基于不确定性理论的洞庭湖水资源系统分析

摘要

洞庭湖是我国的第二大淡水湖，具有调节江河径流、沟通航运、繁衍水产和改善生态环境等多种功能。然而，随着经济和社会的发展，洞庭湖湖区的洪涝灾害加剧，水资源系统中水污染及生态环境问题日益突出，已成为湖区社会经济发展的制约因素。目前国内外学者对洞庭湖的研究多停留在泥沙迁移、生态系统服务功能、洪涝灾害、湿地及水生生物、洪道开挖技术等方面的研究，系统科学研究洞庭湖水资源仍是一个较新的领域。因此，系统分析洞庭湖水资源时空分布特征及成因分析，探讨不确定性因素对水资源预测的影响，为科学利用洞庭湖水资源提供决策指导和技术支撑十分必要和紧迫。本文诠释了不确定性理论内涵，探讨了洞庭湖水资源的评价、预测和污染控制规划理论和方法，主要工作和创新点如下： 1、基于不确定性多属性分析理论的水资源评价不确定性多属性模型是基于灰色评价模型的基础上衍生而来的一中综合考虑多种属性的判别模型。研究根据洞庭湖的管理现状，建立的水质评价多属性模型对洞庭湖水质现状进行分析研究、构建水资源保障能力分析模型对洞庭水量进行分析研究。评价结果表明洞庭湖水质状况不容乐观、水资源利用率不高，区域缺水状况仍然存在。 2、考虑不确定性因素影响的洞庭湖水资源时间序列分析研究选取时间序列模型分析洞庭湖水位和水资源承载力动态变化规律，分析洞庭湖水资源年际变化趋势特征、年内变化的周期特征以及不确定性因素的贡献率变化特征，并对模型的预测结果进行不确定性因素影响分析。 3、洞庭湖水资源现状成因分析特殊的地理位置、区域气候变迁、人类对下垫面的改造等因素决定了洞庭湖水资源、水环境的时空分布的差异性，研究着重分析了三峡工程、洞庭湖疏浚工程和“平垸行洪、移民建镇”工程对洞庭湖水资源的影响。 4、基于不确定性理论和径向基神经网络模型的洞庭湖水资源预测分析基于向空间重构理论思想，采用最大Lyapunov指数法确定洞庭湖水位序列的混沌特性，利用混沌RBF神经网络对洞庭湖水资源进行预测分析，并定量分析不确定性因素对混沌预测精度的影响。分析结果表明，降低监测误差是精确预测的必要条件之一。 5、基于不确定性理论的洞庭湖湘江长沙段水污染控制多目标优化研究以提高经济效益、加强地表水资源保护及控制水域水质作为目标，建立了水污染控制系统多目标综合规划模型。模型定量地协调了水污染控制系统中经济、社会和环境之间的关系，为得到合理的综合规划方案提供了科学的依据。研究引入模糊优化理论，在此提出了模糊遗传算法，并用于解决水污染控制系统的多目标规划模型。 6、考虑不确定性因素影响的洞庭湖滨水城市污水处理工艺选择针对不确定性多属性决策优选法在应用中存在的如何将灰数科学白化的问题，建议将多位专家意见以区间数的形式给出，利用满意区间上的专家满意的上下阈，建立综合决策矩阵。以长沙市生活小区污水处理设施的选择为例，结合小区域污水处理厂拥有多目标与目标矛盾性、稳定性和不确定性的特点，通过专家意见规范化处理，利用综合决策矩阵比较，最终获得问题的最优解。实验证明，改进的不确定性多属性决策方法既省去了烦琐的计算步骤，又减少了决策者在决策过程中承担的风险，具有较高的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究区域背景

1.1.1地理位置

1.1.2洞庭湖水系

1.1.3洞庭湖湿地

1.2洞庭湖主要的水资源问题

1.2.1水量的时空分布不均衡、水资源利用率低

1.2.2水质状况不容乐观、治理工作力度加大

1.2.3湖滨湿地生态环境有待改善

1.3洞庭湖水资源的研究现状

1.4不确定性及其研究的理论、方法及研究现状

1.4.1不确定性及其研究的理论与方法

1.4.2湖泊流域水资源系统分析中的不确定性来源

1.5论文主要内容和组织结构

第2章基于不确定性多属性分析理论的洞庭湖水资源现状分析

2.1理论简介

2.1.1理论基础

2.1.2基本步骤

2.2基于不确定性多属性分析理论的洞庭湖水质状况分析

2.2.1评价项目的选取

2.2.2水质评价标准

2.2.3评价资料

2.2.4水质现状评价

2.3洞庭湖水资源保障能力综合分析

2.4本章小结

第3章考虑不确定性因素影响的洞庭湖水资源时间序列分析

3.1时间序列分析理论简介

3.1.1时间序列概念

3.1.2时间序列分析理论演变和发展

3.1.3时间序列的成分

3.1.4时间序列的变化趋势

3.1.5时间序列分析特点

3.1.6时间序列分析基本原则

3.1.7时间序列分析的目的

3.1.8时间序列分析常用的基本方法

3.2时间序列分析的一般应用

3.2.1数据挖掘中的应用

3.2.2气象、天文、地质中的应用

3.2.3金融领域的应用

3.2.4信息领域中的应用

3.2.5商务中的应用

3.3时间序列在对水资源分析及预测中的优势

3.3.1水资源预测所涉及到的相关方法

3.3.2水资源预测方法的比较

3.4考虑不确定性因素影响的洞庭湖水资源时间序列分解模型

3.4.1时间序列分解模型的数学表达式

3.4.2时间序列模型的前期准备

3.4.3实例分析

3.5基于季节性调整的洞庭湖水环境承载力分析

3.5.1季节性调整的时间序列分析一般模型

3.5.2季节调整方法

3.5.3水环境承载力理论基础

3.5.4水环境承载力季节性调整模型

3.5.5洞庭湖流域水环境承载力分析

3.6本章小结

第4章洞庭湖水资源现状成因分析

4.1地理位置及区域气候对洞庭湖水资源的影响

4.2人类生产、生活活动对洞庭湖水资源的影响

4.2.1洞庭湖主要污染源排放状况分析

4.2.2营养物质的输入、输出及平衡分析

4.2.3特殊的水沙条件分析

4.3大型工程对洞庭湖水资源的影响

4.3.1三峡建坝对洞庭湖水资源的影响

4.3.2疏浚工程对洞庭湖水资源的影响

4.3.3“平垸行洪、移民建镇”工程对洞庭湖水资源的影响

4.4本章小结

第5章基于不确定性理论和RBF网络模型的洞庭湖水资源预测分析

5.1径向基函数(RBF)网络理论简介

5.1.1神经网络理论

5.1.2 RBF(Radial Basis Function)网络理论

5.2基于径向基函数(RBF)网络理论的水资源预测

5.2.1建立径向基函数网络模型的前期准备

5.2.2模型训练

5.3实例分析

5.3.1相空间重构

5.3.2混沌径向基神经网络预测

5.3.3结果讨论

5.4不确定性因素影响分析

5.5本章小结

第6章基于不确定性理论的洞庭湖湘江长沙段水污染控制多目标优化规划

6.1多目标规划模型及解法

6.1.1多目标规划模型及其非劣解

6.1.2多目标规划模型的解法

6.2非线性模糊算法

6.2.1模糊集理论

6.2.2模糊集的水平截集理论

6.2.3隶属度函数

6.3模糊非线性多目标优化求解水污染控制系统的多目标规划模型

6.3.1水污染模糊多目标规划模型

6.3.2水污染模糊多目标规划模型的解法

6.4湘江段水资源综合规划案例研究

6.4.1多河段一维水质模型

6.4.2洞庭湖湘江段水资源概况

6.4.3湘江段水污染控制模型

6.5结论

第7章考虑不确定性因素影响的洞庭湖滨水城市污水处理工艺选择

7.1不确定性多属性决策理论及其决策问题求解

7.1.1不确定性多属性决策简介

7.1.2不确定性多属性决策问题及模型

7.2在滨水城市区域污水处理工艺选择中的应用

7.2.1滨水城市居住小区污水处理工艺的特点

7.2.2滨水城市居住小区污水处理工艺的选择原则

7.2.3决策理论在处理工艺选择中运用

7.3结论

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录