1.本发明属于生态修复技术领域，尤其涉及一种村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统。
背景技术：2.生态修复(ecological remediation)是在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，通过优化组合，使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的修复污染环境的方法。生态修复的顺利施行，需要生态学、物理学、化学、植物学、微生物学、分子生物学、栽培学和环境工程等多学科的参与。对受损生态系统的修复与维护涉及生态稳定性、生态可塑性及稳态转化等多种生态学理论。然而，现有村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统利用透明度、总氮、总磷含量及以叶绿素a为参数对村镇微污染饮用水水质进行综合评价的综合营养状态指数法(tli)过于庞杂，操作周期长，对人员和设备要求高，对村镇微污染饮用水水质转换的响应慢，也限制了在浅村镇微污染饮用水水生态修复后村镇微污染饮用水水质的诊断和评价中的应用；同时，对水质异常数据监测方法，就需要为每个指标建立相应的阈值，工作量较大，不能很好的推广应用，而且基于阈值类的方法没有考虑到村镇微污染饮用水水环境的变化，从而会导致数据异常的漏报和错报。
3.综上所述，现有技术存在的问题是：现有村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统利用透明度、总氮、总磷含量及以叶绿素a为参数对村镇微污染饮用水水质进行综合评价的综合营养状态指数法(tli)过于庞杂，操作周期长，对人员和设备要求高，对村镇微污染饮用水水质转换的响应慢，也限制了在浅村镇微污染饮用水水生态修复后村镇微污染饮用水水质的诊断和评价中的应用；同时，对水质异常数据监测方法，就需要为每个指标建立相应的阈值，工作量较大，不能很好的推广应用，而且基于阈值类的方法没有考虑到村镇微污染饮用水水环境的变化，从而会导致数据异常的漏报和错报。
技术实现要素：4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统。
5.本发明是这样实现的，一种村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统包括：
6.抽取模块、沉淀模块、过滤模块、消毒模块、水质诊断模块、水质异常分析模块、修复效果评价模块；
7.抽取模块，与沉淀模块连接，用于抽取村镇微污染饮用水；
8.沉淀模块，与抽取模块、过滤模块连接，用于通过加入混凝剂使村镇微污染饮用水中胶体、悬浮物在内的大颗粒污染物沉淀；
9.过滤模块，与沉淀模块、消毒模块连接，用于通过过滤膜过滤沉淀；
10.消毒模块，与过滤模块、水质诊断模块连接，用于对过滤后的水进行消毒；
11.水质诊断模块，与消毒模块、水质异常分析模块连接，用于对村镇微污染饮用水水质进行诊断；
12.水质异常分析模块，与水质诊断模块、修复效果评价模块连接，用于对村镇微污染饮用水水质异常进行分析；
13.修复效果评价模块，与水质异常分析模块连接，用于对村镇微污染饮用水修复效果进行评价。
14.进一步，所述水质诊断模块诊断方法如下：
15.1)抽取村镇微污染饮用水样品；采用赛氏盘法测定村镇微污染饮用水水体透明度，村镇微污染饮用水水体透明度用tsd表示；
16.2)采用90％乙醇提取法测定村镇微污染饮用水水体叶绿素a浓度，村镇微污染饮用水水体叶绿素a浓度用chla表示；
17.3)将步骤1)和步骤2)测得的结果代入以下计算公式：
[0018][0019]
其中：
[0020]
lqi代表村镇微污染饮用水水质指数；
[0021]
chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m3；
[0022]
t
sd
代表村镇微污染饮用水水体透明度，单位m；
[0023]
4)根据计算得到的村镇微污染饮用水水质指数lqi的结果值，参照以下评价标准对村镇微污染饮用水水生态修复后的村镇微污染饮用水水质进行诊断：
[0024]
当lqi值小于15.0时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后处在以草型为主的村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质清澈；
[0025]
当lqi值大于100时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型为主的浊村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质浑浊；
[0026]
当lqi值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的村镇微污染饮用水水处在草型和藻型两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。
[0027]
进一步，所述水质异常分析模块分析方法如下：
[0028]
(1)统计村镇微污染饮用水水质断面数据，对数据进行分类存档；提取历史村镇微污染饮用水水质断面数据，建立村镇微污染饮用水水质特征断面数据集；
[0029]
(2)计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0030]
(3)采集当前时刻村镇微污染饮用水水质数据，将当前时刻村镇微污染饮用水水质数据输入村镇微污染饮用水水质异常模型进行村镇微污染饮用水水质异常分析。
[0031]
进一步，所述计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，具体包括如下子步骤：
[0032]
将历史村镇微污染饮用水水质特征预处理构成特征序列；
[0033]
计算特征序列与目的村镇微污染饮用水水质序列之间的灰色关联系数和皮尔逊系数；具体采用下式计算灰色关联系数和皮尔逊系数和皮尔逊系数
[0034][0035]
其中，为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数，g
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数序列，gh为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的灰色关联系数序列；为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数，p
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数序列，ph为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的皮尔逊系数序列；
[0036]
根据灰色关联系数和皮尔逊系数计算关联特征；计算灰色关联系数和皮尔逊系数加权后的数值sk，将sk不小于0.5的特征作为关联特征；
[0037]
进一步，所述根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：
[0038]
构建模型参数网；
[0039]
构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0040]
计算初级村镇微污染饮用水水质异常模型对验证数据集的预测结果序列，并计算与验证数据集的输出序列的差值序列；
[0041]
根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0042]
输出村镇微污染饮用水水质异常情况。
[0043]
进一步，所述构建模型参数网方法：
[0044]
将采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和关联特征序列作为输入数据集，将当前时刻的村镇微污染饮用水水质指标数据作为输出数据集。
[0045]
进一步，所述构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型方法：
[0046]
将输入数据集划分为训练、测试、验证数据集，使用训练集、测试集和验证数据集对模型参数网进行训练，得到初级村镇微污染饮用水水质异常模型。
[0047]
进一步，所述输出村镇微污染饮用水水质异常情况方法：
[0048]
根据采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值训练最终村镇微污染饮用水水质异常模型，输出村镇微污染饮用水水质异常情况。
[0049]
进一步，所述根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：
[0050]
对差值序列进行近似正态分布检验。
[0051]
进一步，所述检验方法：
[0052]
如果不满足检验，则返回重新构建参数网训练模型；
[0053]
如果满足验证，则计算差值变化范围，获得正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值。
[0054]
本发明的优点及积极效果为：本发明通过水质诊断模块可以定量描述浅村镇微污染饮用水水清村镇微污染饮用水水稳态和浊村镇微污染饮用水水稳态之间的转换，从而为
浅村镇微污染饮用水水生态修复后的村镇微污染饮用水水质提供直观、简捷的诊断方法，也为浅村镇微污染饮用水水湖泊生态修复后的管理措施的拟定以及后续生态工程方法的选择和应用提供科学合理的参考依据；同时，通过水质异常分析模块构建可以精准发现村镇微污染饮用水水质异常的村镇微污染饮用水水质异常模型，适用于不同流域不同断面的多种村镇微污染饮用水水质指标的异常分析，实现了村镇微污染饮用水水质数据异常的精准判断，降低了异常数据的漏报率以及误报率，为村镇微污染饮用水水环境质量的管理工作提供数据支持。
附图说明
[0055]
图1是本发明实施例提供的村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统结构框图。
[0056]
如图2所示，本发明提供的水质诊断模块诊断方法流程图。
[0057]
如图3所示，本发明提供的水质异常分析模块分析方法流程图。
[0058]
图1中：1、抽取模块；2、沉淀模块；3、过滤模块；4、消毒模块；5、水质诊断模块；6、水质异常分析模块；7、修复效果评价模块。
具体实施方式
[0059]
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
[0060]
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
[0061]
如图1所示，本发明实施例提供的村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统包括：
[0062]
抽取模块1、沉淀模块2、过滤模块3、消毒模块4、水质诊断模块5、水质异常分析模块6、修复效果评价模块7。
[0063]
抽取模块1，与沉淀模块2连接，用于抽取村镇微污染饮用水；
[0064]
沉淀模块2，与抽取模块1、过滤模块3连接，用于通过加入混凝剂使村镇微污染饮用水中胶体、悬浮物在内的大颗粒污染物沉淀；
[0065]
过滤模块3，与沉淀模块2、消毒模块4连接，用于通过过滤膜过滤沉淀；
[0066]
消毒模块4，与过滤模块3、水质诊断模块5连接，用于对过滤后的水进行消毒；
[0067]
水质诊断模块5，与消毒模块4、水质异常分析模块6连接，用于对村镇微污染饮用水水质进行诊断；
[0068]
水质异常分析模块6，与水质诊断模块5、修复效果评价模块7连接，用于对村镇微污染饮用水水质异常进行分析；
[0069]
修复效果评价模块7，与水质异常分析模块6连接，用于对村镇微污染饮用水修复效果进行评价。
[0070]
如图2所示，本发明提供的水质诊断模块5诊断方法如下：
[0071]
s101，抽取村镇微污染饮用水样品；采用赛氏盘法测定村镇微污染饮用水水体透明度，村镇微污染饮用水水体透明度用tsd表示；
[0072]
s102，采用90％乙醇提取法测定村镇微污染饮用水水体叶绿素a浓度，村镇微污染
饮用水水体叶绿素a浓度用chla表示；
[0073]
s103，将步骤s101和步骤s102测得的结果代入以下计算公式：
[0074][0075]
其中：
[0076]
lqi代表村镇微污染饮用水水质指数；
[0077]
chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m3；
[0078]
t
sd
代表村镇微污染饮用水水体透明度，单位m；
[0079]
s104，根据计算得到的村镇微污染饮用水水质指数lqi的结果值，参照以下评价标准对村镇微污染饮用水水生态修复后的村镇微污染饮用水水质进行诊断：
[0080]
当lqi值小于15.0时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后处在以草型为主的村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质清澈；
[0081]
当lqi值大于100时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型为主的浊村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质浑浊；
[0082]
当lqi值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的村镇微污染饮用水水处在草型和藻型两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。
[0083]
如图3所示，本发明提供的水质异常分析模块6分析方法如下：
[0084]
s201，统计村镇微污染饮用水水质断面数据，对数据进行分类存档；提取历史村镇微污染饮用水水质断面数据，建立村镇微污染饮用水水质特征断面数据集；
[0085]
s202，计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0086]
s203，采集当前时刻村镇微污染饮用水水质数据，将当前时刻村镇微污染饮用水水质数据输入村镇微污染饮用水水质异常模型进行村镇微污染饮用水水质异常分析。
[0087]
本发明提供的计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，具体包括如下子步骤：
[0088]
将历史村镇微污染饮用水水质特征预处理构成特征序列；
[0089]
计算特征序列与目的村镇微污染饮用水水质序列之间的灰色关联系数和皮尔逊系数；具体采用下式计算灰色关联系数和皮尔逊系数和皮尔逊系数
[0090][0091]
其中，为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数，g
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数序列，gh为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的灰色关联系数序列；为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数，p
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数序列，ph为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的皮尔逊系数序列；
[0092]
根据灰色关联系数和皮尔逊系数计算关联特征；计算灰色关联系数和皮尔逊
系数加权后的数值sk，将sk不小于0.5的特征作为关联特征；
[0093]
本发明提供的根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：
[0094]
构建模型参数网；
[0095]
构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0096]
计算初级村镇微污染饮用水水质异常模型对验证数据集的预测结果序列，并计算与验证数据集的输出序列的差值序列；
[0097]
根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型；
[0098]
输出村镇微污染饮用水水质异常情况。
[0099]
本发明提供的构建模型参数网方法：
[0100]
将采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和关联特征序列作为输入数据集，将当前时刻的村镇微污染饮用水水质指标数据作为输出数据集。
[0101]
本发明提供的构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型方法：
[0102]
将输入数据集划分为训练、测试、验证数据集，使用训练集、测试集和验证数据集对模型参数网进行训练，得到初级村镇微污染饮用水水质异常模型。
[0103]
本发明提供的输出村镇微污染饮用水水质异常情况方法：
[0104]
根据采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值训练最终村镇微污染饮用水水质异常模型，输出村镇微污染饮用水水质异常情况。
[0105]
本发明提供的根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：
[0106]
对差值序列进行近似正态分布检验。
[0107]
本发明提供的检验方法：
[0108]
如果不满足检验，则返回重新构建参数网训练模型；
[0109]
如果满足验证，则计算差值变化范围，获得正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值。
[0110]
本发明工作时，首先，通过抽取模块1抽取村镇微污染饮用水；通过沉淀模块2加入混凝剂使村镇微污染饮用水中胶体、悬浮物在内的大颗粒污染物沉淀；其次，通过过滤模块3利用过滤膜过滤沉淀；通过消毒模块4对过滤后的水进行消毒；然后，通过水质诊断模块5对村镇微污染饮用水水质进行诊断；通过水质异常分析模块6对村镇微污染饮用水水质异常进行分析；最后，通过修复效果评价模块7对村镇微污染饮用水修复效果进行评价。
[0111]
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
技术特征：1.一种村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统包括：抽取模块、沉淀模块、过滤模块、消毒模块、水质诊断模块、水质异常分析模块、修复效果评价模块；抽取模块，与沉淀模块连接，用于抽取村镇微污染饮用水；沉淀模块，与抽取模块、过滤模块连接，用于通过加入混凝剂使村镇微污染饮用水中胶体、悬浮物在内的大颗粒污染物沉淀；过滤模块，与沉淀模块、消毒模块连接，用于通过过滤膜过滤沉淀；消毒模块，与过滤模块、水质诊断模块连接，用于对过滤后的水进行消毒；水质诊断模块，与消毒模块、水质异常分析模块连接，用于对村镇微污染饮用水水质进行诊断；水质异常分析模块，与水质诊断模块、修复效果评价模块连接，用于对村镇微污染饮用水水质异常进行分析；修复效果评价模块，与水质异常分析模块连接，用于对村镇微污染饮用水修复效果进行评价。2.如权利要求1所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述水质诊断模块诊断方法如下：1)抽取村镇微污染饮用水样品；采用赛氏盘法测定村镇微污染饮用水水体透明度，村镇微污染饮用水水体透明度用tsd表示；2)采用90％乙醇提取法测定村镇微污染饮用水水体叶绿素a浓度，村镇微污染饮用水水体叶绿素a浓度用chla表示；3)将步骤1)和步骤2)测得的结果代入以下计算公式：其中：lqi代表村镇微污染饮用水水质指数；chla代表叶绿素a浓度，单位mg/m3；t
sd
代表村镇微污染饮用水水体透明度，单位m；4)根据计算得到的村镇微污染饮用水水质指数lqi的结果值，参照以下评价标准对村镇微污染饮用水水生态修复后的村镇微污染饮用水水质进行诊断：当lqi值小于15.0时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后处在以草型为主的村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质清澈；当lqi值大于100时，表明村镇微污染饮用水水经生态修复后由于自然或人为扰动等诱因，重新又返回以藻型为主的浊村镇微污染饮用水水稳态，村镇微污染饮用水水质浑浊；当lqi值介于15.0-100范围时，表明生态修复后的村镇微污染饮用水水处在草型和藻型两种交替稳态的中间状态，即不稳定状态，在内部和外在因素干扰下，随时可能转化成为其中的一种稳态。3.如权利要求1所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述水质异常分析模块分析方法如下：
(1)统计村镇微污染饮用水水质断面数据，对数据进行分类存档；提取历史村镇微污染饮用水水质断面数据，建立村镇微污染饮用水水质特征断面数据集；(2)计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型；(3)采集当前时刻村镇微污染饮用水水质数据，将当前时刻村镇微污染饮用水水质数据输入村镇微污染饮用水水质异常模型进行村镇微污染饮用水水质异常分析。4.如权利要求3所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述计算断面数据集中的历史村镇微污染饮用水水质特征与目的村镇微污染饮用水水质特征的关联特征，具体包括如下子步骤：将历史村镇微污染饮用水水质特征预处理构成特征序列；计算特征序列与目的村镇微污染饮用水水质序列之间的灰色关联系数和皮尔逊系数；具体采用下式计算灰色关联系数和皮尔逊系数和皮尔逊系数和皮尔逊系数其中，为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数，g
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的灰色关联系数序列，g
h
为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的灰色关联系数序列；为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数，p
kh
为特征序列k与目的村镇微污染饮用水水质序列h之间的皮尔逊系数序列，p
h
为目的村镇微污染饮用水水质序列h构成的皮尔逊系数序列；根据灰色关联系数和皮尔逊系数计算关联特征；计算灰色关联系数和皮尔逊系数加权后的数值s
k
，将s
k
不小于0.5的特征作为关联特征。5.如权利要求3所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述根据历史村镇微污染饮用水水质特征和关联特征构建村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：构建模型参数网；构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型；计算初级村镇微污染饮用水水质异常模型对验证数据集的预测结果序列，并计算与验证数据集的输出序列的差值序列；根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型；输出村镇微污染饮用水水质异常情况。6.如权利要求5所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述构建模型参数网方法：将采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和关联特征序列作为输入数据集，将当前时刻的村镇微污染饮用水水质指标数据作为输出数据集。7.如权利要求5所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述
构建初级村镇微污染饮用水水质异常模型方法：将输入数据集划分为训练、测试、验证数据集，使用训练集、测试集和验证数据集对模型参数网进行训练，得到初级村镇微污染饮用水水质异常模型。8.如权利要求5所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述输出村镇微污染饮用水水质异常情况方法：根据采集的历史村镇微污染饮用水水质数据序列和正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值训练最终村镇微污染饮用水水质异常模型，输出村镇微污染饮用水水质异常情况。9.如权利要求5所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述根据差值序列建立最终村镇微污染饮用水水质异常模型，具体包括如下子步骤：对差值序列进行近似正态分布检验。10.如权利要求9所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，其特征在于，所述检验方法：如果不满足检验，则返回重新构建参数网训练模型；如果满足验证，则计算差值变化范围，获得正常村镇微污染饮用水水质数据的区间值。
技术总结本发明属于生态修复技术领域，公开了一种村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统，所述村镇微污染饮用水水源生物生态修复装置系统包括：抽取模块、沉淀模块、过滤模块、消毒模块、水质诊断模块、水质异常分析模块、修复效果评价模块。本发明通过水质诊断模块为浅村镇微污染饮用水水生态修复后的村镇微污染饮用水水质提供直观、简捷的诊断方法；同时，通过水质异常分析模块构建可以精准发现村镇微污染饮用水水质异常的村镇微污染饮用水水质异常模型，适用于不同流域不同断面的多种村镇微污染饮用水水质指标的异常分析，实现了村镇微污染饮用水水质数据异常的精准判断，降低了异常数据的漏报率以及误报率。数据的漏报率以及误报率。数据的漏报率以及误报率。
技术研发人员：蒋海燕 张伟 汪爱河
受保护的技术使用者：湖南城市学院
技术研发日：2022.03.21
技术公布日：2022/7/5
