特征量，就是分形所揭 示的分形維數(shù)，可以對分形對象內(nèi)部的不均勻性、層次結(jié)構(gòu)性的整體數(shù)量特征進(jìn) 行刻畫。1 9 6 7 年他在科學(xué)雜志上發(fā)表了一篇題為“英國的海岸線有多長? 統(tǒng)計自相似性與分?jǐn)?shù)維數(shù)”的文章，這通常被認(rèn)為是“分形”學(xué)科誕生的標(biāo)志， 他在隨后兩本著作自然界的分形幾何學(xué)和分形：形狀、機(jī)遇與維數(shù)中第 一次提出了f r a c t a l 這個英文詞【2 8 2 9 】，其原意是“不規(guī)則的”、“分?jǐn)?shù)的”、“支離 破碎的”，并闡述分形的基本思想，即分形研究的對象是具有自相似性的無序系 統(tǒng)，其維數(shù)的變化是連續(xù)的。應(yīng)該認(rèn)識到的是，自相似性是自然界中一個普遍的 規(guī)律，小到樹葉的葉脈，大到宇宙天體，自相似性普遍存在于物質(zhì)系統(tǒng)的多個層 次上。這位被科學(xué)界尊為“分形之父”的b b m 鋤d e l b r o t 的最大貢獻(xiàn)在于提出“物 體或幾何圖形的維數(shù)的變化可以是連續(xù)的 這一驚人的論斷，即其維數(shù)可以不是 整數(shù)，分形理論也就是用分?jǐn)?shù)維數(shù)來描述自然界中千奇百怪的事物取得了重大成 功，這也正是與采用整數(shù)維數(shù)對自然界中的事物進(jìn)行描述的歐氏幾何的最基本的 區(qū)別。分形理論借助相似性原理洞察隱藏于混亂現(xiàn)象中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，為人們從局 部認(rèn)識整體、從有限認(rèn)識無限提供了新的方法論，為不同學(xué)科發(fā)現(xiàn)的規(guī)律提供了 嶄新的語言和定量的描述，為現(xiàn)代科學(xué)提供了新的思想方法【3 0 】。 分形具有兩個基本的性質(zhì)：自相似性和標(biāo)度不變性。自相似性是指局部是整 7 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章近海水污染物的時空變化特征分析 體成比例縮小的性質(zhì)。形象地說，就是當(dāng)用不同倍數(shù)照相機(jī)拍攝研究對象時，無 論放大倍數(shù)如何改變，看到的照片都是相似的( 統(tǒng)計意義) ，而從相片上也無法 判斷所用相機(jī)的倍數(shù)，即標(biāo)度不變性。嚴(yán)格按一定的數(shù)學(xué)方法生成的許多經(jīng)典的 分形具有嚴(yán)格的自相似性，稱之為有規(guī)分形( 見圖2 1 ) 。而一般情況下的分形是 無規(guī)分形，即自相似性并不是嚴(yán)格的，只是統(tǒng)計意義下的自相似性，其局部經(jīng)放 大或縮小可能得到與整體完全不同的表現(xiàn)形式，但表征自相似結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的定量 參數(shù)如分形維數(shù)并不因此變化，也就是說，分形體內(nèi)任何一個相對獨立的部分， 在一定程度上都是整體的再現(xiàn)和縮影。目前對分形還沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，只能 給出描述性的定義。粗略地說，分形是對沒有特征長度( 所謂特征長度是指所考 慮的集合對象所含有的各種長度的代表者，例如一個球，可用它的半徑作為它的 特征長度) ，但是具有一定意義下的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的總稱。原則地說：分形 是一些簡單空間上，如尺2 、c 2 上的一些“復(fù)雜”的點的集合，這種集合具有某 種特殊的性質(zhì)，首先它是所在空間的緊子集，并且具有下列典型的幾何性質(zhì)的集 合f 【3 1 】： ( 1 ) ，具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)，即在任意小的比例尺度內(nèi)包含整體。 ( 2 ) f 是不規(guī)則的，以至于不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述。 ( 3 ) ，通常具有某種自相似性，近似的或統(tǒng)計意義下的自相似性。 ( 4 ) f 在某種方式下定義的“分維數(shù)”通常大于f 的拓?fù)渚S數(shù)。 a 一 ( a ) s i e 印衄溉三角形( b ) k o c h 曲線 圖2 1 兩種簡單、規(guī)整的分形圖形 2 2 2 分形理論基礎(chǔ) 2 2 2 1 分形空間 設(shè)( x ，d ) 是完備度量空間，用孵( x ) 表示由x 的非空緊子集的全體組成的空 間。令點石吼( x ) ，集合曰貿(mào)( x ) ，定義： 8 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章近海水污染物的時空變化特征分析 d ( x ，雪) = i n f p ( x ，y ) ：y 曰 = m i n p ( x ，y ) ：y 曰j ( 2 1 ) 為x 到集合口的距離，砒表示取下確界。由于集合召婀( x ) 是非空緊集，可以 證明實數(shù)集p ( x ，y ) ：y b ) 包含一個最小值，也就是說，一定存在一個j ，曰使 d ( x ，j ，) = d ( x ，b ) 。令彳，曰倪( z ) ，定義： d ( 彳，b ) = 吼l p 矽( x ，曰) ，x 么j = m 戤 d ( x ，口) ，工彳j ( 2 2 ) 為集合彳到集合b 的距離，s u p 表示取上確界，定義： j j l ( 彳，b ) = d ( 彳，b ) v d ( b ，彳) ( 2 - 3 ) 為假( x ) 中兩個點彳和曰之間的h 鋤s d o m 距離。符號v 表示兩個實物中取較大 者。 我們稱( 倪( x ) ，j j l ( d ) ) 為分形空間，可以證明，分形空間具有完備性。 2 2 2 2 分形維數(shù) 分形維數(shù)是分形理論的重要內(nèi)容，經(jīng)典的拓?fù)渚S數(shù)只能取非負(fù)整數(shù)，而分形 維數(shù)可以是任意非負(fù)實數(shù)。 分形理論的研究對象是由非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的不光滑和不可微的幾何形體，分 形結(jié)構(gòu)的明顯特點是局部與整體形態(tài)間的相似性，對應(yīng)的特征指標(biāo)參數(shù)是分形維 數(shù)。分形維數(shù)不是通常意義下毆氏空間維數(shù)的簡單補充，而是賦予了很多暫新的 內(nèi)涵：分形維數(shù)不僅量化了分形結(jié)構(gòu)自相似性質(zhì)，同時也可作為區(qū)分混沌和其它 運動形式的主要依據(jù)之一。分形維數(shù)可以是分?jǐn)?shù)，也可以是整數(shù)，并有多種計算 方法。常見的分形維數(shù)有：h 肌s d o r f r 維數(shù)( 盒子維數(shù)) 、相似維數(shù)、計盒維數(shù)、 信息維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)以及廣義維數(shù)等。下面給出最常用的h 鋤s d o r f r 維數(shù)和計盒 維數(shù)的定義。 ( 1 ) h 叭s d o m 維數(shù) 設(shè)，為尺一( 刀維毆氏空間) 中的任意子集，s 為一非負(fù)實數(shù)，對任意給定 的萬 0 ，設(shè)： r 、 日；( ，) = i n f p s ：妙，) 為確碾蓋 ( 2 _ 4 ) l ，- lj 考慮f 的所有直徑不超過萬的覆蓋，并使式( 2 _ 4 ) 右端出現(xiàn)的和式達(dá)到最 小，當(dāng)萬減小時胃；( f ) 隨之增加，當(dāng)萬一。時，記極限值為： 日3 ( ，) = 炯h ；( f ) ( 2 - 5 ) 稱日s ( ，) 為f 的s 維h a u s d o r f r 測度，此測度是對長度、面積和體積概念的 推廣，更詳細(xì)的推導(dǎo)可以說明，存在s 的一個臨界值，使得日j ( 尸) 在這個值處 從無窮大躍變到0 ，這個臨界值就稱為，的h 肌s d o m 維數(shù)，記為d ( ，) 。h 卸s d o m 維數(shù)定量描述了一個點集規(guī)則或不規(guī)則的程度，同時其整數(shù)部分反映出圖形的空 9 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章近海水污染物的時空變化特征分析 間規(guī)模，對動力系統(tǒng)來講，h 叭s d o r f r 維數(shù)大體上表示獨立變量的數(shù)量。 ( 2 ) 計盒維數(shù) 設(shè)f 為尺“上任意非空的有界子集，j ( ，) 是直徑最大為萬，可以覆蓋f 的 集的最少個數(shù)，則f 的下、上盒維數(shù)分別定義為： d 砌b ，：l i l n 螋 ( 2 6 ) 。 艿_ o l o gd 麗矗，：面! ! 墨絲盟 ( 2 7 ) 6 _ o l o g 巧 如果這兩個值相等，則稱這個共同的值為f 的計盒維數(shù)，記為： 慨( 恥燭等等 ( 2 - 8 ) 2 2 2 3 壓縮映射 設(shè)廠是距離空間上的一個自身映射，即廠：x _ x ，如果存在一個常數(shù) 0 s j l ，使得對一切毛y x ，都有： d ( 廠( x ) ，廠( y ) ) 占d ( x ，j ，) 則稱廠為壓縮映射，j 為廠的壓縮因子。 2 2 2 4 仿射變換 ( 1 ) 在尺1 上的仿射變換( a 靦et r a n s f 0 衄a t i o n ) 是形如： 廠( 工) = 戤+ 6 的變換。其中口、6 是實常數(shù)，口是伸縮因子，6 是平移因子。 ( 2 ) 在尺2 上的仿射變換w ：尺2 哼r 2 形式為： w ( x l ，工2 ) = ( 麟l + 次2 + p ，“i + 出2 + 廠) 稱為二維仿射變換。其中口、6 、c 、d 、趴廠是實數(shù)。 2 3 近海水污染物時間序列的分形特征研究 2 3 1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 本文以天津市近岸海域為研究對象，該海域共設(shè)有4 個水環(huán)境功能區(qū)2 0 個 水環(huán)境監(jiān)測點( 水環(huán)境監(jiān)測點位置見圖2 2 ) 。本文選擇其中的8 個水環(huán)境監(jiān)測點 ( 1 、3 、5 、6 、7 、9 、1 0 、1 6 ) 為例進(jìn)行研究，研究采用的原始數(shù)據(jù)來自1 9 9 6 年至2 0 0 3 年每年枯水期( 5 月) 、豐水期( 8 月) 、平水期( 1 0 月) 3 個水期的 c o d 和i n 監(jiān)測數(shù)據(jù)，共有3 8 4 ( 8 2 4 2 ) 個數(shù)據(jù)樣本。由于監(jiān)測時間為每年 的枯、豐、平3 個水期，單個水環(huán)境監(jiān)測點的c o d 和玳時間序列不是嚴(yán)格的 i o 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章近海水污染物的時空變化特征分析 等間隔時間序列，但是監(jiān)測值能夠代表3 個水期水質(zhì)的變化趨勢，所以在此將 c o d 和玳時間序列看為等間隔時間序列，順次分別用扛，) ，扛l ，2 ，2 4 ；秒，) ， 江1 ，2 ，2 4 表示。其中水環(huán)境監(jiān)測點6 的c o d 和i n 監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖2 3 ，可以看 出c o d 和i n 監(jiān)測值變化范圍比較大，表面上看監(jiān)測值隨時間的變化不規(guī)則、 遵循隨機(jī)游動模型。 圖2 - 2 天津市近海水環(huán)境監(jiān)測點位置示意 5l o1 5加25 水期 圖2 3 水環(huán)境監(jiān)測點6 的c o d 和肘監(jiān)測數(shù)據(jù) 由于近海水質(zhì)的變化表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，使研究的c o d 和i n 時間 序列數(shù)據(jù)前后關(guān)系很不明顯，單個水環(huán)境監(jiān)測點的單個水質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律變得 難以把握，這使得以往通常采用的需要大樣本數(shù)據(jù)的時間序列分析方法不能很好 的分析其變化規(guī)律。而近海水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點正好符合i v s 分析方法可以大小 時間尺度規(guī)律互用的基本思想，所以本文嘗試采用剛s 分析方法對近海水污染物 時間序列的分形特征進(jìn)行研究，為進(jìn)一步應(yīng)用基于分形理論的水質(zhì)預(yù)測方法提供 u們”如加：2 m 帖 o 、嘲m ) 毯甏 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章近海水污染物的時空變化特征分析 理論基礎(chǔ)。 2 3 2 基于剛s 分析方法的近海水污染物分形特性計算 剛s 分析方法是目前最廣泛也最成熟的分形統(tǒng)計方法之一，在剛s 分析中， 不要求序列是高斯過程，該方法最初由水文專家h u r s t 在研究尼羅河水壩工程時 提出【3 2 1 ，是基于自仿射分形衍生而來的對隨機(jī)時間序列進(jìn)行分析的一種統(tǒng)計方 法，該方法可用于時間序列的分形特征分析，在分形理論中有著重要的作用，是 現(xiàn)代非線性科學(xué)中一個十分重要的研究方法，該方法運用于自然科學(xué)領(lǐng)域【3 3 1 和社 會科學(xué)領(lǐng)域【蚓都取得了重大成果。 ( 1 ) h l l r s t 指數(shù)日的計算 h u r s t 指數(shù)是分形理論中的一個重要參數(shù)，它可以用來考察時間序列的序列 相關(guān)性以及描述對象是否符合分形分布。利用剛s 分析方法可以估計h u r s t 指數(shù) 日，從而研究時間序列的分形特征，剮s 分析方法的基本思想是，改變所研究對 象的時間尺度的大小，研究其統(tǒng)計特性變化規(guī)律，從而可以將小尺度的規(guī)律用于 大的時間尺度范圍，或者將大尺度的規(guī)律用于小的時間尺度范圍，該方法在分形 理論中具有廣泛的應(yīng)用。本文利用s 分析方法計算天津市近岸海域8 個水環(huán)境 監(jiān)測點的c o d 和玳時間序列的h 刪指數(shù)日，以水環(huán)境監(jiān)測點6 為例，其基本 步驟如下p 5 】： 首先將水環(huán)境監(jiān)測點6 的c o d 時間序列k ，f = l ，2 ，2 4 ，分成口個長度 為刀( 2 療s1 2 ) 的相鄰子區(qū)間，且口刀= 2 4 。記第j | 個子區(qū)間為j t ( 七= 1 ，2 ，口) ， ，i 中的第j 項記為工似( = l ，2 ，療) 。令 吼= 二y 工，。 ( 七= l ，2 ，口) ( 2 - 1 2 ) y ：圭( t 一吼) ( _ ，：l ，2 ，刀) f i i 毛= 焉hj 一嬲“ ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 叫擊融1 沖 協(xié) 式中：吼和分別為，i 中c o d 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，m g l ：y 似為，中c o d 的累積離差，m g l ；r 。為，。中c o d 的極差，m g l 。對每個子區(qū)間計算心甌， 可得口個值，將它們的平均值記為( 州s ) 。，即： 伍s ) 。= 伍。足) ( 2 - 1 6 ) 為了比較不同的時間序列，h u r s t 對式( 2 1 6 ) 進(jìn)行了修正，得到了如下關(guān) 系式： 1 2 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章近海水污染物的時空變化特征分析 l n ( r s ) 。= l n 刀+ 1 n 6 ( 2 - 1 7 ) 式中：6 為常數(shù)；日為h u r s t 指數(shù)，且os 日l 。對于不同的玎，可以得到 不同的( 則s ) 。，以它們?yōu)槭? 2 1 7 ) 的觀測值，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，便可 以得到式( 2 - 1 7 ) 的直線回歸方程，則直線的斜率便