治理农村点面源污染的湿地调控方法、系统及构建方法与流程

本发明属于农村生态环境治理与智慧水务，具体涉及一种治理农村点面源污染的人工湿地调控方法、调控系统和构建方法。

背景技术：

1、农村水环境污染治理的核心难题在于两类污染源的协同管控：一是村庄生活污水，特别是经化粪池预处理后的分散式点源排放；二是农田退水携带的氮磷养分及残留农药，属于典型的面源污染。这两类水体在空间上高度重叠，水质水量特征互补--生活污水水量稳定但浓度较高，农田退水水量巨大但呈间歇性排放，然而长期以来二者被割裂治理，导致土地资源浪费、处理设施利用效率低下。

2、然而，现有技术和研究仍存在以下不足：

3、（1）处理对象单一，缺乏将生活污水与农田退水进行空间耦合与水力联动的系统性设计，未能发挥两类水体在水量、水质上的互补优势；

4、（2）运行维护依赖人工，缺乏针对农村地区低功耗、免维护需求的运维体系。

技术实现思路

1、本技术针对现有技术中的处理对象单一、缺乏将生活污水与农田退水进行空间耦合与水力联动的系统性设计的缺点，提供了一种治理农村点面源污染的人工湿地及其协同调控方法、调控系统和构建方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、第一方面，本技术提供治理农村点面源污染的湿地调控方法，所述方法用于具有汇流调节井的人工湿地，所述方法包括以下步骤：

4、采集所述汇流调节井的监测信息；所述监测信息包括生活污水进水流量、农田退水汇入流量；

5、根据所述监测信息预测来水状态参数和出水水质参数；

6、根据所述来水状态参数和出水水质参数计算协同净化潜力指数和水力冲击指数；其中协同净化潜力指数表征人工湿地的污染压力，水力冲击指数用于表征人工湿地的水力冲击风险；

7、基于所述协同净化潜力指数和所述水力冲击指数生成控制指令，所述控制指令用于驱动设置于所述汇流调节井内的调节装置，以调节进入人工湿地的农田退水与生活污水的混合比例。

8、可以理解的是，上述实施方式提出了一种基于协同净化潜力指数（cppi）和水力冲击指数（hrrc）的智能调控方法。通过实时监测并预测来水与出水状态，量化湿地的污染压力与水力风险，据此动态调节生活污水与农田退水的混合比例，有效缓冲了水力冲击，显著提升了人工湿地对农村点面源污染的稳定处理能力。

9、在一种可实施的方式中，所述协同净化潜力指数cppi的计算方法为：

10、，

11、其中，codsw为生活污水的cod，tnsw为生活污水的总氮浓度；codmix为生活污水与农田退水混合后的cod浓度，tnmix为生活污水与农田退水混合后的总氮浓度；dofw为农田退水的溶解氧实测值，dosat为饱和溶解氧的值；tpfw为农田退水的总磷浓度，tpsw为生活污水的总磷浓度；α、β、γ、δ为权重系数，满足α+β+γ+δ=1。

12、可以理解的是，上述实施方式提出了一种多维度的协同净化潜力指数（cppi）计算方法。该方法通过综合考量生活污水与农田退水混合前后的cod、总氮浓度比值，以及溶解氧饱和度和总磷浓度差值，并引入动态标定的权重系数，能够精准量化混合水体的净化潜力和污染负荷特征。

13、在一种可实施的方式中，所述水力冲击指数hrrc的计算方法为：

14、，

15、其中，qfw,peak为未来1小时内预测的最大农田退水流量；qwetland,design为湿地设计表面水力负荷对应的流量；r24h为未来24小时预报降雨量；hcurrent为汇流调节井内的水位，hmin为维持人工湿地运行的最低水位；k为衰减系数，用于调节水位差对风险系数的影响权重。

16、可以理解的是，上述实施方式提出了一种水力冲击指数（hrrc）计算方法。该方法不仅考量了短期预测流量与设计负荷的比值，还引入了未来降雨量修正系数。通过多维度量化进水冲击强度与系统承载能力的匹配关系，能够精准识别因暴雨或流量突增导致的水力过载风险。

17、在一种可实施的方式中，进入人工湿地的农田退水与生活污水的混合比例，可通过以下方法计算：

18、，

19、其中，j为效益评价指数，用于表征不同分流比下的系统综合性能，并作为选取最优分流比的依据；r为农田退水与生活污水的分流比，cppi(r)为引入分流比调节变量后的协同净化潜力指数函数，用于表征在当前分流比r下，生活污水与农田退水混合后的实时协同净化潜力，qsw为生活污水进水流量，qfw为农田退水汇入流量，qtarget为湿地总进水量目标值，cenergy为预设的泵送能耗系数，w1、w2、w3为预设的权重系数。

20、可以理解的是，上述实施方式构建了基于多目标优化的混合比例调控策略。通过建立包含协同净化潜力指数、流量偏差及泵送能耗的目标函数，动态求解最优分流比，在追求水质净化效果最大化的同时，兼顾了进水流量稳定性与运行能耗最低化，确保了湿地系统在高效去除污染物的同时，保持低能耗、稳定运行。

21、在一种可实施的方式中，cppi(r)可通过以下方式计算：

22、，

23、其中，codsw为生活污水的cod，codmix为生活污水与农田退水混合后的cod浓度，tnsw为生活污水的总氮浓度；tnmix为生活污水与农田退水混合后的总氮浓度；dofw为农田退水的溶解氧实测值，dosat为饱和溶解氧的值；tpfw为农田退水的总磷浓度，tpsw为生活污水的总磷浓度；α、β、γ、δ为权重系数，满足α+β+γ+δ=1。

24、可以理解的是，上述实施方式提出了一种基于动态分流比的协同净化潜力指数（cppi(r)）实时计算方法。该方法将分流比r作为核心变量引入水质混合模型，能够精确量化在不同混合比例下，生活污水与农田退水在cod、总氮、溶解氧及总磷等关键指标上的互补效应。

25、在一种可实施的方式中，所述基于所述协同净化潜力指数和所述水力冲击指数生成控制指令，包括以下步骤：

26、获取当前的协同净化潜力指数和水力冲击指数，将其作为输入变量输入至预设的模糊逻辑控制器；

27、所述模糊逻辑控制器基于预设的模糊规则库进行推理运算，输出进水流量调节指令；

28、根据所述进水流量调节指令，分别调节电动蝶阀和电动可调节溢流堰的开度；

29、其中，电动蝶阀的开度用于调节生活污水的进水流量，电动可调节溢流堰用于调节农田退水的进水流量。

30、可以理解的是，上述实施方式采用模糊逻辑控制，能够有效处理协同净化潜力指数与水力冲击指数之间的非线性耦合关系。相比传统阈值控制，模糊控制避免了执行机构在临界点的频繁震荡，实现了阀门与堰高的平滑连续调节，同时，在保障水力安全的前提下，最大化了农田退水的协同净化效益，显著增强了系统的鲁棒性与运行稳定性。

31、在一种可实施的方式中，所述根据所述监测信息预测来水状态参数，具体包括：

32、获取历史降雨量、历史排水量和天气预报降雨量；

33、将所述历史降雨量、所述历史排水量和所述天气预报降雨量输入至采用长短期记忆网络构建的来水预测模型中，预测得到未来多时段的来水量。

34、可以理解的是，上述实施方式采用基于长短期记忆网络（lstm）的来水预测模型，充分利用了历史降雨量、历史排水量及天气预报降雨量等多源数据的时间序列特征，显著提高了对未来多时段来水量预测的准确性和时效性。

35、在一种可实施的方式中，所述根据所述监测信息预测出水水质参数，具体包括：

36、获取运行参数、环境参数和时间特征；

37、将所述运行参数、所述环境参数和所述时间特征输入至采用随机森林算法构建的出水水质预测模型中，预测得到所述出水水质参数。

38、可以理解的是，上述实施方式采用基于随机森林算法的出水水质预测模型，通过整合运行参数、环境参数及时间特征等多维输入变量，准确捕捉各影响因素与出水水质之间的内在关联，显著提高了预测精度。

39、第二方面，本技术提供一种治理农村点面源污染的人工湿地调控系统，包括：

40、采集模块，用于采集所述汇流调节井的监测信息；所述监测信息包括生活污水进水流量、农田退水汇入流量；

41、预测模块，用于根据所述监测信息预测来水状态参数和出水水质参数；

42、计算模块，用于根据所述来水状态参数和出水水质参数计算协同净化潜力指数和水力冲击指数；其中所述协同净化潜力指数表征人工湿地的污染压力，所述水力冲击指数用于表征人工湿地的水力冲击风险；

43、调控模块，用于基于所述协同净化潜力指数和所述水力冲击指数生成控制指令，并驱动设置于所述汇流调节井内的调节装置，以调节进入人工湿地的农田退水与生活污水的混合比例。

44、可以理解的是，在上述系统中，通过预测模型提前预判来水与水质状态，基于cppi和hrrc指标自动生成指令，驱动电动执行机构调节阀门与堰门。有效应对了农田退水水质水量波动大的难题，在保障出水稳定的同时，实现了全自动运行，大幅降低了对人工运维的依赖。

45、第三方面，本技术提供一种治理农村点面源污染的人工湿地的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：

46、获取水平潜流湿地的水力负荷参数和第一填料设计参数；

47、基于支持向量回归算法，以所述水力负荷参数和第一填料设计参数作为输入变量，以污染物去除率作为输出变量，构建非线性映射模型；其中，污染物去除率包括化学需氧量去除率、氨氮去除率和总磷去除率；

48、以所述非线性映射模型为适应度函数，采用遗传算法以最大化加权去除率为目标，对所述第一填料设计参数进行全局寻优，获得使所述加权去除率最大化的第二填料设计参数组合；所述水平潜流湿地根据所述第二填料设计参数填料。

49、需要说明的是，在上述构建方法中采用支持向量回归结合遗传算法进行湿地构建参数的全局寻优。通过建立填料及水力参数与污染物去除率的非线性映射模型，并以最大化加权去除率为目标自动搜索最优设计方案，克服了传统人工设计依赖经验、难以兼顾多目标的局限，实现了湿地填料配置的精准化与科学化，显著提升了湿地系统对农村点面源污染的处理效能。

50、本技术由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

51、本技术通过采集汇流调节井的监测信息，利用预测模型提前获取来水状态与出水水质参数，并据此计算协同净化潜力指数和水力冲击指数，精准量化污染压力与水力风险。同时，基于双指数生成控制指令动态调节农田退水与生活污水的混合比例，最大化利用了不同水源的协同净化效应，显著提升了人工湿地处理农村点面源污染的稳定性与效率。