CN113935199A - 一种乡村水环境生态链式修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乡村水环境生态链式修复系统，其包括水质预测模型单元，基于农村水环境历史信息，构建农村水环境的水质预测模型，并基于水质预测模型预测农村水环境下一时刻的水质状况；专家决策单元，用于将预测的水质状况输入专家知识系统中，并输出与预测水质状况对应的修复方案；修复执行单元，用于根据专家决策单元输出的修复方案修复农村水环境。本发明采用多种组合方式进行农村污水净化，并将净化后的水体导入农村水环境中，通过实时采集水环境的参数信息，构建水环境的水质预测模型，用于预测未来水环境的负荷情况，并根据预测的负荷情况，实时调整污水的处理参数，以达到提前预警提前布施的作用。

Description

一种乡村水环境生态链式修复系统

技术领域

本发明属于生态修复的技术领域，具体涉及一种乡村水环境生态链式修复系统。

背景技术

随着农村经济发展，农村的生活质量得到了大幅提高，与此同时，农村也出现了许多环境问题，最为突出的便是农村水体污染，农村水体的污染使农村生态环境遭到严重损坏，生态环境失去平衡。

现有技术采用水生植物进行生态修复，水生植物的恢复与重建在淡水生态系统的稳态转化中具有重要作用，除本身能吸收同化污染物外，还能提高湿地、河道生态系统的微生物数量，调整其组成类型等。据调查统计，我国水生植物资源丰富，共有61科、168属、741种。根据生活方式一般分为挺水植物、浮叶植物、沉水植物和漂浮植物以及湿生植物，目前用于湿地、河道修复等生态处理技术的主要有芦苇、香蒲、菖蒲等挺水植物以及苦草、菹草、金鱼藻等沉水植物。

(1)水生植物的主要功能与作用

水生植物根系具有沁氧功能，剩余未被利用的氧气由根系直接释放到外界环境。发达的根系具有较大的表面积，易在根区土壤形成好氧环境，而在距根区较远的区域形成缺氧和厌氧环境，为微生物的硝化、反硝化作用及其他吸附代谢作用提供适宜的环境，扩大了水质净化的有效空间。其次，发达根系能够穿透介质层，提高基质孔隙度，增强透水性能和水力传导作用，有效避免土壤板结、水力流通不畅等问题，有研究认为，植物的去污效果除了随根系发达程度递增外，还随着水力负荷减小逐渐升高。另外，根系细胞在植物生长过程中向周围环境释放的大量无机离子、糖类和有机酸等分泌物，为微生物代谢提供了多种易降解的有机碳源，而充足的有机碳源是保证反硝化过程顺利进行的前提。

(2)典型挺水植物净化效果

挺水植物生命周期比藻类、浮水植物长，氮磷储存稳定，易通过收割去除，并且依靠发达的根系和较强的输氧能力进一步提高氮磷去除率。选择适当的挺水植物是构建湿地环境和污水深度处理的关键。

(3)典型沉水植物净化效果

沉水植物扎根于水底淤泥中，根、茎、叶与水体接触面积大，对水体中营养物质的吸收充分，同时能在水体中通过光合作用提供氧分环境，在湿地生态、河道修复中独具优势。

(4)不同类型植物组合净化效果

过度单一的植物类型净化能力有限、受季节的影响更明显以及存在抗逆性和抗虫性等问题，水质处理效果不稳定。合理的多种生活型水生植物群落比单一水生植物净化效果更稳定，缓冲能力更强，还能控制藻类生长，降低叶绿素a密度，提高水体透明度。

但现有技术并不能根据水环境的负荷，实时调整水环境污染治理方案的调节，以至于不能针对性的进行水体净化，更不能实现对水环境水体负荷的预测，以实现提前布设提前预警的功能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种乡村水环境生态链式修复系统，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种乡村水环境生态链式修复系统，其包括：

水质预测模型单元，基于农村水环境历史信息，构建农村水环境的水质预测模型，并基于水质预测模型预测农村水环境下一时刻的水质状况；

专家决策单元，用于将预测的水质状况输入专家知识系统中，并输出与预测水质状况对应的修复方案；

修复执行单元，用于根据专家决策单元输出的修复方案修复农村水环境。

进一步地，水质预测模型的构建方法包括：

S1、采集目标区域的农村水环境历史数据，并对历史数据进行预处理，得到关于水环境的时间序列数据；

S2、基于时间序列数据，构建水质预测模型：

P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M

其中，P^* _(t+1)为t+1时刻水环境负荷值的预测值，其为无量纲值；P^* _t为t时刻水环境负荷值的预测值；α为短期内影响水环境负荷的权重系数；P_(t)为t时刻水环境负荷值的实际值；β为波动权重系数；λ为弹性修正系数；M为季节影响因子；

选取与预测值最近范围内的若干组浮动小于阈值的时间序列数据，并采用加权平均法计算短期内影响水环境负荷的权重系数α；

选取与预测值最近范围内的若干组浮动大于阈值的的时间序列数据，并采用指数平滑法计算波动权重系数β。

S3、将预测得到的水环境负荷值与预存在专家知识系统中的标准负荷值进行比较，若预测值超出阈值，则发出警告，并调整修复执行单元中的参数。

进一步地，计算弹性修正系数λ：

其中，R_i为水环境梯度理查森数；η₁为污染物物质扩散比例系数，η₂为水环境溶解氧变化系数；

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t-λt²+M

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M。

进一步地，计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁，包括：

计算主要污染氨氮、氮、磷物质的物质扩散浓度；

其中，C为氨氮、氮、磷物质的扩散浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速；D_x、D_y、D_Z分别为x、y、z三个方向的扩散系数；S_C为源汇项；P_C为生化反应；

根据计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁：

其中，C′为氨氮、氮、磷物质的标准物质扩散浓度。

进一步地，基于污染物质扩散后的浓度，计算水环境梯度理查森数R_i：

其中，g为重力加速度；ρ为不同水层处水环境水密度；h为水环境深度，ρ^*为水环境的平均密度；u为水体流动速度；

进一步地，计算水环境溶解氧变化系数η₂，为：

其中，O′为水环境含氧量，O1为水环境氧气补给量，O2为水环境氧气消耗量，O3为水环境氧气缓解量。

进一步地，计算季节影响因子M，包括：

根据不同季节水环境的进出水量对水环境自身负荷的影响，计算季节影响因子M：

Log_A(τt-2)

其中，A为水环境水量交换能力值，Q1为水环境水量，Q2为水环境出流流量；τ为趋势因子，取值为2-5。

进一步地，修复执行单元包括：

设置于污水进水口的格栅，污水依次进入初沉池、压氧池和缺氧池；所述好氧池与二沉池连通；二沉池分别与污泥浓缩池和湿地相连；所述湿地与水库水环境或者河流水环境连通。

进一步地，湿地采用地下式砖混结构的潜流型人工湿地，包括石子填料，填料包括不同厚度的土壤、陶粒、沸石、细沙、粗砂、碎瓦片或灰渣构成，以形成供植物生长和微生物附着的床体；

湿地的布水系统采用穿孔管布水或穿孔花墙布水系统，进水管比湿地床高出0.5m；湿地出水系统根据对床中水位调节的要求，出水区末端的陶粒、沸石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内水位；在初春时节栽种适应温带季节性淹水的美人蕉、黄菖蒲挺水植物先锋物种，两种植物覆盖分别占比50％；每隔3月对植株茎叶以上部分进行定期清理，冬季枯萎，植物量较9月时减少50％。

本发明提供的乡村水环境生态链式修复系统，具有以下有益效果：

本发明采用多种组合方式进行农村污水净化，并将净化后的水体导入农村水环境中，通过实时采集水环境的参数信息，构建水环境的水质预测模型，用于预测未来水环境的负荷情况，并根据预测的负荷情况，实时调整污水的处理参数，以达到提前预警提前布施的作用。

附图说明

图1为农村生活污水处理组合工艺流程图。

图2为湿地结构示意图。

图3为本方案各单元出水pH变化情况。

图4为修复执行单元各单元出水TN变化情况。

图5为修复执行单元各单元出水NH4+-N变化情况。

图6为修复执行单元各单元出水TP变化情况。

图7为修复执行单元各单元出水CODMn变化情况。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，本方案的乡村水环境生态链式修复系统，包括：

水质预测模型单元，基于农村水环境历史信息，构建农村水环境的水质预测模型，并基于水质预测模型预测农村水环境下一时刻的水质状况；

专家决策单元，用于将预测的水质状况输入专家知识系统中，并输出与预测水质状况对应的修复方案；

修复执行单元，用于根据专家决策单元输出的修复方案修复农村水环境。

具体地，水质预测模型的构建方法包括：

S1、采集目标区域的农村水环境历史数据，并对历史数据进行预处理，得到关于水环境的时间序列数据；

历史数据包括水环境水体溶氧量以及溶氧变化量，水体PH值，水体COD、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、TN及TP等物质的扩散浓度，水体的水量交换能力，水体分层情况，并将该类数据进行预处理，预处理可以采用归一化处理，并采用插值法补充缺失的数据，将得到的时间序列数据作为后期模型的输入。

水环境负荷值可以根据水体富营养化程度、水体微生物含量和种类、水生动植物生长状况(包括数量和种类)、水环境边岸或者边坡植被种类和生长状况等进行综合判断，本方案定义水环境负荷值为1-10，具体水环境的负荷值大小可根据各类历史数据进行打分，分值越高则证明水环境负荷越大，水环境水质越差，则需要对进入水环境中的农村污水加强处理，因为水环境中的最大部分的污染来源为污水，而并非自然原因。

同时，将时间序列数据对应的水环境负荷值作为模型输出。

S2、基于时间序列数据，构建水质预测模型：

P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M

其中，P^* _(t+1)为t+1时刻水环境负荷值的预测值，其为无量纲值；P^* _t为t时刻水环境负荷值的预测值；α为短期内影响水环境负荷的权重系数；P_(t)为t时刻水环境负荷值的实际值；β为波动权重系数；λ为弹性修正系数；M为季节影响因子。

未来时刻的水环境负荷值的预测值采用稳定数据+波动数据+弹性变量+季节因素进行综合影响。

为得到稳定期α的权重，选取与预测值最近范围内的若干组浮动小于阈值的时间序列数据，并采用加权平均法计算短期内影响水环境负荷的权重系数α，并进行反复迭代，直至误差小于阈值。

为得到波动数据的波动权重系数β，选取与预测值最近范围内的若干组浮动大于阈值的的时间序列数据，并采用指数平滑法计算波动权重系数β。

计算弹性修正系数λ：

其中，R_i为水环境梯度理查森数；η₁为污染物物质扩散比例系数，η₂为水环境溶解氧变化系数；

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t-λt²+M

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M。

当0.6≤λ＜1时，则定义此时水环境负荷受外界的波动影响较大，且此时的波动为负相关波动，比如环境的影响，地下水的影响，植被的影响；

当0≤λ＜0.6时，则定义此时水环境负荷受外界的波动影响较小，且该波动为正相关，比如水环境的自我修复能力。

其中，计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁，包括：

计算主要污染氨氮、氮、磷物质的物质扩散浓度；

其中，C为氨氮、氮、磷物质的扩散浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速；D_x、D_y、D_Z分别为x、y、z三个方向的扩散系数；S_C为源汇项；P_C为生化反应；

根据计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁：

其中，C′为氨氮、氮、磷物质的标准物质扩散浓度，可根据对应的水文数据或者国家标准查询得知。

基于污染物质扩散后的浓度，计算水环境梯度理查森数R_i：

其中，g为重力加速度；ρ为不同水层处水环境水密度；h为水环境深度，ρ^*为水环境的平均密度；u为水体流动速度；

R_i为无量纲数，用于表示水体分层的稳定性，Ri数值越大，则说明水体趋于稳定分层，R_i>>0时，流体稳定分层；当R_i>10时，表明水体存在很稳定的层化现象，水层之前存在密度差，混合和摩擦很小，不同水层相互移动时不会产生紊动；当R_i<0.25时，表示有足够的动能克服浮力，水流不稳定，不同密度水层间扰动增加，垂向水体容易产生层间交换。当R_i接近0，垂向水体处于中性状态，垂向密度几乎一致；当R_i<0时，流动处于非稳定状态，低温水可能在高温水之上。

计算水环境溶解氧变化系数η₂：

其中，O′为水环境含氧量，O1为水环境氧气补给量，O2为水环境氧气消耗量，O3为水环境氧气缓解量。

由于不同的季节对于水体负荷具有非常重要的影响，故采用季节影响因子进行加权，计算季节影响因子M，包括：

由于不同季节对于水体的影响因素较多，本方案选取季节影响最为突出的水量进行加权，水环境的出流流量的大小决定了水体在水环境中的平均滞留时间，也就是水力停留时间，它反映水体交换能力的强弱，是水库水动力特征的重要指标。

根据不同季节水环境的进出水量对水环境自身负荷的影响，计算季节影响因子M：

Log_A(τt-2)

其中，A为水环境水量交换能力值，Q1为水环境水量，Q2为水环境出流流量；τ为趋势因子，一般根据经验取值为2-5。

S3、将预测得到的水环境负荷值与预存在专家知识系统中的标准负荷值进行比较，若预测值超出阈值，则发出警告，并调整修复执行单元中的参数。

修复执行单元包括：

设置于污水进水口的格栅，污水依次进入初沉池、压氧池和缺氧池；所述好氧池与二沉池连通；二沉池分别与污泥浓缩池和湿地相连；所述湿地与水库水环境或者河流水环境连通。

本方案的湿地为潜流型人工湿地，采用地下式砖混结构，有效容积1800m³，包括石子填料3600m³，尺寸为61900×25300×1400mm。填料由土壤、陶粒、沸石、细沙、粗砂、碎瓦片或灰渣等构成，按一定的厚度铺好，形成供植物生长和微生物附着的床体。布水系统主要是将进水按一定方式均匀地分布在处理系统中，采用穿孔管布水或穿孔花墙布水系统，进水管应比湿地床高出0.5m。湿地出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区末端的陶粒、沸石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内水位。在初春时节(3月中旬)主要栽种适应温带季节性淹水的美人蕉、黄菖蒲等挺水植物先锋物种，两种植物覆盖分别占比50％。根据试验观察，夏季美人蕉及菖蒲长势良好，每隔3月左右对植株茎叶以上部分进行定期清理，冬季枯萎，植物量较9月时减少50％。

本方案采用水质预测模型反向指导修复执行单元的参数变化，在采用本方案水质预测模型对目标水环境预测后，采用本方案的修复执行单元进行生态修复，具体为：

由图3可知，在9月至12月的长时间序列观测期间，尽管温度随季节有逐渐降低的显著变化，但谭家桥集镇污水处理站收集周边农村生活污水的进水水质较为稳定，pH在7.06～7.83之间，平均值为7.41，呈弱碱性，适合微生物生长代谢。

图3中可知，由调节池、二沉池后出水pH值较为接近，平均值都为7.07，同相比进水时pH均有明显降低，主要原因有在污水混合的过程中会进行稀释和在硝化反应时会产生硝酸和亚硝酸，从而促使pH值降低。而污水最终经人工湿地的二级处理后，出水pH值显著降低，平均值为6.81。在人工湿地运行过程中，pH值的变化受NH₄ ⁺-N变化的影响，另外有机物的厌氧降解产酸也会导致pH值降低，说明试验站垂直流人工湿地对NH₄ ⁺-N的去除作用明显；此外，夏季湿地出水pH值略高于秋冬季，随着温度降低，出水酸度反而升高。

组合工艺对氮素去除效果

参考图4，试验站经湿地植物整修及设备调试，9月中旬开始恢复正常进水。图4中可以看到，进水TN浓度逐渐升高，变化范围在1.96-7.99mg/L之间，受季节变化以及周边农村居民用水习惯影响较大。各工艺单元中，调节池与二沉池出水水质变化趋势与进水TN浓度较为接近，调节池出水TN浓度变化与进水基本一致，仅略低于进水，表明调节池均质、均量运转正常；农村生活污水经厌氧-缺氧-好氧池的生物硝化反硝化作用后，自二沉池出水TN浓度有所降低，但降幅不大，平均去除率仅为23.4％，其中11月之后去除率趋于稳定在15％-28％之间，一定程度上说明目前试验站内缺氧池的反硝化作用去除TN效果并不明显，可能原因在于工艺中污泥氨化程度较低，导致反硝化反应进程受阻，从而影响对TN的去除效果，此外，也与进水TN浓度本身已较低有关。

另一方面，湿地出水后TN浓度维持在0.14-1.49mg/L之间，平均0.53mg/L，满足地表水环境质量标准中的II类水质标准要求；且随着工艺运行逐渐稳定，TN去除率逐渐升高，最高可达97.7％，平均值为87.5％，可见组合工艺中人工湿地对TN的去除效果十分明显，人工湿地在组合工艺各单元的脱氮作用贡献率最高，氮素通过人工湿地介质的过滤作用、微生物的降解以及植物的吸收作用得以高效去除，是主要作用环节。

参考图5，在各单元出水NH₄ ⁺-N浓度的变化过程中，调节池出水NH₄ ⁺-N浓度仅略低于进水，两者变化趋势基本一致。二沉池出水NH₄ ⁺-N浓度有显著下降，平均去除率为48.6％，最高可达到87.8％，出水浓度在0.26-2.69mg/L之间，达到城镇污水排放标准中一级B标准，说明好氧池中对氨氮的硝化反应较为顺利，生化池对NH₄ ⁺-N的去除率较高。另外，二沉池出水后NH₄ ⁺-N浓度仍然有所波动，但经人工湿地作用后，NH₄ ⁺-N浓度基本稳定在0.25mg/L左右，去除率高达89.0％。可见组合工艺中人工湿地对氮素均具有较好的去除效果，且在低温条件下，仍然保持了很高的稳定性，因此，人工湿地这一类生态处理技术在农村生活污水处理领域具有很高的推广应用价值。

组合工艺对磷素去除效果

参考图6，与TN、NH₄ ⁺-N类似，恢复进水初期，调节池、二沉池内TP浓度与进水差异不大，变化趋势几乎一致。至10月底，随着进水TP浓度升高，二沉池出水TP浓度差异显著，其平均质量浓度为0.59mg/L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准(1.0mg/L)，TP去除率逐渐提高，平均去除率达到40.7％，且在此范围内，出水TP浓度受进水影响较小，观测结果表明：二沉池在进水初期受进水浓度变化影响较大，对TP去除效果不稳定；而稳定运行期间，二沉池对生活污水中总磷有良好的去除作用，并且具备一定的耐冲击负荷能力。

图中可知，进水TP浓度在0.30-2.31mg/L范围波动变化，但人工湿地出水后TP浓度基本维持在0.03-0.15mg/L之间，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准(1.0mg/L)，去除率也随着稳定运行后逐步提升，最高达到98.2％，平均为86.2％，说明垂直潜流人工湿地作为组合工艺的后续深度处理手段，对生活污水中TP具有非常好的净化效果，且出水水质能保持很高的稳定性，进水TP负荷变化对其去除率也无明显影响，抗冲击负荷能力强。

组合工艺对COD_Mn去除效果

由图6可知，与出水氮磷浓度变化不同，二沉池出水COD_Mn浓度稳定在1.66-3.52mg/L范围内，优于地表水环境质量标准II类水质限值，较进水有显著下降，平均去除率为30.7％。生活污水中COD一部分在厌氧池中被产酸菌转化成低分子有机酸，并被聚磷菌利用合成碳源类贮藏物：聚-β-羟基丁酸(PHB)，为好氧段提供能源供给；另一部分COD在反硝化脱氮过程中作为氢供体被消耗；最终COD主要在好氧池中被聚磷菌吸收到胞内产生能量，得以去除。经人工湿地进一步处理后，出水COD_Mn浓度范围在1.09-2.64mg/L，平均去除率为53.1％，因处理站收集农村生活污水自身COD_Mn浓度不高，仅在2.56-4.98mg/L范围，总体来说湿地的去除效果比较理想，受外界温度变化影响不显著，一方面与湿地植物根系发育较好有关，另一方面也与潜流型湿地结构对微生物活性的改善有联系，去除COD主要集中在植物根系周围的好氧区，然后利用好氧菌的降解吸附分解部分有机物使之转化成可被植物吸收的可溶解性的有机物得以去除。

工艺运行各类指标差异性分析

分别计算观测期间内组合工艺不同阶段中各项理化指标的浓度平均值及标准误差，利用方差分析检验各处理阶段出水中污染指标的显著性差异，结果见表5-5。

表5-5谭家桥集镇污水处理工艺

如表所示，进水时污水pH平均值为7.41，调节池出水后pH较进水显著降低，而二沉池出水pH与调节池出水之间差异不显著，说明混合稀释作用对pH影响更大。湿地出水后pH下降至平均6.81，显著低于二沉池、调节池出水，一定侧面说明湿地对有机物等污染物的去除途径以厌氧降解产酸作用为主。

各工艺阶段对TN、NH₄ ⁺-N的去除变化差异性较为一致，湿地出水的TN、NH₄ ⁺-N浓度显著低于进水、调节池与二沉池出水浓度，而其他阶段出水浓度差异不大，说明人工湿地在组合工艺各单元的脱氮作用贡献率最高，是主要作用环节。TP方面，经二沉池后出水中TP浓度显著低于进水，同时湿地出水后TP浓度也有进一步的显著下降，平均去除率分别达到42.1％和85.8％，说明生物硝化反硝化作用以及后续人工湿地的深度处理对总磷有良好的去除作用。从各工艺阶段对污水COD的去除效果对比来看，好氧分解有机物效果显著，二沉池后COD浓度显著低于进水及调节池，而湿地出水中COD浓度虽然有一定程度降低，但相较二沉池后的出水浓度差异并不显著。其原因与处理站收集农村生活污水自身COD_Mn浓度不高、潜流型湿地结构等有一定关系。

针对乡村的沟、塘、河等对象，围绕水、沙、泥、污等四个要素，利用植被缓冲带、人工生态浮岛、人工湿地、生态沟渠、植草沟、渗透塘等工程和非工程措施，逐步恢复和提升乡村地区的沟塘生态化程度，推动农村各类污染负荷的的削减和调控，进而调节和改善河流水质和环境生态质量。河道沟渠通过潜流带生态功能恢复和强化反硝化脱氮转化等技术措施，减少氮磷污染负荷、降低生态安全风险水平，也达到了河流水污染控制和治理的目的。在综合协调乡村河沟内外水生态治理效果的基础上，集成提出乡村沟塘沟渠生态系统修复与重建和生物生态组合工艺处理的技术方法，并形成生态修复与污染治理并举的乡村水环境沟塘生态双侧治理技术。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，包括：

水质预测模型单元，基于农村水环境历史信息，构建农村水环境的水质预测模型，并基于水质预测模型预测农村水环境下一时刻的水质状况；

专家决策单元，用于将预测的水质状况输入专家知识系统中，并输出与预测水质状况对应的修复方案；

修复执行单元，用于根据专家决策单元输出的修复方案修复农村水环境。

2.根据权利要求1所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，所述水质预测模型的构建方法包括：

S1、采集目标区域的农村水环境历史数据，并对历史数据进行预处理，得到关于水环境的时间序列数据；

S2、基于时间序列数据，构建水质预测模型：

P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M

其中，P^* _(t+1)为t+1时刻水环境负荷值的预测值，其为无量纲值；P^* _t为t时刻水环境负荷值的预测值；α为短期内影响水环境负荷的权重系数；P_(t)为t时刻水环境负荷值的实际值；β为波动权重系数；λ为弹性修正系数；M为季节影响因子；

选取与预测值最近范围内的若干组浮动小于阈值的时间序列数据，并采用加权平均法计算短期内影响水环境负荷的权重系数α；

选取与预测值最近范围内的若干组浮动大于阈值的的时间序列数据，并采用指数平滑法计算波动权重系数β。

S3、将预测得到的水环境负荷值与预存在专家知识系统中的标准负荷值进行比较，若预测值超出阈值，则发出警告，并调整修复执行单元中的参数。

3.根据权利要求2所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，计算弹性修正系数λ：

其中，R_i为水环境梯度理查森数；η₁为污染物物质扩散比例系数，η₂为水环境溶解氧变化系数；

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t-λt²+M

当

时，P^* _(t+1)＝αP_(t)+(1-β)P^* _t+λt²+M。

4.根据权利要求3所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁，包括：

计算主要污染氨氮、氮、磷物质的物质扩散浓度；

其中，C为氨氮、氮、磷物质的扩散浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速；D_x、D_y、D_z分别为x、y、z三个方向的扩散系数；S_c为源汇项；P_c为生化反应；

根据计算的物质扩散浓度计算物质扩散比例系数η₁：

其中，C′为氨氮、氮、磷物质的标准物质扩散浓度。

5.根据权利要求4所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，基于污染物质扩散后的浓度，计算水环境梯度理查森数R_i：

其中，g为重力加速度；ρ为不同水层处水环境水密度；h为水环境深度，ρ^*为水环境的平均密度；u为水体流动速度。

6.根据权利要求3所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，计算水环境溶解氧变化系数η₂，为：

其中，O′为水环境含氧量，O1为水环境氧气补给量，O2为水环境氧气消耗量，O3为水环境氧气缓解量。

7.根据权利要求2所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，计算季节影响因子M，包括：

根据不同季节水环境的进出水量对水环境自身负荷的影响，计算季节影响因子M：

Log_A(τt-2)

其中，A为水环境水量交换能力值，Q1为水环境水量，Q2为水环境出流流量；τ为趋势因子，取值为2-5。

8.根据权利要求1所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，所述修复执行单元包括：

设置于污水进水口的格栅，污水依次进入初沉池、压氧池和缺氧池；所述好氧池与二沉池连通；二沉池分别与污泥浓缩池和湿地相连；所述湿地与水库水环境或者河流水环境连通。

9.根据权利要求1所述的乡村水环境生态链式修复系统，其特征在于，所述湿地采用地下式砖混结构的潜流型人工湿地，包括石子填料，填料包括不同厚度的土壤、陶粒、沸石、细沙、粗砂、碎瓦片或灰渣构成，以形成供植物生长和微生物附着的床体；

湿地的布水系统采用穿孔管布水或穿孔花墙布水系统，进水管比湿地床高出0.5m；湿地出水系统根据对床中水位调节的要求，出水区末端的陶粒、沸石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内水位；在初春时节栽种适应温带季节性淹水的美人蕉、黄菖蒲挺水植物先锋物种，两种植物覆盖分别占比50％；每隔3月对植株茎叶以上部分进行定期清理，冬季枯萎，植物量较9月时减少50％。

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