废水排放总量与污染物浓度的联合聚类分析
——以2014年各省面板数据为例

赵佳红，董小林，吴 阳，赵丽娟

(1.长安大学环境经济与管理研究所，西安 710064；2.长安大学建筑工程学院，西安 710064)

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废水排放总量与污染物浓度的联合聚类分析
——以2014年各省面板数据为例

赵佳红1,2，董小林1,2，吴 阳1，赵丽娟1

(1.长安大学环境经济与管理研究所，西安 710064；2.长安大学建筑工程学院，西安 710064)

分析污染物排放总量和排放浓度对控制污染同等重要，联合分析污染物排放的总量和浓度，可客观地评价区域污染物的排放状况和环境质量。以基于聚类分析法，根据2014年全国各省份的相关污染物数据，针对废水排放总量和废水污染物浓度进行联合分析。分析结果表明：废水排放总量和污染物浓度联合分析的结果与单就排放总量或者污染物浓度分析的结果有所出入。如我国一些省份，单就排放总量分析其结果为环境质量较好，单就污染物浓度分析其结果为环境质量较差，而进行联合分析结果为环境质量相对较差。联合分析总量和浓度可反映出我国各省份的实际环境状况，为科学、客观的进行环境质量评估和制定环境管理法规政策提供定量分析的依据。

废水排放总量；污染物浓度；联合分析；聚类分析

1 引 言

污染物排放总量控制和浓度控制是我国环境保护研究和实践的重要内容之一。我国部分省份和企业已进行了总量和浓度“双控”的管理尝试，取得了良好的效果。但是从我国环境保护的全局性和环保工作的整体性来看，偏重于“双控”中的一控的情况是普遍的，这就导致污染物控制有效性的降低。加强“双控”的基础是开展污染物排放总量与浓度的联合分析。联合分析可真实反应各地区的污染物实际排放状况，科学客观的评价区域污染状况，从而使政府和企业在实际工作中注重加强管理，为环境保护工作提供了切实有效的帮助和指导。本研究针对我国污染物控制现状，以废水为研究对象，运用聚类分析法，对2014年全国各省(市、自区治)废水排放总量和废水中的部分污染物浓度进行联合的定量分析，用数据分析说明我国各大区域对污染物的治理不应只注重总量的减少，同时应重视对浓度的控制。

2 废水排放总量和污染物浓度的联合分析

2.1 排放总量和污染物浓度的特点分析

明确排放总量和污染物浓度的概念内涵，是进行排放总量和污染物浓度分析，以及实际工作中“双控”的基础。以废水为例，其相关概念如下：

废水排放总量指生产废水和生活污水的排放总量。

废水中污染物排放量指在一定时间段内，在某一特定区域内废水排放总量中某种污染物的总体含量。

废水污染物浓度指单位废水溶液所含某种污染物质的摩尔数。污染物浓度包括瞬时浓度和平均浓度。本论文所涉及浓度数据，是一年中的平均浓度值。

废水排放总量控制是指在一定的时间和空间区域内控制污水排放主体的废水排放量[1]。

污染物排放浓度控制是指控制排出的污染物占其所属载体的比例。其控制依据为国家污染物排放标准，以及不同行业污染物排放标准和地方污染物排放标准[2]。

2.2 排放总量和污染物浓度联合分析的意义

废水排放总量和污染物浓度联合分析的含义为，根据废水排放总量基本相同但污染物浓度较大不同，或污染物浓度基本相同但废水排放总量较大不同的情况，来分析确定污染物排放的真实情况。联合分析可以增强政府对整个区域环境状况的分析和管控能力，也便于企业明确其区域内任何时空点环境质量是否真正达标，从而确切反应区域内真实的环境质量。

排放总量和污染物浓度联合分析在解决排放总量或污染物浓度单一分析所存在的不足的同时，将面数据和点数据、常态数据和瞬态数据有效的结合，使我们更加客观、明确的掌控真实的环境质量状况。为更加科学的管控和改善环境质量提供依据。

3 基于聚类分析法的联合分析模型构建

3.1 数据指标的选取

污染物浓度用污染物质量占所属载体质量的百万分比来表示，其单位为ppm(百万分比)，1ppm=1mg/kg=1百吨/亿吨。污染物浓度表达式如式(1)所示：

(1)

本文以2014年全国各省(市、自治区)废水排放总量、废水中化学需氧量和氨氮排放量为研究对象， 废水排放总量、化学需氧量排放量和氨氮排放量数据来自2014年各省(市、自治区)环境状况公报及国家环保部“2014年各省自治区直辖市主要污染物排放量”，其数据来自各省(市、自治区)环境状况公报[3]、环境保护部公布的“2014年各省自治区直辖市主要污染物排放量”[4]及2014年全国环境统计年报[5]，化学需氧量和氨氮的浓度取平均浓度，运用公式(1)，分别计算出平均浓度COD和平均浓度氨氮，见表1所示。废水排放总量及其所含污染物排放量和平均浓度的变化趋势如图1和图2所示。

表1 2014年各省(市、自治区)废水排放总量与污染物平均浓度Tab.1 The total amount of wastewater discharge and the average concentration of pollutants of all provinces(municipalities and autonomous regions) in 2014

续表1

序号地区废水排放总量(亿吨)废水中化学需氧量排放量(万吨)废水中化学需氧量排放平均浓度(百吨/亿吨)废水中氨氮排放量(万吨)废水中氨氮排放平均浓度(百吨/亿吨)5安徽27.6088.56321.1010.0536.446黑龙江14.97142.39951.178.4956.717江西20.8372.01345.708.6041.288广西21.9374.40339.267.9336.169辽宁26.80121.70453.6010.0137.3110山东51.24178.04347.4615.5030.2511云南15.7553.38338.845.6535.8512宁夏3.5021.98619.151.6646.7613甘肃6.6037.32565.693.8157.7514福建26.0662.98241.678.9334.2715广东90.55167.06184.4920.8222.9916贵州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江苏60.12110.00182.9714.2523.7024青海2.3010.50456.500.9842.6325山西11.5844.13381.045.3746.3726陕西14.4950.49348.525.8240.1727四川33.13121.63367.1313.4740.6628浙江41.8372.54173.4210.3224.67129内蒙古11.1984.77757.444.9344.0530西藏0.802.79372.000.3445.3331新疆10.1057.21565.324.0740.22

图1 2014年各省(市、自治区)废水排放总量及其所含污染物排放量趋势Fig.1 The total amount of wastewater discharge and the trend of pollutant emission of all provinces (municipalities and autonomous regions) in 2014

图2 2014年各省(市、自治区)废水排放总量及其所含污染物排放平均浓度趋势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 联合分析模型的建立

本研究选取K均值聚类分析，对2014年各省(市、自治区)废水排放总量和污染物排放量进行分类联合分析。根据各省(市、自治区)废水样品和变量数据总量和浓度的不同特征指标值的差异程度大小，将研究对象废水分为相对同质的群组。对于如何定量分析废水个体间的差异程度，需要通过计算它们间的距离来实现。根据计算得出的距离，将所有废水个体进行归类，差距越小的个体越有条件合为一类，差距越大的个体则被归为不同类[6]。同一聚类个体中，计算得出的距离越小，个体之间的差异就越小，反之则越大。

(1)数据标准化

由于废水排放总量和污染物浓度的量纲不同，进行分类前需采用公式(2)所示方法，对原始数据进行标准化，以消除不同变量单位对聚类结果的影响[7]。

(2)

(2)采用欧氏距离法[8-9]

其具体表达式见公式(3)，计算全国废水中各污染物排放总量和浓度的相似性系数，并按一定阈值标准，以相似性系数最大化为原则将污染物排放浓度和总量最为相似的年份归为一个类型区。相似性系数的计算公式(4)如下：

(3)

(4)

式中，dij为第i个废水样品与第j个废水样品间的距离；xim为第i个变量的值；xjm为第j个变量的值；Rij为变量xim与xjm变量的相关性系数，即用来表示废水对象分类单位间相似程度的指标。

3.3 聚类分析的过程

运用SPSS软件对研究数据进行分析，其过程主要分为2个部分，具体为：

(1)有效性检验；为确保所选择的数据正确、合理，对已经进行标准化的样本数据进行有效性检验。经检验，31个样本全部有效。

(2)确定4个聚类后，对所有样本进行K均值聚类分析，经过3次迭代，得出各样本所属的类别，并对每个聚类中样本的个数进行汇总。其中第一类表示环境污染较轻，第二类表示环境污染中等，第三类表示环境污染较重，第四类表示环境污染严重。将废水排放总量和化学需氧量、氨氮的排放浓度应用聚类分析法，进行联合分析后的所属类别见表2。

表2 废水排放总量及化学需氧量、氨氮排放浓度联合分析后各样本的所属类别与距离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 计量结果分析

4.1 排放总量分析

由于目前我国对于环境质量的控制与改善，主要以总量的控制为着力点，因此按照废水排放总量由小到大的顺序对表1相关内容进行重新排序，结果见表3。

表3 废水排放总量升序排列表Tab.3 Ascending order of the total amount of wastewater discharge (万吨)

由表3可以看出，我国各地区因所处的自然环境、人文条件、社会经济发展程度，以及资源布局和产业结构等方面的差异，废水排放总量差异相当大。因此，应将我国各省份废水排放量多少与上述因素的关联性进行分析。

4.2 污染物浓度分析

按照废水中污染物排放平均浓度由小到大的顺序对表1相关内容进行重新排序，结果见表4和表5。

表4 废水中化学需氧量排放平均浓度升序排列表Tab.4 Ascending order of the average concentration of COD in wastewater (百吨/亿吨)

表5 废水中氨氮排放平均浓度升序排列表Tab.5 Ascending order of the average concentration of ammonia nitrogen in wastewater (百吨/亿吨)

续表5

序号地区平均浓度氨氮序号地区平均浓度氨氮序号地区平均浓度氨氮5浙江24.67116辽宁37.3127宁夏46.766天津市26.5217湖北39.9128湖南49.497山东30.2518陕西40.1729黑龙江56.718河南32.8819新疆40.2230甘肃57.759河北33.1520四川40.6631海南58.4510福建34.2721江西41.2811贵州34.2722青海42.63

为了对废水中化学需氧量和氨氮进行浓度分析，需要相关的环境质量标准数据。根据中华人民共和国国家标准《地表水环境质量标准GB3838-2002》[10]有关数据，形成表6。

表6 地表水环境质量标准项目标准限值Tab.6 Standard limited value of environmental quality standards for surface water (mg/L)

注：Ⅰ类 主要适用于源头水、国家自然保护区； Ⅱ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的索饵场等； Ⅲ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区； Ⅳ类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； Ⅴ类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

将表6中的浓度数据和表4和表5相应数据进行比对，因此需将表6的单位mg/L转化为百吨/亿吨，由公式(5)，得转化后的数据，见表7。

1mg/L=10百吨/亿吨

(5) 表7 地表水环境质量标准项目标准转化后限值Tab.7 Standard limited value of environmental quality standards for surface water (百吨/亿吨)

由表4和表7可知，2014年全国各省(市、自治区)废水中化学需氧量排放浓度情况为：北京、上海两市废水中化学需氧量排放平均浓度小于150百吨/亿吨，达到国家地表水环境质量Ⅱ类标准；3个省废水的平均浓度超过150百吨/亿吨且小于200百吨/亿吨，达到国家地表水环境质量Ⅲ类标准；4个省(市)的平均浓度达Ⅳ类标准；12个省(自治区)的平均浓度达V类标准；10个省(自治区)的平均浓度超过400百吨/亿吨，废水中化学需氧量含量严重超标。

同样，由表5和表7可知，2014年全国各省(市、自治区)废水中氨氮排放浓度情况为：除北京市废水中氨氮排放平均浓度达标Ⅳ类标准，其他30个省(市、自治区)废水中氨氮排放平均浓度均超过20百吨/亿吨，废水中氨氮含量超标严重。

4.3 联合分析

由表2可以看出，根据2014年全国各省(市、自治区)废水排放总量和污染物浓度的数据值，可以将2014年各省的环境污染程度分为四类。由此可以看出我国水环境状况不容乐观，一些省份的环境状况亟待改善。

同时，可以看出表2和表3、表7所得的结论不一致。如利用2014年吉林省相关数据进行分析，得出的结果是：单就排放总量分析，吉林省废水排放量较少，表明环境污染较轻；单就污染物浓度分析，吉林省环境污染较为严重；而联合分析表明，吉林省环境污染相对较为严重。所以单就排放总量或者单就污染物排放浓度作为环境污染程度的判据是不合适的。废水排放总量与污染物浓度的联合分析结果是更客观的，为科学、客观的确定环境污染程度等级，提出可行性对策提供了定量分析的依据。

5 基于联合分析的对策

基于上述运用聚类分析法对废水排放总量与污染物浓度的联合分析，提出以下具体的对策建议。

(1)加强排放总量和污染物排放浓度联合分析与评价

环境质量的恶化，最重要的原因是具有污染性的物质的排放。将含有污染物载体物质的排放总量和污染物排放浓度进行联合分析，能够客观的认识区域环境质量的状况。要重视在联合分析的基础上，进行环境质量评价。

(2)加强排放总量和污染物浓度联合控制

重视对排放总量和污染物浓度进行联合分析与评价，目的是控制污染物排放的数量。总量和浓度联合控制有利于将点数据和面数据结合起来，将瞬态数据和常态数据融合起来，从而切实有效的进行排放总量和污染物浓度的控制。

(3)制定联合控制的规范与政策

污染物排放总量和浓度联合控制，需要有相应的规范与政策进行支撑及督导，政府和企业在相应法律规范的指导和约束下，真正实行总量和浓度“双控”的监管措施，是争取切实可行的措施改善环境质量，也是完善环境管理相关法规政策与措施的依据。

6 结 论

(1)以废水为例，进一步阐明了废水排放总量、废水中污染物排放量和废水污染物浓度的概念，指出明晰总量和浓度的内涵，是进行排放总量和污染物浓度分析，以及实际工作中“双控”的基础。

(2)根据2014年各省(市、自治区)废水中污染物排放的相关数据，对废水排放总量和相关污染物平均浓度数值进行分析，提出了对排放总量和浓度进行联合分析的理念，论述了总量和浓度联合分析的必要性。

(3)基于聚类分析法，得出废水排放总量和污染物浓度的联合分析与单一就废水排放总量或废水中污染物浓度分析的结果有所出入，得到了较为科学、客观的地区环境状况评价依据。

(4)针对废水排放总量和污染物浓度联合分析的结果，提出了具有针对性的改善地区环境状况的对策。

[1] 冯根福,蒋文定,黄建山.我国经济发展与环境污染空间分布关系的实证检验[J].当代经济科学,2011,33(6):72-80.

[2] 宋国君.论中国污染物排放总量控制和浓度控制[J].法制与管理,2000(6):11-13.

[3] 中华人民共和国环境保护部.2014年各省环境状况公报[R].2015

[4] 中华人民共和国环境保护部.2014年各省自治区直辖市主要污染物排放量[Z].2015

[5] 中华人民共和国环境保护部.2014年全国环境统计年报-废水[R].2015

[6] 吕 晋,邬红娟,林济东,等.主成分及聚类分析在水生态系统区划中的应用[J].武汉大学学报(理学版),2005,52(4):461-466.

[7] 王 骏,王士同,邓赵红.聚类分析研究中的若干问题[J].控制与决策,2012,27(3):321-328.

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[9] Weinberger K Q, Saul L K. Distance metric learning for large margin nearest neighbor classification[J]. J of Machine Learning Research, 2009, 10(2): 207-244.

[10] 中华人民共和国环境保护部.地表水环境质量标准GB3838-2002[S].2002.4

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

陕西省社会科学基金项目(2015G016)；中央高校基本科研业务费资助项目(310829160672)；中央高校基本科研业务费资助项目(310829161007)。

赵佳红(1992-)，女，内蒙古乌海市人，长安大学技术经济及管理专业2015级在读硕士研究生，主要研究方向为技术经济及管理。

董小林，dxlin@chd.edu.cn。

X703

A

1001-3644(2017)03-0066-08