工業(yè)廢水排放處理情況聚類分析.

1、安徽工程大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)（論文） 專 業(yè)： 金 融111 題 目：基于聚類分析方法的工業(yè)廢水排放處理情況探索作 者 姓 名： 葉 丹 學(xué) 號： 3110803104 成 績： 2013年10月25日摘 要改革開放以來，高等統(tǒng)計(jì)教育有了很大的發(fā)展。多元統(tǒng)計(jì)分析是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來研究解決多指標(biāo)問題的理論和方法，是統(tǒng)計(jì)學(xué)中一個(gè)非常重要的分支。我國自20世紀(jì)80年代起在多個(gè)領(lǐng)域拉開了多元統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用的帷幕，多元統(tǒng)計(jì)分析被廣泛應(yīng)用于自然學(xué)科和社會科學(xué)的各個(gè)學(xué)科，已經(jīng)成為人們解決實(shí)際問題不可或缺的重要工具。工業(yè)廢水的綜合治理已成為當(dāng)代環(huán)境工作亟待解決的重大問題之一。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢水的排放

2、量增加很快。目前，我國以淮河、太湖等為代表的江河湖泊因?yàn)楣I(yè)廢水排放而遭到較為嚴(yán)重的污染，對環(huán)境和居民身體健康產(chǎn)生了較大的影響。我國在大力發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)需要進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)廢水的治理。目前，我國東部地區(qū)工業(yè)發(fā)展較為發(fā)達(dá)，工業(yè)廢水治理開展的比較早，廢水處理技術(shù)和廢水處理率較高。隨著中西部地區(qū)工業(yè)的發(fā)展，中西部地區(qū)的工業(yè)廢水治理面臨較大的發(fā)展空間。關(guān)鍵詞：聚類分析；工業(yè)廢水排放及處理；分析方法引 言我國工業(yè)廢水治理的技術(shù)水平近年來發(fā)展較快。無論是城市生活污水還是工業(yè)廢水治理，隨著一大批污水處理工程項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營，我國的污水處理企業(yè)在污水處理的設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)、工程設(shè)計(jì)和施工等方面積累了一批較為成

3、熟的技術(shù)，已經(jīng)能夠滿足國內(nèi)一般的污水處理建設(shè)項(xiàng)目的需求。工業(yè)廢水治理行業(yè)與經(jīng)濟(jì)周期的變化緊密相關(guān)，很大程度上依賴于國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況以及工業(yè)固定資產(chǎn)投資規(guī)模的波動(dòng)。在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不同時(shí)期，國家的宏觀政策也在不斷調(diào)整，該類調(diào)整將直接影響到工業(yè)廢水治理行業(yè)的發(fā)展。我國經(jīng)濟(jì)近年來一直保持較高的增長速度，固定資產(chǎn)投資快速增長。今后一段時(shí)間，在國家有效宏觀調(diào)控的基礎(chǔ)上，國民經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)保持快速增長的趨勢，工業(yè)廢水治理行業(yè)作為朝陽產(chǎn)業(yè)，受益于國民經(jīng)濟(jì)快速增長，也將迎來快速發(fā)展的有利時(shí)期。評價(jià)指標(biāo)的選?。禾剿鞴I(yè)廢水排放及處理情況,必須建立適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)體系。但由于其指標(biāo)的復(fù)雜性和多樣性,各指標(biāo)的選取要遵循以下原

4、則: (1) 選取的指標(biāo)能客觀地反映各城市工業(yè)廢水排放及處理情況主要方面；(2) 指標(biāo)之間基本上相互獨(dú)立； (3) 盡量選取相對指標(biāo)。本文選取了全國31個(gè)城市的2008年的六項(xiàng)工業(yè)廢水排放及處理情況指標(biāo)作為對工業(yè)廢水排放及處理情況類型劃分的依據(jù)，所選數(shù)據(jù)全部來自中國統(tǒng)計(jì)年鑒：（x1）工業(yè)廢水排放量；（x2）工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)量；（x3）工業(yè)廢水中化學(xué)需氧量排放量（噸）；（x4）工業(yè)廢水中氨氮排放量（噸）；（x5）廢水治理設(shè)施數(shù)（套）；（x6）本年運(yùn)行費(fèi)用（萬元）。第1章 緒 論1.1 選題背景改革開放30多年來，我國經(jīng)濟(jì)一直保持高速增長。伴隨著經(jīng)濟(jì)的高增長，隨之而來的就是對資源的利用以及對環(huán)境的

5、合理保護(hù)。我國工業(yè)廢水治理的技術(shù)水平近年來發(fā)展較快。無論是城市生活污水還是工業(yè)廢水治理，隨著一大批污水處理工程項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營，我國的污水處理企業(yè)在污水處理的設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)、工程設(shè)計(jì)和施工等方面積累了一批較為成熟的技術(shù)，已經(jīng)能夠滿足國內(nèi)一般的污水處理建設(shè)項(xiàng)目的需求。1.2 研究意義中商情報(bào)網(wǎng)發(fā)布的2008年中國工業(yè)廢水處理行業(yè)調(diào)研咨詢報(bào)告共十一章。首先介紹了工業(yè)廢水的定義、分類、處理方法和工業(yè)廢水處理行業(yè)基本情況等，接著分析了工業(yè)水處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、中國工業(yè)廢水處理行業(yè)情況、隨后，報(bào)告對紡織工業(yè)、造紙工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、石油化工行業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電鍍行業(yè)、制革工業(yè)、黃金工業(yè)、涂料工業(yè)、 陶瓷工業(yè)、

6、味精工業(yè)、繅絲工業(yè)、黃磷和檸檬酸工業(yè)等行業(yè)廢水處理情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析、接著對中國工業(yè)廢水處理重點(diǎn)企業(yè)經(jīng)營情況進(jìn)行分析，最后對工業(yè)廢水處理行業(yè)未來趨勢與發(fā)展前景進(jìn)行了分析，本報(bào)告匯集了大量的、最新的第一手?jǐn)?shù)據(jù)和資料，為工業(yè)廢水處理企業(yè)、相關(guān)企業(yè)單位準(zhǔn)確了解目前中國工業(yè)廢水處理發(fā)展最新動(dòng)態(tài)，把握工業(yè)廢水處理發(fā)展方向、制定市場策略的重要決策依據(jù)之一，具有重要決策參考價(jià)值。因此，在此對我國2010年的主要城市工業(yè)廢水排放及處理情況進(jìn)分析，以便更好的處理廢水問題，減少工業(yè)廢水給人們生活帶來的危害。第2章 聚類分析2.1 基本思想聚類分析的基本思想是認(rèn)為研究的樣本或變量之間存在著程度不同的相似性，根據(jù)一

7、批樣本的多個(gè)觀測指標(biāo)，具體找出一些能夠度量樣本或指標(biāo)之間相似程度的統(tǒng)計(jì)量，以這些統(tǒng)計(jì)量為劃分類型的依據(jù)，把一些相似程度較大的樣本(或變量)聚合為一類，把另外一些彼此之間相似程度較大的樣本(變量)也聚合為一類，關(guān)系密切的聚合到一個(gè)小的分類單位，關(guān)系疏遠(yuǎn)的聚合到一個(gè)大的分類單位，直到把所有的樣本(或變量)都聚合完畢，把不同的類型一一劃分出來，形成一個(gè)由小到大的分類系統(tǒng)；最后再把整個(gè)分類系統(tǒng)畫成一張圖，將親疏關(guān)系表示出來2。2.2 系統(tǒng)聚類法就聚類分析的內(nèi)容而言，可分為系統(tǒng)聚類法、有序樣品聚類法、動(dòng)態(tài)聚類法和模糊聚類法。這里主要介紹系統(tǒng)聚類法。系統(tǒng)聚類法的聚類過程如下：首先將所研究的每個(gè)事物對象自己

8、看作一個(gè)類，計(jì)算相互之間的接近程度后，將最相近的先合并為一類。然后，進(jìn)一步計(jì)算類與類之間的距離，再合并相近的類，直至將所有對象合并為一個(gè)大類。也就是說，系統(tǒng)聚類的過程實(shí)際上給出了從最細(xì)的分類（每個(gè)對象自己為一類）到最粗的分類（所有的對象歸為一類）之間的所有分類結(jié)果。最后，根據(jù)問題需要，可以將對象分為若干類，即選擇聚類過程中的一個(gè)分類結(jié)果。設(shè)有個(gè)樣品，每個(gè)樣品測得項(xiàng)指標(biāo)（變量），原始資料陣為 （2-1）其中為第個(gè)樣品的第個(gè)指標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)。第個(gè)樣品為矩陣的第行所描述，所以任何兩個(gè)樣品與之間的相似性，可以通過矩陣中的第行與第行的相似程度來刻劃；任何兩個(gè)變量與之間的相似性，可以通過第列與第列的相似程度

9、來刻畫。23 點(diǎn)與點(diǎn)之間距離的度量方法點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離包括歐式距離（Euclideam distance）、歐式距離的平方（Squared Euclidean distance）、切比雪夫（Chebychev）距離、絕對值距離（Block）、明氏距離（Minkowski），同時(shí)SPSS還給出了一個(gè)自定義（Customized）的距離，它是一個(gè)絕對冪的度量，即變量之差絕對值的次冪之和的次根，與由用戶指定。另外還有相似系數(shù)Cosine（變量矢量的余弦）和Pearson correlation（皮爾森相關(guān)系數(shù)）。距離和相似系數(shù)計(jì)算公式如下：歐式距離： (2-2)歐式距離的平方： （2-3）變量矢量的

10、余弦： (2-2)皮爾森相關(guān)系數(shù)： （2-3）切比雪夫距離： （2-6）絕對值距離： （2-7）明氏距離： （2-8）自定義距離： （2-9）2.2 類之間距離的度量方法類與類之間的距離定義不同，就產(chǎn)生了8種不同的系統(tǒng)聚類方法：最短距離法（Nearest neighbor）、最長距離法（Furthest neighbor）、重心法（Centroid clustering）、中間距離法（Median clustering）、類平均法（Within-groups linkage）、可變類平均法（Between-groups）、離差平方和法（Ward）和可變法。SPSS給出了前7種，系統(tǒng)默認(rèn)為可變類

11、平均法。這樣由于所選擇的聚類方法不同，往往聚類的結(jié)果會有些差異。因此在應(yīng)用中可以多選擇幾種方法聚類，找出共性的結(jié)果對一些有爭議的可以使用判別分析解決。下面列出了SPSS的上述7種系統(tǒng)聚類方法及其類與類之間距離的定義。其中表示類的任意樣品與類的任意樣品之間的距離；表示類與之間的距離；類是由類與合并而成的新類，任意其他類到類的距離自然就記為。類平均法： ， （2-10）可變類平均法： ， （） （2-11）最短距離法： (2-12)最長距離法： （2-13）重心法： ，為類樣品的均值（重心），為類樣品的均值 （2-12）中間距離法： （2-13）離差平方和法： （2-16）第3章 聚類分析計(jì)算與分

12、析下面以一個(gè)具體的例子來實(shí)現(xiàn)實(shí)證分析。2008年我國其中31個(gè)省、市和自治區(qū)的工業(yè)廢水排放及處理情況的幾個(gè)指標(biāo)為（x1）工業(yè)廢水排放量；（x2）工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)量；（x3）工業(yè)廢水中化學(xué)需氧量排放量（噸）；（x4）工業(yè)廢水中氨氮排放量（噸）；（x5）廢水治理設(shè)施數(shù)（套）；（x6）本年運(yùn)行費(fèi)用（萬元）。3.1 聚類分析的計(jì)算使用系統(tǒng)聚類法對各地區(qū)工業(yè)廢水排放及處理情況進(jìn)行聚類，即從綜合角度來看哪些地區(qū)的情況類似；再對不同的項(xiàng)目進(jìn)行聚類，即對變量進(jìn)行聚類，來看哪些變量屬于一類。其數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1 原始數(shù)據(jù)表主要城市工業(yè)廢水排放及處理情況 (2008年)城 市工業(yè)廢水排放量（萬噸）工業(yè)廢

13、水排放達(dá)標(biāo)量（萬噸）工業(yè)廢水中化學(xué)需氧量排放量(噸)工業(yè)廢水中氨氮排放量 (噸)廢水治理設(shè)施(套)本年運(yùn)行費(fèi)用(萬元) 北 京836782214918.3443.951440184 天 津2043320413278383440.187587264 石 家 莊2095720795533454192.854740320 太 原246819944725364.131038455 呼和浩特297728024552.6246.6747325.2 沈 陽733267069213.11355.135211989 長 春5487518119289460.11036003.7 哈 爾 濱362033671652

14、02435.515617278 上 海41871413642765324281790223072 南 京3936336606267091038.670175335 杭 州7558563889896242902.3105174489 合 肥209320112944.8117.81708879.2 福 州565954295975.6564.836716668 南 昌101189471188261143.51989351.1 濟(jì) 南474946935854.4545.120816955 鄭 州127001269610628308.138818341 武 漢238442360324389874.524

15、826705 長 沙417636794966.9210.72894904.5 廣 州344753304519389915.4116177114 南 寧1573112696766651834.236715035 海 口481481374.412.2351441.2 重 慶67027626481012318331.2155048918 成 都2069820421626108724.4175940865 貴 陽240422442091.397.738510167 昆 明442544054145.1249.554623204 拉 薩666267586.66.811225 西 安183041786242

16、0571568.941411174 蘭 州373723112204.5205.37372134 西 寧41403443132901143.31232353.6 銀 川49354923146311415.510610904 烏魯木齊576645647934.61793.210317735注：數(shù)據(jù)來源（中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局）3.2 計(jì)算結(jié)果與分析利用SPSS軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：表3-1 案件處理綜述案例處理摘要a案例有效缺失合計(jì)N百分比N百分比N百分比31100.0%0.0%31100.0%a. 平方 Euclidean 距離 已使用上表給出了參加系統(tǒng)聚類分析的7個(gè)變量（1個(gè)因變量，6個(gè)自

17、變量）的記錄數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。共31個(gè)有效數(shù)據(jù)（Valid）參加了分析，無缺失值記錄（Missing），總記錄數(shù)為31個(gè)（Total）。表3-2 聚類進(jìn)度表聚類表階群集組合首次出現(xiàn)階群集群集 1群集 2系數(shù)群集 1群集 2下一階12126.0030062512.05100632930.06800841824.08300751315.1080076521.128211571318.172541282931.19630119125.261001310714.271001411829.336081412613.36207151314.39690161478.4641011171556.5406121716

18、116.693130201757.786151420181727.97900231910191.056002520151.070161721211282.3882002622232.63600242317203.25118024242174.533222325252106.18524192626127.7122125302711228.257002828112320.404270292991130.02302830301937.84026290上表給出了反映聚類過程的聚類進(jìn)度表。它的每一行表示一次聚類，并給出聚類對象的名稱，第一列對應(yīng)的格中給出這次聚在一起的兩個(gè)群間的距離?？煽闯觯旱谝徊侥蠈幒?/p>

19、昆明聚在一起，他們的相關(guān)系數(shù)為0.003；第二步太原和杭州聚在一起，他們的相關(guān)系數(shù)為0.051，如此類推。使用Sort Cases命令，對數(shù)據(jù)窗口中Ward法生成的分類變量CLU3_1進(jìn)行排序，如表3-3所示。表3-3 Ward法聚類結(jié)果整理表第一類第二類第三類重慶杭州 ?？跐?jì)南 天津西安 上海南京 長沙 北京 拉薩鄭州 廣州石家莊 武漢 呼和浩特 南寧 沈陽 成都 長春 貴陽合肥 昆明福州 拉薩 蘭州 烏魯木齊西寧 銀川從表中分類我們可以清楚的看出：第一類是重慶這個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平很高的地區(qū)，該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)比較發(fā)達(dá)，各種工業(yè)設(shè)施也比較完善，在工業(yè)生產(chǎn)的過程中難免會排放出高量的廢水，但是由于技術(shù)

20、比較高端，在處理廢水問題上做的良好。第二類中的這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)屬于中高水平，而工業(yè)生產(chǎn)占據(jù)了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一部分，因此產(chǎn)生的廢水排量也不少，但是部分地區(qū)并沒有十分良好的設(shè)備來進(jìn)行污水處理，因此部分地區(qū)的廢水處理情況沒有重慶好，但也存在著進(jìn)步的空間。第三類中的地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重心并沒有放在工業(yè)上，更多的可能在農(nóng)業(yè)上，因此在工業(yè)廢水的排放量上并不多，而少量的廢水也是更利于治理的。如下圖所示，樹狀聚類圖的橫軸為距離，縱軸為各個(gè)案例（即初始小類），從圖中看出：南寧和昆明兩群之間的距離最短，他們首先聚在一起；在剩余的30類中（南寧和昆明第一步已聚在一起，算作一類），太原和杭州間距離最短，他們聚在一起，聚

21、了兩步，減少了2類，直到最后，由31個(gè)案例聚在一起聚成一個(gè)大群，直至此系統(tǒng)聚類過程完成。所以說正是由于樹狀聚類圖能直觀明了的展示聚類的過程，所以實(shí)際中應(yīng)用廣泛。* * * * * * * * * * * * * * * * * * * H I E R A R C H I C A L C L U S T E R A N A L Y S I S * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Dendrogram using Average Linkage (Between Groups) Rescaled Distance Cluster Combine C A S

22、E 0 5 10 15 20 25 Label Num +-+-+-+-+-+ Case 21 21 -+ Case 26 26 -+ Case 5 5 -+ Case 12 12 -+ Case 18 18 -+ Case 24 24 -+ Case 13 13 -+ Case 15 15 -+ Case 6 6 -+ Case 7 7 -+ Case 14 14 -+ Case 29 29 -+ Case 30 30 -+-+ Case 31 31 -+ | Case 8 8 -+ | Case 1 1 -+ +-+ Case 25 25 -+ | | Case 4 4 -+ | | Ca

23、se 16 16 -+ | +-+ Case 28 28 -+ | | Case 10 10 -+-+ | | Case 19 19 -+ +-+ | Case 2 2 -+-+ | | Case 3 3 -+ +-+ | Case 17 17 -+-+ | Case 27 27 -+ | | Case 20 20 -+ | Case 11 11 -+-+ | Case 22 22 -+ +-+ | Case 23 23 -+ +-+ Case 9 9 -+圖3-1 樹狀聚類圖結(jié)論與建議由以上分析可見，我國工業(yè)廢水處理的確存在一系列的問題，針對以上問題提出有關(guān)建議如下： 1、對環(huán)保設(shè)施市場化運(yùn)

24、營需要加以引導(dǎo)和扶持 環(huán)保設(shè)施運(yùn)營市場化，有三層含義。首先，治污企業(yè)與排污企業(yè)是購買服務(wù)關(guān)系。第二，治污企業(yè)或運(yùn)營公司自負(fù)盈虧；第三，在治污企業(yè)或運(yùn)營公司的選擇上存在競爭關(guān)系。推進(jìn)環(huán)保設(shè)施市場化的好處在于，一是將污染治理的成本明晰了。原來由政府建設(shè)、事業(yè)單位運(yùn)營時(shí)，治理成本是模糊的，政府收費(fèi)后也可能會用于其它方面；由專業(yè)化公司運(yùn)作后則要獨(dú)立核算，花多少錢在污染治理上有案可稽。二是形成制衡機(jī)制，可以降低監(jiān)管成本。原來政府要對眾多的排污企業(yè)監(jiān)管，難度較大；實(shí)現(xiàn)市場化后，排污企業(yè)與治污企業(yè)之間形成服務(wù)的提供者與購買者關(guān)系，不僅降低管理成本，還可以提高監(jiān)管效率。三是專業(yè)化治理，解決了治污規(guī)模不經(jīng)濟(jì)的問

25、題。 應(yīng)對環(huán)保設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營給予扶持。一方面，環(huán)境保護(hù)是“外部性”問題，是“市場失效”領(lǐng)域，僅靠市場不能解決問題；另一方面，要發(fā)揮市場在配置資源方面的基礎(chǔ)性作用，通過企業(yè)化運(yùn)作，提高污染治理設(shè)施的運(yùn)行效率。換句話說，環(huán)境保護(hù)光靠政府投入是不夠的，還必須按市場規(guī)律辦事，以最小的經(jīng)濟(jì)成本保護(hù)環(huán)境。由于治污企業(yè)的相對壟斷，在批準(zhǔn)、核定排污收費(fèi)價(jià)格時(shí)，既要保證投資者能夠還本付息并有所盈利，又不能加重排污企業(yè)的負(fù)擔(dān)。因此，投資者的盈利必須有政策優(yōu)惠，包括土地價(jià)格、稅收和其他方面的政策優(yōu)惠。在政府財(cái)政能力有限的情況下，引入民間資本，把政策優(yōu)惠轉(zhuǎn)變?yōu)橹挝燮髽I(yè)的盈利，按實(shí)際提取折舊和大修理費(fèi)用，提高污染治理設(shè)施的運(yùn)營效率，為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保證。 2、為工業(yè)污染集中治理創(chuàng)造條件，營造公平的競爭環(huán)境 集中治理是解決中小企業(yè)污染的有效途徑。實(shí)踐證明，市場化運(yùn)作不僅降低企業(yè)治理污染的成本，也可以使他們能集中精力關(guān)心市場，發(fā)展主業(yè)。鑒于中小企業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)及其對市場的依賴，只要政府加以正確引導(dǎo)，完全有可能相對集中于一定的專業(yè)區(qū)域或工業(yè)園區(qū)，從而使工業(yè)污染的集中治理成為可能。這就解決了因企業(yè)規(guī)模過小，導(dǎo)致污染治理設(shè)施達(dá)不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)模要求的難題。加強(qiáng)環(huán)保設(shè)施建設(shè)是市場化的又一個(gè)條件。我國一些城市污水處理設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，除了資金、政策等原因外，收集污水的管網(wǎng)不足、處理廠達(dá)