不確定性非線性系統(tǒng)"模擬-優(yōu)化"耦合模型研究

前言

容量總量控制（或TMDL）的主要難點(diǎn)是回答如何在不確定性條件下預(yù)測和減輕復(fù)雜系統(tǒng)的人類活動和自然變化（含氣候變化）對水生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，其抽象成一般性數(shù)學(xué)問題，包括兩個方面，即非線性系統(tǒng)的不確定性“質(zhì)一量”響應(yīng)模擬和不確定性優(yōu)化模型。因此，不確定性“質(zhì)一量”響應(yīng)模擬模型是否能準(zhǔn)確表征不確定性非線性系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)理過程和具有全局、高效的搜索算法，將決定其預(yù)測的準(zhǔn)確度和與后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化耦合的可能性；而不確定性優(yōu)化模型是否具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和全局尋優(yōu)算法，也將決定TMDL分配等非線性系統(tǒng)過程控制的風(fēng)險決策方案的全局最優(yōu)性和絕對可行性。然而，在過去30多年中，除了復(fù)雜系統(tǒng)機(jī)理的高度非線性與水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的長期性、法律上尚無明確的實(shí)施主體責(zé)任、管理上缺乏流域系統(tǒng)規(guī)劃、工程上缺少技術(shù)綜合集成、監(jiān)控上缺乏大量監(jiān)測數(shù)據(jù)之外，“TMDL失效”在技術(shù)層面的根本原因就是缺乏一個適宜的不確定性“模擬一優(yōu)化”耦合模型。也正因如此，我國水體污染物容量總量控制技術(shù)在回答上述核心難點(diǎn)時不盡如人意，難以實(shí)現(xiàn)基于機(jī)理過程模擬的TM.DL最優(yōu)分配與風(fēng)險決策。即使北美洲和歐洲國家及其機(jī)構(gòu)，盡管其擁有成熟的分布式水文、非點(diǎn)源和Z.／三維水質(zhì)水動力機(jī)理模擬模型，但其最大的癥結(jié)就在于無法與后續(xù)不確定性優(yōu)化模型直接耦合從而得到TMDL最優(yōu)分配與風(fēng)險決策方案。于是，全球主要國家不惜成本地投入資金開展此領(lǐng)域的前沿研究。2007年12月26日，國務(wù)院常務(wù)會議審議并原則通過了作為我國16個國家科技重大專項(xiàng)之一的“水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)”（簡稱“國家水專項(xiàng)”）。該專項(xiàng)以“三湖、三河、一庫、一江”為主要研究對象，強(qiáng)調(diào)突破以容量總量控制為核心的流域水體污染物總量控制技術(shù)體系。此外，美國國家研究委員會（NRC）自2002年以來啟動了國家尺度的五大湖、河口與近海岸水域三大類研究項(xiàng)目，旨在模擬與減輕經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、水土資源利用和自然變化（含氣候變化）所造成的水體富營養(yǎng)化、低氧和影響，并為決策者針對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水土資源利用提供“可嫁接”的生態(tài)調(diào)控戰(zhàn)略與TMDL方案；歐盟2006年啟動了最大規(guī)模的波羅的海研究項(xiàng)目——波羅的海2020，強(qiáng)調(diào)通過削減營養(yǎng)鹽排放、調(diào)控波羅的海水動力條件和減輕海面活動等解決低氧和HAB問題。

內(nèi)容概要

本書開發(fā)了一套不確定性非線性系統(tǒng)“模擬—優(yōu)化”耦合模型及其源代碼，可以用于水體、大氣容量總量控制和基于機(jī)理過程模擬的過程最優(yōu)控制(如地下水、石油、化工等)。全書共5章，第1、2章闡述了研究背景、目的、技術(shù)路線，以及容量總量控制(TMDL)、不確定性非線性系統(tǒng)模擬和不確定性優(yōu)化模型的歷程和科學(xué)問題；第3章闡述了基于受體模式的分布式源解析統(tǒng)計(jì)模型、貝葉斯遞歸回歸樹和強(qiáng)化區(qū)間線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)理論及其算法和先進(jìn)性；第4章建立了基于上述耦合模型的Swift Creek水庫流域營養(yǎng)鹽TMDL最優(yōu)分配與風(fēng)險決策方案；第5章討論了主要結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)以及該研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。    本書可供環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、湖沼學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科的科研人員、高校師生以及政府部門有關(guān)人員參考。

書籍目錄

前言 1 緒論   1.1 研究背景與目的   1.2 研究內(nèi)容與技術(shù)路線 2 國內(nèi)外研究進(jìn)展   2.1 TMDL技術(shù)     2.1.1 TMDL及我國容量總量控制的發(fā)展歷程     2.1.2 對比分析     2.1.3 三點(diǎn)不足之處   2.2 不確定性“質(zhì)-量”模擬模型     2.2.1 研究熱點(diǎn)與發(fā)展歷程     2.2.2 模型特點(diǎn)與對比分析     2.2.3 重要的科學(xué)問題   2.3 不確定性優(yōu)化模型.     2.3.1 研究熱點(diǎn)與發(fā)展歷程     2.3.2 模型特點(diǎn)與對比分析     2.3.3 重要的科學(xué)問題 3 不確定性非線性系統(tǒng)“模擬-優(yōu)化”耦合模型開發(fā)   3.1 DRSS模型     3.1.1 DRSS模型的數(shù)學(xué)理論     3.1.2 DRSS模型的算法     3.1.3 模型對比分析與討論   3.2 BRRT模型     3.2.1 BRRT模型的數(shù)學(xué)理論     3.2.2 BRRT模型的算法     3.2.3 模型對比分析與討論   3.3 EILP模型     3.3.1 EILP模型的數(shù)學(xué)理論     3.3.2 EILP模型的算法     3.3.3 EILP模型的衍生模型     3.3.4 模型對比分析與討論 4 應(yīng)用研究：Swift Creek水庫流域營養(yǎng)鹽TMDL最優(yōu)分配與風(fēng)險決策方案   4.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)   4.2 水體污染物分布式源解析   4.3 半分布式水文、非點(diǎn)源和二維水質(zhì)水動力機(jī)理模型校準(zhǔn)   4.4 基于機(jī)理過程的不確定性“質(zhì)-量”響應(yīng)模擬   4.5 營養(yǎng)鹽TMDL最優(yōu)分配與風(fēng)險決策方案 5 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與展望   5.1 主要結(jié)論   5.2 創(chuàng)新點(diǎn)與貢獻(xiàn)   5.3 研究展望 參考文獻(xiàn) 附錄 附錄A SCR流域的其他子流域水文模擬結(jié)果 附錄B SCR流域的其他子流域非點(diǎn)源模擬結(jié)果 附錄C BRRT v1.0的C程序 附錄D SCR流域營養(yǎng)鹽TMDL的不確定性“模擬-優(yōu)化”耦合模型的Lingo程序 彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：作為非點(diǎn)源和水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)，源解析可以量化區(qū)域污染的時空分異性及不同水文單元內(nèi)潛在污染源的貢獻(xiàn)程度，為非點(diǎn)源和水質(zhì)模擬提供水質(zhì)參數(shù)和污染源輸人數(shù)據(jù)的時空分異性信息。從研究方法來看，源類型數(shù)量、源特征和源貢獻(xiàn)程度及其不確定性分析是目前研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對于各種“受體模型”開展了大量研究。美國沙漠研究所（DRI）的John G.Watson教授和JudithC.Chow教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組開發(fā)了化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）及其軟件（Watson eta1.1999）；美國克拉克森（（21arkson）大學(xué)的Philip K.Hopke教授領(lǐng)導(dǎo)的CARES團(tuán)隊(duì)提出基于多元統(tǒng)計(jì)分析方法識別源類型和源特征方法（Kim eta1.2004），同時提出了back trajectoty model與“受體模型”的耦合途徑（Hopke et a1.2005）；美國南加利福尼亞州（Southern California.）大學(xué)的Ronald C.Henry教授開發(fā)了uNMIx算法和軟件，并從受體模型原理出發(fā)，指出當(dāng)今“受體模型”的難點(diǎn)表現(xiàn)為源類型／源特征確定和源貢獻(xiàn)程度算法選擇，解決途徑有引擎算法（ME）、SMCR和WLS等算法（Htenry，2005）；就“受體模型”的不確定性來說，E.s.Park研究員總結(jié)了受體模型的不確定性來源，并采用Mento Carlo方法對模型參數(shù)進(jìn)行不確定性分析（Park et a1.2002）。近年FA／MLR模型已引入到地表水（Simeonov et a1.2003）、海水、海洋沉積物等研究，證明了其在水環(huán)境領(lǐng)域的可行性。

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