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数据调查污染程度(一)：关于水污染的调查报告

关于绍兴市区水污染的调查报告

一、前言：

我们一般所称的水污染，主要是指由于人为因素直接或间接地让污染物质进入水体，造成水体物理，化学或生物特性的改变，以致於影响水体正常用途或危害民众健康及生活环境的现象。 水污染来源包括天然的污染源及人为的污染源。天然污染源一般系指暴雨迳流冲刷屋顶，街道，坡地，沟渠等所带下的污泥或有机质；人为的污染源则来自人们各种活动及开发所产生者所造成的。

水按照其用途可以分为五类：

一类：主要适用于源头水、国家自然保护区。

二类：主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场

等。

三类：主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区。 四类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。

五类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

二、调查动因：

水是人类生命的源泉,是生物和人类的乳汗。地球上每个地区能生存多少生命，首先是由水源决定的。因为人的生活每人每天的较低用水量是5千克。

现以我国而论，中国是一个严重缺水的大国，水资源总量虽在世界居第6位，但人均占有量不到世界人均水平的1/4，加之城市过量开采地下水，浪费惊人，人为污染，水资源危害日益加剧。如果说我国50年代还只是干旱地区缺水，那么现在缺水城市多达300个城市，严重缺水的有40多个城市。看来水资源危机已经成为我国经济发展的制约因素之一。

就拿绍兴市区为例，随着本市经济的发展和人口的增长，城市污水排放量剧增、水环境污染和水资源缺的趋势日益加重。

我们是中国的小公民，也是中国的小主人。了解祖国的环境，保护祖国的环境是我们大学生的责任。所以，通过这次研究，我们将在探究过程中了解家乡水环境的大致情况。

三、基本情况：

此次调查的范围总体为绍兴市区。本次调查方式主要有发放问卷调查、实地走访、询问专业人士等。

四、绍兴市的水污染现状调查

我们通过对全市各河网的抽样调查，惊奇发现几乎所有的河道都受到严重的污染，绝大多数基本没有鱼的踪影，个别连泥鳅都养不活。尤其是农村地区，近几年由于人口不断增多，导致大量的生活垃圾堆积在河岸两边，梅雨期，大量对人体有害物质，顺水而下，严重威胁两边居民健康，也直接威胁了外河原本洁净的水质。不少地区由于水污染，农业灌只好往湖库中抽，导致水越来越紧张。

我们通过走访询问环保局，了解了绍兴市区的水污染状况，绍兴市区水中的主要有害元素有；铅，镉，砷，汞，硒，亚硝酸盐，总三卤甲烷，三氯乙烯（有机物），四氯化碳（有机物）等。主要水污染元素有：磷、氮。

五、绍兴水资源的主要污染物、污染原因及其分类

绍兴水污染的主要原因，我们通过了解、分析，得出了结论，并进行了分类： 死亡有机污染 ：来源于未经处理的城市生活污水、造纸污水、农业污水及都市垃圾。

无机化学药品污染 ：这些化学药品来源于化工厂、药厂、造纸厂、印染厂和制革厂的废水，以及建筑装修、干洗行业、化学洗剂、农用杀虫剂、除草剂等。

绍兴水污染的来源我们主要分为三个大类：工业用水、农业用水、生活用水

工：在几天调查中，我们顺便路过一些工厂。情况不容乐观，一些工厂边流淌着岩浆般的液体，散发着的臭气足可把熊给熏倒。路过个酒厂时，老远便可闻到一股臭味（具体形容不上来）。旁边的河道情况可想而知。据一份调查显示，全市水污染中，工业引起的85%以上。虽然全市对工业排放量作了严格限制，但调查中发现个别企“偷排”严重。

农：近几年，农业上都采用了高效化肥、农药，这不仅成为土壤污染源头，也成为富营养化的直接祸首。大量水因富营养而发臭，灌溉水源不得不向湖库“求救”，引发“喝与溉的矛盾”，加水浪费严重，这个问题日趋“白热化”。

民：在几天的走访、调查，我们惊奇发现居民的环保意识极低，不少地区流传着“你叫你的，我倒我的”，“水是我买的，老子怎么用都行”更有甚者“你水越紧，我的水龙头开得越大”。经过走访交谈，一半以上居民2/3农民认为在河道边倒垃圾合理。在农村各河边已不见青草，唯白色尔！加上外地人口地涌入，前景实在不容乐观。

在绍兴的水污染中，工业用水所占的比例最大，在日常生活中，我们时常可以看到有色的污水从管道中未经处理就直接排放到河流中，造成严重的污染。有许多小厂没有净化污水的能力，就不顾绍兴的长远发展，只图眼前利益，直接排放到河流中。

六、水污染防治措施及建议

1． 加大工业废水的治理力度

加快工业废水处理厂的建设对于改善水环境状况有着十分重要的作用。目前随着当地人民人口的增加和生活水平的提高，以及我村工厂的进一步的发展，我村的生活废水和工业废水的排放量正在不断地增加，而污水处理厂却没有相应地增加，这必然会导致水环境质量的继续下降。因此建设更多的污水处理厂是迫在眉睫的事。水污染防治上采取強制事先完成妥善规划的要求本着预防胜于治疗的原理，因此对于新设或扩建的皮革厂等类似污染性工业，采取事先审查与预防措施。

2． 改善河道环境

为了改善河道环境，应尽快开展河水、河岸等全方面的治理工作。首先，对污染源进行处理，杜绝工厂、食堂废水和生活垃圾直接排入水中，应集中处理，避免其对环境的不利影响。并对水道进行整改，进一步将河内的垃圾、淤泥清除，可动员沿岸居民及

利用大型机器清除。最后在河边种树，植草皮，建立绿化带，避免水土流失。

3． 污染处理方面

鼓励采取提高资源有效利用及副产物回收方式，以减少废污物的排放实行工业减废策略。 许多污染行为，本身即为生产过程中各种有价资源的流失损耗，无形中增加了生产成本又造成了严重的污染行为。防治要从工厂內部的厂內改善做起，包括协助辅导工厂改良制造方法，程序及改进生产管理，提高效率以减少污染物排放。

4． 加强公民的环保意识

改善环境不仅要对其进行治理，更重要的是通过各方面的宣传来增强居民的环保意识。由政府农业部门或其他有关部门采取措施，指导农民科学、合理地施用化肥和农药，控制化肥和农药的过量使用，防止造成水污染。居民的环保意识增强了。破坏环境的行为就自然减少了。

5． 实现废水资源化利用

随着经济的发展，工业的废水排放量还要增加，如果只重视末端治理，很难达到改善目前水污染状况目的，所以我们要实现废水资源化利用。

七、调查体会

通过这次调查使我才会充分认识到对水资源的保护和污水的治理工作已刻不容缓。经济的发展不能够以牺牲我们赖以生存的水为代价，水资源受破坏，受影响的还是人们自己，我们应当充分了解水资源与人之间的相互关系，充分认识到人们恣意改变水环境的弊端。造成水资源污染的因素还远远不止这些，虽然我的调查研究还不够成熟，但希望能把水污染问题在人们的日常话题中的地位提高，这样才会使人们意识到保护水资源的重要性才会使水污染的问题得到一步步地解决。

数据调查污染程度(二)：城市空气污染程度的分析和预测模型

城市空气污染程度的分析和预测

摘 要 本文讨论了有关城市污染程度、污染因素及污染扩散的问题。

对于问题一，本文主要从大气污染、噪声污染和水体污染这三个面选取主要污染物，查阅北京、天津、上海、重庆和西安五座城市2007-2012年的年度平均污染数据，采用降维的思想，运用主成分分析法减少变量个数，再借助Matlab软件计算各主成分的贡献率，分析知可选取前三个主成分作为衡量污染程度的标准，最后根据综合指标得到这五个城市的污染程度从高到低依次为：重庆、上海、北京、天津、西安。通过判断相关系数的大小，确定五个城市影响人们生活的主要污染因素是水污染，其四项指标依次为化学需氧量、总氮、总磷和氨氮。

对于问题二，以北京市大气污染为例。首先，利用GPS记录北京市14个城区观测点的位置，并查阅2013年污染指标SO2、CO2、PM2.5与PM10的污染数据，绘制出相应的空间浓度分布图，估计这四种污染物的大致污染源位置依次为：(110,100)附近、(130,83)附近，(125,85)附近和(132,80)附近；其次，根据污染扩散原理和方式，建立Cauchy污染传播模型，根据各地区空气污染物的浓度分布，运用Matlab软件对数据非线性拟合，得出扩散模型各参数的值，计算得出各项污染指标的污染源位置依次为：(115.5,97.3)，(128.2,85.3)，(129.1,80.8)和(125.5,87.6)；最后，比较污染物位置的计算值与实际值，发现误差相差较小，故模型建立较为合理。

对于问题三，分析西安市的主要污染——大气污染。收集西安市2014年

4.1-7.31日的空气污染数据，根据时间序列的平稳性特点及AIC定阶准则选取

1)，利用Matlab软件对序列模型的各项参数进行合适的时间序列模型ARMA(1，

估计并检验模型的合理性，并将模型用于数据预报。利用时间序列模型预测西安市未来10天的空气污染状况总体等级为良。

对于问题四，基于问题一、二、三对污染因素的分析和污染扩散的特点，主要从减少污染物的产生和治理净化已产生的污染物两方面，针对大气污染、水体污染和噪声污染为相关部门提供合理化防治建议。

关键词 主成分分析；Cauchy污染传播模型；时间序列模型；Matlab软件

一、 问题重述

环境质量的好坏对人们的生活有着最直接的影响，包括身体健康、寿命长短、生活质量以及经济发展水平、生态环境等。因此保护环境的工作需要个人、集体、国家、乃至全球各国的共同努力。事实上，环境保护事业从1962年起步至今，一直备受人们关注和重视，环境污染的防治工作也一步步开展运营，然而较经济发展的速度和水平，还有很多需要为之努力的工作要做。环境保护工作一方面是要从减少污染物的产生方面，预防和控制污染源头污染物的排放，另一方面是治理净化已产生的污染物。

环境污染是指环境因受人类活动影响而改变了原有性质和状态的现象，其实质是人类活动中将大量的污染物排入环境，影响其自净能力，降低了生态系统的功能。

为考察某时期某区域的环境状况，需统计该地区各项污染指标的数据，根据各污染指标的污染排放标准，确定其污染程度，并通过污染发生的原因、途径和后果制定合理的污染治理方案，加以实施运行，改善环境。

统计北京、天津、上海、重庆和西安五座城市的污染数据，讨论如下问题： 问题一：比较五座城市的污染程度及影响人们生活的主要污染因素； 问题二：建立城市污染扩散模型确定某城市污染程度并检验；

问题三：给出西安市某方面污染状况的中长期预测数据；

问题四：给相关部门提供一篇治理污染的建议短文。

二、 问题分析

对于问题一，本文将查阅收集北京、上海、天津、重庆以及西安五座城市大气污染、噪声污染和水体污染2007-2012年的数据，由于各项污染指标众多，所以选取具有代表性的污染物：可吸入颗粒物PM10、SO2、CO2、道路交通噪声、区域环境噪声、化学需氧量、氨氮、总氮和总磷这9项指标来综合衡量各城市的污染程度，本文将运用降维的思想，利用主成分分析法计算前几个主成分的贡献率大小及通过线性组后的综合指标，以此来衡量各城市的污染程度，根据各主成分的相关系数大小即可确定影响人们生活的主要污染因素([1])。

对于问题二，本文将以北京市的大气污染为例，收集北京市2013年14个城区的SO2、CO2、PM2.5和PM10的污染数据，绘制出这四种污染物浓度的空间浓度分布图，估算出这四种污染物的大致污染源位置；建立Cauchy污染传播模型，根据各地区空气污染物的浓度分布，运用Matlab软件对数据nlinfit非线性拟合，计算出扩散模型各参数值，得出各空气污染物的污染源位置；比较污染物位置的计算值与实际值，检验污染传播模型建立是否合理([2])。

对于问题三，本文将考虑西安市大气污染的各项污染指标，搜集2014年4月1日至2014年7月31日的污染数据，根据时间序列的平稳性特点及AIC定阶准则选取合适的时间序列模型，利用Matlab软件([3])估计序列模型的各项参数并检验模型的合理性，考核通过时方可用于数据预报。

对于问题四，基于问题一、二、三对污染因素的分析和污染扩散的特点，主要从减少污染物的产生和治理净化已产生的污染物两方面，针对大气污染、水体污染和噪声污染为相关部门提供合理化防治建议。

三、 模型假设

1.所有城市污染数据均真实有效，具有统计价值；

2.污染数据的取样为瞬时取样且在某个平面内，不考虑取样前后污染物的浓度变化；

3.绘制北京大气污染浓度分布图时不考虑海拔因素的影响；

4.大气污染过程经历着扩散与衰减，且沿x,y轴方向上的扩散系数分别为常数，衰减与浓度成正比；

5.不考虑日照等自然因素对各项指标污染浓度的影响。

四、 符号说明

4.1 模型一

x1 ： 可吸入颗粒物（单位mg/m3）；

x2 ： 二氧化硫（单位mg/m3）；

x3 ： 二氧化氮（单位mg/m3）；

x4 ： 道路交通噪声（单位分贝）；

x5 ： 区域环境噪声（单位分贝）；

x6 ： 化学需氧量（单位万吨）；

x7【数据调查污染程度】

x8

x9



i

ei

ii： 氨氮（单位万吨）； ： 总氮（单位万吨）； ： 总磷（单位万吨） ； ： 样本协方差矩阵 ； ： 协方差矩阵的特征值 ； ： 协方差矩阵的特征向量； Y,X ： 相关系数；

i ： 样本方差向量 ；

 ： 样本相关矩阵；

i ： 样本相关矩阵的特征值；

ei ： 样本相关矩阵的特征向量；

i ： 样本均值向量；

Yi ： 主成分；

Y： 污染程度综合指标。

(其中i1,2,,9）

4.2模型二

x ： 位置坐标/横轴；

y ： 位置坐标/纵轴；

z ： 位置坐标/竖轴；

c ： 污染物浓度；

m ： 污染物质量；



M ： 污染物排放量；

 ： 扩散系数。

4.3模型三

： 序列； Xt

t ：平稳白噪声；

MA(q) ： 滑动平均序列；

AR(p) ： 自回归序列；

ARMA(p,q): 自回归滑动平均序列 ；

： 常数； c

： 自协方差函数； k

k ： 自相关函数；

f(x) ： 概率密度；

： 未知参数向量 i

ˆ(m) : 最大似然估计； k

l ： 自回归参数。

t0,1,2,;i1,2,,k;l1,2,,p

五、 模型建立与求解

5.1 问题一的模型建立与求解

环境因受人类活动影响而改变了原有性质和状态的现象称为环境污染。环境污染的实质是人类活动中将大量的污染物排入环境，影响其自净能力，降低了生态系统的功能。然而生活中环境的污染也是多方面的，污染按环境要素分类，可分为：大气污染、土壤污染和水体污染。

为此，本文选取环境污染的主要污染影响指标，建立污染评价模型，即主成分分析模型，比较北京、天津、上海、重庆和西安五座城市的污染程度，并得出影响人们生活的主要污染因素。

5.1.1 建立主成分分析模型

首先选取环境污染的部分污染指标：可吸入颗粒物x1、二氧化硫x2、二氧化氮x3、道路交通噪声x4、区域环境噪声x5、化学需氧量x6、氨氮x7、总氮x8和总磷x9。北京、天津、上海、重庆和西安五座城市的各项指标年平均数据（见附录表1）。

问题中变量太多不但会增加计算的复杂性，也给合理的分析问题和解决问题带来很大困难；同时，这些变量之间存在的相关性，也使得这些变量所反映的信息在一定程度上有所重叠。为了减少变量个数，本文采用了降维的思想，利用主成分分析法得出污染空气的主要因素变量，提高问题研究的合理性，同时不会使数据反映的信息量有大的损失。

设是x(x1,x2,x3,,xp)T的协方差矩阵，的特征值与正交化特征向量分别为123p0及e1,e2,e3,,ep，且x的第i个主成分为

Yiei1x1ei2x2ei3x3eipxp,(i1,2,3,,p) （1）

1n

根据平均值计算公式xixij代入数据计算样本x(x1,x2,x3,,xp)的均值向nj1

量(1,2,3,,p)为

(0.09860.03540.043468.348054.476023.59253.21102.93900.3475) 根据协方差矩阵计算公式

1nT （2）(x)(x)iin1i1

利用Matlab软件代入数据可求得随机变量x(x1,x2,x3,,xp)(p9)相应 样本协方差矩阵为（只写下三角部分）

0.00030.000100.0034

0.00200.1114

0.02810.00280.00030.0001000.78200.08910.00640.00500.000300.29173.8197110.52720.388116.06303.00580.789514.80031.43502.84250.10291.75740.16900.34850.04370.00310.04095.07680.00620.00510.33510.00390.00490.93870.00030.00050.0963【数据调查污染程度】

由于协方差矩阵对角线元素即为样本x(x1,x2,x3,,xp)的方差值，观察矩阵易知其方差值相差较大，即各量纲间分散程度较大，不适用于环境污染模型中各成分指标间的相关性分析，为消除由于量纲不同可能带来的结果误差，故将样本变量x(x1,x2,x3,,xp)(p9)标准化，即令

Xi

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