基于GIS空间聚类的温州市水环境污染分析

孙世明，李 军，朱元励，张明华

(温州医学院 水域科学与环境生态研究所，浙江 温州 325035)

城市水体污染严重是目前温州市经济发展的环境困境之一［1］。张俊凯等［2］指出 “千年塘河，廿年污染”，温瑞塘河的污染是结构性、人为性的污染。为了深入分析温瑞塘河水污染的结构性，我们从大量的GIS背景数据出发，结合地下管线普查获得的详细数据，利用空间聚类分析方法来研究这一问题，然后再进一步分析这些区划分类与排污口相关性。

图1 研究区域的平面分布

温瑞塘河位于浙江省温州市瓯江以南、飞云江以北的温瑞平原，属鹿城、瓯海、龙湾、瑞安3区1市管辖 (图1)。曾经是当地几代人重要的饮水水源。从20世纪80年代始，温州经济迅猛发展，生活、工业、农业污水长期大量直排入河，塘河流域产生了诸多水环境问题:地表水水质已经由Ⅱ类或Ⅲ类变成了Ⅴ类甚至劣Ⅴ类。2008年温州市环境公报显示平原河网水质均劣Ⅴ类，许多河段发黑、发臭，失去作用［3］。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区域为温州市29 km2的主城区。

研究所用数据为研究区内:所有单体建筑多边形图层数据37953个;所有河流排污口及其排污量数据1109个;所有河流面状多边形图层数据(图2)。

1.2 方法

1.2.1 空间叠加

从温州市温瑞塘河保护管理委员会提供遥感影像、河网和1∶500地形图等基础数据中提取房屋图层中的单体建筑线状数据和层高注记，利用GIS编程技术对单体建筑线状数据进行拓扑分析，合成单体建筑多边形图层数据，并对层高注记进行空间叠加分析，把层高赋值到单体建筑的属性字段中。最后，把单体建筑数据与遥感影像进行叠加，手动补充新增的建筑物和层高数据。

1.2.2 空间聚类

图2 研究所用的数据

空间聚类的目的是为了对单体建筑进行区划分类，研究这种区划分类与排污口的关系，因此采用邻域法。一个单体建筑至少有上、下、左、右4个相邻的单体建筑，把一个单体建筑与4个最邻近单体建筑的多边形质心点欧式距离的平均值作为聚类的因子，称为最近距离;另一个因子是单体建筑的层高。

直角坐标系下2个单体建筑多边形质心点(x1，y1)、(x2，y2)之间的欧式距离:

单体建筑与4个最邻近单体建筑的多边形质心点欧式距离的平均值作为最近距离:

式中:i∈［1，N］，N 是单体建筑的总数量;di1、di2、di3、di4是第i个单体建筑与其4个最邻近单体建筑的多边形质心点欧式距离。

2 结果与分析

2.1 单体建筑区划分类

单体建筑有37953个，观察值个数非常庞大，因此采样快速聚类分析方法 (K-Means Cluster Analysis)进行聚类。聚类时预先设定为5类。最近距离的计算采用GIS下编程实现每一个单体建筑对所有单体建筑的遍历求算。基于GIS空间聚类结果见表1和图3。

表1 单体建筑空间的聚类结果

图3 单体建筑经空间聚类的平面分布

从空间聚类结果的图3和表1中，以及把单体建筑与遥感影像叠加观察后，发现类1很好地对应了老城的平房区。这些城市旧居住区一般是2到3层高、建筑密度非常大;类1、类5很好地对应了普通住宅房;类4是小高层到高层建筑;类2则是刚新建的相对孤立建筑。

2.2 城市旧居住区与排污口的相关关系

抽取分类为类1的城市旧居住区单体建筑多边形，进行7.5 m Buffer缓冲分析。对Buffer分析后的多边形进行重新分解然后再合并，形成了类1的空间聚类图斑，用它来完全代表平房区，称为平房区空间聚类图斑 (图4)。编制计算机软件，计算排污口到平房区空间聚类图斑边界的最短距离，距离为整数型，最小单位为米。这相当于对平房区空间聚类图斑进行1 m到最大距离的无数级Buffer分析，并逐级计量排污口对各Buffer区的落点。最后以距离为分组标志对排污口数量和排污量进行汇总 (表2)。

图4 城市旧居住区单体建筑空间聚类的结果

表2 以距离为分组标志对排污口数量和排污量的汇总结果

利用SPSS软件对表2数据进行统计分析，Buffer距离等于0 m的值，改为0.5 m。由于城市河流密布，排污口不会跨越河道受对岸影响，因此Buffer距离50 m范围内是分析重点，Buffer距离超过100 m的数据没有分析的必要而舍去。依照距离排序，计算排污口数量累积度和排污量累积度。

Buffer距离为R的排污口数量累积度=全部不小于R的排污口数量汇总/排污口总数。

Buffer距离为R的排污量累积度=全部不小于R的排污量汇总/总排污量。

利用SPSS软件对排污口数量累积度与Buffer距离关系分析结果 (图5)可知，排污口数量累积度与 Buffer距离成对数相关，y =16.918+16.599lnx，R2=0.960，统计意义显著。Buffer距离为25 m时，排污口的77%分布在平房区。

图5 排污口数量累积度与Buffer距离的关系

从排污量累积度与Buffer距离关系分析结果(图6)可知，排污量累积度与Buffer距离也成对数相关，y=4.697+19.344lnx，R2=0.985，统计意义显著。Buffer距离为25 m时，污水排污量的73%来自于平房区。

图6 排污量累积度与Buffer距离的关系

3 小结与讨论

地下管网数据普查表明，主城区1109个排污口中1012个是雨污合流管道，占91%。城市旧居住区没有污水管网、污水通过雨水管道直接排入城市水体，这是城市水环境污染的主要原因。这个分析结果与张俊凯等［2］完成的温州河道水环境综合整治调研报告的结论基本一致。该报告显示，瑞塘河流域最大的污染源是生活污水，年排放总量3525.88万t，占总污染负荷的75%。温州市主城区范围内低矮、拥挤的平房居住区 (图3中类1的城市旧居住区)有住房27678幢、总占地面积是295万m2、总建筑面积是694万 m2。如果按人均35 m2建筑面积计算，则城市旧居住区居住了近20万人口。这些平房区分布在塘河两岸，街道狭窄、外来人口混杂、环境基础设施不完善 (基本没有污水管网)，污水通过雨水管道直接排入城市水体，属于中国典型的城市化进程中老城区改造问题。

［1］丁丽燕.环境困境与文化审思:生态文明进程中温州地域文化的传承与转型 ［M］.北京:中国环境科学出版社，2007.

［2］张俊凯，王振勇，朱翔鹏，等.温州河道水环境综合整治调研报告 ［DB/OL］. (2002-08-18).http://old.wzsl.gov.cn/wzsl/html/2002/2007 -6/18/10_ 56_ 41_31.html.

［3］温州市环保局.2008年温州市环境状况公报 ［DB/OL］.(2009-06-04).http://xxgk.wenzhou.gov.cn/xxgk/jcms_ files/jcms1/web28/site/art/2009/6/8/art _ 1353 _90143.html.