廢水排放總量與污染物濃度的聯(lián)合聚類分析
——以2014年各省面板數(shù)據(jù)為例

趙佳紅，董小林，吳 陽，趙麗娟

(1.長安大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟與管理研究所，西安 710064；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710064)

· 水環(huán)境 ·

廢水排放總量與污染物濃度的聯(lián)合聚類分析
——以2014年各省面板數(shù)據(jù)為例

趙佳紅1,2，董小林1,2，吳 陽1，趙麗娟1

(1.長安大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟與管理研究所，西安 710064；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710064)

分析污染物排放總量和排放濃度對控制污染同等重要，聯(lián)合分析污染物排放的總量和濃度，可客觀地評價區(qū)域污染物的排放狀況和環(huán)境質(zhì)量。以基于聚類分析法，根據(jù)2014年全國各省份的相關(guān)污染物數(shù)據(jù)，針對廢水排放總量和廢水污染物濃度進行聯(lián)合分析。分析結(jié)果表明：廢水排放總量和污染物濃度聯(lián)合分析的結(jié)果與單就排放總量或者污染物濃度分析的結(jié)果有所出入。如我國一些省份，單就排放總量分析其結(jié)果為環(huán)境質(zhì)量較好，單就污染物濃度分析其結(jié)果為環(huán)境質(zhì)量較差，而進行聯(lián)合分析結(jié)果為環(huán)境質(zhì)量相對較差。聯(lián)合分析總量和濃度可反映出我國各省份的實際環(huán)境狀況，為科學(xué)、客觀的進行環(huán)境質(zhì)量評估和制定環(huán)境管理法規(guī)政策提供定量分析的依據(jù)。

廢水排放總量；污染物濃度；聯(lián)合分析；聚類分析

1 引 言

污染物排放總量控制和濃度控制是我國環(huán)境保護研究和實踐的重要內(nèi)容之一。我國部分省份和企業(yè)已進行了總量和濃度“雙控”的管理嘗試，取得了良好的效果。但是從我國環(huán)境保護的全局性和環(huán)保工作的整體性來看，偏重于“雙控”中的一控的情況是普遍的，這就導(dǎo)致污染物控制有效性的降低。加強“雙控”的基礎(chǔ)是開展污染物排放總量與濃度的聯(lián)合分析。聯(lián)合分析可真實反應(yīng)各地區(qū)的污染物實際排放狀況，科學(xué)客觀的評價區(qū)域污染狀況，從而使政府和企業(yè)在實際工作中注重加強管理，為環(huán)境保護工作提供了切實有效的幫助和指導(dǎo)。本研究針對我國污染物控制現(xiàn)狀，以廢水為研究對象，運用聚類分析法，對2014年全國各省(市、自區(qū)治)廢水排放總量和廢水中的部分污染物濃度進行聯(lián)合的定量分析，用數(shù)據(jù)分析說明我國各大區(qū)域?qū)ξ廴疚锏闹卫聿粦?yīng)只注重總量的減少，同時應(yīng)重視對濃度的控制。

2 廢水排放總量和污染物濃度的聯(lián)合分析

2.1 排放總量和污染物濃度的特點分析

明確排放總量和污染物濃度的概念內(nèi)涵，是進行排放總量和污染物濃度分析，以及實際工作中“雙控”的基礎(chǔ)。以廢水為例，其相關(guān)概念如下：

廢水排放總量指生產(chǎn)廢水和生活污水的排放總量。

廢水中污染物排放量指在一定時間段內(nèi)，在某一特定區(qū)域內(nèi)廢水排放總量中某種污染物的總體含量。

廢水污染物濃度指單位廢水溶液所含某種污染物質(zhì)的摩爾數(shù)。污染物濃度包括瞬時濃度和平均濃度。本論文所涉及濃度數(shù)據(jù)，是一年中的平均濃度值。

廢水排放總量控制是指在一定的時間和空間區(qū)域內(nèi)控制污水排放主體的廢水排放量[1]。

污染物排放濃度控制是指控制排出的污染物占其所屬載體的比例。其控制依據(jù)為國家污染物排放標準，以及不同行業(yè)污染物排放標準和地方污染物排放標準[2]。

2.2 排放總量和污染物濃度聯(lián)合分析的意義

廢水排放總量和污染物濃度聯(lián)合分析的含義為，根據(jù)廢水排放總量基本相同但污染物濃度較大不同，或污染物濃度基本相同但廢水排放總量較大不同的情況，來分析確定污染物排放的真實情況。聯(lián)合分析可以增強政府對整個區(qū)域環(huán)境狀況的分析和管控能力，也便于企業(yè)明確其區(qū)域內(nèi)任何時空點環(huán)境質(zhì)量是否真正達標，從而確切反應(yīng)區(qū)域內(nèi)真實的環(huán)境質(zhì)量。

排放總量和污染物濃度聯(lián)合分析在解決排放總量或污染物濃度單一分析所存在的不足的同時，將面數(shù)據(jù)和點數(shù)據(jù)、常態(tài)數(shù)據(jù)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)有效的結(jié)合，使我們更加客觀、明確的掌控真實的環(huán)境質(zhì)量狀況。為更加科學(xué)的管控和改善環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。

3 基于聚類分析法的聯(lián)合分析模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)指標的選取

污染物濃度用污染物質(zhì)量占所屬載體質(zhì)量的百萬分比來表示，其單位為ppm(百萬分比)，1ppm=1mg/kg=1百噸/億噸。污染物濃度表達式如式(1)所示：

(1)

本文以2014年全國各省(市、自治區(qū))廢水排放總量、廢水中化學(xué)需氧量和氨氮排放量為研究對象， 廢水排放總量、化學(xué)需氧量排放量和氨氮排放量數(shù)據(jù)來自2014年各省(市、自治區(qū))環(huán)境狀況公報及國家環(huán)保部“2014年各省自治區(qū)直轄市主要污染物排放量”，其數(shù)據(jù)來自各省(市、自治區(qū))環(huán)境狀況公報[3]、環(huán)境保護部公布的“2014年各省自治區(qū)直轄市主要污染物排放量”[4]及2014年全國環(huán)境統(tǒng)計年報[5]，化學(xué)需氧量和氨氮的濃度取平均濃度，運用公式(1)，分別計算出平均濃度COD和平均濃度氨氮，見表1所示。廢水排放總量及其所含污染物排放量和平均濃度的變化趨勢如圖1和圖2所示。

表1 2014年各省(市、自治區(qū))廢水排放總量與污染物平均濃度Tab.1 The total amount of wastewater discharge and the average concentration of pollutants of all provinces(municipalities and autonomous regions) in 2014

續(xù)表1

序號地區(qū)廢水排放總量(億噸)廢水中化學(xué)需氧量排放量(萬噸)廢水中化學(xué)需氧量排放平均濃度(百噸/億噸)廢水中氨氮排放量(萬噸)廢水中氨氮排放平均濃度(百噸/億噸)5安徽27.6088.56321.1010.0536.446黑龍江14.97142.39951.178.4956.717江西20.8372.01345.708.6041.288廣西21.9374.40339.267.9336.169遼寧26.80121.70453.6010.0137.3110山東51.24178.04347.4615.5030.2511云南15.7553.38338.845.6535.8512寧夏3.5021.98619.151.6646.7613甘肅6.6037.32565.693.8157.7514福建26.0662.98241.678.9334.2715廣東90.55167.06184.4920.8222.9916貴州11.0932.67294.593.8034.2717海南3.9419.60498.082.3058.4518河北30.98126.85409.4610.2733.1519河南42.28131.87311.9013.9032.8820湖北30.17103.31342.4212.0439.9121湖南31.20122.90393.9115.4449.4922吉林11.8974.30624.895.3144.6623江蘇60.12110.00182.9714.2523.7024青海2.3010.50456.500.9842.6325山西11.5844.13381.045.3746.3726陜西14.4950.49348.525.8240.1727四川33.13121.63367.1313.4740.6628浙江41.8372.54173.4210.3224.67129內(nèi)蒙古11.1984.77757.444.9344.0530西藏0.802.79372.000.3445.3331新疆10.1057.21565.324.0740.22

圖1 2014年各省(市、自治區(qū))廢水排放總量及其所含污染物排放量趨勢Fig.1 The total amount of wastewater discharge and the trend of pollutant emission of all provinces (municipalities and autonomous regions) in 2014

圖2 2014年各省(市、自治區(qū))廢水排放總量及其所含污染物排放平均濃度趨勢Fig.2 The total amount of wastewater discharge and the trend of average pollutant concentration of all provinces (municipalities and autonomous regions) in 2014

3.2 聯(lián)合分析模型的建立

本研究選取K均值聚類分析，對2014年各省(市、自治區(qū))廢水排放總量和污染物排放量進行分類聯(lián)合分析。根據(jù)各省(市、自治區(qū))廢水樣品和變量數(shù)據(jù)總量和濃度的不同特征指標值的差異程度大小，將研究對象廢水分為相對同質(zhì)的群組。對于如何定量分析廢水個體間的差異程度，需要通過計算它們間的距離來實現(xiàn)。根據(jù)計算得出的距離，將所有廢水個體進行歸類，差距越小的個體越有條件合為一類，差距越大的個體則被歸為不同類[6]。同一聚類個體中，計算得出的距離越小，個體之間的差異就越小，反之則越大。

(1)數(shù)據(jù)標準化

由于廢水排放總量和污染物濃度的量綱不同，進行分類前需采用公式(2)所示方法，對原始數(shù)據(jù)進行標準化，以消除不同變量單位對聚類結(jié)果的影響[7]。

(2)

(2)采用歐氏距離法[8-9]

其具體表達式見公式(3)，計算全國廢水中各污染物排放總量和濃度的相似性系數(shù)，并按一定閾值標準，以相似性系數(shù)最大化為原則將污染物排放濃度和總量最為相似的年份歸為一個類型區(qū)。相似性系數(shù)的計算公式(4)如下：

(3)

(4)

式中，dij為第i個廢水樣品與第j個廢水樣品間的距離；xim為第i個變量的值；xjm為第j個變量的值；Rij為變量xim與xjm變量的相關(guān)性系數(shù)，即用來表示廢水對象分類單位間相似程度的指標。

3.3 聚類分析的過程

運用SPSS軟件對研究數(shù)據(jù)進行分析，其過程主要分為2個部分，具體為：

(1)有效性檢驗；為確保所選擇的數(shù)據(jù)正確、合理，對已經(jīng)進行標準化的樣本數(shù)據(jù)進行有效性檢驗。經(jīng)檢驗，31個樣本全部有效。

(2)確定4個聚類后，對所有樣本進行K均值聚類分析，經(jīng)過3次迭代，得出各樣本所屬的類別，并對每個聚類中樣本的個數(shù)進行匯總。其中第一類表示環(huán)境污染較輕，第二類表示環(huán)境污染中等，第三類表示環(huán)境污染較重，第四類表示環(huán)境污染嚴重。將廢水排放總量和化學(xué)需氧量、氨氮的排放濃度應(yīng)用聚類分析法，進行聯(lián)合分析后的所屬類別見表2。

表2 廢水排放總量及化學(xué)需氧量、氨氮排放濃度聯(lián)合分析后各樣本的所屬類別與距離Tab.2 The type and distance of each sample after combined analysis of the total amount of wastewater discharge, COD and ammonia nitrogen concentrations

4 計量結(jié)果分析

4.1 排放總量分析

由于目前我國對于環(huán)境質(zhì)量的控制與改善，主要以總量的控制為著力點，因此按照廢水排放總量由小到大的順序?qū)Ρ?相關(guān)內(nèi)容進行重新排序，結(jié)果見表3。

表3 廢水排放總量升序排列表Tab.3 Ascending order of the total amount of wastewater discharge (萬噸)

由表3可以看出，我國各地區(qū)因所處的自然環(huán)境、人文條件、社會經(jīng)濟發(fā)展程度，以及資源布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面的差異，廢水排放總量差異相當大。因此，應(yīng)將我國各省份廢水排放量多少與上述因素的關(guān)聯(lián)性進行分析。

4.2 污染物濃度分析

按照廢水中污染物排放平均濃度由小到大的順序?qū)Ρ?相關(guān)內(nèi)容進行重新排序，結(jié)果見表4和表5。

表4 廢水中化學(xué)需氧量排放平均濃度升序排列表Tab.4 Ascending order of the average concentration of COD in wastewater (百噸/億噸)

表5 廢水中氨氮排放平均濃度升序排列表Tab.5 Ascending order of the average concentration of ammonia nitrogen in wastewater (百噸/億噸)

續(xù)表5

序號地區(qū)平均濃度氨氮序號地區(qū)平均濃度氨氮序號地區(qū)平均濃度氨氮5浙江24.67116遼寧37.3127寧夏46.766天津市26.5217湖北39.9128湖南49.497山東30.2518陜西40.1729黑龍江56.718河南32.8819新疆40.2230甘肅57.759河北33.1520四川40.6631海南58.4510福建34.2721江西41.2811貴州34.2722青海42.63

為了對廢水中化學(xué)需氧量和氨氮進行濃度分析，需要相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量標準數(shù)據(jù)。根據(jù)中華人民共和國國家標準《地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-2002》[10]有關(guān)數(shù)據(jù)，形成表6。

表6 地表水環(huán)境質(zhì)量標準項目標準限值Tab.6 Standard limited value of environmental quality standards for surface water (mg/L)

注：Ⅰ類 主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū)； Ⅱ類 主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)場、仔稚幼魚的索餌場等； Ⅲ類 主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)； Ⅳ類 主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)； Ⅴ類 主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。

將表6中的濃度數(shù)據(jù)和表4和表5相應(yīng)數(shù)據(jù)進行比對，因此需將表6的單位mg/L轉(zhuǎn)化為百噸/億噸，由公式(5)，得轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)，見表7。

1mg/L=10百噸/億噸

(5) 表7 地表水環(huán)境質(zhì)量標準項目標準轉(zhuǎn)化后限值Tab.7 Standard limited value of environmental quality standards for surface water (百噸/億噸)

由表4和表7可知，2014年全國各省(市、自治區(qū))廢水中化學(xué)需氧量排放濃度情況為：北京、上海兩市廢水中化學(xué)需氧量排放平均濃度小于150百噸/億噸，達到國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標準；3個省廢水的平均濃度超過150百噸/億噸且小于200百噸/億噸，達到國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標準；4個省(市)的平均濃度達Ⅳ類標準；12個省(自治區(qū))的平均濃度達V類標準；10個省(自治區(qū))的平均濃度超過400百噸/億噸，廢水中化學(xué)需氧量含量嚴重超標。

同樣，由表5和表7可知，2014年全國各省(市、自治區(qū))廢水中氨氮排放濃度情況為：除北京市廢水中氨氮排放平均濃度達標Ⅳ類標準，其他30個省(市、自治區(qū))廢水中氨氮排放平均濃度均超過20百噸/億噸，廢水中氨氮含量超標嚴重。

4.3 聯(lián)合分析

由表2可以看出，根據(jù)2014年全國各省(市、自治區(qū))廢水排放總量和污染物濃度的數(shù)據(jù)值，可以將2014年各省的環(huán)境污染程度分為四類。由此可以看出我國水環(huán)境狀況不容樂觀，一些省份的環(huán)境狀況亟待改善。

同時，可以看出表2和表3、表7所得的結(jié)論不一致。如利用2014年吉林省相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，得出的結(jié)果是：單就排放總量分析，吉林省廢水排放量較少，表明環(huán)境污染較輕；單就污染物濃度分析，吉林省環(huán)境污染較為嚴重；而聯(lián)合分析表明，吉林省環(huán)境污染相對較為嚴重。所以單就排放總量或者單就污染物排放濃度作為環(huán)境污染程度的判據(jù)是不合適的。廢水排放總量與污染物濃度的聯(lián)合分析結(jié)果是更客觀的，為科學(xué)、客觀的確定環(huán)境污染程度等級，提出可行性對策提供了定量分析的依據(jù)。

5 基于聯(lián)合分析的對策

基于上述運用聚類分析法對廢水排放總量與污染物濃度的聯(lián)合分析，提出以下具體的對策建議。

(1)加強排放總量和污染物排放濃度聯(lián)合分析與評價

環(huán)境質(zhì)量的惡化，最重要的原因是具有污染性的物質(zhì)的排放。將含有污染物載體物質(zhì)的排放總量和污染物排放濃度進行聯(lián)合分析，能夠客觀的認識區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的狀況。要重視在聯(lián)合分析的基礎(chǔ)上，進行環(huán)境質(zhì)量評價。

(2)加強排放總量和污染物濃度聯(lián)合控制

重視對排放總量和污染物濃度進行聯(lián)合分析與評價，目的是控制污染物排放的數(shù)量?？偭亢蜐舛嚷?lián)合控制有利于將點數(shù)據(jù)和面數(shù)據(jù)結(jié)合起來，將瞬態(tài)數(shù)據(jù)和常態(tài)數(shù)據(jù)融合起來，從而切實有效的進行排放總量和污染物濃度的控制。

(3)制定聯(lián)合控制的規(guī)范與政策

污染物排放總量和濃度聯(lián)合控制，需要有相應(yīng)的規(guī)范與政策進行支撐及督導(dǎo)，政府和企業(yè)在相應(yīng)法律規(guī)范的指導(dǎo)和約束下，真正實行總量和濃度“雙控”的監(jiān)管措施，是爭取切實可行的措施改善環(huán)境質(zhì)量，也是完善環(huán)境管理相關(guān)法規(guī)政策與措施的依據(jù)。

6 結(jié) 論

(1)以廢水為例，進一步闡明了廢水排放總量、廢水中污染物排放量和廢水污染物濃度的概念，指出明晰總量和濃度的內(nèi)涵，是進行排放總量和污染物濃度分析，以及實際工作中“雙控”的基礎(chǔ)。

(2)根據(jù)2014年各省(市、自治區(qū))廢水中污染物排放的相關(guān)數(shù)據(jù)，對廢水排放總量和相關(guān)污染物平均濃度數(shù)值進行分析，提出了對排放總量和濃度進行聯(lián)合分析的理念，論述了總量和濃度聯(lián)合分析的必要性。

(3)基于聚類分析法，得出廢水排放總量和污染物濃度的聯(lián)合分析與單一就廢水排放總量或廢水中污染物濃度分析的結(jié)果有所出入，得到了較為科學(xué)、客觀的地區(qū)環(huán)境狀況評價依據(jù)。

(4)針對廢水排放總量和污染物濃度聯(lián)合分析的結(jié)果，提出了具有針對性的改善地區(qū)環(huán)境狀況的對策。

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Cluster Analysis of the Total Amount of Wastewater Discharge and the Concentration of Pollutants——Taking the Panel Data of the Provinces in 2014 as An Example

ZHAO Jia-hong1,2, DONG Xiao-lin1,2, WU Yang1,ZHAO Li-juan1

(1.EnvironmentalEconomic&ManagementResearchInstitute,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.SchoolofConstructionEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Analysis of pollutant emissions and emission concentration is equally important to control pollution, clustering analysis of the amount and concentration of pollutants, can objectively evaluate the discharge status and environmental quality of regional pollutants. Based on cluster analysis, according to the relevant data of all provinces in 2014, this paper analyzed the total amount of wastewater discharge and the concentration of pollutants by clustering analysis. Results showed that the results of the combined analysis of the total amount of wastewater discharge and the concentration of the pollutant are different from the results of the analysis of single index, the total amount of wastewater discharge or the concentration of pollutants. For example, in some provinces, analysis result of total amount of wastewater discharge shows good environmental quality, analysis result of pollutant concentrations shows bad environmental quality, and the result of combined analysis shows bad environmental quality. The combined analysis of the total amount and concentration can reflect the actual environmental conditions of the provinces in our country, it can provide reference for environmental quality assessment and for making environmental management regulations and policies scientifically and objectively.

Total amount of wastewater discharge; concentration of pollutant; conjoint analysis; cluster analysis

2017-03-27

陜西省社會科學(xué)基金項目(2015G016)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(310829160672)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(310829161007)。

趙佳紅(1992-)，女，內(nèi)蒙古烏海市人，長安大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟及管理專業(yè)2015級在讀碩士研究生，主要研究方向為技術(shù)經(jīng)濟及管理。

董小林，dxlin@chd.edu.cn。

X703

A

1001-3644(2017)03-0066-08