基于系统聚类的长江流域水污染突发事件分类研究

揣小明,周 颖

(河南理工大学 a.安全与应急研究中心;b.应急管理学院,河南 焦作 454000)

1 引言

伴随着国民经济的蓬勃发展,我国的水污染突发事件发生频次居高不下,水污染成因、污染物类型、损失等不尽相同,因此分类依据不同,分类结果也存在显著差异。大量的国内外研究表明,对水污染进行科学合理的分类，有利于对水污染突发事件的防控。在2011年5月1日起施行的《突发环境事件信息报告办法》中,我国提出了对突发环境事件的分级标准,即按照事件的损失和危害对突发环境事件进行了分类。

简爽从水污染途径的角度出发,将小城镇污染分为农业型、工业型、生活型和综合型4种类型,并分析了相对应的水污染治理途径[1];刘瑞聆总结了按照生产方式、污染源分布特征、污染源释放的有害物质等方面分别对水污染突发事件进行了分类,并据此提出了完善我国水污染防治法调整范围的具体建议[2];吉立等通过统计，分析了我国2011—2015年的水污染突发事件,将其依据水污染原因的特殊性和突出性分为8种类型,同时分析了应对典型案例的有效措施[3];高振江根据农村水污染源所在领域的不同、污染的程度不同和污染的区域不同分别对水污染进行了分类[4]。这些研究成果大多是通过单一因素对水污染突发事件进行分类,并未综合考虑水污染的多种影响因素,提出的对策建议也缺乏针对性。

本文选取长江流域2007—2017年典型水污染突发事件为研究对象,综合考虑水污染突发事件的损失强度等级、所在地区人口、经济发展的实际情况,采用系统聚类分析的方法对这些水污染进行了分类,得出的分类结果具有综合性和科学性,同时针对不同种类的事件提出了水污染防治的具体对策和建议。

2 研究方法与数据选取

2.1 长江流域水环境现状

根据统计表明,我国的水污染突发事件多集中在七大流域,即长江流域、珠江流域、黄河流域、松花江流域、淮河流域、海河流域和辽河流域。而其中长江流域最为庞大,浩荡的长江干流流经青海、西藏、四川、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海等11个省、自治区和直辖市,加上沿途700余条支流绵延至甘肃、陕西、贵州、河南、浙江、广西、福建、广东等8省、自治区,纵贯我国南北,汇集成一片流经180余万km2的广大地区,占我国国土总面积的18.8%。

通过整理2004—2017年水污染突发事件的案例可以看出,长江流域是水污染突发事件的高发区,也是重特大水污染事件的主要发生区域。如2004年四川省沱江“3.20”特大水污染突发事件,造成的直接经济损失达2.19亿元,沱江沿岸100万人口停水长达26天,水生态功能遭到严重破坏;2007年太湖“蓝藻水华”灾害突然爆发,造成无锡市全城自来水污染,并引发各种谣言导致市民产生恐慌情绪;2011年江西省瑞昌市自来水中毒事件,造成上百人产生中毒症状;直至2017年,仍有嘉陵江铊污染重大水污染事件发生。

从以上提到的长江流域部分水污染突发事件可以发现,这些水污染突发事件不仅造成了人员的伤亡和巨大的经济损失,也对社会经济的发展和社会生活的稳定造成了一定影响,对水的生态功能造成了破坏。

2.2 研究方法

基于长江流域的水环境现状,本文主要选取长江流域的水污染突发事件作为研究对象,选取事件损失强度、人口总量、第二产业产值、工业产值、农业产值、渔业产值、旅游业产值等分类指标,利用SPSS19.0软件中的系统聚类法对我国长江流域水污染突发事件进行了分类。

2.3 数据选取

通过查阅相关资料和网页,本文选取20起较为典型的长江流域水污染突发事件,主要包括嘉陵江广元段水污染事件、汉江武汉段水污染事件、太湖蓝藻水华事件等。除了事件本身的损失强度等级外,考虑到水污染事件对人口和经济发展的影响,还选取了事件所在地区与水污染突发事件息息相关的6个经济发展指标和人口指标作为聚类要素,包括农业产值、渔业产值、第二产业产值、工业产值、旅游业产值和人口总量。

农业和渔业会受到水污染突发事件直接影响,农业产值和渔业产值能反映出水污染突发事件对农业渔业的影响程度;第二产业,尤其工业是水污染突发事件的点源污染源。同时,两者也会受到水污染突发事件的显著影响,选取第二产业产值作为分类依据指标具有重要的科学依据。

旅游污染与水污染突发事件也存在一定的关系,水污染突发事件的发生会直接影响周边旅游业的发展。人口迅猛增长会对水体的生态功能造成严重胁迫,人口迅猛增长也是水污染突发事件重要的承灾体,因此选取流域常住人口数量作为水污染突发事件分类的重要依据。

本文选取的这些水污染突发事件涉及的城市主要包括汉中、陇南、池州、武汉、建始、九江、镇江、绵阳、泰州、浏阳、盐城、雅安、沭阳、无锡、合肥,共15个地区。通过查阅并记录这15个城市2007—2016的统计年鉴[5-16]和当地的国民经济与社会发展统计公报,统计整理了各个城市2007—2016年10年的人口和经济发展指标的数据变化。通过查询相关网页,结合突发环境事件分级标准,确定了事件的损失强度等级。

2.4 数据处理

聚类的对象往往是由多种要素组成的,数据往往是不同的元素,有不同的量纲与量级,它们的数值变化可能性较大,这样的分类将在一定程度上影响结果的准确度[17]。因此,在进行聚类分析之前,利用一元线性回归方法对分类指标进行标准化处理,具体模型为:

y=a+bx

(1)

式中,y为因变量,表示各项指标每年的数值;x为自变量,表示2007—2016年的年份变化;a,b均为参数,其中b为回归系数,表示当x每增加1个单位时,y的平均增加数量,即这10年来各项分类指标的平均增长速率。我们首先将已整理好的x、y的值代入式(1)计算,得到回归系数b的值,即各项指标的增长速率;然后将水污染突发事件与所求得的增长速率进行一一对应,同时将水污染突发事件损失强度等级的一般、较大级别、重大级别分别定为1级、2级、3级,利用Spss软件统计分析得到具体的数据,见表1。

表1 长江流域水污染突发事件各项经济指标发展速率

3 结果与讨论

3.1 结果

基于表1的数据,用Spss软件对长江流域水污染突发事件进行聚类,聚类过程和结果见图1。我们可在图1中得到需要的分类结果,并在该图1中的距离标尺上根据需要选择一个划分类的距离值,在标尺处画垂线,垂线与水平连线相交的交点数即为分类的类别数,相交水平连线所对应的各样本则为一类。具体来看,图1中的分类结果较清晰,我们选取划分距离为5,在此处画垂线,即图1中的加粗垂线。这一垂线与系统聚类得出的各个水平线有3个交点,即把这些事件分为三类。其中,交点的水平连线所对应的事件自动归为一类,具体分类情况见表2。

图1 长江流域水污染突发事件系统聚类树状图

类型水污染突发事件第一类湖北武汉水污染突发事件、汉江武汉段水污染突发事件第二类巢湖蓝藻水华事件、太湖蓝藻水华事件、江苏镇江水污染事件、江苏盐城水污染事件、江苏梅兰水污染突发事件第三类四川雅安江水污染事件、巫山千丈岩水库污染事件、甘肃锑泄漏事件、江苏沭阳水污染事件、安徽池州水污染事件、江西瑞昌自来水中毒事件、江西油品泄漏水污染事件、湖南浏阳镉污染事件、四川涪江水污染事件、汉中市玉带河柴油事件、陕西宁强水污染事件、陕西宁强3.22柴油泄漏事件、嘉陵江广元段水污染事件

3.2 讨论

由于长江流域包含的范围广,涉及的水污染突发事件污染程度不同,地区经济发展水平和人口分布存在差异,同时政策支持和财政支持都有差别。而之前许多研究仅依据单一要素(如污染源、污染物类型、损失强度等)对水污染进行的分类过于强调分类指标的独立性,忽略了这些指标是相互交叉的,缺乏多要素间的有效融合,还存在对水污染突发事件的整体特征区分不清、对水污染突发事件差异性的认识和应对不足、缺乏针对性等问题,也忽略了地区间的整体差异。因此,本研究在对水污染突发事件进行分类时,考虑了多影响因素的融合,如金陶陶提出在基于行政区的对流域水污染进行管理时,应充分考虑经济联系、地理条件、民族分布、地区差异、人口密度等客观因素[18]。

在前人研究的基础上,本文综合考虑人口、经济发展和损失强度等级的分类进行了多要素的融合,既考虑了事件的本身情况,又体现了地区差异性,更加全面且具有科学性和实践性,能实现更有效的水污染突发事件分类管制,做到因地制宜、因时制宜,增加水污染突发事件的防控效率,优化政府的政策选择,优化水污染防治人力和物力资源的合理分配。结合表2,本文具体分类结果如下：

第一类为损失强度较高,发生于人口密集的发达地区。这类水污染突发事件包括湖北武汉水污染突发事件和汉江武汉段水污染突发事件,事件损失强度较高。这些事件发生在长江中下游的经济发达地区,从表1中可见这些地区各项经济指标的增长速率远高于其他地区。这些地区是重要的工业基地和综合交通枢纽,国家首批旅游城市,高校林立,人口密度大、人口流动量大,且拥有多个饮用水水源地,既存在水污染治理的紧迫性,又具备水污染治理的有利条件[19]。

第二类为损失强度高,发生在人口密集的较发达地区。这类水污染突发事件包括太湖蓝藻水华事件、巢湖蓝藻水华事件、江苏镇江水污染事件、江苏盐城水污染事件、江苏梅兰水污染突发事件等,这些事件的损失强度高。这类事件发生在长江中下游长江经济带的重点发展城市。从表1中可知这些地区处于经济快速增长期,从较发达向发达阶段过渡,人口增长速度快导致面源污染加重;各产业聚集,特别是第二产业和工业增长速率较快,是这类事件区别于第三类事件的主要原因之一。由于缺乏科学规划同时又缺乏有效的水污染监管,这类水污染突发事件损失强度高,污染态势较严峻。

第三类为损失强度较低,发生于人口分散的欠发达地区。这类水污染突发事件包括四川雅安江水污染事件、巫山千丈岩水库污染事件、甘肃锑泄漏事件等13起事件,损失强度相对较低,但次数较多。这类事件主要发生在长江中上游,这些地区人口集聚度较低,整体经济发展较落后。虽然有个别地区部分产业发展较快,但由于第二、三产业发展慢，总量小,人口较分散,因此这些地区的水污染状况相对较轻。但是这类水污染突发事件的防治也十分重要,必须避免再走先污染再治理的老路。而且这些地区地处中上游,有许多地区是饮用水水源地,直接关系到下游地区的饮水安全。

4 对策与建议

针对三类不同的长江流域水污染突发事件防治问题,本文从政府、企业、社会等不同的角度提出了相应的对策建议。

第一类水污染突发事件的防治重点：①在政府方面,首先应按照当地制定的水污染防治行动计划工作方案有序地推进水污染防治工作;其次应利用地区经济的发展来支持研发更有效的污水处理技术和监测技术,如利用数据挖掘和实验技术优化常规简约的水质传感器,提高水质检测和污染物种类区分的效率[20];同时，要加强生活垃圾的集中处理和分类处理,减缓人口压力带来的生活垃圾污染;完善污水管网和输水管网的规划与铺设,并定期进行检测,严防对水源地水源造成污染[21]。②在企业方面,企业应调整自身的产品结构,减少能源消耗大、易造成污染的产品的生产,不断尝试并研发可以替代的绿色产品[22];同时，企业可成立专门的水污染防治部门和专项资金。③在社会方面,社会公众应提高对企业自觉监督和举报的意识和能力;同时可成立各类自愿者组织,监督和帮助处理旅游景区、高校周边以及重要交通枢纽等人流量较多的地方的生活垃圾污染。

第二类水污染突发事件的防治重点：①在政府方面,在发展工业的同时政府应加大对工业污水和工业废渣的监管力度,加大行政部门的行政执法力度和违法主体的法律责任[23],不能盲目地追求发展政绩;优化产业结构,平衡各产业的发展,不能让工业发展一家独大;坚持预防优先,加强水污染风险管理,如建立水污染风险动态管理数据库[24]。为了降低损失强度,有关部门应提高应急响应速率,如在重要水源区布设具有观光和应急处置能力双重功能的应急处置船,船只的观光费用即可作为日常维护管理费用,这样一旦发生水污染突发事件,这些船只便可迅速采取应急救援措施[25];建立多部门合作的水污染防治监督约束机制和公众参与制度[26]。②在企业方面,这些水污染事件发生地的企业发展速度快,但多数还不成熟,所以企业首先应摒除急于求成的思想,在发展自身的同时做好应有的污水处理、水污染突发事件应急预案和演练等。③在社会方面,应加大新闻媒体对水污染突发事件的曝光力度,新闻媒体应将违法排污企业名单公开发布,表扬并奖励排污少且效益高的企业[27];同时，社区和各社会环保组织等应鼓励并引导公众参与预防和治理水污染。

第三类水污染突发事件的防治重点：①在政府方面,首先要加大政府对这些地区水污染突发事件防治的投资力度,包括设备和技术方面等的支持[28];淘汰落后产能,特别是加强对一些偏远隐蔽小工厂、小作坊的取缔和整治[29],从源头上降低水污染突发事件发生的风险;提高公众和社会团体的参与度,推行多元主体协同治理;加强对这些地区水污染风险源的联合监测预警和信息共享,减少下游地区产生水污染突发事件的风险。②在企业方面,中小企业应组织向发达地区的大型先进企业学习,学习他们的先进生产技术和污水处理;自觉地进行良性竞争,充分利用排污权交易制度,提高企业水污染防治的积极性。③社会方面,社区和各类环保公益组织应以多种形式对公众,特别是对农村地区的公众进行宣传和普及法律知识,提高他们的环保意识;组织公众参加水污染防治活动,如家庭生活垃圾分类、庭院清洁等活动。

综上所述,对比三类长江流域的水污染突发事件可发现,长江流域各地区经济发展差异较大,所以应增强水污染突发事件的区域间协同治理。长江沿岸各城市之间应加强水污染突发事件防治的信息、资源、技术共享,以经济发达的城市帮助不太发达的城市,减少长江流域水污染突发事件发生的频度和烈度。同时,在长江上游出现水质异常时,应对相邻的下游地区及时发布预警通知,提早做好水污染应急响应准备;同一地区中的各部门也要加强协作,无论是对法律法规的完善、技术知识的普及、企业的监管、水污染突发事件的预警和响应等都需要多个部门团结协作,共同做好水污染突发事件的防治工作，减少损失。