一種快速構(gòu)建經(jīng)濟高效型人工濕地的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工濕地構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種構(gòu)建經(jīng)濟高效型人工濕地的方 法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著環(huán)境保護的迅速發(fā)展，人們對濕地功能也有了廣泛的認識。濕地作為"地球 之腎"，擔(dān)負著對地球自然水體的凈化和處理功能。由于城市中天然濕地的逐漸減少和消 亡，因此人工濕地以其獨到的優(yōu)越性受到了越來越多的關(guān)注和發(fā)展。
[0003] 人工濕地對污水的處理是系統(tǒng)內(nèi)部植物、基質(zhì)和微生物之間物理、化學(xué)與生物過 程相互作用的綜合結(jié)果，它通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物代謝等多種 途徑去除廢水中的懸浮物、有機物、氮、磷、重金屬和病原微生物。
[0004] 人工濕地系統(tǒng)水處理工藝的關(guān)鍵在于系統(tǒng)工藝路線的設(shè)計、植物和基質(zhì)的選擇及 其應(yīng)用配置。人工濕地系統(tǒng)中植物一方面自身可以吸收和利用廢水中的一部分有毒有害物 作為營養(yǎng)物而參與物質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)，另一方面它的根區(qū)為微生物提供了必要的附著和 形成菌落的場所，促進微生物的發(fā)育，并通過根莖向下傳送氧，給根系微生物提供良好環(huán) 境，促進微生物對根際周圍沉積物的生物化學(xué)反應(yīng)，從而間接地提高濕地對廢水的處理效 果?；|(zhì)材料選擇時要考慮基質(zhì)對污染的吸附性能和基質(zhì)堵塞問題。一般地，濕地床基質(zhì) 應(yīng)選用比表面積較大、空隙率較高、表面粗糙、吸附性能強的填料，便于吸附和微生物掛膜， 但同時也要考慮到水流和氣流暢通的問題，填料粒徑太小，容易導(dǎo)致阻塞。
[0005] 目前，對于人工濕地污水處理系統(tǒng)構(gòu)建時還存在以下問題：
[0006] (1)人工濕地構(gòu)建時選擇植物的隨意性較大。在人工濕地系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，植物 的選擇和配置是至關(guān)重要的因素，尤其要考慮植物間的相互影響作用、植物受地域氣候影 響、污水中污染物的種類和濃度等因素，同時要考慮系統(tǒng)的主要功能與植物的植物學(xué)特性。 目前人工濕地構(gòu)建過程中，植物的選擇多是經(jīng)驗性的或是基于一次、幾次的實驗結(jié)果，沒有 對大量實際結(jié)果結(jié)合起來進行充分考慮。
[0007] (2)需深入探討人工濕地處理效果的影響因素。影響人工濕地對污染物去除效果 因素，除了濕地污染物降解的反應(yīng)動力學(xué)和濕地內(nèi)部的水流流態(tài)外，還有溫度、進水負荷、 水力停留時間、濕地容水體積和出水量、區(qū)域差異和氣候特征以及系統(tǒng)設(shè)計類型等因素。由 于目前對人工濕地的研究沒有統(tǒng)一的對比標(biāo)準(zhǔn)，人工濕地的規(guī)模和類型千差萬別，諸多研 究成果缺乏可比性。因此，有必要建立適合于不同地區(qū)、環(huán)境、氣候條件及水質(zhì)特性的人工 濕地處理效果與影響因素的數(shù)據(jù)庫，為人工濕地構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支持。
[0008] (3)人工濕地前期投資較大。人工濕地盡管后期運行費用較少，但在前期基建工 程、基質(zhì)材料填充和植物栽培時都需要一定的資金投入，且人工濕地占地面積較大一定程 度上增加了費用的支出。因而，在人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建時，要系統(tǒng)、綜合考慮各種投資的影響 因素。
[0009] 本發(fā)明正是基于考慮植物間的相互影響，力求選出的植物搭配使得植物的生命周 期盡可能長，去污能力高的前提下，降低經(jīng)濟投入。為構(gòu)建人工濕地設(shè)計方案提供技術(shù)性的 支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明通過對不同地區(qū)、不同污染程度的污水?dāng)?shù)據(jù)和不同植物的信息數(shù)據(jù)進行分 析、挖掘，從而優(yōu)化出最經(jīng)濟高效的人工濕地構(gòu)建方案。
[0011] 技術(shù)方案如下：一種快速構(gòu)建經(jīng)濟高效型人工濕地的方法，包括以下步驟：首先 對污水中各污染物濃度、地域氣候土壤情況及不同植物類型的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析，基于 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對原始數(shù)據(jù)進行取樣、探索、預(yù)處理，獲得符合優(yōu)化條件的有用數(shù)據(jù)信息；然 后將挖掘出的各指標(biāo)數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)定的條件構(gòu)建多元函數(shù)模型，并求出對應(yīng)的黑塞矩陣；基 于高斯公式和多元函數(shù)極值的性質(zhì)對黑塞矩陣進行分析判斷，優(yōu)化出經(jīng)濟高效的人工濕地 構(gòu)建方案。
[0012] -種構(gòu)建經(jīng)濟高效型人工濕地的方法，具體步驟如下：
[0013] 步驟1 :對原始數(shù)據(jù)的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘分析，挖掘出有用的相關(guān)信息；首 先對數(shù)據(jù)分類抽樣，再對樣本數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)探索和預(yù)處理，然后進行數(shù)據(jù)篩選，而對于缺失 值，則用加權(quán)平均法插補；
[0014] 步驟2:建立多元函數(shù)模型
[0015] 將步驟1挖掘出的各指標(biāo)數(shù)據(jù)向量化，方便觀察與構(gòu)建多元函數(shù)模型，又因模型 的需要，將植物對四種污染物（COD、TN、TP和濁度）分別的總?cè)コ视酶咚狗w一化。考 慮幾種重要因素對植物的影響，實現(xiàn)植物的生命周期達到最長，維修次數(shù)最少，經(jīng)濟費用最 低，污水凈化效果最理想等優(yōu)化目標(biāo)。對4種污染指標(biāo)用模糊層次分析法兩兩比較其重要 程度，確定權(quán)重集S = (Sl，s2, s3, S4)，并將權(quán)數(shù)Sl、s2、s3、心分別賦予COD、TN、TP、濁度的 最終凈化濃度，設(shè)立綜合指數(shù)F評價凈化效果，F(xiàn)越小凈化效果越好，則建立關(guān)于k= (kp k2, · · ·，kn)的n+m元函數(shù)模型為：
[0016] f(k) = S1C1' +s2c 2' +s3c3' +S 4C4'
[0017] 步驟3 :構(gòu)建黑塞矩陣并分析判斷
[0018] 顯然步驟2構(gòu)建的n+m元函數(shù)f(k)在所考慮的定義域Rn+m內(nèi)是存在連續(xù)一階和 二階偏導(dǎo)數(shù)，f(k)有黑塞矩陣\7 2/;
[0019] 若該n+m元函數(shù)f (k)在定義域Rn+m，存在內(nèi)點k。使得▽/(&)在該點處有
,則k。為我們所求的使該n+m元函數(shù)f (k)取得極小值的向 量，即購選向量為k。時，所建立的人工濕地方案是最優(yōu)的，即最經(jīng)濟的，污染物去除效率最 尚的；
[0020] 步驟4 :由步驟3得到的極小值向量k。即為購選的植物與基質(zhì)的最優(yōu)搭配方案，而 所需要的經(jīng)濟費用
[0021] 本發(fā)明專利是基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和多元函數(shù)極值法建立的一種快速構(gòu)建經(jīng)濟高 效型人工濕地的方法。其優(yōu)點包括：
[0022] 該方法基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘出相關(guān)性較強的數(shù)據(jù)，并基于多元極值法，構(gòu)建最 優(yōu)模型。因而本發(fā)明的算法能有效地為構(gòu)建人工濕地提供經(jīng)濟高效型的方案。
【具體實施方式】 [0023] 實施例1
[0024]
[0025] 所述的構(gòu)建經(jīng)濟高效型人工濕地的方法具體步驟如下：
[0026] 步驟1 :對原始數(shù)據(jù)的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘分析，挖掘出有用的相關(guān)信息。首 先對數(shù)據(jù)分類抽樣，在對樣本數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)探索和預(yù)處理，然后進行數(shù)據(jù)篩選，而對于缺失 值，則用加權(quán)平均法插補。
[0027] 步驟2 :建立多元函數(shù)模型
[0028] 將步驟1挖掘出的各指標(biāo)數(shù)據(jù)向量化，方便觀察與構(gòu)建多元函數(shù)模型，又因模型 的需要，將植物對四種污染物（C0D、TN、TP和濁度）的去除率分別用高斯法歸一化。考慮幾 種重要因素對植物的影響，要使植物的生命周期達到最長，維修次數(shù)最少，經(jīng)濟費用最低， 污水凈化效果最理想。對4種污染指標(biāo)用模糊層次分析法兩兩比較其重要程度，確定權(quán)重 集S = (Sl，s2, s3, S4)，并將權(quán)數(shù)Sl、s2、s3、心分別賦予COD、TN、TP、濁度的最終凈化濃度，設(shè) 立綜合指數(shù)F評價凈化效果，F(xiàn)越小凈化效果越好，則建立關(guān)于k = (kp k2,. . .，kn)的n+m 元函數(shù)模型為：
[0029] f(k) = S1C1' +s2c 2r +s3c3r +s4c4,
[0030] 步驟3 :構(gòu)建黑塞矩陣并分析判斷
[0031] 顯然步驟2構(gòu)建的n+m元函數(shù)f (k)在所考慮的定義域Rn+m內(nèi)是存在連續(xù)一階和 二階偏導(dǎo)數(shù)，f(k)有黑塞矩陣V2/。
[0032] 若該n+m元函數(shù)f (k)在定義域Rn+m，存在內(nèi)點k。使得▽/(&)在該點處有
，則k。為我們所求的使該n+m元函數(shù)f (k)取得極小值的向 量，即購選向量為k。時，所建立的人工濕地方案是最經(jīng)濟高效的。
[0033] 步驟4:由步驟3得到的極小值向量k。即為購選的植物與基質(zhì)的最優(yōu)搭配方案，而 所需要的經(jīng)濟費用
[0034] 步驟1包含的子步驟：
[0035] SI. 1分類抽樣：按污水源區(qū)域分類抽取多組觀測值；
[0036] SI. 2數(shù)據(jù)探索：對抽取的數(shù)據(jù)進行異常值分析、缺失值分析、相關(guān)分析、周期性分 析、樣本交叉驗證；
[0037] SI. 3 預(yù)處理：
[0038] SI. 3. 1數(shù)據(jù)篩選：篩選掉觀測值樣本中無關(guān)緊要的觀測值，最后提取出污水中污 染物COD、TN、TP濃度、濁度和該地區(qū)的年平均降水量、年平均氣溫及不同植物的生命周期、 價格、對以上3種不同污染物及濁度的去除率，不同基質(zhì)的價格及對植物的影響能力、去濁 能力。
[0039] SI. 3. 2缺失值處理：用加權(quán)平均法補數(shù)；
[0040] 步驟2包含的子步驟：
[0041] S2. 1指標(biāo)數(shù)據(jù)向量化：
[0042] η種植物的生命周期：t = (tp t2,......，O ;
[0043] 植物分別的價格：p = (P1, p2,......，Pn);
[0044] 植物對COD平均每天的去除率：h = Qi1, h2,......，hn);
[0045] 植物對TN平均每天的去除率：a = (ai，a2,......，an);
[0046] 植物對TP平均每天的去除率：b = Ov b2,......，bn);
[0047] 植物對濁度平均每天的去除率：d =(山，d2,......，dn);
[0048] η種植物分別的影響系數(shù)：α = ( α ρ α 2,......，α η);
[0049] m 種基質(zhì)的價格：q = (qn+1，qn+2,.....，qn+m);
[0050] 基質(zhì)對TN平均每天的去除率：u = (u n+1，un+2,......，un+m);
[0051] 基質(zhì)對TP平均每天的去除率：v = (v n+1，vn+2,......，vn+m);
[0052] 基質(zhì)對n植物的影響系數(shù)：λ = ( λ p λ 2,......, λη)；
[0053] 基質(zhì)的去池率：g = (gn+1，gn+2,......，gn+m);
[0054] 污水中污染物COD濃度Cl、TN濃度c2、TP濃度c 3、濁度c4和該地區(qū)的降水量L、平 均氣溫T ;
[0055] 降水量和平均氣溫對植物的影響系數(shù)I = F (L，T)，
[0056] I = (I1, I2,......，I3)
[0057] 設(shè)購選η種植物單位面積的株數(shù)= (kp k2,......，kn)，
[0058] 購選m種基質(zhì)單位面積的質(zhì)量：k" = (kn+1，kn+2,......，kn+m)，
[0059] 則購選植物和基質(zhì)單位面積的數(shù)量向量：
[0060] k (ki，1^2，· · ·，kn，kn+i，·