基于多元回歸模型的地表水質(zhì)量影響因素分析

陳亞寧 楊燕霄 田霖漪 康鎖倩 宋晶鑫

【摘要】在黨的十九大上，首次把“美麗”寫入了社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)目標(biāo)，水污染防治就是其中一方面。對(duì)于天津市生態(tài)環(huán)境的2018年度報(bào)告可知，在20個(gè)國(guó)考斷面中，I -Ⅲ類水質(zhì)斷面10個(gè)，占50.0%，劣V類水質(zhì)斷面4個(gè)，占20.0%，水污染程度較高，影響了居民的生活質(zhì)量以及天津市的可持續(xù)發(fā)展。以天津市津南區(qū)為例進(jìn)行影響地表水的水污染的主要因素分析，運(yùn)用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)中多元回歸模型找到高錳酸鹽指數(shù)，氨氮和總磷為主要因子，并提出了相關(guān)的對(duì)策和建議，以建設(shè)美麗天津。

【關(guān)鍵詞】地表水水污染;總磷;綜合污染指數(shù);回歸檢驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】X824

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

國(guó)家將水環(huán)境保護(hù)作為生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。黨的十八大和十八屆二中、三中、四中全會(huì)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)作出戰(zhàn)略部署。習(xí)近平總書記關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)作出一系列重要指示，強(qiáng)調(diào)要大力增強(qiáng)水憂患意識(shí)、水危機(jī)意識(shí)，從全面建成小康社會(huì)、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，重視解決好水安全問題。

近幾年隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，化學(xué)用劑和農(nóng)藥等的大量使用使得地表水受到了嚴(yán)重的污染。天津市“十三五”規(guī)劃中大力加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，深入實(shí)施“美麗天津一號(hào)工程”，形成綠色發(fā)展的空間格局、產(chǎn)業(yè)格局、生產(chǎn)方式、生活方式和制度體系，打造水繞津城、城在林中、天藍(lán)水清、郁郁蔥蔥的宜居環(huán)境。而作為天津市四個(gè)環(huán)城區(qū)之一的津南區(qū)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，區(qū)域內(nèi)市管河道4條，區(qū)、鎮(zhèn)管河道23條，除個(gè)別指標(biāo)劣于五類水標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)、鎮(zhèn)管河道幾乎全部為劣五類水體，嚴(yán)重影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量以及我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展，水治理問題的早日解決成為了人們的共同愿望，本文對(duì)于天津市津南區(qū)的水污染影響因素進(jìn)行分析，找到影響程度較高的幾個(gè)因子，為津南區(qū)地表水的治理指明方向，使得天津市早日實(shí)現(xiàn)綠水青山的目標(biāo)。

1 確定影響因素

根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，自然因素和人為因素是造成天津市水污染的兩個(gè)因素。人為污染是我們一般所說的水污染。它包括我們?cè)谌粘Ｉ钪兴a(chǎn)生的污水、工業(yè)在運(yùn)作過程中排放的含有有害物的廢水以及在農(nóng)業(yè)的農(nóng)作物上產(chǎn)生的污染。

天津市人口密集度較高，所以會(huì)排出許多的生活污水，這種生活污水中有機(jī)物含量較高。所以選取高錳酸鹽指數(shù)為解釋變量x1，高錳酸鹽指數(shù)越高，說明水體受到有機(jī)物污染的程度越嚴(yán)重。

工業(yè)在運(yùn)作過程中排放的含有有害物的廢水是主要污染源，里面污染物質(zhì)多并且構(gòu)成不簡(jiǎn)單，有著較大的毒性，天津市津南區(qū)已形成機(jī)械等20多個(gè)工業(yè)門類，大量廢水會(huì)在生產(chǎn)的過程中排出，而且這些廢水中的有機(jī)質(zhì)，在降解時(shí)消耗大量溶解氧，易引起水質(zhì)發(fā)黑變臭等現(xiàn)象，所以選取解釋化學(xué)含氧量（ mg/L）為X2。

津南區(qū)的農(nóng)業(yè)有著一段較為悠久的歷史，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而產(chǎn)生的水污染源中降水則是一大攜帶者，它所形成的徑流和滲流把土壤中的氮、磷和農(nóng)藥帶入水體，由農(nóng)副產(chǎn)品加工廠的有機(jī)廢物排入水體，于是造成水質(zhì)惡化，使得河流、水庫(kù)等造成大面積的污染。所以將氨氮和總磷（ mg/L）分別作為解釋變量X3和X4。

水污染綜合污染指數(shù)可作為被解釋變量Yt。

2 數(shù)據(jù)收集與分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

本文從天津市生態(tài)環(huán)境局官網(wǎng)搜集到津南區(qū)2018年7月到2019年9月的地表水水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確，見表1。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1中數(shù)據(jù)可知，近期的天津市津南區(qū)的地表水的綜合污染指數(shù)基本大于臨界值2，對(duì)應(yīng)的水質(zhì)狀況為嚴(yán)重污染，相當(dāng)部分檢出值超標(biāo)數(shù)倍或幾十倍，并且各項(xiàng)指數(shù)幅度不大，說明水質(zhì)問題沒有有效的得到解決，情況不容樂觀。

3 模型設(shè)定與參數(shù)估計(jì)

3.1 模型設(shè)定

運(yùn)用Eviews-10.0軟件，將上面搜集到的數(shù)據(jù)輸入，通過相關(guān)圖，可以看出每一因素與水污染綜合指數(shù)具有某種程度上的線性相關(guān)關(guān)系，并且通過了格蘭杰因果關(guān)系檢驗(yàn)，以綜合污染指數(shù)為被解釋變量Y1，高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)含氧量，氨氮和總磷（ mg/L）分別為解釋變量X1、X2、X3、X4，建立如下多元線性回歸方程：

Yt= β0+β1X1+ β2X2+ β3X3+β4X4+μt

上式中，β0為無其他影響因素下的水污染綜合指數(shù)，β1、β2、β3、β4為待估參數(shù)，μt為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)。

3.2 參數(shù)估計(jì)

將數(shù)據(jù)輸入并運(yùn)用最小二乘法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，由此可得回歸方程為：

Yt=-0.476877+0. 129197X1+0.022348X斗0543146X3+1.893663X4。根據(jù)輸出結(jié)果，其中R2=0.989922，說明方程擬合優(yōu)度較好，高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)含氧量，氨氮和總磷對(duì)綜合污染指數(shù)有顯著影響，并且四個(gè)解釋變量的F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量P值小于0.05，也都通過，說明方程和解釋變量的系數(shù)顯著不為零，模型有意義，但是DW=1.515074，說明具有序列相關(guān)性，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

4 模型的檢驗(yàn)與修正

4.1 平穩(wěn)性檢驗(yàn)

Y的ADF檢驗(yàn)中，從Y的參數(shù)值來看，其t統(tǒng)計(jì)量在0.05置信度下為-3.154679，小于測(cè)試臨界值-2.376897，拒絕存在單位根的零假設(shè)，所以可斷定水污染綜合指數(shù)Yt時(shí)間序列是穩(wěn)定的。

X1、X2、X3、X4的ADF檢驗(yàn)中，從參數(shù)值來看，其t統(tǒng)計(jì)量在置信度為0.05下分別為-3.64536、-3.093481、一2.801389、-3.983617，分別小于其臨界值-2.791172、一3.003364、-2.098896、-3.261577，均拒絕存在單位根的零假設(shè)，可判斷高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)含氧量，氨氮和總磷的數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

結(jié)果都通過檢驗(yàn)，解釋變量和被解釋變量為平穩(wěn)序列，可以進(jìn)行下一步分析。

4.2 經(jīng)濟(jì)意義檢驗(yàn)

根據(jù)上述的參數(shù)估計(jì)，得到的解釋變量系數(shù)均為正值，其中高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)含氧量較高，說明水中的有機(jī)物含量高，污染程度深，則綜合污染指數(shù)也會(huì)提高;氨氮和總磷是導(dǎo)致水富營(yíng)養(yǎng)化的主要物質(zhì)，他們含量的增高會(huì)導(dǎo)致綜合污染程度加深，水污染綜合指數(shù)也會(huì)升高，因此模型符合經(jīng)濟(jì)意義。

4.3 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

4.3.1 擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。R2=0.989922，修正后的R2=0.985890，接近于1，說明方程的擬合優(yōu)度較好，高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)含氧量，氨氮和總磷含量對(duì)綜合污染指數(shù)有很強(qiáng)的解釋力。

4.3.2 t檢驗(yàn)。根據(jù)回歸結(jié)果，α=0.05的情況下，四個(gè)解釋變量的t統(tǒng)計(jì)量的伴隨概率P值都小于0.05，通過了t檢驗(yàn)，四個(gè)解釋變量的系數(shù)顯著不為0。

4.3.3 F檢驗(yàn)。根據(jù)回歸結(jié)果，α=0.05的情況下，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量的伴隨概率P值都小于0.05，通過了F檢驗(yàn)，說明該方程顯著不為0。

4.4 計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)檢驗(yàn)與修正

4.4.1 異方差性的檢驗(yàn)。由于樣本數(shù)據(jù)為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，所以不存在異方差性。

4.4.2 多重共線性的檢驗(yàn)與修正。四個(gè)解釋變量為高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)含氧量，氨氮和總磷，這幾個(gè)變量之間可能存在較密切的關(guān)系，具有相同方向的變化趨勢(shì)，并且收集數(shù)據(jù)范圍過窄，有時(shí)會(huì)造成變量間存在多重共線性問題，所以進(jìn)行了相關(guān)的檢驗(yàn)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣。在結(jié)果中得出有些相關(guān)系數(shù)r>0.7，說明變量之間高度相關(guān)，存在多重共線性問題，表中可以看出X3與Yt最為相關(guān)，以此為基礎(chǔ)將變量進(jìn)行逐一回歸，通過考慮經(jīng)濟(jì)意義與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)兩個(gè)方面，剔除一些對(duì)被解釋變量影響不顯著的變量，最后確定如下模型：

Yt=-0.453230+0.196754X1+0.541688X3+2.216571X4

4.4.3序列相關(guān)性的檢驗(yàn)與修正。經(jīng)濟(jì)變量是對(duì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的客觀反應(yīng)，同一經(jīng)濟(jì)變量在前期和后續(xù)時(shí)期總存在一定的相關(guān)性，在上述模型中的D-W值為1.164712，時(shí)間序列相關(guān)D-W檢驗(yàn)判別落在了不能確定區(qū)域，說明該模型存在序列相關(guān)性，需進(jìn)行處理修正。運(yùn)用迭代法修正后，結(jié)果如下：

Yt=-0.299821+0.198570X1+0.546393X3+1.542934X4

該模型中，在n=15，k=3的條件下，查表可知dL=0.82，du=1.75，此時(shí)D-W=1.969506，落人了無序列關(guān)區(qū)，解決了序列相關(guān)性，并且R2=0.992701，方程的擬合優(yōu)度變得更好了，t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)的伴隨概率都小于0.05，模型達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，最終表明天津市津南區(qū)地表水綜合污染指數(shù)的主要影響因素為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮以及總磷含量。根據(jù)回歸的最終結(jié)果，當(dāng)高錳酸鹽指數(shù)變動(dòng)1單位時(shí)，綜合污染指數(shù)平均變動(dòng)0.198570個(gè)單位;氨氮變動(dòng)1單位時(shí)，綜合污染指數(shù)平均變動(dòng)0.546393個(gè)單位;總磷變動(dòng)1單位時(shí)，綜合污染指數(shù)平均變動(dòng)1.542934個(gè)單位，相比而言，總磷對(duì)于綜合污染指數(shù)影響程度最深。下面對(duì)于其相關(guān)原因進(jìn)行了具體分析。

5 對(duì)策及建議

5.1 積極建設(shè)再生利用及城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施

要確保相關(guān)設(shè)施的良好運(yùn)行，使得排放達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)新建、擴(kuò)建污水處理廠項(xiàng)目以及各鎮(zhèn)、開發(fā)區(qū)及工業(yè)園區(qū)污水處理廠建設(shè)工作。加快配套城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)，擴(kuò)大收水范圍。

5.2 加大工業(yè)污染防治力度

以“誰(shuí)污染，誰(shuí)治理”、建設(shè)項(xiàng)目“三同時(shí)”為原則。實(shí)施差別化環(huán)境準(zhǔn)入政策，明確相關(guān)區(qū)域的準(zhǔn)人條件，對(duì)于較為重點(diǎn)的行業(yè)進(jìn)行整治，把嚴(yán)重污染企業(yè)采取取締措施，對(duì)裝備水平低、環(huán)保設(shè)施差的小型工業(yè)企業(yè)進(jìn)行全方位的排查，并對(duì)于不符合規(guī)定的企業(yè)進(jìn)行取締。

5.3 對(duì)地表水系統(tǒng)進(jìn)行治理與完善

科學(xué)確定生態(tài)流量，增加生態(tài)用水量，加強(qiáng)水域水量調(diào)度管理，合理安排閘壩下泄水量和泄流時(shí)段，維持基本生態(tài)用水需求，保障中心城區(qū)及環(huán)城四區(qū)生態(tài)用水。

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[作者簡(jiǎn)介]陳亞寧（1998-），女，河北淶源人，本科生。