河流水質(zhì)系統(tǒng)的混沌特性識別及預(yù)測研究.pdf

1、河流作為地表水體的主要組成部分，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)和生活的重要水源，但由于人們不合理的開發(fā)、利用和保護(hù)，使水體污染、水環(huán)境破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重和頻繁。為合理的制定水資源規(guī)劃與管理、控制水體污染、保護(hù)水環(huán)境，需探明水質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理，掌握水質(zhì)的變化趨勢。由于河流水質(zhì)系統(tǒng)是一個(gè)受人工一自然二元驅(qū)動(dòng)的、復(fù)雜的、非線性的巨系統(tǒng)，同時(shí)又是一個(gè)動(dòng)態(tài)的非平衡復(fù)合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的水質(zhì)預(yù)測方法依據(jù)建立的時(shí)間序列模型進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果受所選模型的影響較大，且不可避免

2、的存在人為主觀性?；煦缋碚撟鳛榉蔷€性科學(xué)的重要組成部分，可從整體上把握系統(tǒng)的行為，揭示系統(tǒng)的演化規(guī)律。鑒于混沌理論在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而在水環(huán)境科學(xué)中的研究相對較少，本文以混沌理論及相空間重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，以黃河流域河流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的氨氮時(shí)間序列為研究對象，對河流水質(zhì)系統(tǒng)展開分析，在現(xiàn)有的混沌理論基礎(chǔ)上主要進(jìn)行了以下三部分的研究：
　　第一部分：鑒于混沌理論應(yīng)用中原始時(shí)間序列存在不同程度的噪聲，并可能對研究結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，本

3、文首先著重討論了時(shí)間序列的降噪方法，并采用小波閾值降噪法對黃河流域4個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的原始序列進(jìn)行非線性降噪處理。
　　第二部分：以水質(zhì)時(shí)間序列的相空間重構(gòu)及混沌特性識別為重點(diǎn)，分別對原始序列及小波去噪后的序列進(jìn)行研究。首先，闡述了相空間重構(gòu)方法，重點(diǎn)討論了相空間重構(gòu)參數(shù)的選取方法，對各測站的原始序列及去噪后序列分別采用自相關(guān)函數(shù)法、互信息法和C-C法求解延遲時(shí)間，以Cao氏方法和飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)法確定潛入維數(shù)。根據(jù)各測站延遲時(shí)間和潛

4、入維數(shù)的計(jì)算結(jié)果得出：序列中噪聲的存在使得相同計(jì)算方法得到不同的結(jié)果，同時(shí)延遲時(shí)間從上游到下游變化規(guī)律不明顯，潛入維數(shù)有沿程增大的趨勢。其次，在相空間重構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別采用定量描述和定性分析的方法，對各測站原始序列和小波去噪后序列進(jìn)行混沌特性識別，通過不同角度的分析表明上述時(shí)間序列均具有不同程度的混沌特性，并且有沿程增強(qiáng)的趨勢。
　　第三部分：主要展開混沌預(yù)測研究。在采用傳統(tǒng)的一階加權(quán)局域預(yù)測法和基于最大Lyapunov指數(shù)預(yù)測法

5、外，還將混沌理論、相空間重構(gòu)技術(shù)與遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，建立適用于混沌預(yù)測的混沌遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型，并將其應(yīng)用于濟(jì)源小浪底監(jiān)測站氨氮原始序列及去噪序列的預(yù)測中，通過三種預(yù)測方法的對比，結(jié)果表明：同一預(yù)測方法對原始序列的預(yù)測精度要低于小波去噪后的預(yù)測精度，進(jìn)而說明序列中噪聲的存在是導(dǎo)致預(yù)測精度低的主要原因，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對序列進(jìn)行降噪處理；三種不同方法預(yù)測精度最高的是遺傳優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型對去噪后序列具有較好的預(yù)測效果，對原始序列