中國(guó)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)

中央民族大學(xué)理學(xué)院 李慧君

一、中國(guó)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(guó)水資源現(xiàn)狀

水是萬(wàn)物之母、生存之本、文明之源。2020年全國(guó)擁有水資源總量31605.2億m3，居世界第五位，但由于中國(guó)人口眾多，人均水資源占有量?jī)H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(guó)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(guó)實(shí)際上是嚴(yán)重缺水的國(guó)家。據(jù)2019年10月之前的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)國(guó)土資源公報(bào)》公布的全國(guó)200個(gè)城市、4727個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果顯示，較差、極差級(jí)水比例過(guò)半，中國(guó)地下水質(zhì)量狀況不容樂(lè)觀。2012年環(huán)保部門(mén)公布的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)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(méi)有達(dá)到安全的飲用水要求，這將會(huì)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(zhǎng)也會(huì)受到一定程度的影響。2014年國(guó)家環(huán)保部發(fā)布的首個(gè)全國(guó)性大規(guī)模調(diào)查中顯示出一個(gè)驚人的事實(shí)：中國(guó)有2.8億居民正使用著不安全的飲用水。2020年，全國(guó)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(lái)，中國(guó)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(wàn)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(jiǎn)陽(yáng)、資中、內(nèi)江三地百萬(wàn)群眾飲水被迫中斷；2020年伊春鹿鳴礦業(yè)尾礦庫(kù)泄漏水污染事件更是我國(guó)近20年來(lái)尾礦泄漏量最大、對(duì)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(guó)內(nèi)外潛在社會(huì)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(guó)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(duì)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(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3.中國(guó)水資源保護(hù)現(xiàn)狀

我國(guó)的水污染問(wèn)題如不加以重視解決，必將在未來(lái)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與難以挽回的對(duì)環(huán)境的傷害。為解決這一問(wèn)題，國(guó)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(hào)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(jiàn)》，2015年國(guó)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(jiǎn)稱“水十條”），2017年9月1日國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)水資源保護(hù)法》、水利部發(fā)布《全國(guó)水資源保護(hù)規(guī)劃》（2016—2030），對(duì)水污染治理作出嚴(yán)格限制措施。目前，我國(guó)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(shí)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(cè)中國(guó)分地區(qū)廢水主要污染物排放情況，其分析過(guò)程采用主成分分析法、因子分析法，對(duì)影響水質(zhì)污染的潛在因子進(jìn)行識(shí)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(lái)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(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2020年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒。表中有2017年我國(guó)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(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)現(xiàn)實(shí)觀測(cè)，但卻在實(shí)際中對(duì)考察問(wèn)題有相當(dāng)大的影響。因子分析法通過(guò)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(cè)評(píng)主要用于測(cè)評(píng)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(kāi)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(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在查閱資料過(guò)后，筆者選擇使用隨機(jī)森林填補(bǔ)法對(duì)缺失的海南、西藏測(cè)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(wàn)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(wèn)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(lái)的特征向量的數(shù)值大小相同但正負(fù)號(hào)相反。因此上圖特征向量取正負(fù)號(hào)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 汞載荷偏小）都有相對(duì)近似的正載荷，可以認(rèn)為第一主成分可解釋為中國(guó)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(guò)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(shuō)這幾個(gè)城市的綜合污染指數(shù)較高，不是說(shuō)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(duì)比

經(jīng)過(guò)編程測(cè)試，發(fā)現(xiàn)保留4個(gè)因子時(shí)累計(jì)方差已經(jīng)超過(guò)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(guò)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)。化學(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。可以近似認(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(huì)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(huì)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(lái)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(guò)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(duì)中國(guó)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(kāi)發(fā)、合理利用的關(guān)系，通過(guò)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(yíng)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(shí)，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。