《Journal of Cleaner Production》：Optimizing rural sewage management systems: A spatial configuration typology approach with multivariate factor analysis
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摘要建立科学且适用的农村生活污水处理评价体系是实现高效治理的关键前提。然而，农村污水处理工艺的选择仍主要参照城市污水处理工艺并依赖人工判断，缺乏与村庄空间特征相匹配的多维度客观决策依据。本研究提出了一种融合村庄客观空间格局分析与专家经验评价的农村生活污水处理模式与工艺决策系统
摘要
建立科学且适用的农村生活污水处理评价体系是实现高效治理的关键前提。然而，农村污水处理工艺的选择仍主要参照城市污水处理工艺并依赖人工判断，缺乏与村庄空间特征相匹配的多维度客观决策依据。本研究提出了一种融合村庄客观空间格局分析与专家经验评价的农村生活污水处理模式与工艺决策系统。通过对内蒙古自治区登口县233个自然村的验证与分析，发现该县村庄居住密度以分散型为主（43.25%），地形类型以平坦坝地为多（85.85%）。处理模式以集中式（61.05%）和资源利用型（23.23%）为主，这与黄河流域的区域特征及农业集约化程度较高相一致。结合决策树和AHP-TOPSIS模型，本研究针对不同的排放标准提出了最优污水处理工艺，其全面性和适用性优于现有地方工艺。采用偏最小二乘回归分析评估处理模式选择的影响因素，结果表明，人口规模（0.92）和国内生产总值（0.76）对处理模式的选择具有显著正向影响。通过将客观空间格局分析与专家经验评价相结合，本研究为农村污水处理技术筛选提供了可复制的决策框架，同时为相关政策制定提供了方法学支持。
引言
在中国，大部分国土面积（94%）被归类为农村，反映了其在农业中的突出地位（Xie et al., 2024a）。城乡发展之间存在复杂的环境互联关系（Chen et al., 2023）。在城市地区，生活污水通过完善的收集、处理和回用系统得到有效管理。而在农村地区，污水处理基础设施薄弱，导致浓缩营养物质和有机物的无序排放，从而造成了严重的环境负担（Xie et al., 2021）。农村污水处理面临的主要挑战包括污染源分散、水量和水质的剧烈波动以及处理效果不佳（M.Q. Huang et al., 2022; Rong et al., 2023）。在国，农村污水的碳氮比明显低于城市污水（Luan et al., 2022）。因此，应根据具体的能源、运营和地理需求开发适当的处理技术（Du et al., 2024）。
中国超过96%的农村地区缺乏适当的排水和污水处理设施（Cui et al., 2024），因此生活污水往往直接排入开放沟渠。由于技术问题或管理不当，许多设施无法正常运行（Xie et al., 2024b, Yang et al., 2024a）。因此，农村污水处理已成为环境科学与工程领域的广泛关注焦点（Xie et al., 2021）。鉴于农村和城市污水收集系统的根本差异（Li et al., 2023），城市研究的结论不能直接适用于农村环境（Latrach et al., 2018），这迫切需要独立的研究来解决不同的挑战（Huang et al., 2018; Jia et al., 2021）。
从经济、环境和社会角度来看，选择适当的污水处理模式和技术对农村可持续发展至关重要（Al Sawaf and Karaca, 2018; Yang et al., 2024b）。在中国，农村处理主要分为三种模式：管网接入式、分散式和集中式（Wang et al., 2023）。管网接入式受污染源与处理厂之间距离的影响，距离的增加可使成本呈指数级增长，复杂地形也会阻碍管道铺设和收集效率。集中式处理不太适合人口稀疏的农村地区，特别是在专业运营和维护要求较高的情况下（Latrach et al., 2018）。相比之下，分散式设施可以灵活、可持续地利用农村有限的水资源（Leigh and Lee, 2019）。然而，很少有研究评估中国农村不同模式的效果，特别是在农村格局方面。
农村生活污水处理主要依赖生态或生物处理工艺（Li, 2021）。随着人工智能（AI）的进步，数据驱动模型越来越多地应用于污水处理性能评估和过程控制。具体而言，物联网（IoT）技术（Zhang et al., 2021）通过智能传感器部署实现对水质和水力压力等关键参数的实时获取和动态监测（Zhu et al., 2020），从而提高了检测精度和管理效率。然而，现有的物联网相关研究主要聚焦于局部的、针对特定过程的监测，在区域尺度应用方面的拓展有限。因此，学者们越来越多地转向基于机器学习的预测模型来进行大规模系统性能评估。先前的研究从区域经济发展和农业需求等角度全面评估了农村污水处理系统。例如，Jiang et al. (2023) 将层次分析法（AHP）与理想解的相似偏好技术（TOPSIS）相结合，评估了各种场景下七种典型农村污水处理技术的综合性能，而其他研究则采用生命周期评估（LCA）来量化这些技术的环境可持续性。此外，Cheng et al. (2020) 在聚类分析框架内开发了基于松弛的数据包络分析（SBM-DEA）模型，系统评估了农村污水处理设施的运营效率并识别潜在影响因素。然而，现有模型主要聚焦于不同处理技术或工艺配置的对比评估，对区域特征异质性如何影响处理性能的考虑不足。这一局限性大大限制了当前建模方法的推广性和预测可靠性。
自2018年《农村生活污水处理指南》（GB/T 37,071-2018）发布以来，各省相继出台了相应的地方标准。然而，对比分析显示，现行标准仅列举了多种可选工艺并作出原则性规定。在实际应用中，工艺的选择仍主要依赖人工判断，这导致处理模式与村庄实际情况的匹配度低、排放标准选择不当，甚至在一些地区农村生活污水处理设施出现明显的异常运行。本研究的目的是构建一个综合考虑农村污水水量、居住空间格局和经济水平等因素的农村生活污水处理模式与工艺选择评价体系。在考虑村庄客观格局因素的同时，融合专家经验和当地实际情况，从而减少人为因素对工艺选择过程的干扰。首先，基于农村居民居住空间布局构建决策树模型，进一步明确居住密度、地理特征、治理策略、排放标准和处理工艺之间的关系。利用偏最小二乘回归模型分析影响处理模式选择的关键因素。本研究为农村生活污水处理策略的选择以及污水处理的区域化和个性化提供了科学依据。
章节摘要
材料与方法
本研究以内蒙古自治区为研究区域，选取100个典型自然村构建样本集，其中82个作为训练集，18个作为测试集。样本选取考虑了产业特征、地理位置、功能定位和经济发展水平，涵盖农业村、畜牧村、林业村、平原村、山村、河边村等。
基础数据的收集与分析
研究区域在行政配置和土地利用格局的空间异质性方面表现出显著特征。行政上，该县由五个苏木乡镇和五个国营农场组成，形成了独特的"5+5"双管理结构。人口分析显示，常住人口分布存在显著差异，苏木乡镇的居住密度明显高于农场定居点（p < 0.0500），表明人口聚集程度存在差异。
结论
针对农村污水处理模式不准确和处理效果不稳定的问题，我们构建了一个结合村庄空间格局判断和工艺选择评价的农村污水处理工艺决策系统，为农村污水处理工艺选择提供了依据。本研究以内蒙古自治区典型村庄的选择为基础，获取其居住密度因子和地形因子。空间格局
CRediT作者贡献声明
李鹏宇：写作 – 审阅与编辑，概念设计。严盈：写作 – 初稿，可视化，验证，软件。杨晓燕：调查。郭树刚：监督指导。谭玉波：数据管理。郑天隆：写作 – 审阅与编辑，监督指导，概念设计。杨晓霞：项目管理，调查。刘建国：监督指导，项目管理。刘俊新：项目管理，资金获取。
数据声明
支持本研究结果的数据可应合理要求向通讯作者索取。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的与本文所述工作可能存在利益冲突的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了以下项目的资助：国家自然科学基金委员会内蒙古自治区自然科学基金联合研究项目（资助编号：2025ZD028）、国家重点研发计划（编号：2020YFD1100500）、内蒙古自治区高等教育科研项目（编号：NJZZ23078）、内蒙古"草原英才"工程创新创业人才团队以及内蒙古科学技术创新团队（编号。
李鹏宇|严盈|杨晓燕|郭树刚|谭玉波|郑天隆|杨晓霞|刘建国|刘俊新
