基于GIS空間聚類的溫州市水環境污染分析

孫世明，李 軍，朱元勵，張明華

(溫州醫學院 水域科學與環境生態研究所，浙江 溫州 325035)

城市水體污染嚴重是目前溫州市經濟發展的環境困境之一［1］。張俊凱等［2］指出 “千年塘河，廿年污染”，溫瑞塘河的污染是結構性、人為性的污染。為了深入分析溫瑞塘河水污染的結構性，我們從大量的GIS背景數據出發，結合地下管線普查獲得的詳細數據，利用空間聚類分析方法來研究這一問題，然后再進一步分析這些區劃分類與排污口相關性。

圖1 研究區域的平面分布

溫瑞塘河位于浙江省溫州市甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，屬鹿城、甌海、龍灣、瑞安3區1市管轄 (圖1)。曾經是當地幾代人重要的飲水水源。從20世紀80年代始，溫州經濟迅猛發展，生活、工業、農業污水長期大量直排入河，塘河流域產生了諸多水環境問題:地表水水質已經由Ⅱ類或Ⅲ類變成了Ⅴ類甚至劣Ⅴ類。2008年溫州市環境公報顯示平原河網水質均劣Ⅴ類，許多河段發黑、發臭，失去作用［3］。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區域為溫州市29 km2的主城區。

研究所用數據為研究區內:所有單體建筑多邊形圖層數據37953個;所有河流排污口及其排污量數據1109個;所有河流面狀多邊形圖層數據(圖2)。

1.2 方法

1.2.1 空間疊加

從溫州市溫瑞塘河保護管理委員會提供遙感影像、河網和1∶500地形圖等基礎數據中提取房屋圖層中的單體建筑線狀數據和層高注記，利用GIS編程技術對單體建筑線狀數據進行拓撲分析，合成單體建筑多邊形圖層數據，并對層高注記進行空間疊加分析，把層高賦值到單體建筑的屬性字段中。最后，把單體建筑數據與遙感影像進行疊加，手動補充新增的建筑物和層高數據。

1.2.2 空間聚類

圖2 研究所用的數據

空間聚類的目的是為了對單體建筑進行區劃分類，研究這種區劃分類與排污口的關系，因此采用鄰域法。一個單體建筑至少有上、下、左、右4個相鄰的單體建筑，把一個單體建筑與4個最鄰近單體建筑的多邊形質心點歐式距離的平均值作為聚類的因子，稱為最近距離;另一個因子是單體建筑的層高。

直角坐標系下2個單體建筑多邊形質心點(x1，y1)、(x2，y2)之間的歐式距離:

單體建筑與4個最鄰近單體建筑的多邊形質心點歐式距離的平均值作為最近距離:

式中:i∈［1，N］，N 是單體建筑的總數量;di1、di2、di3、di4是第i個單體建筑與其4個最鄰近單體建筑的多邊形質心點歐式距離。

2 結果與分析

2.1 單體建筑區劃分類

單體建筑有37953個，觀察值個數非常龐大，因此采樣快速聚類分析方法 (K-Means Cluster Analysis)進行聚類。聚類時預先設定為5類。最近距離的計算采用GIS下編程實現每一個單體建筑對所有單體建筑的遍歷求算。基于GIS空間聚類結果見表1和圖3。

表1 單體建筑空間的聚類結果

圖3 單體建筑經空間聚類的平面分布

從空間聚類結果的圖3和表1中，以及把單體建筑與遙感影像疊加觀察后，發現類1很好地對應了老城的平房區。這些城市舊居住區一般是2到3層高、建筑密度非常大;類1、類5很好地對應了普通住宅房;類4是小高層到高層建筑;類2則是剛新建的相對孤立建筑。

2.2 城市舊居住區與排污口的相關關系

抽取分類為類1的城市舊居住區單體建筑多邊形，進行7.5 m Buffer緩沖分析。對Buffer分析后的多邊形進行重新分解然后再合并，形成了類1的空間聚類圖斑，用它來完全代表平房區，稱為平房區空間聚類圖斑 (圖4)。編制計算機軟件，計算排污口到平房區空間聚類圖斑邊界的最短距離，距離為整數型，最小單位為米。這相當于對平房區空間聚類圖斑進行1 m到最大距離的無數級Buffer分析，并逐級計量排污口對各Buffer區的落點。最后以距離為分組標志對排污口數量和排污量進行匯總 (表2)。

圖4 城市舊居住區單體建筑空間聚類的結果

表2 以距離為分組標志對排污口數量和排污量的匯總結果

利用SPSS軟件對表2數據進行統計分析，Buffer距離等于0 m的值，改為0.5 m。由于城市河流密布，排污口不會跨越河道受對岸影響，因此Buffer距離50 m范圍內是分析重點，Buffer距離超過100 m的數據沒有分析的必要而舍去。依照距離排序，計算排污口數量累積度和排污量累積度。

Buffer距離為R的排污口數量累積度=全部不小于R的排污口數量匯總/排污口總數。

Buffer距離為R的排污量累積度=全部不小于R的排污量匯總/總排污量。

利用SPSS軟件對排污口數量累積度與Buffer距離關系分析結果 (圖5)可知，排污口數量累積度與 Buffer距離成對數相關，y =16.918+16.599lnx，R2=0.960，統計意義顯著。Buffer距離為25 m時，排污口的77%分布在平房區。

圖5 排污口數量累積度與Buffer距離的關系

從排污量累積度與Buffer距離關系分析結果(圖6)可知，排污量累積度與Buffer距離也成對數相關，y=4.697+19.344lnx，R2=0.985，統計意義顯著。Buffer距離為25 m時，污水排污量的73%來自于平房區。

圖6 排污量累積度與Buffer距離的關系

3 小結與討論

地下管網數據普查表明，主城區1109個排污口中1012個是雨污合流管道，占91%。城市舊居住區沒有污水管網、污水通過雨水管道直接排入城市水體，這是城市水環境污染的主要原因。這個分析結果與張俊凱等［2］完成的溫州河道水環境綜合整治調研報告的結論基本一致。該報告顯示，瑞塘河流域最大的污染源是生活污水，年排放總量3525.88萬t，占總污染負荷的75%。溫州市主城區范圍內低矮、擁擠的平房居住區 (圖3中類1的城市舊居住區)有住房27678幢、總占地面積是295萬m2、總建筑面積是694萬 m2。如果按人均35 m2建筑面積計算，則城市舊居住區居住了近20萬人口。這些平房區分布在塘河兩岸，街道狹窄、外來人口混雜、環境基礎設施不完善 (基本沒有污水管網)，污水通過雨水管道直接排入城市水體，屬于中國典型的城市化進程中老城區改造問題。

［1］丁麗燕.環境困境與文化審思:生態文明進程中溫州地域文化的傳承與轉型 ［M］.北京:中國環境科學出版社，2007.

［2］張俊凱，王振勇，朱翔鵬，等.溫州河道水環境綜合整治調研報告 ［DB/OL］. (2002-08-18).http://old.wzsl.gov.cn/wzsl/html/2002/2007 -6/18/10_ 56_ 41_31.html.

［3］溫州市環保局.2008年溫州市環境狀況公報 ［DB/OL］.(2009-06-04).http://xxgk.wenzhou.gov.cn/xxgk/jcms_ files/jcms1/web28/site/art/2009/6/8/art _ 1353 _90143.html.