一種快速構建經濟高效型人工濕地的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及人工濕地構建技術領域，具體涉及一種構建經濟高效型人工濕地的方 法。 技術背景
[0002] 隨著環境保護的迅速發展，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越性受到了越來越多的關注和發展。
[0003] 人工濕地對污水的處理是系統內部植物、基質和微生物之間物理、化學與生物過 程相互作用的綜合結果，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] 人工濕地系統水處理工藝的關鍵在于系統工藝路線的設計、植物和基質的選擇及 其應用配置。人工濕地系統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 作為營養物而參與物質的地球化學循環，另一方面它的根區為微生物提供了必要的附著和 形成菌落的場所，促進微生物的發育，并通過根莖向下傳送氧，給根系微生物提供良好環 境，促進微生物對根際周圍沉積物的生物化學反應，從而間接地提高濕地對廢水的處理效 果。基質材料選擇時要考慮基質對污染的吸附性能和基質堵塞問題。一般地，濕地床基質 應選用比表面積較大、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，容易導致阻塞。
[0005] 目前，對于人工濕地污水處理系統構建時還存在以下問題：
[0006] (1)人工濕地構建時選擇植物的隨意性較大。在人工濕地系統的構建過程中，植物 的選擇和配置是至關重要的因素，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，同時要考慮系統的主要功能與植物的植物學特性。 目前人工濕地構建過程中，植物的選擇多是經驗性的或是基于一次、幾次的實驗結果，沒有 對大量實際結果結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動力學和濕地內部的水流流態外，還有溫度、進水負荷、 水力停留時間、濕地容水體積和出水量、區域差異和氣候特征以及系統設計類型等因素。由 于目前對人工濕地的研究沒有統一的對比標準，人工濕地的規模和類型千差萬別，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、環境、氣候條件及水質特性的人工 濕地處理效果與影響因素的數據庫，為人工濕地構建提供數據支持。
[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，在人工濕地系統構建時，要系統、綜合考慮各種投資的影響 因素。
[0009] 本發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，降低經濟投入。為構建人工濕地設計方案提供技術性的 支持。
【發明內容】
[0010] 本發明通過對不同地區、不同污染程度的污水數據和不同植物的信息數據進行分 析、挖掘，從而優化出最經濟高效的人工濕地構建方案。
[0011] 技術方案如下：一種快速構建經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數據進行分析，基于 數據挖掘技術，對原始數據進行取樣、探索、預處理，獲得符合優化條件的有用數據信息；然 后將挖掘出的各指標數據根據規定的條件構建多元函數模型，并求出對應的黑塞矩陣；基 于高斯公式和多元函數極值的性質對黑塞矩陣進行分析判斷，優化出經濟高效的人工濕地 構建方案。
[0012] -種構建經濟高效型人工濕地的方法，具體步驟如下：
[0013] 步驟1 :對原始數據的各指標數據進行數據挖掘分析，挖掘出有用的相關信息；首 先對數據分類抽樣，再對樣本數據進行數據探索和預處理，然后進行數據篩選，而對于缺失 值，則用加權平均法插補；
[0014] 步驟2:建立多元函數模型
[0015] 將步驟1挖掘出的各指標數據向量化，方便觀察與構建多元函數模型，又因模型 的需要，將植物對四種污染物（COD、TN、TP和濁度）分別的總去除率用高斯法歸一化。考 慮幾種重要因素對植物的影響，實現植物的生命周期達到最長，維修次數最少，經濟費用最 低，污水凈化效果最理想等優化目標。對4種污染指標用模糊層次分析法兩兩比較其重要 程度，確定權重集S = (Sl，s2, s3, S4)，并將權數Sl、s2、s3、心分別賦予COD、TN、TP、濁度的 最終凈化濃度，設立綜合指數F評價凈化效果，F越小凈化效果越好，則建立關于k= (kp k2, · · ·，kn)的n+m元函數模型為：
[0016] f(k) = S1C1' +s2c 2' +s3c3' +S 4C4'
[0017] 步驟3 :構建黑塞矩陣并分析判斷
[0018] 顯然步驟2構建的n+m元函數f(k)在所考慮的定義域Rn+m內是存在連續一階和 二階偏導數，f(k)有黑塞矩陣\7 2/;
[0019] 若該n+m元函數f (k)在定義域Rn+m，存在內點k。使得▽/(&)在該點處有
,則k。為我們所求的使該n+m元函數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的，即最經濟的，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的最優搭配方案，而 所需要的經濟費用
[0021] 本發明專利是基于數據挖掘技術和多元函數極值法建立的一種快速構建經濟高 效型人工濕地的方法。其優點包括：
[0022] 該方法基于數據挖掘技術，挖掘出相關性較強的數據，并基于多元極值法，構建最 優模型。因而本發明的算法能有效地為構建人工濕地提供經濟高效型的方案。
【具體實施方式】 [0023] 實施例1
[0024]
[0025] 所述的構建經濟高效型人工濕地的方法具體步驟如下：
[0026] 步驟1 :對原始數據的各指標數據進行數據挖掘分析，挖掘出有用的相關信息。首 先對數據分類抽樣，在對樣本數據進行數據探索和預處理，然后進行數據篩選，而對于缺失 值，則用加權平均法插補。
[0027] 步驟2 :建立多元函數模型
[0028] 將步驟1挖掘出的各指標數據向量化，方便觀察與構建多元函數模型，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，維修次數最少，經濟費用最低， 污水凈化效果最理想。對4種污染指標用模糊層次分析法兩兩比較其重要程度，確定權重 集S = (Sl，s2, s3, S4)，并將權數Sl、s2、s3、心分別賦予COD、TN、TP、濁度的最終凈化濃度，設 立綜合指數F評價凈化效果，F越小凈化效果越好，則建立關于k = (kp k2,. . .，kn)的n+m 元函數模型為：
[0029] f(k) = S1C1' +s2c 2r +s3c3r +s4c4,
[0030] 步驟3 :構建黑塞矩陣并分析判斷
[0031] 顯然步驟2構建的n+m元函數f (k)在所考慮的定義域Rn+m內是存在連續一階和 二階偏導數，f(k)有黑塞矩陣V2/。
[0032] 若該n+m元函數f (k)在定義域Rn+m，存在內點k。使得▽/(&)在該點處有
，則k。為我們所求的使該n+m元函數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的最優搭配方案，而 所需要的經濟費用
[0034] 步驟1包含的子步驟：
[0035] SI. 1分類抽樣：按污水源區域分類抽取多組觀測值；
[0036] SI. 2數據探索：對抽取的數據進行異常值分析、缺失值分析、相關分析、周期性分 析、樣本交叉驗證；
[0037] SI. 3 預處理：
[0038] SI. 3. 1數據篩選：篩選掉觀測值樣本中無關緊要的觀測值，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：用加權平均法補數；
[0040] 步驟2包含的子步驟：
[0041] S2. 1指標數據向量化：
[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：α = ( α ρ α 2,......，α η);
[0049] m 種基質的價格：q = (qn+1，qn+2,.....，qn+m);
[0050] 基質對TN平均每天的去除率：u = (u n+1，un+2,......，un+m);
[0051] 基質對TP平均每天的去除率：v = (v n+1，vn+2,......，vn+m);
[0052] 基質對n植物的影響系數：λ = ( λ p λ 2,......, λη)；
[0053] 基質的去池率：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I = F (L，T)，
[0056] I = (I1, I2,......，I3)
[0057] 設購選η種植物單位面積的株數= (kp k2,......，kn)，
[0058] 購選m種基質單位面積的質量：k" = (kn+1，kn+2,......，kn+m)，
[0059] 則購選植物和基質單位面積的數量向量：
[0060] k (ki，1^2，· · ·，kn，kn+i，·