基于复杂网络理论的河流水质波动长程联系研究

发布时间：2020-04-14 00:47

【摘要】：复杂性是河流水系统的一个重要非线性特征。河流水文水质过程在时间上展现时序复杂性,在空间上亦呈现空间关系的复杂性。由于流域地形地貌、地表-地下水交互、气象和人类活动等因素的多重影响,必然导致流域区域空间点位上水质时序波动行为存在关联性,称之为地域联系。这种联系往往复杂,并存在相隔较远的长程联系(Telconnection)。分析这些联系的唯象规律和可能的因果性有助于从系统论的角度深入理解流域中的能量物质输移行为,并可为河流水质监管提供新方法和新模式。近年来迅猛发展的复杂网络理论是一个有效的建模工具,目前对河流水质波动的复杂网络现象研究存在缺失。本研究选择美国切萨皮克湾流域代表高时间分辨率(15分钟)观测下的弱人类活动流域,以淮河流域代表常规观测频率(周)下强人类活动区域,以我国东部河流代表跨流域大尺度区域开展数据密集型科学发现的研究。以流量、温度、pH值、DO、电导率、浊度这6项作为主要参数,计算不同参数表征下水质系统波动的复杂网络统计特征,如集聚系数、度相关性等。揭示能量、溶解质、离子、综合污染物等输移演化的长程联系。在人为活动影响较强的淮河流域,即使距离十分相近的站点也可能表现出十分不同的联系,即使距离十分远的站点也可能表现出极其相似的联系。在人为活动影响较弱的切萨皮克湾流域和波托马克河流域,地理位置相近的站点相关性会更高;中心点变化能够体现水质参数相关性影响因子的面积大小。发现相关性呈现,温度溶解电导率流量浊度pH值。因为各水质指标影响因素不同,其影响因素地域作用范围不同;强人类活动对水质复杂网络有负作用;大流域和大尺度范围的复杂网络弱于小流域范围。利用相关系数和回归分析半定量的分析了经纬度、气温、降雨量等参数对复杂网络结构的影响,站点间存在一定的长程联系,而且受到经度、土地利用率的影响较大(开发利用地多呈负相关、林地多呈现正相关),发现纬度对于流量复杂网络影响较大,温度和电导率复杂网络受地理位置因素影响很小,各水质网络几乎不受降雨量的影响。利用集聚系数-阈值,度-度分布曲线探索可能的复杂网络模式,并将复杂网络理论进行应用。整个站点网络所得的高集聚系数并非指向一个随机网络。其中,弱人为活动影响下的切萨皮克湾流域,温度和溶解氧的复杂网络特征更符合全连接网络;流量、电导率、pH值、浊度网络模型更倾向于幂律分布,可能符合复杂网络模型特征。最后将复杂网络理论中度集中性用于评价节点在复杂网络中的重要程度从而进行优化,利用集聚系数对网络结构近似的站点进行分类,为水质信息学提供理论支持。
【图文】：

规则、小世界、随机网络过渡过程图（来源于Watts文献[13]

图 2-5 WS 网络中 C、L 分析图（摘自 Watts 文献[13]型度分布在系统规模很大时，，其度分布近似度平均度附近较为集中。但真实世界的网络系相互作用是继小世界网络提出后学者们提出p
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X522

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本文编号：2626655