基于空間自相關(guān)的水污染空間聚類研究

王新成，王斌之，黃建毅

1.濰坊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濰坊 261041

2.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100191

基于空間自相關(guān)的水污染空間聚類研究

王新成1，王斌之1，黃建毅2*

1.濰坊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濰坊 261041

2.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100191

運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法對(duì)《中國(guó)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告2012》中全國(guó)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞和鉛8項(xiàng)主要污染物水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了空間分布特征的定量研究。結(jié)果表明，各污染物的Moran指數(shù)都大于0，說(shuō)明我國(guó)主要污染物的空間分布具有明顯的空間自相關(guān)性；局部自相關(guān)分析的Moran散點(diǎn)圖表明，各類污染物形成了多種空間分布格局?？傮w而言，我國(guó)污染物的擴(kuò)散分布與地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有著密切關(guān)系，人口活動(dòng)密集地區(qū)的水污染程度明顯較高，如京津冀地區(qū)。從宏觀格局看，我國(guó)水污染可分為東西、南北兩大格局，東部沿海地區(qū)的水污染高集聚區(qū)明顯高于中西部地區(qū)；北方地區(qū)的水環(huán)境污染狀況比南方地區(qū)嚴(yán)重，且各種污染物指標(biāo)在全國(guó)范圍內(nèi)有不同的集聚地域。

水污染；空間自相關(guān)；空間聚類

我國(guó)正處于工業(yè)化發(fā)展的中期階段，工業(yè)和生活廢棄物大量產(chǎn)生，加之農(nóng)業(yè)和化肥的廣泛使用，水資源環(huán)境面臨著沉重壓力，水污染問(wèn)題正日益成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸［1］。水污染問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境問(wèn)題，不同地區(qū)水污染特征有所不同，因此，識(shí)別我國(guó)污染物類型的空間分布特征及空間集聚區(qū)域，對(duì)從宏觀層面采取有針對(duì)性的環(huán)境管理措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。

目前，學(xué)術(shù)界已開展了大量水污染聚類的研究工作，但采用的方法主要為傳統(tǒng)聚類分析［3-5］。該方法只考慮了數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系，對(duì)樣點(diǎn)的空間分布及各變量的空間變異性考慮不足，從而影響聚類的分析結(jié)果［6-7］。空間自相關(guān)是一種重要的空間統(tǒng)計(jì)方法，可以用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)撤N地理現(xiàn)象或某一屬性值的整體分布狀況，并判斷該現(xiàn)象或?qū)傩灾翟诳臻g上是否有聚集特性存在，從而對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行聚類研究［8-10］。隨著空間統(tǒng)計(jì)與分析軟件的發(fā)展，利用空間自相關(guān)分析方法對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象空間分布特征的研究逐漸增多，并取得了許多重要研究成果［11-12］。筆者嘗試將空間自相關(guān)分析方法引入水污染聚類研究中，對(duì)水污染評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布特征進(jìn)行定量分析，并識(shí)別主要污染物空間分布規(guī)律，以期為水污染聚類分析提供思路。

1 研究方法

1.1 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是基于Tobler提出的地理學(xué)第一定律：事物彼此關(guān)聯(lián)，但較近的事物比較遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，因此空間自相關(guān)可以量測(cè)空間事物的分布是否具有自相關(guān)性，高自相關(guān)性表明空間現(xiàn)象有集聚性的存在［13］?？臻g自相關(guān)分析可分為全局和局部假設(shè)檢驗(yàn)2種。

全局空間自相關(guān)反映的是全部研究對(duì)象間的相關(guān)性，Moran指數(shù)是常用的度量空間自相關(guān)的全局指標(biāo)，其反映出空間鄰接或空間鄰近的區(qū)域單元屬性值的相似程度，如果是位置（區(qū)域）的觀測(cè)值，則該變量的全局Moran指數(shù)（I）可用下式計(jì)算：

式中，I為Moran指數(shù)；ωij為空間權(quán)重矩陣，空間相鄰為1，不相鄰為0；xi，xj分別為第i和j個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的污染物指標(biāo)值。I的取值一般為［－1，1］，小于0表示負(fù)相關(guān)，等于0表示不相關(guān)，大于0表示正相關(guān)。

局部空間自相關(guān)分析有Getis's G的統(tǒng)計(jì)量，Moran散點(diǎn)圖和LISA分布圖等3種方法。Moran散點(diǎn)圖能夠具體區(qū)分區(qū)域單元和其鄰居間的4種空間分布形式，包括高高類型區(qū)（H－H）、低低類型區(qū)（L－L）、高低類型區(qū)（H－L）和低高類型區(qū)（LH），從而可對(duì)污染物的空間集聚形式進(jìn)行劃分（表1）。研究采用Moran散點(diǎn)圖來(lái)分析水污染的局部空間自相關(guān)性。

表1 污染物空間集聚形式劃分Table 1 The division of spatial clustering for water pollutants

1.2 指標(biāo)選擇與數(shù)據(jù)處理

水體污染指標(biāo)眾多，但很多指標(biāo)代表性不強(qiáng)或監(jiān)測(cè)頻次不能滿足分析需要，選擇我國(guó)水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定量研究。所有分析數(shù)據(jù)均來(lái)自《中國(guó)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告2012》［14］。為消除數(shù)據(jù)間的量綱差異，采用歸一化方法對(duì)污染數(shù)據(jù)濃度值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 全局空間自相關(guān)性分析

從各污染物的Moran指數(shù)看，雖然所有污染物呈正相關(guān)關(guān)系（污染物水平的空間集聚態(tài)勢(shì)明顯，即高污染水平區(qū)域和低污染水平區(qū)域分別在都研究區(qū)域中形成集中連片分布態(tài)勢(shì)），但不同污染物的空間正相關(guān)性水平有所不同（表2），溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮的空間自相關(guān)性相對(duì)較高，石油類、汞、鉛的空間自相關(guān)性其次，而揮發(fā)酚的空間自相關(guān)性最低。其與污染物的地域空間分布特征有關(guān)。

表2 8種水污染物的Moran指數(shù)Table 2 The Moran index of water pollutants

溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮是表征水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，均具有較高的Moran指數(shù)，表明我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化具有顯著的空間集聚性；石油類、汞、鉛3項(xiàng)表征水體有毒污染物的指標(biāo)，Moran指數(shù)稍小，空間集聚性沒(méi)有水體富營(yíng)養(yǎng)化類污染物指標(biāo)的空間自相關(guān)性強(qiáng)；揮發(fā)酚的Moran指數(shù)最低，具有離散的空間分布特征，沒(méi)有明顯的空間分布規(guī)律。

各污染指標(biāo)空間部分特征與我國(guó)經(jīng)濟(jì)格局、污染物自身特征、檢測(cè)手段等密切相關(guān)：1）由于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有明顯的空間集聚性特征，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象也具有明顯的空間集聚性。一般來(lái)講，地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，相應(yīng)的富營(yíng)養(yǎng)化污染物排放較多，從而形成了水體富營(yíng)養(yǎng)化的高值集聚區(qū)，而人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不十分發(fā)達(dá)的地區(qū)，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較低，形成了水體富營(yíng)養(yǎng)化低值集聚區(qū)［16］。2）石油類、汞、鉛等污染物的排放源主要來(lái)自各種重化工產(chǎn)業(yè)及礦產(chǎn)資源開發(fā)地區(qū)污染物的排放，但由于這類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的地域分布特征，污染物的空間分布相對(duì)分散，空間分布的集中性特征并不明顯。3）我國(guó)水體中汞、鉛、揮發(fā)酚等污染物的污染相對(duì)較輕，監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)多集中在Ⅰ類和Ⅱ類，因此也是這些污染物空間集聚較弱的重要原因。4）五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)等檢測(cè)儀器精度較低，多為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的1/2左右。而五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)等檢測(cè)儀器檢出限可達(dá)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的1/6甚至更高，儀器檢出限高造成數(shù)據(jù)分布更離散，表現(xiàn)在空間分布上就更容易形成空間集聚的格局。

2.2 局部空間自相關(guān)分析

利用GeoDa軟件的局部空間自相關(guān)結(jié)果，并結(jié)合ArcGIS手段對(duì)我國(guó)國(guó)控地表水監(jiān)測(cè)斷面8項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的Moran散點(diǎn)圖進(jìn)行地圖化顯示（圖1）。

從圖1可知，溶解氧的高高類型區(qū)主要分布于各大河流域的上游地區(qū)（由于溶解氧與水體污染程度呈負(fù)相關(guān)，即溶解氧數(shù)值越高，污染程度越低），低低類型區(qū)則主要集中于各大河流的出?？诘貐^(qū)。整體來(lái)看，東部沿海地區(qū)溶解氧污染相對(duì)較重，而中西部地區(qū)相對(duì)較輕，這與我國(guó)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)布局表現(xiàn)出明顯的空間一致性。我國(guó)溶解氧污染較重區(qū)域主要分布于太湖流域地區(qū)、海河流域、淮河流域和黃河中下游地區(qū)，這些地區(qū)也是我國(guó)水環(huán)境污染最為嚴(yán)重的地區(qū)。

高錳酸鹽指數(shù)的高高類型區(qū)主要集中于黃河下游、海河流域、遼河流域和淮河地區(qū)，廣東珠江的出?？诘貐^(qū)；存在部分高低類型區(qū)；其余大部分地區(qū)為低低類型區(qū)。太湖流域高錳酸鹽指數(shù)空間分布特征較為復(fù)雜，大部分地區(qū)為低低類型區(qū)，但內(nèi)部夾雜著其他類型分布。由于五日生化需氧量與高錳酸指數(shù)具有明顯的相關(guān)性，因而二者整體空間分布格局特征基本一致但略有差異，如南方長(zhǎng)江流域和滇池流域的部分地段出現(xiàn)了高高類型區(qū)和低高類型區(qū)，這一分布特征在高錳酸鹽指數(shù)的Moran散點(diǎn)圖中就沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。

氨氮空間集聚分布的整體格局與化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)基本一致，高高類型區(qū)主要集中于黃河下游、海河流域、遼河流域和淮河流域。但局部地區(qū)也具有差異性，如太湖流域地區(qū)的低高類型區(qū)明顯增多，表明太湖流域氨氮的水污染程度要明顯高于溶解氧和化學(xué)需氧量。

圖1 各主要污染物的Moran散點(diǎn)圖Fig.1 The Moran scatter map of water pollutant

石油類污染物的高發(fā)區(qū)主要集中于遼河流域、海河流域、黃河流域下游和長(zhǎng)江流域下游。尤其是遼河流域的污染程度尤為突出，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位呈高高類型區(qū)的連片分布，其次是海河流域。實(shí)際上，遼河流域和京津唐地區(qū)石油類污染物具有明顯的高值集聚區(qū)，與該地區(qū)石化產(chǎn)業(yè)布局有著密切關(guān)系?；春恿饔蚝烷L(zhǎng)江下游地區(qū)的石油類污染物分布較為復(fù)雜，呈多類型區(qū)混雜分布的格局，部分河段為高高類型區(qū)。滇池流域和珠江流域下游地區(qū)存在著部分石油類污染的敏感地區(qū)。

揮發(fā)酚與前幾種污染物的格局基本一致。其中遼河流域具有比較明顯的高高類型區(qū)的空間集聚特征，其他揮發(fā)酚高值區(qū)的空間集聚特征不十分顯著，其中黃河中下游流域、海河流域與淮河流域中游地區(qū)呈高高類型區(qū)和低高類型區(qū)交替分布的格局，而太湖流域地區(qū)呈多種類型區(qū)交錯(cuò)分布的態(tài)勢(shì)。

對(duì)于污染物汞的空間分布，與上述幾種污染物的空間格局明顯不一致，污染物的空間集聚區(qū)發(fā)生了南遷，污染物汞的地域分布南方高于北方地區(qū)。此外，與前述集中污染物明顯的空間集聚性不同，污染物汞的高高類型區(qū)在全國(guó)范圍內(nèi)呈零星分布態(tài)勢(shì)，但主要分布在黃河中下游地區(qū)、海河流域、滇池流域和閩江下游地區(qū)。

污染物鉛的分布與汞的分布態(tài)勢(shì)基本一致，在全國(guó)范圍內(nèi)呈零星分布，但其主要高高類型區(qū)分布明顯多于汞，除了黃河中下游地區(qū)、海河流域、滇池流域有分布外，太湖流域，長(zhǎng)江流域上游部分地區(qū)及我國(guó)部分西南諸河流域地區(qū)也存在著高高類型區(qū)，但閩江下游地區(qū)雖然污染物汞屬于高高類型區(qū)，但污染物鉛的空間集聚分布中卻表現(xiàn)為低低類型區(qū)。重金屬汞和鉛在南方部分地區(qū)的分布格局，與該地區(qū)礦產(chǎn)資源開采具有一定的聯(lián)系。

對(duì)上述各污染物的Moran散點(diǎn)圖進(jìn)行綜合分析，從整體看，我國(guó)呈東西格局和南北格局。東西格局表現(xiàn)為東部沿海地區(qū)的污染物呈較為明顯的高高類型區(qū)，污染程度較為嚴(yán)重，尤以水體富營(yíng)養(yǎng)化為主。這與我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)分布格局相一致，我國(guó)主要的人口產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)都集中分布于東部沿海地區(qū)，因而大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水排放，對(duì)東部沿海地區(qū)的水環(huán)境帶來(lái)了沉重壓力，從而導(dǎo)致該地區(qū)水污染態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻。南北格局表現(xiàn)為從整體上講北方地區(qū)的污染程度要高于南方地區(qū)，尤以水體富營(yíng)養(yǎng)化和石油類、揮發(fā)酚等有機(jī)物污染為主，這與我國(guó)降水資源的空間分布不均衡有著密切關(guān)系。我國(guó)北方地區(qū)雨水資源明顯匱乏，導(dǎo)致流域內(nèi)水體資源更新較慢，一旦發(fā)生污染，則很難通過(guò)水資源更新的途徑進(jìn)行改善。但對(duì)于汞、鉛等金屬類污染物則呈南方高于北方的特征，這與我國(guó)南方有色金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)有著密切聯(lián)系。由于不合理的礦產(chǎn)資源開發(fā)，導(dǎo)致南方部分地區(qū)河流較為嚴(yán)重的重金屬污染。但就總體污染物空間分布格局而言，我國(guó)污染較為嚴(yán)重的高發(fā)區(qū)主要集中于黃河中下游地區(qū)、淮河流域、海河流域、遼河流域和太湖流域地區(qū)。

3 結(jié)論

（1）我國(guó)主要的污染物的空間分布具有明顯的空間自相關(guān)性，且污染物的擴(kuò)散分布與地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的分布有著密切關(guān)系，人口活動(dòng)密集地區(qū)的水污染程度明顯較高。另外各種污染物主要的集聚區(qū)分布與地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)方式有明顯的一致性。

（2）我國(guó)水污染格局分為東西格局和南北格局。東西格局表明我國(guó)東部沿海地區(qū)的水污染高集聚區(qū)要明顯高于中西部地區(qū)；南北格局表明北方地區(qū)的水環(huán)境污染狀況要比南方地區(qū)嚴(yán)重。另外對(duì)我國(guó)主要的河流、湖泊水系進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)不同流域地區(qū)的水污染狀況具有明顯的差異性，污染程度的高高類型區(qū)主要分布于海河流域、淮河流域以及遼河流域地區(qū)。相比較而言，各主要河流水系的上游地區(qū)污染程度相對(duì)較輕。

（3）水污染空間格局出現(xiàn)了低高類型區(qū)和高低類型區(qū)，是對(duì)傳統(tǒng)聚類分析的重要補(bǔ)充。由于傳統(tǒng)聚類分析只能識(shí)別出高污染和低污染集聚區(qū)相對(duì)的靜態(tài)聚類分析結(jié)果，實(shí)際上水污染也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，尤其是鄰近區(qū)域的水環(huán)境狀況會(huì)有重要的影響。研究出現(xiàn)的高低類型區(qū)和低高類型區(qū)是水環(huán)境污染重要敏感區(qū)域，因而這些區(qū)域處于水環(huán)境惡化或改善的“雙向臨界”狀態(tài)。如果區(qū)域保護(hù)或控制得當(dāng)，則可以使區(qū)域整體水環(huán)境狀態(tài)得到改善，反之會(huì)導(dǎo)致水污染的態(tài)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)散惡化，因而這些區(qū)域應(yīng)是未來(lái)水環(huán)境保護(hù)工作需要重點(diǎn)關(guān)注的地段。

（4）各種污染物指標(biāo)在全國(guó)范圍內(nèi)有不同的集聚地域。從溶解氧來(lái)看，污染程度較重的地區(qū)主要分布在黃河下游和太湖地區(qū)，高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量及氨氮主要分布于黃河下游和海河流域，石油類和揮發(fā)酚主要集中在遼河地區(qū)和京津冀地區(qū)，而汞和鉛的高值集聚區(qū)則呈零星分布態(tài)勢(shì)。對(duì)于這些不同的污染物集聚區(qū)，要根據(jù)其污染物的主要特征與來(lái)源，采取有更具有針對(duì)性的水環(huán)境保護(hù)管理措施。

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Spatial Clustering of Water Pollution Based on Spatial Autocorrelation Analysis

WANG Xin-cheng1，WANG Bin-zhi1，HUANG Jian-yi2
1.Weifang Environmental Monitoring Center，Weifang 261041，China
2.College of Applied Arts and Science，Beijing Union University，Beijing 100191，China

The spatial autocorrelation analysis was performed to quantitatively analyze the spatial distribution characteristics of water pollution monitoring indices，based on China Status of Environment in 2012.Eight water pollution indices，including dissolved oxygen，potassium permanganate index，BOD5，ammonia nitrogen，petroleum，volatile phenol，mercury and lead.The Moran's I is greater than 0 for all pollution indices，indicating that the spatial distribution of the main pollutants in China has significant spatial autocorrelation.The result of Moran scatter diagram of LISA shows that the pollutants have developed several kinds of spatial patterns.In general，the distribution of the water pollutants has close relationship with regional socio-economic situations，with obviously higher pollution in densely populated areas，such as Beijing-Tianjin-Hebei region.The water pollution in China could be divided into two major patterns‘east-west'and‘north-south’，namely，the water pollution in China's eastern coastal areas were significantly higher than that in the midwest，and the water pollution in northern China was worse than that in southern region.Different water pollution indices had different agglomeration areas.

water pollution；spatial autocorrelation analysis；spatial clustering

X824

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2014.04.048

1674－991X（2014）04－0293－06

2014－02－14

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011SJGZ03）；北京聯(lián)合大學(xué)人才強(qiáng)校計(jì)劃人才資助項(xiàng)目（BPHR2012E01）

王新成（1964—），男，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理研究，wxc0323＠126.com

*通訊作者：黃建毅（1984—），男，講師，主要從事城市環(huán)境與城市規(guī)劃研究，huangjy.09＠igsnrr.ac.cn