廣西綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與功能屬性構(gòu)建及其關(guān)系耦合優(yōu)化

黃良美，陳 蓓，陸曉艷，阮?yuàn)檴櫍?卉，李嘉力，蘭波濤

廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西 南寧 530028

我國環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)由于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的單行性和約束性易造成評(píng)價(jià)結(jié)果呈孤立、零散和隨機(jī)的分布格局[1]。隨著當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)日新月異[2]和大數(shù)據(jù)分析時(shí)代的到來[3]，這種基于標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)過程由于忽略了指標(biāo)屬性的集中和離散趨勢(shì)，缺乏總體的普適性和內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，正逐漸跟不上當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)精確化管理和環(huán)境質(zhì)量信息綜合、全面、動(dòng)態(tài)反演[4-6]的要求。

環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)與分析的研究多見報(bào)道：有基于大氣、水、土壤、噪聲等單要素環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系構(gòu)建的綜合指數(shù)(大氣、水)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(湖庫、海洋)、綜合污染指數(shù)(土壤)等[4,7]；有基于國家生態(tài)省(或市、縣)建設(shè)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境狀況等[8-9]指標(biāo)體系構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)分析；有由于無法完整滿足上述2種指標(biāo)體系而進(jìn)行了適地、適時(shí)、適域而優(yōu)化的中間狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)分析[10-11]；有對(duì)前述研究對(duì)象進(jìn)行一種拓展或創(chuàng)新，通過借鑒和引用新概念、新理論、新模型構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如生態(tài)文明、生態(tài)安全、資源環(huán)境承載力、生態(tài)足跡、生態(tài)系統(tǒng)健康、環(huán)境質(zhì)量變異、人居環(huán)境質(zhì)量、數(shù)據(jù)空間元、“壓力-狀況-響應(yīng)模型”等[2,4,8,10-14]。在研究方法方面主要有2類：一類是融決策者主觀偏好的方法，如Delphi法、特征向量法、極值法、密切值法、多邊形面積法、最小平方和法、理想?yún)^(qū)間法、層次分析法等[3-4,15-19]；另一類是完全從指標(biāo)數(shù)據(jù)特征出發(fā)的客觀方法，如主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分得分多元線性回歸受體模型等[20-23]。綜合環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[21-22]應(yīng)是有別于環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)。目前綜合環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究還少見報(bào)道，一是目前無有效的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)面向綜合環(huán)境質(zhì)量的界定，要定量和定性評(píng)價(jià)綜合環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣還欠缺基準(zhǔn)與參照，二是綜合環(huán)境質(zhì)量本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)調(diào)控過程，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)量化時(shí)所賦予的正負(fù)指標(biāo)及趨勢(shì)判定和以人為本的階段層次目標(biāo)優(yōu)化過程在很大程度屬于窺管之見。

本文不以現(xiàn)有環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為約束，及判定環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣為目標(biāo)，僅遵從大數(shù)定律的離散與集中趨勢(shì)，按“自然-經(jīng)濟(jì)-人口-能源-環(huán)境”的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理念[5-6,8]，基于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)[2,12-13]和統(tǒng)計(jì)年鑒采集了廣西2001—2015年自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源和環(huán)境質(zhì)量等方面的數(shù)據(jù)，構(gòu)成廣西不同時(shí)相和空域特點(diǎn)的綜合環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣，應(yīng)用主分量分類分析技術(shù)，探討分析綜合環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣的結(jié)構(gòu)與功能屬性間關(guān)系及其耦合效果[6,23-25]，并揭示2001—2015年廣西綜合環(huán)境質(zhì)量時(shí)空規(guī)律性變化特點(diǎn)及其內(nèi)蘊(yùn)驅(qū)動(dòng)機(jī)理[5-6,8-9]，旨在為未來綜合環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量深入評(píng)價(jià)和研究提供一種視角和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 范圍和內(nèi)容

廣西位于東經(jīng)104°26′～112°04′，北緯20°54′～26°24′，北回歸線橫貫全區(qū)中部，土地總面積23.76萬km2，占全國土地總面積的2.5%。目前，廣西環(huán)境質(zhì)量狀況主要包括城市環(huán)境空氣、酸雨、地表水、城市集中式飲用水、近岸海域海水、生態(tài)環(huán)境、土壤、噪聲、輻射等9個(gè)要素環(huán)境質(zhì)量及地表水重金屬、重金屬重點(diǎn)防控區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量、地下水水質(zhì)、國家重點(diǎn)生態(tài)功能縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量、海洋生物生態(tài)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境地面試點(diǎn)監(jiān)測(cè)等多個(gè)專項(xiàng)內(nèi)容。

1.2 數(shù)據(jù)采集及其矩陣構(gòu)建

數(shù)據(jù)采集了廣西2001—2015 年有關(guān)要素環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)與自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源和污染物排放等統(tǒng)計(jì)年鑒指標(biāo)，數(shù)據(jù)樣本的時(shí)空結(jié)構(gòu)是按省、市兩級(jí)的年、季和月構(gòu)建，力求要素齊全，頻率齊次。但是，2001—2015年國家對(duì)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)年鑒指標(biāo)有刪、有增的調(diào)整變化，因此，5、10、15 a時(shí)間尺度的屬性指標(biāo)就有增有減；同理，部分指標(biāo)也無法逐年、逐季和逐月同步統(tǒng)計(jì)。為兼顧全面性和針對(duì)性，省域年度數(shù)據(jù)分出5、10、15 a 3個(gè)時(shí)間尺度，季度和月度數(shù)據(jù)以“十二五”期間數(shù)據(jù)樣本為基礎(chǔ)，設(shè)區(qū)城市則年、季、月均以“十二五”期間數(shù)據(jù)樣本為代表。

1.2.1 省域數(shù)據(jù)矩陣

2011—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量要素?cái)?shù)據(jù)集包括自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源、重點(diǎn)污染源、大氣環(huán)境質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境狀況、污染物排放等9個(gè)內(nèi)容的69個(gè)指標(biāo)屬性，數(shù)據(jù)矩陣69×5(表1)。

表1 廣西2011—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與功能屬性耦合關(guān)系數(shù)據(jù)層Table 1 Data sets between structure and function of the comprehensive environmental quality, in Guangxi Province during the periods of 2011-2015

2006—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)集包括自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源、大氣環(huán)境質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境狀況、污染物排放等8個(gè)內(nèi)容的59個(gè)指標(biāo)屬性，與2011—2015年大體相似，但無污染源內(nèi)容及其6個(gè)指標(biāo)，地表水指標(biāo)也減少了水質(zhì)綜合污染指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷和陰離子表面活性劑等4個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)項(xiàng)目，數(shù)據(jù)矩陣59×10。2001—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量要素集包括自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源、大氣環(huán)境質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境狀況等7個(gè)內(nèi)容的44個(gè)指標(biāo)屬性，與2006—2015年相似，但無污染物排放指標(biāo)及空氣優(yōu)良率指標(biāo)，數(shù)據(jù)矩陣44×15。

省域季度要素集是“十二五”期間的自然、經(jīng)濟(jì)、重點(diǎn)企業(yè)污染源監(jiān)測(cè)、大氣和水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等5個(gè)內(nèi)容的29個(gè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)矩陣29×20(20個(gè)樣本分別為5年各4個(gè)季度數(shù)據(jù))。與表1要素集相比較，無人口、能源、生態(tài)、污染源達(dá)標(biāo)排放等4個(gè)要素內(nèi)容，且自然指標(biāo)中無水資源量指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中無固定投資及其行業(yè)占比。

省域月度要素集是“十二五”期間的自然、大氣和水3個(gè)內(nèi)容的19個(gè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)矩陣19×60(60個(gè)樣本分別為5年各12個(gè)月數(shù)據(jù))。

1.2.2 設(shè)區(qū)城市數(shù)據(jù)矩陣

設(shè)區(qū)城市年度要素集包括“十二五”期間自然、經(jīng)濟(jì)、人口、重點(diǎn)污染源、大氣環(huán)境質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、飲用水水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境狀況和環(huán)境統(tǒng)計(jì)等9個(gè)內(nèi)容的70個(gè)指標(biāo)屬性，數(shù)據(jù)矩陣70×70(70個(gè)樣本分別為14個(gè)城市、5年數(shù)據(jù))。與表1相比較，水環(huán)境質(zhì)量中增加了飲用水監(jiān)測(cè)指標(biāo)9項(xiàng)，但少了水質(zhì)優(yōu)良比例和功能區(qū)達(dá)標(biāo)比例2個(gè)指標(biāo)；另外，無4個(gè)能源指標(biāo)；總體而言，數(shù)據(jù)仍保持完整規(guī)范。

市域季度數(shù)據(jù)與省域季度數(shù)據(jù)類同，5個(gè)內(nèi)容39個(gè)指標(biāo)，同理，增加了飲用水監(jiān)測(cè)指標(biāo)8項(xiàng)，數(shù)據(jù)矩陣39×280(280個(gè)樣本分別為14個(gè)城市、5年各4個(gè)季度數(shù)據(jù))。

市域月度數(shù)據(jù)集僅大氣、水質(zhì)和飲用水監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)矩陣23×840(840個(gè)樣本分別為14個(gè)城市、5年各12個(gè)季度數(shù)據(jù))。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

構(gòu)建的各類綜合環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)集，采用統(tǒng)計(jì)軟件IBMSPSS19.0的主成分分類分析模塊進(jìn)行運(yùn)算，生成耦合模型及其成果圖件。主成分分類分析方法本質(zhì)上是一種最優(yōu)尺度上的同質(zhì)性分析技術(shù)[21,24-25]，一方面可以起到因子分析和多維尺度分析的降維效果，另一方面又能集成對(duì)應(yīng)分析探討品質(zhì)類型多變量關(guān)系的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多變量多品質(zhì)在維度與空間分布上的最優(yōu)擬合過程，而省去列聯(lián)表分析和對(duì)數(shù)線性模型分析的繁瑣環(huán)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合環(huán)境質(zhì)量載荷成分

表2主成分分析模型與耦合模型的有關(guān)數(shù)理參數(shù)和提取主因子的主要載荷指標(biāo)結(jié)果表明，省、市2級(jí)綜合環(huán)境質(zhì)量的屬性指標(biāo)數(shù)量與提取主因子數(shù)量在組間上并不呈線性相關(guān)，但組內(nèi)則呈現(xiàn)線性相關(guān)。特征值大于1的主要載荷指標(biāo)累積信息量達(dá)69.8%～94.6%，第一、第二因子載荷信息也較高，如省域的年際數(shù)據(jù)矩陣，44個(gè)屬性指標(biāo)提取8個(gè)主因子，第一因子載荷信息量達(dá)49.3%，幾近一半載荷量。在對(duì)屬性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)上，耦合模型同時(shí)將樣本量進(jìn)行了主成分分析，并采用系統(tǒng)對(duì)稱方法耦合，X軸、Y軸上的載荷信息量達(dá)58.8～72%。一定形式上，X軸、Y軸等同于第一、第二因子，但比較兩者載荷信息量，發(fā)現(xiàn)耦合模型的X軸、Y軸載荷信息量較單一屬性主成分模型的前2個(gè)因子載荷量高出6～23.1個(gè)百分點(diǎn)，可見耦合模型承載信息量有所提高?？傮w上2個(gè)模型滿足有關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)信息量的有效提取與優(yōu)化。

為有效提取與優(yōu)化屬性指標(biāo)，按各屬性指標(biāo)在第一因子上的貢獻(xiàn)大小排序，提取前10個(gè)指標(biāo)列于表2，并分析這些指標(biāo)是否涵蓋要素環(huán)境質(zhì)量、自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源等系統(tǒng)；不涵蓋時(shí)，就在剩余的主分量上補(bǔ)充相關(guān)屬性指標(biāo)，并以補(bǔ)充屬性指標(biāo)貢獻(xiàn)率大于第一因子的第10個(gè)屬性指標(biāo)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行增補(bǔ)，結(jié)果補(bǔ)充指標(biāo)數(shù)約1～5個(gè)時(shí)基本涵蓋各要素內(nèi)容。但是，市域年際數(shù)據(jù)矩陣信息量丟失較嚴(yán)重，自然、人口、重點(diǎn)源、大氣、生態(tài)均無代表性指標(biāo)入選，季度數(shù)據(jù)矩陣則自然屬性指標(biāo)無入選。在單一主分量分析模型中，省域年度數(shù)據(jù)矩陣第一因子入選指標(biāo)涵蓋性較好，7個(gè)要素有6個(gè)要素的指標(biāo)入選，省域月度數(shù)據(jù)矩陣則3個(gè)要素均有指標(biāo)入選。耦合模型入選指標(biāo)分布特點(diǎn)與單一主分量分析模型相似。

表2 主分量分析與耦合分析模型參數(shù)及其提取主要載荷指標(biāo)Table 2 The model parameters and their major extractive indices

由圖1可見，2001—2015年廣西經(jīng)濟(jì)GDP由2 279.34億元增長到16 803.12億元，固定投資也呈相應(yīng)增長趨勢(shì)；第一產(chǎn)業(yè)比例有所下降，第二、第三產(chǎn)業(yè)則呈增長趨勢(shì)。城市人口由1 350萬增長到2 257萬，但農(nóng)村人口則由3 438萬下降到2 539萬，總體人口密度保持平穩(wěn)。能源消耗量由2700.97萬t標(biāo)準(zhǔn)煤增長到9760.65萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。大氣污染綜合指數(shù)、二氧化硫濃度、酸雨頻率均呈下降趨勢(shì)，氮氧化物濃度緩慢上升。水質(zhì)優(yōu)良比例、水質(zhì)功能區(qū)達(dá)標(biāo)比例、飲用水水量達(dá)標(biāo)率呈緩慢上升趨勢(shì)。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)2001—2005年為同一套數(shù)據(jù)，保持平穩(wěn)，2006—2010年為上升趨勢(shì)，但2011—2015年則因評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的調(diào)整呈階段性下降；重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)縣域個(gè)數(shù)及其面積為階段性增長。其他眾多指標(biāo)則呈起伏波動(dòng)狀態(tài)或其他趨勢(shì)狀況。

圖1 廣西2001—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量趨勢(shì)變化特點(diǎn)Fig.1 Trend of the comprehensive environmental quality in Guangxi Province during 2001-2015

2.2 綜合環(huán)境質(zhì)量耦合關(guān)系

2.2.1 省域綜合環(huán)境質(zhì)量

2.2.1.1 年際耦合特點(diǎn)

2011—2015年綜合環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣在主分量分類分析模塊擬合過程中由于品類樣本分別是5年數(shù)據(jù)的單一樣本，無法有效擬合樣本與屬性間的關(guān)系。2006—2015年雖然為2個(gè)品類樣本，但與擬合維數(shù)相等，仍然無法有效擬合樣本與屬性的關(guān)系。

但是，主分量分類法明顯將2001年以來的3個(gè)5年綜合環(huán)境質(zhì)量體系分在了不同的象限中(詳見圖2，圖2中1～15的點(diǎn)代碼分別表示2001—2015年順序號(hào)，其對(duì)應(yīng)影響因子詳見表1指標(biāo)層，下同)。

從圖2可見，第三象限的“十五”期間綜合環(huán)境質(zhì)量(點(diǎn)1～點(diǎn)4)起到主要影響的因子是經(jīng)濟(jì)中的第三產(chǎn)業(yè)比、能源的原油消費(fèi)比、水質(zhì)的水量達(dá)標(biāo)率；第二象限的“十一五”期間綜合環(huán)境質(zhì)量(點(diǎn)6～點(diǎn)9)起到主要影響的因子是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的第一產(chǎn)業(yè)占比、基建占比、房地產(chǎn)占比、固定資產(chǎn)投資增速、大氣系統(tǒng)的大氣綜合污染指數(shù)、二氧化硫、PM10、酸雨頻率、水質(zhì)；第四象限的“十二五”期間綜合環(huán)境質(zhì)量(點(diǎn)12～點(diǎn)15)起到主要影響的因子是經(jīng)濟(jì)的固定資產(chǎn)投資額、能源的總消費(fèi)量、水電及其他占比、生態(tài)的環(huán)境狀況指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積及其數(shù)量，尤其以生態(tài)為主。自然對(duì)歷年點(diǎn)位影響不甚突出，集中分布一個(gè)方向，其離散趨向?yàn)椤笆濉焙汀笆濉杯h(huán)境質(zhì)量的中間過渡連接帶。

2005年和2010年2個(gè)5年期截止年均離散到同期的上一個(gè)象限中，其中2005年與2006年相似度高，緊密聚集在“十一五”環(huán)境質(zhì)量區(qū)間的X軸代表區(qū)，2010年則在Y軸代表區(qū)略偏入到第一象限內(nèi)。2011年綜合環(huán)境質(zhì)量(圖2中點(diǎn)11)單獨(dú)分布在第一象限，起到主要影響的因子是經(jīng)濟(jì)第二產(chǎn)業(yè)占比、工業(yè)占比、更新改造占比、生態(tài)的水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、水質(zhì)的水質(zhì)優(yōu)良率、功能區(qū)達(dá)標(biāo)率。另外，2015年綜合環(huán)境質(zhì)量在第四象限也離散單獨(dú)分布在一個(gè)點(diǎn)位。

圖2 省域綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與年際變化間的關(guān)系耦合Fig.2 Coupling the year dynamic relationship between structure and function of comprehensive environmental quality at province level

從2001年起，順序至2015年連線成閉合圈，近似呈一個(gè)周期的逼近。這種情況可能的原因是2001年廣西經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較薄弱，經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式為資源粗放型，但當(dāng)時(shí)以空氣、水為主要素的環(huán)境質(zhì)量較好[12]，而2015年則是經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，空氣、水2個(gè)要素的環(huán)境質(zhì)量仍保持較好，但突顯以生態(tài)環(huán)境狀況為主的環(huán)境質(zhì)量特點(diǎn)。這樣，2001—2015年呈現(xiàn)一種優(yōu)化上升后的周期性回歸。

2.2.1.2 季度耦合特點(diǎn)

主分量分類法將“十二五”期間綜合環(huán)境質(zhì)量(圖3，象限中1～4點(diǎn)代碼表示第1～第4季度順序號(hào))的季度變化分成第1季度為一個(gè)類型，以經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境質(zhì)量為主，兼顧大氣、污染源企業(yè)數(shù)量，聚集屬性指標(biāo)最為多樣；其中工業(yè)產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比、石油類濃度、水質(zhì)優(yōu)良率、飲用水水量達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)貢獻(xiàn)率較大。第4季度為一個(gè)類型，以重點(diǎn)企業(yè)污染源廢水企業(yè)數(shù)量為主要特征，兼顧部分經(jīng)濟(jì)、水和氣指標(biāo)，貢獻(xiàn)較大的有大氣的二氧化硫、PM10和酸雨pH及廢水企業(yè)數(shù)量。第2、3季度為一個(gè)類型，以自然、大氣、重點(diǎn)污染源為特征；其中貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)有污水處理廠排放達(dá)標(biāo)率、大氣綜合污染指數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、氣溫和降水量等指標(biāo)?？傮w上，這種耦合關(guān)系與廣西自然氣象、重點(diǎn)企業(yè)季節(jié)性生產(chǎn)特點(diǎn)基本吻合。

圖3 省域綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與季度變化間的關(guān)系耦合Fig.3 Coupling the season dynamic relationship between structure and function of comprehensive environmental quality at province level

2.2.1.3 月份耦合其特點(diǎn)

主分量分類法將“十二五”期間綜合環(huán)境質(zhì)量(圖4，圖4中1～12為12個(gè)月的順序號(hào))的月間變化分成：以2月和3為月主，間有4月和5月的一個(gè)類型(見圖中第1象限點(diǎn)位分布)，表現(xiàn)因子為水環(huán)境質(zhì)量，貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)有水質(zhì)綜合污染指數(shù)、氨氮、石油類、陰離子表面活性劑。以5—9月為主，間有10月的一個(gè)類型(見第2象限點(diǎn)位)，表現(xiàn)因子為自然因子的氣溫和水資源量，貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)有氣溫、降水量、優(yōu)良天數(shù)比例。以11月、12月和1月為主，間有2月，3月的一個(gè)類型，表現(xiàn)因子為大氣環(huán)境質(zhì)量，貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)有大氣綜合污染指數(shù)、氮氧化物、PM10、酸雨頻率等。另外有個(gè)2、4、5、11月混雜的類型，表現(xiàn)因子有水環(huán)境質(zhì)量總磷和化學(xué)需氧量。廣西氣候呈現(xiàn)夏秋時(shí)間長，高溫和雨水期均發(fā)生在5—9月，尤其6、7、8月是汛期。而春節(jié)期間，是環(huán)境空氣質(zhì)量易受影響的敏感時(shí)期，在指標(biāo)屬性上體現(xiàn)為空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)據(jù)與氣溫、降水量有很好的聚集趨勢(shì)。廣西地表水主要特征污染物也基本體現(xiàn)在氨氮、石油類、陰離子表面活性劑、總磷，這些污染物與其水質(zhì)綜合污染指數(shù)有較好的聚焦趨勢(shì)。

圖4 省域綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與月份變化間的關(guān)系耦合Fig.4 Coupling the month dynamic relationship between structure and function of comprehensive environmental quality at province level

2.2.2 設(shè)區(qū)城市綜合環(huán)境質(zhì)量

2.2.2.1 年際耦合特點(diǎn)

14個(gè)城市綜合環(huán)境質(zhì)量(圖5和圖6，圖5中1～14為廣西14個(gè)城市順序號(hào)，圖6中1～5為2011—2015年的順序號(hào))：自成一體的城市4個(gè)，分別是南寧市為一個(gè)類型(圖5中1號(hào)點(diǎn)位)，以污染源排放的廢水企業(yè)數(shù)、環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)的生活污水COD排放量、經(jīng)濟(jì)的GDP和第三產(chǎn)業(yè)比和飲用水?dāng)?shù)據(jù)的糞大腸菌群為特征；北海市為一個(gè)類型(圖5中5號(hào)點(diǎn)位)，以水、工業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)為特征；防城港市為一個(gè)類型城市(圖5中6號(hào)點(diǎn)位)，以大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)良天數(shù)為特征；貴港市一個(gè)類型(圖5中8號(hào)點(diǎn)位)，幾乎在原點(diǎn)，無特征性屬性因子。另外，柳州、桂林為一個(gè)類型(圖5中2、3號(hào)點(diǎn)位)，以污染源排放、生態(tài)、重點(diǎn)企業(yè)污染源為特征；欽州和玉林為一個(gè)類型(圖5中7、9號(hào)點(diǎn)位)，以水環(huán)境質(zhì)量為特征；梧州、百色、賀州、河池、來賓與崇左為一個(gè)類型(圖5中4、10～14號(hào)點(diǎn)位)，以經(jīng)濟(jì)、生態(tài)為特征。按每年數(shù)據(jù)進(jìn)行主分量分類，5年綜合環(huán)境質(zhì)量仍以每個(gè)城市的5年值聚集在一塊，上述4個(gè)自成一體城市尤其明顯。

圖5 城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與城市空間的關(guān)系耦合Fig.5 Coupling the relationship between the spatial structure and the function of comprehensive environmental quality at city level

圖6 城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與年際序列的關(guān)系耦合Fig.6 Coupling the relationship between the year temporal structure and function of comprehensive environmental quality at city level

南寧市為典型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展支持環(huán)境保護(hù)的城市類型，其經(jīng)濟(jì)體量GDP占較大比重，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，第三產(chǎn)業(yè)比重上升，重點(diǎn)污染企業(yè)數(shù)量減少，廢水、廢氣和污水處理達(dá)標(biāo)排放逐漸提高到100%，污染物排放的減排量加大；其水環(huán)境污染問題并不突出，總體呈經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，環(huán)境質(zhì)量總體有所改善。北海和防城港市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)均體現(xiàn)后發(fā)展優(yōu)勢(shì)，其沿海城市特點(diǎn)表現(xiàn)出環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，特別是防城港市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)較高(5年均在99%以上)，大氣綜合污染質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。欽州和玉林市存在比較明顯的水環(huán)境質(zhì)量問題，廣西獨(dú)流入海水系的水質(zhì)綜合污染指數(shù)均較大，特別是九洲江水系呈上升趨勢(shì)，且玉林市飲用水水量達(dá)標(biāo)率也呈下降趨勢(shì)，存在溶解氧、氨氮、總磷、生化需氧等超標(biāo)情況。

2.2.2.2 季度耦合特點(diǎn)

基于季度數(shù)據(jù)，14個(gè)城市綜合環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)為無序的空間狀態(tài)，4個(gè)季度也是隨機(jī)分布。大氣、重點(diǎn)企業(yè)污染源的屬性指標(biāo)交互呈兩個(gè)方向聚集，同理，飲用水和地表水交互成一個(gè)方向特征，表現(xiàn)為期間的交互影響關(guān)系。部分地表水指標(biāo)單獨(dú)一個(gè)方向特征(圖7和圖8)。

圖7 設(shè)區(qū)城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與城市空間的關(guān)系耦合Fig.7 Coupling the season relationship between spatial structure and function of comprehensive environmental quality at city level

屬性指標(biāo)中大氣綜合污染指數(shù)、廢水企業(yè)數(shù)、排放COD企業(yè)數(shù)、氨氮排放企業(yè)數(shù)、排放SO2企業(yè)數(shù)、廢氣企業(yè)數(shù)、NO2、PM10、氮氧化物排放企業(yè)數(shù)、優(yōu)良天數(shù)、水綜合污染指數(shù)、氨氮、溶解氧、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量有較高的載荷。

圖8 設(shè)區(qū)城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與時(shí)間序列的關(guān)系耦合Fig.8 Coupling the relationship between season temporal structure and function of comprehensive environmental quality at city level

2.2.2.3 月份耦合特點(diǎn)

基于月份數(shù)據(jù)，14個(gè)城市綜合環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)為與年際數(shù)據(jù)相似的結(jié)果，即自成一體的城市4個(gè)，12個(gè)月呈現(xiàn)無序的分布特點(diǎn)(圖9和圖10)。大氣、重點(diǎn)企業(yè)污染源的屬性指標(biāo)交互呈2個(gè)方向聚集，同理，飲用水和地表水交互成一個(gè)方向特征，表現(xiàn)為月際間的交互影響關(guān)系。屬性指標(biāo)中，貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)有水綜合污染指數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、pH、總磷、大氣綜合污染指數(shù)、NO2、PM10、氨氮、優(yōu)良天數(shù)、溶解氧。

圖9 設(shè)區(qū)城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與城市空間的關(guān)系耦合Fig.9 Coupling the month dynamic relationship between spatial structure and function of comprehensive environmental quality at city level

圖10 設(shè)區(qū)城市綜合環(huán)境質(zhì)量屬性與時(shí)間序列的關(guān)系耦合Fig.10 Coupling the relationship between month temporal structure and function of comprehensive environmental quality at city level

3 結(jié)論

基于2001—2015 年廣西各要素環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)與自然、經(jīng)濟(jì)、人口、能源和污染物排放等年鑒統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，用主成分分類分析的技術(shù)方法，對(duì)廣西綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與功能屬性關(guān)系進(jìn)行耦合優(yōu)化研究。

1)廣西綜合環(huán)境質(zhì)量空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，功能屬性多樣。廣西綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與功能屬性在省級(jí)單元具有較好的穩(wěn)定性，城市單元?jiǎng)t功能屬性多樣，需要時(shí)空單元的密切值表達(dá)才呈現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系。

2)廣西綜合環(huán)境質(zhì)量趨勢(shì)變化多樣中具有周期性規(guī)律。綜合環(huán)境質(zhì)量要素集在省級(jí)時(shí)間序列涵蓋2001年以來各個(gè)時(shí)期，其中“十二五”期間以年統(tǒng)計(jì)最為全面，季度次之，月份較弱，為零星狀態(tài)。設(shè)區(qū)城市“十二五”期間年際統(tǒng)計(jì)與月份統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈相似的時(shí)空交互變化特點(diǎn)，季度統(tǒng)計(jì)則規(guī)律性不明顯。綜合環(huán)境質(zhì)量5年變化不明顯，增長到10年則在數(shù)量上有明顯變化，持續(xù)增長到15年則無論在數(shù)量還是質(zhì)量上均變化明顯，實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)化上升的變化周期，表現(xiàn)為環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)有所推進(jìn)，國土空間結(jié)構(gòu)得到一定優(yōu)化。

3)主分量分類技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與功能屬性的關(guān)系耦合。主分量分類技術(shù)將2001年以來廣西綜合環(huán)境質(zhì)量構(gòu)建成9種結(jié)構(gòu)與功能屬性耦合關(guān)系，多方位、多時(shí)相與多層次反映了廣西綜合環(huán)境質(zhì)量狀況及其內(nèi)涵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。綜合環(huán)境質(zhì)量具有隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)、人類繁衍、自然變遷、人類生產(chǎn)與生活條件改變而改變的動(dòng)態(tài)性，其變化速率及其影響因素是一個(gè)變權(quán)過程，需要避免權(quán)重大的因素的小變化被放大，權(quán)重小的因素的大變化被縮小的失真現(xiàn)象。通過時(shí)間結(jié)點(diǎn)的密切法和全樣本的象限賦值可動(dòng)態(tài)反演綜合環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)與屬性的驅(qū)動(dòng)過程和判別趨勢(shì)。

廣西環(huán)境質(zhì)量總體良好，穩(wěn)中向優(yōu)得益于自然、氣候、生態(tài)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)、人口、能源的持續(xù)發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的適時(shí)調(diào)整。