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法律状态信息
法律状态
2022-08-30
实质审查的生效 IPC(主分类):G06Q10/04 专利申请号:2022104755984 申请日:20220429
实质审查的生效
技术领域
本发明涉及基于空间聚类改进算法的农村生活污水治理模式优化方法，属于环境管理技术领域。
背景技术
随着农业现代化程度不断提高，农村水环境问题日益突出。同时，受城乡经济社会发展二元结构影响，农村水环境基础设施及治理能力相对薄弱，农村水生态环境安全与生态保护问题是农村环境保护工作的薄弱环节和新农村建设发展的关键制约因素。因此，加强农村生活污水处理设施建设已经成为我国农村环境综合治理和生态环境建设的重要内容。
农村生活污水治理模式主要包括纳管处理、集中处理和分散处理，合理确定污水处理模式和处理设施规模是实现农村生活污水环境效益及经济效益最大化的重要前提。目前，相关研究大多以建设投资和运行成本作为考量因素，很少将污水设施建设期及运营期的全过程环境影响纳入决策。因此，需要综合考虑全生命周期的环境影响及治理成本等因素，合理确定农村生活污水处理设施的空间布局、处理规模及处理工艺，提升农村生活污水治理模式决策过程的科学性，实现农村生活污水环境效益及经济效益最大化。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于空间聚类改进算法的农村生活污水治理模式优化方法，提升了农村生活污水治理模式决策过程的科学性，实现了农村生活污水处理环境效益及经济效益最大化，可在农村生活污水处理专项规划及农村环境综合整治方案编制中推广应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于空间聚类改进算法的农村生活污水治理模式优化方法，包括以下步骤：
(1)采用空间聚类算法生成多种农村生活污水空间布局方案，并与多种污水处理工艺组合，形成若干治理模式备选方案；
(2)对每个备选方案的污水处理设施进行清单分析，建立污水处理设施生命周期评价模型，计算全生命周期的环境影响潜值；
(3)核算每个备选方案的初始成本、建设成本、运营成本和废弃成本，构建污水处理设施生命周期成本模型，计算全生命周期的污水治理成本；
(4)以全生命周期环境影响潜值和治理成本构建目标函数，对各治理模式备选方案进行多目标优化，得到不同情景条件下的最佳污水治理模式。
作为优选，所述步骤(1)采用经过改进的k-means算法进行空间聚类，具体改进过程如下：
首先，按下式构造聚类y
式中，P
公式(1)中的α
同时，为了避免由于研究区各村庄人口数量差别或地形高差过小，放大P
从减少投资成本及运行费用、降低管网漏损的角度出发，污水处理设施应尽可能布局在人口数量较多、地形高程较低的村庄附近，因此，采用下式修正聚类y
式中，X
最后，按照k-means算法其余步骤完成污水处理设施空间聚类。
作为优选，所述步骤(1)中多种污水处理工艺包含厌氧-缺氧-好氧法AAO、一体化污水处理MBR、序批式活性污泥法SBR及复合生物滤池等主流农村生物污水处理工艺。
作为优选，所述步骤(2)中清单分析是对污水处理设施整个生命周期中消耗的原材料、能源及排放的大气污染物、固态废弃物、水体污染物的数据进行调查与收集。
作为优选，所述步骤(3)中全生命周期的污水治理成本LCC＝C
式中，C
作为优选，所述步骤(4)中，根据研究区行政区划图获取各村庄中心点坐标，设置一系列拟建的污水处理设施数量，作为聚类数目k，采用k-means算法进行空间聚类，生成多个农村生活污水空间布局方案，将每个空间布局方案生成的每个聚类质心作为污水处理设施拟建地，统计每个聚类对应的村庄人口数量，计算相应的农村生活污水排放量，确定污水处理设施建设规模，测算村庄到污水处理设施的距离，将其作为管网铺设长度，用于计算环境影响潜值及污水治理成本。
作为优选，所述步骤(4)中最佳污水治理模式确定方法为：对全生命周期环境影响潜值和治理成本进行归一化处理，计算公式如下：
式中，EIP
将经过归一化处理的各备选方案环境影响潜值EIP
利用加权求和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，某污水处理工艺的目标函数如下：
min F(x)＝ω
ω
式中，N
通过设置多个目标函数的权重系数ω
有益效果：本发明的基于空间聚类改进算法的农村生活污水治理模式优化方法，相比较现有技术，采用改进的k-means空间聚类算法生成农村生活污水空间布局方案，结合全生命周期环境影响评价技术及污水治理成本核算方法，以全生命周期环境影响潜值和治理成本构建目标函数，对各治理模式备选方案进行多目标优化，得到不同情景条件下的最佳污水治理模式，提升了农村生活污水治理模式决策过程的科学性，实现了农村生活污水处理环境效益及经济效益最大化，可在农村生活污水处理专项规划及农村环境综合整治方案编制中推广应用。
附图说明
图1是A区镇级行政区划图；
图2是A区村庄空间分布图；
图3是A区农村污水处理设施布局图(以污水处理设施数量分别为1、5、10、20 为例)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本实施例以中国东部某市所辖区(A区)为例，进行基于空间聚类改进算法的农村生活污水处理治理模式优化分析，A区共有1150个自然村。
基于空间聚类改进算法的的农村生活污水治理模式优化方法，包括以下步骤：
(1)确定农村生活污水治理模式备选方案
根据A区村庄空间分布图(图2)获取1150个自然村的地理坐标，分别设置一系列拟建的污水处理设施数量(1、5、10、20、50、100、200、500、1150个)，作为聚类数目k，采用改进的k-means算法进行空间聚类，生成多个农村生活污水空间布局方案，如图3所示。将每个空间布局方案生成的每个聚类质心作为污水处理设施拟建地，统计每个聚类对应的村庄人口数量，计算相应的农村生活污水排放量，确定污水处理设施建设规模，测算村庄到污水处理设施的距离，将其作为管网铺设长度。
根据研究区行政区划图获取1150个自然村村庄中心点坐标，设置一系列拟建的污水处理设施数量，作为聚类数目k，对聚类中心坐标计算方法进行改进，采用经过改进的k-means算法进行空间聚类，生成多个农村生活污水空间布局方案，具体改进过程如下：
首先，按下式计算每个聚类y
式中，P
采用下式修正聚类y
式中，X
最后，按照k-means算法其余步骤完成污水处理设施空间聚类。
将多个农村生活污水空间布局方案与多种污水处理工艺(AAO、MBR、SBR及复合生物滤池)组合，形成若干治理模式备选方案。
(2)计算全生命周期环境影响潜值
对每个备选方案的污水处理设施进行清单分析，包括调查与收集污水处理设施整个生命周期中消耗的原材料、能源及排放的大气污染物、固态废弃物、水体污染物。数据来源包括各类统计年鉴和报表、实验室检测数据、书籍或论文、可研报告及设计资料、相关环境数据手册等。
建设阶段清单包括建筑材料(金属管材、水泥、砖、砂石等)、设备(泵、鼓风机、搅拌器等)，材料、设备运输以及施工过程消耗的能源(电、油、煤)和资源(水)，产生的废气(CO
运行阶段清单包括能源(电)和化学药剂(乙酸钠、甲醇、PAC、PAM、石灰、氯等)，产生的CO
报废阶段清单包括拆除过程中产生的废气(CO
采用生命周期影响评价软件Open-LCA，借助环境负荷数据库ecoinvent及CML2001评价方法，利用现有技术建立农村生活污水处理设施生命周期评价模型。将全生命周期环境影响分成3大类：资源(非生物资源和生物资源)的消耗、环境污染(温室效应、臭氧层耗竭、人类毒性、生态毒性、酸化、富营养化)和损害。
根据各备选方案污水处理设施的建设规模及管网铺设长度，利用已构建的生命周期评价模型，按照特征化、标准化、加权等步骤，计算全生命周期环境影响潜值。首先，应用特征化模型获得量化的各类环境影响，然后将各个环境影响的特征化结果比上标准化参考，得到标准化后的环境影响，标准化参考一般是特定国家或地区的各环境目录下的贡献物质总量，最后应用加权因子，将各类环境影响的标准化结果合并成一个“单一值”，作为全生命周期环境影响潜值。
(3)计算全生命周期污水治理成本
初始成本包括工程的建设许可、工程设计规划、工程选址与准备和招投标工作的成本等；建设成本包括设备购买与安装成本、工程和管网的建设及施工成本、土地成本(购买)和其他一切委托成本等；运行成本包括系统及设备维护、人员工资、药剂投入及污泥处理成本等；废弃成本包括工程拆除与处理、环境修复、资源回收的成本等。
采用贴现率将运营成本及废弃成本等远期成本转化为当期成本，使不同时段产生的费用可以进行直接对比，计算公式为：
式中，C
全生命周期成本计算公式为：
LCC＝C
式中，C
(4)治理模式备选方案多目标优化
对全生命周期环境影响潜值和治理成本进行归一化处理，计算公式如下：
式中，EIP
将经过归一化处理的各备选方案环境影响潜值EIP
利用加权求和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，某污水处理工艺的目标函数如下：
min F(x)＝ω
ω
式中，N
通过设置多个目标函数的权重系数ω
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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