金华市城市灰尘化学元素的复杂网络研究

摘要

复杂网络理论是研究复杂系统的有效方法，且研究方法日趋成熟，被广泛应用到计算机网络、生物网络、科学家合作网络、交通网络、电力网络等内容的研究。本文将复杂网络研究方法引入到城市灰尘研究，以化学元素为节点，以元素间相关关系为连边，构建红土化学元素网络、城市灰尘化学元素网络。通过对比两个网络的拓扑结构特征，以期从系统论的角度揭示城市灰尘化学元素组成系统的整体行为和特征以及单个元素在系统中作用和影响，从而更好地揭示城市灰尘的环境意义。经过样品采集、数据分析与讨论，本文结论如下:
　　1.灰尘样品中部分元素已经达到轻度富集甚至极度富集水平，尤其是重金属元素和钙元素富集更为显著。红土样品中的绝大部元素并没有出现富集，仅有个别元素属轻微富集状况，受人类活动影响较小，可视其未受到污染。以Pb和SiO2为例，元素对间的相关关系较其在红土中存在相关关系及相关关系强弱的变化，并且元素对间的相关强度大都弱于其在红土中的相关强度。
　　2.城市灰尘化学元素网络的集聚系数和平均最短路径分别是:0.657、1.490，而红土化学元素网络的集聚系数和平均最短路径分别是:0.817、1.297，二者均表现小世界性，即，人为因素并未导致化学元素网络类型上的变化。这可能在一定程度上说明化学元素网络类型受元素的地球化学性质影响较大。
　　3.城市灰尘化学元素网络和红土化学元素网络的拓扑结构特征存在较为明显的分异。这主要表现在以下几个方面:(1)在化学元素网络的节点度方面，城市灰尘化学元素网络的节点度一般要低于红土化学元素网络节点度，且其常量元素的节点度与红土化学元素网络节点度不存在相关关系，而微量元素的节点度与红土化学元素网络节点度间存在较强的相关关系;(2)在网络的集聚系数方面，元素在灰尘化学元素网络的集聚系数一般低于红土网络的集聚系数，微量元素集聚系数与红土化学元素网络集聚系数存在一定相关关系，但相关程度较弱，而常量元素基本不呈相关关系;(3)在网络介数方面，城市灰尘化学元素介数一般高于红土化学元素网络，微量元素的介数与红土化学元素网络介数存在较高的相似性，而常量元素则存在较大差异。
　　4.相较于网络类型，城市灰尘化学元素网络拓扑结构对人为影响更具敏感性，能更好地揭示灰尘的环境指示意义:拓扑结构指标在一定程度上揭示灰尘化学元素的来源与其共生组合特征;拓扑结构的变化反映了城市灰尘物质来源复杂的特点或化学元素间共生组合规律上异于红土;社团分析表明，灰尘中铅、锌、硫等元素可作为人类活动指示性元素，另外，化学元素网络中的社团结构可能反映元素的共生组合关系。
　　5.两类网络的网络拓扑结构特征的差异主要表现在常量元素上，微量元素虽然存在一定的差异，但大体上还是较为相似。常量元素网络拓扑结构上的差异，可能是红土与城市灰尘物源上差异的表现。其二、虽然城市灰尘中微量元素尤其是重金属元素的富集，造成一定程度上的污染，并引起广泛关注，但常量元素网络拓扑结构上变化，可能指出了对这些元素以及与其存在相关关系元素的研究，有利于进一步弄清灰尘的物质来源。其三，在两类网络中，部分元素的网络拓扑结构关系明显不同于大部分元素拓扑结构变化规律，如，硅元素、铝元素等。在以往的城市灰尘研究中，重点主要关注了重金属元素，对上述元素的研究较为不足，因此开展这些元素的研究可能为后续的城市灰尘地球化学研究提供了方向。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与选题意义

1．2 城市灰尘研究综述

1．2．3 城市灰尘理化性质

1．2．4 城市灰尘迁移及时空分布规律

1．2．5 城市灰尘生态影响评价

1．3 复杂网络研究综述

1．3．1 复杂网络的拓扑统计特性

1．3．2 复杂网络演化机制和动力学行为

1．3．3 复杂网络分类

1．4 复杂网络在地理学中的应用

1．5 技术方法与技术路线

2 研究区概况

2．1 自然环境

2．2 资源概况

2．3 经济发展

2．4 研究区选择

3 样品制备与网络构建

3．1 样品采集与制备

3．2 化学元素含量统计特征

3．3 化学元素网络构建

3．3．1 相关分析

3．2．2 化学元素网络的建立

4 化学元素网络拓扑结构特征及对比

4．1 网络类型

4．2 网络拓扑结构特征

4．2．1 节点度及统计特征

4．2．2 平均最短路径及统计特征

4．2．3 集聚系数及统计特征

4．2．4 介数及统计特征

4．3 化学元素网络拓扑结构指标相关分析

4．4 化学元素网络社团分析

4．5 复杂网络拓扑结构对比分析

4．5．1 常量元素节点度对比

4．5．2 元素集聚系数对比

4．5．3 元素介数对比

4．6 网络拓扑结构的环境意义

5．结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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