基于GIS空間聚類的溫州市水環(huán)境污染分析

孫世明，李 軍，朱元?jiǎng)?lì)，張明華

(溫州醫(yī)學(xué)院 水域科學(xué)與環(huán)境生態(tài)研究所，浙江 溫州 325035)

城市水體污染嚴(yán)重是目前溫州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)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(jié)構(gòu)性、人為性的污染。為了深入分析溫瑞塘河水污染的結(jié)構(gòu)性，我們從大量的GIS背景數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合地下管線普查獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)，利用空間聚類分析方法來(lái)研究這一問(wèn)題，然后再進(jìn)一步分析這些區(qū)劃分類與排污口相關(guān)性。

圖1 研究區(qū)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(qū)1市管轄 (圖1)。曾經(jīng)是當(dāng)?shù)貛状酥匾娘嬎础?0世紀(jì)80年代始，溫州經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水長(zhǎng)期大量直排入河，塘河流域產(chǎn)生了諸多水環(huán)境問(wèn)題:地表水水質(zhì)已經(jīng)由Ⅱ類或Ⅲ類變成了Ⅴ類甚至劣Ⅴ類。2008年溫州市環(huán)境公報(bào)顯示平原河網(wǎng)水質(zhì)均劣Ⅴ類，許多河段發(fā)黑、發(fā)臭，失去作用［3］。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)域?yàn)闇刂菔?9 km2的主城區(qū)。

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

1.2 方法

1.2.1 空間疊加

從溫州市溫瑞塘河保護(hù)管理委員會(huì)提供遙感影像、河網(wǎng)和1∶500地形圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中提取房屋圖層中的單體建筑線狀數(shù)據(jù)和層高注記，利用GIS編程技術(shù)對(duì)單體建筑線狀數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浞治觯铣蓡误w建筑多邊形圖層數(shù)據(jù)，并對(duì)層高注記進(jìn)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(shù)據(jù)與遙感影像進(jìn)行疊加，手動(dòng)補(bǔ)充新增的建筑物和層高數(shù)據(jù)。

1.2.2 空間聚類

圖2 研究所用的數(shù)據(jù)

空間聚類的目的是為了對(duì)單體建筑進(jìn)行區(qū)劃分類，研究這種區(qū)劃分類與排污口的關(guān)系，因此采用鄰域法。一個(gè)單體建筑至少有上、下、左、右4個(gè)相鄰的單體建筑，把一個(gè)單體建筑與4個(gè)最鄰近單體建筑的多邊形質(zhì)心點(diǎn)歐式距離的平均值作為聚類的因子，稱為最近距離;另一個(gè)因子是單體建筑的層高。

直角坐標(biāo)系下2個(gè)單體建筑多邊形質(zhì)心點(diǎn)(x1，y1)、(x2，y2)之間的歐式距離:

單體建筑與4個(gè)最鄰近單體建筑的多邊形質(zhì)心點(diǎn)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(shù)量;di1、di2、di3、di4是第i個(gè)單體建筑與其4個(gè)最鄰近單體建筑的多邊形質(zhì)心點(diǎn)歐式距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 單體建筑區(qū)劃分類

單體建筑有37953個(gè)，觀察值個(gè)數(shù)非常龐大，因此采樣快速聚類分析方法 (K-Means Cluster Analysis)進(jìn)行聚類。聚類時(shí)預(yù)先設(shè)定為5類。最近距離的計(jì)算采用GIS下編程實(shí)現(xiàn)每一個(gè)單體建筑對(duì)所有單體建筑的遍歷求算。基于GIS空間聚類結(jié)果見表1和圖3。

表1 單體建筑空間的聚類結(jié)果

圖3 單體建筑經(jīng)空間聚類的平面分布

從空間聚類結(jié)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(fā)現(xiàn)類1很好地對(duì)應(yīng)了老城的平房區(qū)。這些城市舊居住區(qū)一般是2到3層高、建筑密度非常大;類1、類5很好地對(duì)應(yīng)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(duì)孤立建筑。

2.2 城市舊居住區(qū)與排污口的相關(guān)關(guān)系

抽取分類為類1的城市舊居住區(qū)單體建筑多邊形，進(jìn)行7.5 m Buffer緩沖分析。對(duì)Buffer分析后的多邊形進(jìn)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(lái)完全代表平房區(qū)，稱為平房區(qū)空間聚類圖斑 (圖4)。編制計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算排污口到平房區(qū)空間聚類圖斑邊界的最短距離，距離為整數(shù)型，最小單位為米。這相當(dāng)于對(duì)平房區(qū)空間聚類圖斑進(jìn)行1 m到最大距離的無(wú)數(shù)級(jí)Buffer分析，并逐級(jí)計(jì)量排污口對(duì)各Buffer區(qū)的落點(diǎn)。最后以距離為分組標(biāo)志對(duì)排污口數(shù)量和排污量進(jìn)行匯總 (表2)。

圖4 城市舊居住區(qū)單體建筑空間聚類的結(jié)果

表2 以距離為分組標(biāo)志對(duì)排污口數(shù)量和排污量的匯總結(jié)果

利用SPSS軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(huì)跨越河道受對(duì)岸影響，因此Buffer距離50 m范圍內(nèi)是分析重點(diǎn)，Buffer距離超過(guò)100 m的數(shù)據(jù)沒有分析的必要而舍去。依照距離排序，計(jì)算排污口數(shù)量累積度和排污量累積度。

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

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(duì)排污口數(shù)量累積度與Buffer距離關(guān)系分析結(jié)果 (圖5)可知，排污口數(shù)量累積度與 Buffer距離成對(duì)數(shù)相關(guān)，y =16.918+16.599lnx，R2=0.960，統(tǒng)計(jì)意義顯著。Buffer距離為25 m時(shí)，排污口的77%分布在平房區(qū)。

圖5 排污口數(shù)量累積度與Buffer距離的關(guān)系

從排污量累積度與Buffer距離關(guān)系分析結(jié)果(圖6)可知，排污量累積度與Buffer距離也成對(duì)數(shù)相關(guān)，y=4.697+19.344lnx，R2=0.985，統(tǒng)計(jì)意義顯著。Buffer距離為25 m時(shí)，污水排污量的73%來(lái)自于平房區(qū)。

圖6 排污量累積度與Buffer距離的關(guān)系

3 小結(jié)與討論

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)普查表明，主城區(qū)1109個(gè)排污口中1012個(gè)是雨污合流管道，占91%。城市舊居住區(qū)沒有污水管網(wǎng)、污水通過(guò)雨水管道直接排入城市水體，這是城市水環(huán)境污染的主要原因。這個(gè)分析結(jié)果與張俊凱等［2］完成的溫州河道水環(huán)境綜合整治調(diào)研報(bào)告的結(jié)論基本一致。該報(bào)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(wàn)t，占總污染負(fù)荷的75%。溫州市主城區(qū)范圍內(nèi)低矮、擁擠的平房居住區(qū) (圖3中類1的城市舊居住區(qū))有住房27678幢、總占地面積是295萬(wàn)m2、總建筑面積是694萬(wàn) m2。如果按人均35 m2建筑面積計(jì)算，則城市舊居住區(qū)居住了近20萬(wàn)人口。這些平房區(qū)分布在塘河兩岸，街道狹窄、外來(lái)人口混雜、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施不完善 (基本沒有污水管網(wǎng))，污水通過(guò)雨水管道直接排入城市水體，屬于中國(guó)典型的城市化進(jìn)程中老城區(qū)改造問(wèn)題。

［1］丁麗燕.環(huán)境困境與文化審思:生態(tài)文明進(jìn)程中溫州地域文化的傳承與轉(zhuǎn)型 ［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

［2］張俊凱，王振勇，朱翔鵬，等.溫州河道水環(huán)境綜合整治調(diào)研報(bào)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(huán)保局.2008年溫州市環(huán)境狀況公報(bào) ［DB/OL］.(2009-06-04).http://xxgk.wenzhou.gov.cn/xxgk/jcms_ files/jcms1/web28/site/art/2009/6/8/art _ 1353 _90143.html.