中央民族大学理学院 李慧君

一、中国水资源与水污染的基本情况

（一）水资源严重短缺与水污染严重的现象并存

1.中国水资源现状

水是万物之母、生存之本、文明之源。2020年全国拥有水资源总量31605.2亿m³，居世界第五位，但由于中国人口众多，人均水资源占有量仅占世界平均水平的四分之一左右。世界淡水资源仅占水资源总量的2.5%，仍有86%的淡水资源封存在难以直接利用的高山冰川、永冻水，人类真正可以直接利用的部分是江河湖泊与地下水中的一少部分。2018年，中国淡水资源比例仅占总水资源的2.53%。由于人口众多，可利用的淡水资源有限，中国实际上是严重缺水的国家。据2019年10月之前的统计，中国660座城市中有400多座城市缺水，比例达到三分之二以上的比例，其中108座城市严重缺水，中国城市缺水总量为60亿立方米，1.6亿城市居民生活受到影响。

2.中国水污染现状

水资源污染是城乡居民生活用水的最大威胁。根据《2011中国国土资源公报》公布的全国200个城市、4727个水质监测点结果显示，较差、极差级水比例过半，中国地下水质量状况不容乐观。2012年环保部门公布的调查数据显示，中国的十大水系、62个主要湖泊中，分别有大约31%和39%的淡水水质仍没有达到安全的饮用水要求，这将会影响到使用这部分水源的居民的正常生产、生活和身体健康，动植物的自然生长也会受到一定程度的影响。2014年国家环保部发布的首个全国性大规模调查中显示出一个惊人的事实：中国有2.8亿居民正使用着不安全的饮用水。2020年，全国地表水Ⅰ类7.3%、Ⅱ类47.0%、Ⅲ类29.2%、Ⅳ类13.6%、Ⅴ类2.4%、劣Ⅴ类0.6%。21世纪以来，中国境内发生了数十起严重水污染事件，例如，2005年松花江重大水污染事件；2007年太湖水污染事件；2009年重金属污染湘江，威胁到4000万人饮水安全；2013年上海黄浦江死猪事件；2019年四川沱江特大水污染事故致简阳、资中、内江三地百万群众饮水被迫中断；2020年伊春鹿鸣矿业尾矿库泄漏水污染事件更是我国近20年来尾矿泄漏量最大、对水生态影响最大、后期生态环境治理修复难度异常艰巨和国内外潜在社会影响较大的突发环境事件。水资源污染不仅将加剧中国可用水资源短缺的矛盾，而且还将进一步影响城乡生产活动与居民的日常生活，对人民群众的身体健康构成严重威胁，在造成巨大经济损失的同时也影响经济和社会的可持续发展。

3.中国水资源保护现状

我国的水污染问题如不加以重视解决，必将在未来造成巨大的经济损失与难以挽回的对环境的伤害。为解决这一问题，国家自20世纪90年代起连续发布治理污水措施与企业排放污水的限制、惩罚政策。2011年中央一号文件发布《关于加快水利改革发展的决定》，2013年1月水利部印发《关于加快水生态文明建设工作的意见》，2015年国务院发布《关于印发水污染防治行动计划的通知》（简称“水十条”），2017年9月1日国务院发布《中国水资源保护法》、水利部发布《全国水资源保护规划》（2016—2030），对水污染治理作出严格限制措施。目前，我国水资源保护得到了加强。

（二）分地区废水中主要污染物排放的识别

目前废水的排放主要是工农业生产用水的排放、城乡人民生活用水的排放。废水污染物的排放是影响人民生产生活用水安全的主要因素。本文观测中国分地区废水主要污染物排放情况，其分析过程采用主成分分析法、因子分析法，对影响水质污染的潜在因子进行识别，提出合理性的建议，减少污染物的排放，从而达到最终降低水资源污染、推动水资源循环利用、实现可持续发展的目标。

（三）数据来源

考虑到选用数据的可靠性与严谨性，本文选用的数据来自国家统计局2020年中国统计年鉴。表中有2017年我国31个省份、自治区、直辖市地区排放废水中化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、石油类、挥发酚、铅、汞、镉、六价铬、总铬、砷等12种化学指标一共372份检测结果。在这份数据的基础上，本文将选用主成分分析法、因子分析法依次对数据进行处理，得出影响水质污染的重要因子，并且得出相应结论，提出合理性建议。

二、模型的建立及结果分析

（一）研究方法与思路

本文对样本数据进行分析主要采用了主成分分析法与因子分析法。

主成分分析是一种通过降维技术把多个变量化为少数几个主成分（综合变量）的统计分析方法，这些主成分已经能够反映样本的大部分信息，因此研究分析并结合现实背景解释主成分意义。

因子分析法是主成分分析法的一种推广和发展，同样也是重要的降维手段。通过因子分析法可以找到潜在的影响变量，这些影响变量难以通过现实观测，但却在实际中对考察问题有相当大的影响。因子分析法通过旋转因子可以得到不同的解，其结果比主成分分析法更为灵活、更易于解释。

发展测评主要用于测评和反馈参加培训后的教师信息技术应用能力提升程度，促进教师主动应用信息技术开展教育教学工作，提升中小学生学习成效与信息素养。

（二）模型建立及结果分析

1.数据预处理

根据研究目的与数据表格，可以将表格中的污染物，化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、石油类、挥发酚、铅、汞、镉、六价铬、总铬、砷作为原始变量，分别假设为随机变量x1、x2、x3……x12，表格数据则作为样本数据。

我们注意到原始表格中存在两处数据的缺失，分别是海南省与西藏自治区废水中汞的含量没有相应的数据。在查阅资料过后，笔者选择使用随机森林填补法对缺失的海南、西藏测量汞的数据进行填补。填补后，海南、西藏的汞数据分别为61.95和58.45.

2.主成分分析模型的建立

从原始表格可以看出各个变量的单位不同，存在单位为万吨、吨、千克的数据。此时按照主成分分析法的要求，从样本数据的相关矩阵出发计算特征值、特征向量更为合理。运用R软件，计算相关系数、主成分及主成分载荷、主成分得分等。图1是使用R软件计算得到的相应结果。

图1 累计方差比例显示图

3.结果分析

根据图2可知，保留前三个主成分的累计方差比例达到了79.06%，保留前四个主成分的累计方差达到85.45%，结合图3也可以看出有三个特征值大于1，故选取前三个主成分即可。图2利用R软件给出主成分载荷，但是R软件中eigen函数存在的问题是，与同样的矩阵在matlab软件计算相比，eigen函数计算出来的特征向量的数值大小相同但正负号相反。因此上图特征向量取正负号相反的结果进行分析。

图2 相关矩阵R特征值、特征向量（部分）

可以看出，第一主成分y1在所有变量上（除了x8 汞载荷偏小）都有相对近似的正载荷，可以认为第一主成分可解释为中国地区废水中污染物的综合情况。第二主成分在变量x7、x8、x9（铅、汞、镉）上表现出近似大小的正载荷，可以认为第二主成分y2可解释为（受某种可能导致铅、汞、镉一起排放的生产）的废水污染情况。第三主成分只在变量x10、x11（六价铬、总铬）上有过半的载荷，可以认为第三主成分y3可解释为（受某种可能导致六价铬、总铬一起排放的生产）的废水污染情况。

图3 按主成分得分排序（部分）

第一主成分得分较高的有。西藏、青海、北京、宁夏、上海、海南，也就是说这几个城市的综合污染指数较高，不是说污染程度重，而是污染物种类比较多。第二主成分得分较高的有江西、广西、陕西、甘肃、湖南、云南，这些地区的废水中铅、汞、镉的含量较高，这些都是工业排放中可能产生的污染，的原因与当地工业生产有关。第三主成分得分较高的有河北、江西、福建、浙江、四川、甘肃。

4.与因子模型结果分析对比

经过编程测试，发现保留4个因子时累计方差已经超过85%

由图4可以看出，结果与前面主成分分析有所区别，第一个因子在x1-x5载荷上均超过0.7，所以第一个因子可以解释为综合考虑污染物（化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、石油类）的生活农业污染指数。化学需氧量、氨氮、总氮这些化学物在生活、农业生产中导致的污染较为严重，金属化学物在工业生产中导致的污染重占比重一些。第二个因子在x7、x9、x12（铅、铬、砷）上载荷比较大。第三个因子在x10、x11（六价铬、总铬）上载荷比较大，第四个因子只在x6上有特别大的载荷。可以近似认为第一个因子表现为生活、农业综合导致的水污染因子，第二个因子表现为会造成铅、铬、砷排放的矿业、工业污染，第三个因子表现为会造成六价铬、总铬排放的工业污染。

（三）研究结论

由此可以看出，水污染的主要来源为生活、生产（包括农业、工业生产）用水不当、排放不当。在居民日常生活方面，可以考虑建议人们不要使用含磷过多的洗衣粉，不要使用可能造成水中化学需氧量高（可以理解为一些有机物）的洗涤剂等。在农业生产方面，可以考虑发明更加环保的肥料和减少污染的浇灌方法。在工业生产方面，企业需要充分考虑工业生产的同时进行生产污染排放物的净化，减少生产污染。

三、对中国分地区废水中主要污染物排放的建议

（1）水资源安全是生态安全的基础，各地区要切实贯彻习近平生态文明建设思想，妥善处理经济建设、人民生活与水资源开发、合理利用的关系，通过转变生产方式和消费方式，实现可持续发展。

（2）在工业领域，实现工业生态化，引入绿色制造，转变粗放的生产方式，提高工业用水的重复率，千方百计降低水资源的消耗，同时提高工业废水达标率。

（3）在农业领域，必须改变大水慢灌等高消耗方式，有条件的地区要大力发展现代化生态农业，实施精细化的生产经营方式，降低水资源的高消耗及废水排污量。

（4）在城乡人民生活方面，积极推广使用清洁高效的新能源，节能减排，加强用水宣传教育，强化节水意识，形成绿色低碳的生活方式。

（5）在推进城镇化和工业化进程中，根据各地区水资源的容量和废水排放的关系，在保证城乡人民生活安全的前提下，把废水排放控制在合理范围。