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        中國分地區(qū)廢水中主要污染物排放的實(shí)證分析
        ——基于31個(gè)省市自治區(qū)的數(shù)據(jù)

        2022-06-06 10:34:34中央民族大學(xué)理學(xué)院李慧君
        區(qū)域治理 2022年25期
        關(guān)鍵詞:分析法廢水載荷

        中央民族大學(xué)理學(xué)院 李慧君

        一、中國水資源與水污染的基本情況

        (一)水資源嚴(yán)重短缺與水污染嚴(yán)重的現(xiàn)象并存

        1.中國水資源現(xiàn)狀

        水是萬物之母、生存之本、文明之源。2020年全國擁有水資源總量31605.2億m3,居世界第五位,但由于中國人口眾多,人均水資源占有量僅占世界平均水平的四分之一左右。世界淡水資源僅占水資源總量的2.5%,仍有86%的淡水資源封存在難以直接利用的高山冰川、永凍水,人類真正可以直接利用的部分是江河湖泊與地下水中的一少部分。2018年,中國淡水資源比例僅占總水資源的2.53%。由于人口眾多,可利用的淡水資源有限,中國實(shí)際上是嚴(yán)重缺水的國家。據(jù)2019年10月之前的統(tǒng)計(jì),中國660座城市中有400多座城市缺水,比例達(dá)到三分之二以上的比例,其中108座城市嚴(yán)重缺水,中國城市缺水總量為60億立方米,1.6億城市居民生活受到影響。

        2.中國水污染現(xiàn)狀

        水資源污染是城鄉(xiāng)居民生活用水的最大威脅。根據(jù)《2011中國國土資源公報(bào)》公布的全國200個(gè)城市、4727個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果顯示,較差、極差級水比例過半,中國地下水質(zhì)量狀況不容樂觀。2012年環(huán)保部門公布的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,中國的十大水系、62個(gè)主要湖泊中,分別有大約31%和39%的淡水水質(zhì)仍沒有達(dá)到安全的飲用水要求,這將會影響到使用這部分水源的居民的正常生產(chǎn)、生活和身體健康,動(dòng)植物的自然生長也會受到一定程度的影響。2014年國家環(huán)保部發(fā)布的首個(gè)全國性大規(guī)模調(diào)查中顯示出一個(gè)驚人的事實(shí):中國有2.8億居民正使用著不安全的飲用水。2020年,全國地表水Ⅰ類7.3%、Ⅱ類47.0%、Ⅲ類29.2%、Ⅳ類13.6%、Ⅴ類2.4%、劣Ⅴ類0.6%。21世紀(jì)以來,中國境內(nèi)發(fā)生了數(shù)十起嚴(yán)重水污染事件,例如,2005年松花江重大水污染事件;2007年太湖水污染事件;2009年重金屬污染湘江,威脅到4000萬人飲水安全;2013年上海黃浦江死豬事件;2019年四川沱江特大水污染事故致簡陽、資中、內(nèi)江三地百萬群眾飲水被迫中斷;2020年伊春鹿鳴礦業(yè)尾礦庫泄漏水污染事件更是我國近20年來尾礦泄漏量最大、對水生態(tài)影響最大、后期生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)難度異常艱巨和國內(nèi)外潛在社會影響較大的突發(fā)環(huán)境事件。水資源污染不僅將加劇中國可用水資源短缺的矛盾,而且還將進(jìn)一步影響城鄉(xiāng)生產(chǎn)活動(dòng)與居民的日常生活,對人民群眾的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅,在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也影響經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

        3.中國水資源保護(hù)現(xiàn)狀

        我國的水污染問題如不加以重視解決,必將在未來造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與難以挽回的對環(huán)境的傷害。為解決這一問題,國家自20世紀(jì)90年代起連續(xù)發(fā)布治理污水措施與企業(yè)排放污水的限制、懲罰政策。2011年中央一號文件發(fā)布《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》,2013年1月水利部印發(fā)《關(guān)于加快水生態(tài)文明建設(shè)工作的意見》,2015年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》(簡稱“水十條”),2017年9月1日國務(wù)院發(fā)布《中國水資源保護(hù)法》、水利部發(fā)布《全國水資源保護(hù)規(guī)劃》(2016—2030),對水污染治理作出嚴(yán)格限制措施。目前,我國水資源保護(hù)得到了加強(qiáng)。

        (二)分地區(qū)廢水中主要污染物排放的識別

        目前廢水的排放主要是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的排放、城鄉(xiāng)人民生活用水的排放。廢水污染物的排放是影響人民生產(chǎn)生活用水安全的主要因素。本文觀測中國分地區(qū)廢水主要污染物排放情況,其分析過程采用主成分分析法、因子分析法,對影響水質(zhì)污染的潛在因子進(jìn)行識別,提出合理性的建議,減少污染物的排放,從而達(dá)到最終降低水資源污染、推動(dòng)水資源循環(huán)利用、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

        (三)數(shù)據(jù)來源

        考慮到選用數(shù)據(jù)的可靠性與嚴(yán)謹(jǐn)性,本文選用的數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局2020年中國統(tǒng)計(jì)年鑒。表中有2017年我國31個(gè)省份、自治區(qū)、直轄市地區(qū)排放廢水中化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚、鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、總鉻、砷等12種化學(xué)指標(biāo)一共372份檢測結(jié)果。在這份數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,本文將選用主成分分析法、因子分析法依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出影響水質(zhì)污染的重要因子,并且得出相應(yīng)結(jié)論,提出合理性建議。

        二、模型的建立及結(jié)果分析

        (一)研究方法與思路

        本文對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析主要采用了主成分分析法與因子分析法。

        主成分分析是一種通過降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分(綜合變量)的統(tǒng)計(jì)分析方法,這些主成分已經(jīng)能夠反映樣本的大部分信息,因此研究分析并結(jié)合現(xiàn)實(shí)背景解釋主成分意義。

        因子分析法是主成分分析法的一種推廣和發(fā)展,同樣也是重要的降維手段。通過因子分析法可以找到潛在的影響變量,這些影響變量難以通過現(xiàn)實(shí)觀測,但卻在實(shí)際中對考察問題有相當(dāng)大的影響。因子分析法通過旋轉(zhuǎn)因子可以得到不同的解,其結(jié)果比主成分分析法更為靈活、更易于解釋。

        發(fā)展測評主要用于測評和反饋參加培訓(xùn)后的教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升程度,促進(jìn)教師主動(dòng)應(yīng)用信息技術(shù)開展教育教學(xué)工作,提升中小學(xué)生學(xué)習(xí)成效與信息素養(yǎng)。

        (二)模型建立及結(jié)果分析

        1.數(shù)據(jù)預(yù)處理

        根據(jù)研究目的與數(shù)據(jù)表格,可以將表格中的污染物,化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚、鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、總鉻、砷作為原始變量,分別假設(shè)為隨機(jī)變量x1、x2、x3……x12,表格數(shù)據(jù)則作為樣本數(shù)據(jù)。

        我們注意到原始表格中存在兩處數(shù)據(jù)的缺失,分別是海南省與西藏自治區(qū)廢水中汞的含量沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在查閱資料過后,筆者選擇使用隨機(jī)森林填補(bǔ)法對缺失的海南、西藏測量汞的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)。填補(bǔ)后,海南、西藏的汞數(shù)據(jù)分別為61.95和58.45.

        2.主成分分析模型的建立

        從原始表格可以看出各個(gè)變量的單位不同,存在單位為萬噸、噸、千克的數(shù)據(jù)。此時(shí)按照主成分分析法的要求,從樣本數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣出發(fā)計(jì)算特征值、特征向量更為合理。運(yùn)用R軟件,計(jì)算相關(guān)系數(shù)、主成分及主成分載荷、主成分得分等。圖1是使用R軟件計(jì)算得到的相應(yīng)結(jié)果。

        圖1 累計(jì)方差比例顯示圖

        3.結(jié)果分析

        根據(jù)圖2可知,保留前三個(gè)主成分的累計(jì)方差比例達(dá)到了79.06%,保留前四個(gè)主成分的累計(jì)方差達(dá)到85.45%,結(jié)合圖3也可以看出有三個(gè)特征值大于1,故選取前三個(gè)主成分即可。圖2利用R軟件給出主成分載荷,但是R軟件中eigen函數(shù)存在的問題是,與同樣的矩陣在matlab軟件計(jì)算相比,eigen函數(shù)計(jì)算出來的特征向量的數(shù)值大小相同但正負(fù)號相反。因此上圖特征向量取正負(fù)號相反的結(jié)果進(jìn)行分析。

        圖2 相關(guān)矩陣R特征值、特征向量(部分)

        可以看出,第一主成分y1在所有變量上(除了x8 汞載荷偏?。┒加邢鄬频恼d荷,可以認(rèn)為第一主成分可解釋為中國地區(qū)廢水中污染物的綜合情況。第二主成分在變量x7、x8、x9(鉛、汞、鎘)上表現(xiàn)出近似大小的正載荷,可以認(rèn)為第二主成分y2可解釋為(受某種可能導(dǎo)致鉛、汞、鎘一起排放的生產(chǎn))的廢水污染情況。第三主成分只在變量x10、x11(六價(jià)鉻、總鉻)上有過半的載荷,可以認(rèn)為第三主成分y3可解釋為(受某種可能導(dǎo)致六價(jià)鉻、總鉻一起排放的生產(chǎn))的廢水污染情況。

        圖3 按主成分得分排序(部分)

        第一主成分得分較高的有。西藏、青海、北京、寧夏、上海、海南,也就是說這幾個(gè)城市的綜合污染指數(shù)較高,不是說污染程度重,而是污染物種類比較多。第二主成分得分較高的有江西、廣西、陜西、甘肅、湖南、云南,這些地區(qū)的廢水中鉛、汞、鎘的含量較高,這些都是工業(yè)排放中可能產(chǎn)生的污染,的原因與當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)有關(guān)。第三主成分得分較高的有河北、江西、福建、浙江、四川、甘肅。

        4.與因子模型結(jié)果分析對比

        經(jīng)過編程測試,發(fā)現(xiàn)保留4個(gè)因子時(shí)累計(jì)方差已經(jīng)超過85%

        由圖4可以看出,結(jié)果與前面主成分分析有所區(qū)別,第一個(gè)因子在x1-x5載荷上均超過0.7,所以第一個(gè)因子可以解釋為綜合考慮污染物(化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、石油類)的生活農(nóng)業(yè)污染指數(shù)?;瘜W(xué)需氧量、氨氮、總氮這些化學(xué)物在生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)致的污染較為嚴(yán)重,金屬化學(xué)物在工業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)致的污染重占比重一些。第二個(gè)因子在x7、x9、x12(鉛、鉻、砷)上載荷比較大。第三個(gè)因子在x10、x11(六價(jià)鉻、總鉻)上載荷比較大,第四個(gè)因子只在x6上有特別大的載荷??梢越普J(rèn)為第一個(gè)因子表現(xiàn)為生活、農(nóng)業(yè)綜合導(dǎo)致的水污染因子,第二個(gè)因子表現(xiàn)為會造成鉛、鉻、砷排放的礦業(yè)、工業(yè)污染,第三個(gè)因子表現(xiàn)為會造成六價(jià)鉻、總鉻排放的工業(yè)污染。

        (三)研究結(jié)論

        由此可以看出,水污染的主要來源為生活、生產(chǎn)(包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn))用水不當(dāng)、排放不當(dāng)。在居民日常生活方面,可以考慮建議人們不要使用含磷過多的洗衣粉,不要使用可能造成水中化學(xué)需氧量高(可以理解為一些有機(jī)物)的洗滌劑等。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面,可以考慮發(fā)明更加環(huán)保的肥料和減少污染的澆灌方法。在工業(yè)生產(chǎn)方面,企業(yè)需要充分考慮工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)污染排放物的凈化,減少生產(chǎn)污染。

        三、對中國分地區(qū)廢水中主要污染物排放的建議

        (1)水資源安全是生態(tài)安全的基礎(chǔ),各地區(qū)要切實(shí)貫徹習(xí)近平生態(tài)文明建設(shè)思想,妥善處理經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生活與水資源開發(fā)、合理利用的關(guān)系,通過轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

        (2)在工業(yè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)工業(yè)生態(tài)化,引入綠色制造,轉(zhuǎn)變粗放的生產(chǎn)方式,提高工業(yè)用水的重復(fù)率,千方百計(jì)降低水資源的消耗,同時(shí)提高工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)率。

        (3)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,必須改變大水慢灌等高消耗方式,有條件的地區(qū)要大力發(fā)展現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè),實(shí)施精細(xì)化的生產(chǎn)經(jīng)營方式,降低水資源的高消耗及廢水排污量。

        (4)在城鄉(xiāng)人民生活方面,積極推廣使用清潔高效的新能源,節(jié)能減排,加強(qiáng)用水宣傳教育,強(qiáng)化節(jié)水意識,形成綠色低碳的生活方式。

        (5)在推進(jìn)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程中,根據(jù)各地區(qū)水資源的容量和廢水排放的關(guān)系,在保證城鄉(xiāng)人民生活安全的前提下,把廢水排放控制在合理范圍。

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