复杂性科学在环境科学与工程中的应用

　　现阶段国际学术界中的非线性科学以及复杂性科学思维发展到了新的阶段，对于复杂系统来说，其对当今社会中环境复杂性的问题能够有效解决，具有一定的独到之处。就环境科学具有跨越式的自然学科和社会学科以及技术学科来说，非线性科学与复杂性的科学都有不可替代的重要意义，而且部分复杂的环境问题的处理必须对其进行应用才能增强有效性。

　　1混沌理论在环境科学与工程中的应用

　　环境系统中具有存在很多的复杂但是又不确定的子系统，可以说，这一系统中的变量关系是非常复杂的，各变量间呈互相祸合存在，具有很强的不确定性。相关环境科学研究人员一直试图对系统发生的变化进行详细地描述，对系统当中存在的潜在信息作一挖掘。环境系统当中存在的不确定因素一直以来都是环境科学中比较重视的问题，但是以往的思维模式就算不属于概率逻辑，就会是确定论，并没有对系统的动力学变化进行仔细说明。就水环境当中存在的很多不确定的非线性关系，需要人们在非线性领域中正确对待混沌问题，通過对混沌理论的御用实现对环境系统的再次研究，会在一定程度上拓展人们的视野与思维，对其以前的认识进行改革，例如，城市生活用水系统中的应用。通过对混沌理论的应用，选择相空间的重构法，能够将貌似具有随机性地混乱用水系统转化成有序的结构系统。当然，混沌理论也可以在环境科学中的其它方面进行应用，例如，对河流水质的预测和城市的规划以及生态种群的复杂性研究等方面。

　　环境系统当中的复杂现象非常多，且都是伴随混沌现象的出现而出现，可以看出，混沌理论应用在环境科学当中能够发挥巨大的潜能，具有广阔的前景。

　　2分形理论在环境科学与工程中的应用

　　对分形理论的研究属于欧式几何中忽视的一个无定形的内容。研究人员曼德勃罗对分形几何进行了开创，并科学地对该类复杂性的全新概念以及方法做了详细地阐述，即局部与整体之间存在某种方式上比较相似的形体。然而分形不只是自然分形，还涉及时间分形和社会分形以及思维分形。就分形理论而言，其主要从非线性的复杂系统中进行着手，不曾简化与抽象地区研究，让人们可以对思维方法从线性转化到非线性，对貌似混乱和无规则与随机现象的发展规律做了定论。分形理论是新概念与新方法，其在处理环境科学时的复杂现象进行了应用。

　　对水的大多数处理都是除掉水中存在的悬浮的固体颗粒，因此，研究絮体结构本身的意义是非常重要的。但是在分形几何前，并不能轻而易举地对絮体复杂的形状进行描述，然而分形几何能够在一定程度上探求不规则的几何体。也就是说，分形能够促进混凝工艺的改进，并且可以对混凝机理进行新的研究。就水质状态来说，尽管其化学成分的复杂性比较强，但是所有污染因子在变化时都和水质存在一定的关系，分形理论能够对其作用进行有效发挥。

　　3复杂适应性理论在环境科学和工程中的应用

　　所谓复杂适应系统，其主要是指主体间具有相互作用，能够让新的行为模式得以涌现。在所有的层次上都会出现新的模式，层次比较低的复杂性适应系统可以利用相互作用出现高层次现象，其从低层次的现象中组合而成。复杂适应的系统理论能够对复杂系统本身的层次结构与功能进行描述，加之，复杂适应的系统理论已经在算法与模型上获得了一定的成功，例如遗传算法，其具有非常强的普适性与可操作性，在环境科学中的发展也比较好，让人们更加感兴趣的是动态系统本身的自适应与进化。例如，在对工业废水中的生物进行处理时，为了对处理效果不断提高，一般要求细菌的自适应能力更加高，进而可以有计划性地对细菌发生的条件进行控制。除此之外，在大尺度的范围中，对生态系统当中的动植物的全球性问题进行研究，这是环境科学人员比较关注的问题。

　　然而，现阶段复杂适应的系统理论还存在一系列问题，主要包括以下几点。一是，这一理论中的大多数内容具有描述性，并不能将其称为整体化的理论体系；二是，复杂适应的系统理论当前还是在研究中的理论，要从具体的和复杂的系统中进行分析得出；三是，复杂适应的系统数学机理并不清楚，对适应性怎样造成稳定复杂性机制的原因还在研究中。总而言之，通过对复杂适应系统理论的利用，能够对环境科学领域中的一些问题，但是还是存在很大的困难，不能否认的是，其一直在朝着积极的方向发展。

　　4结束语

　　综上所述，现阶段复杂性的科学理论还处于进一步的研究中，一些新理论层出不穷。已经形成的复杂性的科学理论给予了传统环境科学和工程新的启示，具有十分重要的实际作用。反之，环境系统的问题已经成为复杂系统理论在研究过程中比较大的动力与挑战。人们可以预言，复杂性的科学理论在环境科学中的运用，不但可以实现在基础理论上的突破，还能够为环境科学的发展迎来更好地居于，会给予人类发展一个非常好的未来。

　　参考文献：

　　[1]陈侃.城市化进程与水环境质量关系及突发水污染事件规律的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

　　作者简介：

　　陈企楠（1992-），男，湖北武汉人，长江大学资源与环境学院硕士研究生，研究方向：油气地球化学。

　　周伟（1991-），女，湖北宜昌人，长江大学地球科学学院硕士研究生，研究方向：油藏描述。

　　来源：中国化工贸易·上旬刊 2017年7期