基于主成分分析法研究南京市環(huán)境質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)分析

孫東升

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南京 211189)

南京地處長(zhǎng)江下游的寧鎮(zhèn)丘陵山區(qū)就，東連富饒的長(zhǎng)江三角洲，西靠皖南丘陵，南接太湖水網(wǎng)，北接遼闊的江淮平原。南京是中國(guó)重要的綜合性工業(yè)生產(chǎn)基地。南京的電子、化工生產(chǎn)能力在國(guó)內(nèi)城市中居第二位，車輛制造規(guī)模居第三位，機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)、規(guī)模居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，家用電器業(yè)、建材工業(yè)也都具有較大規(guī)模。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，外來人口的增多，汽車使用量的劇增，使得南京的生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的影響。而生態(tài)環(huán)境很大程度上也影響了南京市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。所以，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，做到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的。對(duì)南京的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總體上對(duì)南京的生態(tài)環(huán)境狀況有一個(gè)了解也是十分必要的。本文運(yùn)用主成分分析的多變量處理優(yōu)點(diǎn)，從環(huán)境污染和生態(tài)破壞角度對(duì)南京市的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

l環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法

1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

環(huán)境保護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜而且具有風(fēng)險(xiǎn)性的任務(wù)，它包括與人類活動(dòng)密切相關(guān)的水、大氣、土壤和生態(tài)環(huán)境等方面的問題。由于造成環(huán)境問題成因的多樣性和綜合性，使得環(huán)境保護(hù)的實(shí)施受到諸多因素阻礙。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，需要綜合各方面的不同指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

科學(xué)的指標(biāo)體系的選取是評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量合理性的前提。環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)綜合、多維的系統(tǒng)，經(jīng)過分析相關(guān)資料及咨詢多方專家，本文從環(huán)境污染(固、液、氣污染及工業(yè)、生活污染)和生態(tài)環(huán)境角度確立多種指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，選取具有代表性的10種環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。具體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括工業(yè)廢水排放量x1、生活廢(污)水排放量x2、廢水COD排放(工業(yè)和生活)x3、二氧化硫排放量x4、粉塵排放量(工業(yè))x5、工業(yè)固體廢物排放x6、森林覆蓋率x7(逆指標(biāo))、(建成區(qū))綠化覆蓋率x8(逆指標(biāo))、城區(qū)區(qū)域環(huán)境噪聲（分貝）x9、自然保護(hù)區(qū)面積 x10(逆指標(biāo))。

1.2 評(píng)價(jià)方法—主成分分析法

主成分分析(PCA)最早是由美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家皮爾遜(PEARSON)在1901年的生物學(xué)理論研究中引入的，也稱主分量分析或矩陣數(shù)據(jù)分析。它通過變量變換的方法把相關(guān)的變量變?yōu)槿舾刹幌嚓P(guān)的綜合指標(biāo)變量，比如，建立一個(gè)指標(biāo)體系，為了從不同的側(cè)面反應(yīng)系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)的綜合性與全面性，在指標(biāo)體系中要設(shè)立若干個(gè)（n個(gè)）指標(biāo)，其指標(biāo)權(quán)數(shù)的確定方法是基于數(shù)據(jù)分析而得到指標(biāo)間的一種內(nèi)在關(guān)系，摒棄了人工評(píng)價(jià)確定權(quán)數(shù)的主觀性，是一種客觀合理的方法，因此被廣泛用于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等領(lǐng)域，并起到了重要的作用。在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，主成分分析是指把描述環(huán)境質(zhì)量的多個(gè)要素(樣本)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方法。主成分分析的具體步驟如下：①計(jì)算相關(guān)矩陣或協(xié)變量矩陣估計(jì)共同性（community，或稱共通性）：是設(shè)定主成分開始萃取時(shí)的共同性。共同性是指變量的方差由主成分決定的比例，若是相關(guān)矩陣則共同性設(shè)為1；若是協(xié)變量矩陣則共同性為各變量的方差。②從相關(guān)矩陣或協(xié)方差助陣中萃取主成分。③決定因素的數(shù)目，對(duì)因素分析進(jìn)行命名和結(jié)果解釋。

若某研究對(duì)象有兩項(xiàng)指標(biāo)ζ1和 ζ2，從總體 ζ(ζ1、ζ2)中抽取了N個(gè)樣品，它們散布在橢圓平面內(nèi)(見圖 1),指標(biāo) ζ1與 ζ2有相關(guān)性。η1和 η2分別是橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，η1⊥η2，故 η1與 η2互不相關(guān)。其中 η1是點(diǎn) ζ(ζ1、ζ2)在長(zhǎng)軸上的投影坐標(biāo)，η2是該點(diǎn)在短軸上的投影坐標(biāo)。從圖1可以看出點(diǎn)的N個(gè)觀測(cè)值的波動(dòng)大部分可以歸結(jié)為η1軸上投影點(diǎn)的波動(dòng)，而η2軸上投影點(diǎn)的波動(dòng)較小。若η1作為一個(gè)綜臺(tái)指標(biāo)，則η1可較好地反映出N個(gè)觀測(cè)值的變化情況，η2的作用次要。綜合指標(biāo)η1稱為主成份，找出主成份的工作稱為主成份分析。

可見,主成份分析即選擇恰當(dāng)?shù)耐队胺较?，將高維空間的點(diǎn)投影到低維空間上，且使低維空間上的投影盡可能多地保存原空間的信息，就是要使低維空間上投影的方差盡可能地大。

圖1 主成份分析法示意圖

2 數(shù)據(jù)收集和處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

本文采用南京市2007—2011年環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境方面典型的指標(biāo)值作為評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于南京環(huán)境保護(hù)局官網(wǎng)公報(bào))。10項(xiàng)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行整理后作為研究的原始數(shù)據(jù)(表 1)。

表1 南京市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及歷年數(shù)據(jù)

2.2 運(yùn)用主成分分析法計(jì)算

原始數(shù)據(jù)中各指標(biāo)量綱不同，為了消除量綱的影響對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中森林覆蓋率、綠化覆蓋率、自然保護(hù)區(qū)面積三項(xiàng)指標(biāo)為了使其反映的環(huán)境質(zhì)量方向與環(huán)境污染表示的一致均采用逆指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。利用標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣R見表2。

表2 南京市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,求得特征值、貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率見表3。

表3 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

選取特征值大于1或累積貢獻(xiàn)率大于85%因子為主成分，由表3可知前三個(gè)指標(biāo)累積貢獻(xiàn)率達(dá)到96.536%，可選取為主成分。對(duì)兩三個(gè)主成分進(jìn)一步分析得到標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)因子矩陣見表。

表4 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

從表3可以看出，通過主成分分析法的計(jì)算，將影響南京市環(huán)境質(zhì)量的10種因子的全部信息歸結(jié)為3個(gè)主成分反映96.536%，通過分析前3個(gè)主成分即可反映影響南京市環(huán)境質(zhì)量的大部分的信息。

第一主成分的貢獻(xiàn)率是59.360%，由表4可知，第一主成分在生活污水排放總量、粉塵排放量、工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量、森林覆蓋率/%、重要生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、上均具有較高的正載荷，從表2各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，可知這四個(gè)指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中粉塵排放量和煙塵排放量與建成區(qū)綠化覆蓋率的相關(guān)系數(shù)較高，由于城市的綠化植物能吸收煙灰和粉塵，有凈化空氣的作用。第二主成分的貢獻(xiàn)率是25.537%，第二主成分在森林覆蓋率、綠化覆蓋率、重要生態(tài)功能保護(hù)區(qū)上具有較高的正載荷，分別是0.708和0.983和0.910，從表2可知綠化覆蓋率和重要生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的相關(guān)系數(shù)是0.922，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此第二主成分決定著森林綠化對(duì)南京市環(huán)境質(zhì)量的影響。

2.3 綜合評(píng)分

環(huán)境質(zhì)量綜合得分是以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算主成分綜合得分，并對(duì)其按綜合主成分值進(jìn)行排序，即可對(duì)各年份進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)比較，見表5。

表5 南京環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的主成分得分、綜合得分及質(zhì)量排序

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

由表5可知，南京環(huán)境質(zhì)量綜合分值逐年降低。由于該評(píng)價(jià)指標(biāo)是從環(huán)境污染和生態(tài)破壞角度建立的，因此，分值越低，環(huán)境質(zhì)量越好。顯然南京市自治區(qū)的環(huán)境質(zhì)量自2007年以來有逐年好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。就綜合分值而言，2011年比2010年增長(zhǎng)1.559，2010年比 2009增長(zhǎng) 1.569，2009年比 2008年增長(zhǎng) 1.416，2008年比2007年增長(zhǎng)0.651，自2009年的近三年以來增幅較前兩年均有所增加，說明南京市環(huán)境質(zhì)量的整體優(yōu)化速率逐年加快，在國(guó)家及地方政策的引導(dǎo)下，南京市自治區(qū)環(huán)境質(zhì)量有了很大的改善，整體環(huán)境狀況取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從影響南京市環(huán)境質(zhì)量的微觀層面，即環(huán)境污染角度分析，大氣污染是造成南京市環(huán)境污染的主導(dǎo)因素，另外行業(yè)污染中的工業(yè)污染源也對(duì)南京市的環(huán)境質(zhì)量造成很大的負(fù)面影響。究其影響原因如下：

南京市是我國(guó)著名的歷史名城之一，也是江蘇省和長(zhǎng)三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn)，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城區(qū)開發(fā)速度明顯加快，各工業(yè)區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，污染也隨之加劇。南京市目前處在工業(yè)化中級(jí)向高級(jí)過渡的階段，工業(yè)化中期階段的加速增長(zhǎng)主要依賴于制造業(yè)特別是重化工業(yè)的高速增長(zhǎng)。工業(yè)化特征非常明顯，但是，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的重型化也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。南京市工業(yè)粉塵排放量和工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量逐年遞增，2001年，工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量已經(jīng)到達(dá)1791.5萬(wàn)噸。南京是中國(guó)重要的綜合性工業(yè)生產(chǎn)基地。南京的電子、化工生產(chǎn)能力在國(guó)內(nèi)城市中居第二位，車輛制造規(guī)模居第三位，機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)、規(guī)模居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，家用電器業(yè)、建材工業(yè)也都具有較大規(guī)模。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)效益的不斷提升，帶給環(huán)境的不利影響也逐步的顯現(xiàn)。同時(shí)，工業(yè)的擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也導(dǎo)致了外來人口的增多，生活污水的排放量也持續(xù)增加。這些對(duì)南京的生態(tài)環(huán)境的破壞都是顯而易見的。

根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在工業(yè)化中后期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新的快速發(fā)展期，第三產(chǎn)業(yè)比重迅速上升，人均GDP和城鎮(zhèn)化水平均出現(xiàn)大幅提高，同時(shí)環(huán)保投入成倍增加，環(huán)境明顯改善。近幾年來，南京市充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境問題的嚴(yán)重性，采取了積極有效的環(huán)境政策，環(huán)保成效已然顯現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析表明南京市的環(huán)境污染程度已經(jīng)開始隨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而有下降趨勢(shì)。

4 小結(jié)

環(huán)境問題已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題，因此生態(tài)環(huán)境建設(shè)無(wú)疑成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)力的主宰力量。我國(guó)的環(huán)境保護(hù)工作雖然取得積極進(jìn)展，但環(huán)境形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，環(huán)境管理嚴(yán)重滯后，與環(huán)境保護(hù)任務(wù)要求仍不相適應(yīng)?！笆晃濉逼陂g，南京市先后出臺(tái)了《中共南京市委、市政府關(guān)于落實(shí)環(huán)保優(yōu)先戰(zhàn)略加快生態(tài)市建設(shè)推進(jìn)科學(xué)發(fā)展的意見》、《南京市人民政府關(guān)于落實(shí)環(huán)保優(yōu)先戰(zhàn)略推進(jìn)環(huán)境保護(hù)工作的若干政策措施》等重要文件，將環(huán)境保護(hù)工作擺上重要的戰(zhàn)略地位，將環(huán)保優(yōu)先方針化成確定全市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略導(dǎo)向，將創(chuàng)建生態(tài)市作為城市發(fā)展的目標(biāo)定位和價(jià)值取向，有效地促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)工作健康發(fā)展?！笆濉睍r(shí)期(2011年—2015年)，是南京加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、率先基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要時(shí)期，是“辦好青奧會(huì)、建設(shè)新南京”的關(guān)鍵時(shí)期，也是全力推進(jìn)生態(tài)市建設(shè)、全面提升生態(tài)文明水平的攻堅(jiān)時(shí)期。根據(jù)《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》、《江蘇省“十二五”環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)規(guī)劃》、《中共南京市委關(guān)于制定南京市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃的建議》和《南京市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，編制《南京市“十二五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》。本規(guī)劃是市政府確定的基礎(chǔ)性規(guī)劃之一，主要闡明“十二五”時(shí)期環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、任務(wù)、重點(diǎn)工程和政策取向，是今后五年南京市環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)的行動(dòng)綱領(lǐng)。南京市將抓住青奧會(huì)舉辦的契機(jī)，真正做到綠色青奧，努力實(shí)現(xiàn)南京環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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