工业废水排放处理情况聚类分析(共12页)

1、-PAGE 2-PAGE 16-安徽工程(gngchng)大学本科(bnk)课程设计（论文(lnwn)） 专 业： 金 融111 题 目：基于聚类分析方法的工业废水排放处理情况探索作 者 姓 名： 叶 丹 学 号： 3110803104 成 绩： 2013年10月25日摘 要改革开放以来，高等统计(tngj)教育有了很大的发展。多元统计分析是运用数理统计方法来研究解决多指标问题(wnt)的理论和方法，是统计学中一个非常重要(zhngyo)的分支。我国自20世纪80年代起在多个领域拉开了多元统计分析应用的帷幕，多元统计分析被广泛应用于自然学科和社会科学的各个学科，已经成为人们解决实际问题不可或缺

2、的重要工具。工业废水的综合治理已成为当代环境工作亟待解决的重大问题之一。随着工业经济的迅速发展，工业废水的排放量增加很快。目前，我国以淮河、太湖等为代表的江河湖泊因为工业废水排放而遭到较为严重的污染，对环境和居民身体健康产生了较大的影响。我国在大力发展工业经济的同时需要进一步加强工业废水的治理。目前，我国东部地区工业发展较为发达，工业废水治理开展的比较早，废水处理技术和废水处理率较高。随着中西部地区工业的发展，中西部地区的工业废水治理面临较大的发展空间。关键词：聚类分析；工业废水排放及处理；分析方法引 言我国工业废水治理的技术水平近年来发展较快。无论是城市生活污水还是工业废水治理，随着一大批污

3、水处理工程项目的建设和运营，我国的污水处理企业在污水处理的设备研发与生产、工程设计和施工等方面积累了一批较为成熟的技术，已经能够满足国内一般的污水处理建设项目的需求。工业废水治理行业与经济周期的变化紧密相关，很大程度上依赖于国民经济运行情况以及工业固定资产投资规模的波动。在国民经济发展的不同时期，国家的宏观政策也在不断调整，该类调整将直接影响到工业废水治理行业的发展。我国经济近年来一直保持较高的增长速度，固定资产投资快速增长。今后一段时间，在国家有效宏观调控的基础上，国民经济将继续保持快速增长的趋势，工业废水治理行业作为朝阳产业，受益于国民经济快速增长，也将迎来快速发展的有利时期。评价指标的选

4、取：探索工业废水排放及处理情况,必须建立适当的指标体系。但由于其指标的复杂性和多样性,各指标的选取要遵循以下原则: (1) 选取的指标能客观地反映各城市工业废水排放及处理情况主要方面；(2) 指标之间基本上相互独立； (3) 尽量选取相对指标。本文选取了全国31个城市的2008年的六项工业废水排放及处理情况指标作为对工业废水排放及处理情况类型划分的依据，所选数据全部来自中国统计年鉴：（x1）工业废水排放量；（x2）工业废水排放达标量；（x3）工业废水中化学需氧量排放量（吨）；（x4）工业废水中氨氮排放量（吨）；（x5）废水治理设施数（套）；（x6）本年运行费用（万元）。第1章 绪 论1.1 选

5、题(xun t)背景改革开放30多年来，我国经济一直(yzh)保持高速增长。伴随着经济的高增长，随之而来的就是对资源的利用以及(yj)对环境的合理保护。我国工业废水治理的技术水平近年来发展较快。无论是城市生活污水还是工业废水治理，随着一大批污水处理工程项目的建设和运营，我国的污水处理企业在污水处理的设备研发与生产、工程设计和施工等方面积累了一批较为成熟的技术，已经能够满足国内一般的污水处理建设项目的需求。1.2 研究意义中商情报网发布的2008年中国工业废水处理行业调研咨询报告共十一章。首先介绍了工业废水的定义、分类、处理方法和工业废水处理行业基本情况等，接着分析了工业水处理行业发展现状、中国

6、工业废水处理行业情况、随后，报告对纺织工业、造纸工业、钢铁工业、石油化工行业、医药工业、电镀行业、制革工业、黄金工业、涂料工业、 陶瓷工业、 味精工业、缫丝工业、黄磷和柠檬酸工业等行业废水处理情况进行了详细的分析、接着对中国工业废水处理重点企业经营情况进行分析，最后对工业废水处理行业未来趋势与发展前景进行了分析，本报告汇集了大量的、最新的第一手数据和资料，为工业废水处理企业、相关企业单位准确了解目前中国工业废水处理发展最新动态，把握工业废水处理发展方向、制定市场策略的重要决策依据之一，具有重要决策参考价值。因此，在此对我国2010年的主要城市工业废水排放及处理情况进分析，以便更好的处理废水问题

7、，减少工业废水给人们生活带来的危害。第2章 聚类分析2.1 基本思想聚类分析的基本思想是认为研究的样本或变量之间存在着程度不同的相似性，根据一批样本的多个观测指标，具体找出一些能够度量样本或指标之间相似程度的统计量，以这些统计量为划分类型的依据，把一些相似程度较大的样本(或变量)聚合为一类(y li)，把另外一些彼此之间相似程度较大的样本(变量)也聚合为一类，关系密切的聚合到一个小的分类单位，关系疏远的聚合到一个大的分类单位，直到把所有的样本(或变量)都聚合完毕，把不同的类型一一划分出来，形成一个由小到大的分类系统；最后再把整个分类系统画成一张图，将亲疏关系表示出来2。2.2 系统(xtng)

8、聚类法就聚类分析的内容而言，可分为系统聚类法、有序样品(yngpn)聚类法、动态聚类法和模糊聚类法。这里主要介绍系统聚类法。系统聚类法的聚类过程如下：首先将所研究的每个事物对象自己看作一个类，计算相互之间的接近程度后，将最相近的先合并为一类。然后，进一步计算类与类之间的距离，再合并相近的类，直至将所有对象合并为一个大类。也就是说，系统聚类的过程实际上给出了从最细的分类（每个对象自己为一类）到最粗的分类（所有的对象归为一类）之间的所有分类结果。最后，根据问题需要，可以将对象分为若干类，即选择聚类过程中的一个分类结果。设有个样品，每个样品测得项指标（变量），原始资料阵为 （2-1）其中为第个样品的

9、第个指标的观测数据。第个样品为矩阵的第行所描述，所以任何两个样品与之间的相似性，可以通过矩阵中的第行与第行的相似程度来刻划；任何两个变量与之间的相似性，可以通过第列与第列的相似程度来刻画。23 点与点之间距离的度量方法点与点之间的距离包括欧式距离（Euclideam distance）、欧式距离的平方（Squared Euclidean distance）、切比雪夫（Chebychev）距离、绝对值距离（Block）、明氏距离（Minkowski），同时SPSS还给出了一个自定义（Customized）的距离，它是一个绝对幂的度量，即变量之差绝对值的次幂之和的次根，与由用户指定。另外还有相似系

10、数Cosine（变量矢量的余弦）和Pearson correlation（皮尔森相关系数）。距离和相似系数计算公式如下：欧式距离： (2-2)欧式距离的平方： （2-3）变量(binling)矢量的余弦： (2-2)皮尔森相关系数： （2-3）切比雪夫距离(jl)： （2-6）绝对值距离(jl)： （2-7）明氏距离： （2-8）自定义距离： （2-9）2.2 类之间距离的度量方法类与类之间的距离定义不同，就产生了8种不同的系统聚类方法：最短距离法（Nearest neighbor）、最长距离法（Furthest neighbor）、重心法（Centroid clustering）、中间距离法

11、（Median clustering）、类平均法（Within-groups linkage）、可变类平均法（Between-groups）、离差平方和法（Ward）和可变法。SPSS给出了前7种，系统默认为可变类平均法。这样由于所选择的聚类方法不同，往往聚类的结果会有些差异。因此在应用中可以多选择几种方法聚类，找出共性的结果对一些有争议的可以使用判别分析解决。下面列出了SPSS的上述7种系统聚类方法及其类与类之间距离的定义。其中表示类的任意样品与类的任意样品之间的距离；表示类与之间的距离；类是由类与合并而成的新类，任意其他类到类的距离自然就记为。类平均法： ， （2-10）可变类平均法： ，

12、 （） （2-11）最短距离法： (2-12)最长距离法： （2-13）重心法： ，为类样品的均值(jn zh)（重心），为类样品(yngpn)的均值 （2-12）中间(zhngjin)距离法： （2-13）离差平方和法： （2-16）第3章 聚类分析计算与分析下面以一个具体的例子来实现实证分析。2008年我国其中31个省、市和自治区的工业废水排放及处理情况的几个指标为（x1）工业废水排放量；（x2）工业废水排放达标量；（x3）工业废水中化学需氧量排放量（吨）；（x4）工业废水中氨氮排放量（吨）；（x5）废水治理设施数（套）；（x6）本年运行费用（万元）。3.1 聚类分析的计算使用系统聚类法对

13、各地区工业废水排放及处理情况进行聚类，即从综合角度来看哪些地区的情况类似；再对不同的项目进行聚类，即对变量进行聚类，来看哪些变量属于一类。其数据如表3-1所示。表3-1 原始数据表主要城市工业废水排放及处理情况 (2008年)城 市工业废水排放量（万吨）工业废水排放达标量（万吨）工业废水中化学需氧量排放量(吨)工业废水中氨氮排放量 (吨)废水治理设施(套)本年运行费用(万元) 北 京836782214918.3443.951440184 天 津2043320413278383440.187587264 石 家 庄2095720795533454192.854740320 太 原24681994

14、4725364.131038455 呼和浩特297728024552.6246.6747325.2 沈 阳733267069213.11355.135211989 长 春5487518119289460.11036003.7 哈 尔 滨36203367165202435.515617278 上 海41871413642765324281790223072 南 京3936336606267091038.670175335 杭 州7558563889896242902.3105174489 合 肥209320112944.8117.81708879.2 福 州565954295975.6564.8

15、36716668 南 昌101189471188261143.51989351.1 济 南474946935854.4545.120816955 郑 州127001269610628308.138818341 武 汉238442360324389874.524826705 长 沙417636794966.9210.72894904.5 广 州344753304519389915.4116177114 南 宁1573112696766651834.236715035 海 口481481374.412.2351441.2 重 庆67027626481012318331.2155048918 成 都

16、2069820421626108724.4175940865 贵 阳240422442091.397.738510167 昆 明442544054145.1249.554623204 拉 萨666267586.66.811225 西 安1830417862420571568.941411174 兰 州373723112204.5205.37372134 西 宁41403443132901143.31232353.6 银 川49354923146311415.510610904 乌鲁木齐576645647934.61793.210317735注：数据(shj)来源（中华人民共和国国家统计局）3.

17、2 计算结果与分析(fnx)利用SPSS软件进行(jnxng)计算，结果如下：表3-1 案件处理综述案例处理摘要a案例有效缺失合计N百分比N百分比N百分比31100.0%0.0%31100.0%a. 平方 Euclidean 距离 已使用上表给出了参加系统聚类分析的7个变量（1个因变量，6个自变量）的记录数统计结果。共31个有效数据（Valid）参加了分析，无缺失值记录（Missing），总记录数为31个（Total）。表3-2 聚类进度表聚类表阶群集组合首次出现阶群集群集 1群集 2系数群集 1群集 2下一阶12126.0030062512.05100632930.06800841824.0

18、8300751315.1080076521.128211571318.172541282931.19630119125.261001310714.271001411829.336081412613.36207151314.39690161478.4641011171556.5406121716116.693130201757.786151420181727.97900231910191.056002520151.070161721211282.3882002622232.63600242317203.25118024242174.533222325252106.18524192626127.7

19、122125302711228.257002828112320.404270292991130.02302830301937.84026290上表给出了反映(fnyng)聚类过程的聚类进度表。它的每一行表示一次聚类，并给出聚类对象的名称，第一列对应的格中给出这次聚在一起的两个群间的距离。可看出：第一步南宁和昆明(kn mn)聚在一起，他们(t men)的相关系数为0.003；第二步太原和杭州聚在一起，他们的相关系数为0.051，如此类推。使用Sort Cases命令，对数据窗口中Ward法生成的分类变量CLU3_1进行排序，如表3-3所示。表3-3 Ward法聚类结果整理表第一类第二类第三类重

20、庆杭州 海口济南 天津西安 上海南京 长沙 北京 拉萨郑州 广州石家庄 武汉 呼和浩特 南宁 沈阳 成都 长春 贵阳合肥 昆明福州 拉萨 兰州 乌鲁木齐西宁 银川从表中分类我们可以清楚的看出：第一类是重庆这个经济发展水平很高的地区，该地区的经济建设比较发达，各种工业设施也比较完善，在工业生产的过程中难免会排放出高量的废水，但是由于技术比较高端，在处理废水问题上做的良好。第二类中的这些地区的经济建设属于中高水平，而工业生产占据了其经济发展的一部分，因此产生的废水排量也不少，但是部分地区并没有十分良好的设备来进行污水处理，因此部分地区的废水处理情况没有重庆好，但也存在着进步的空间。第三类中的地区(

21、dq)的经济建设的重心并没有放在工业上，更多的可能(knng)在农业上，因此在工业废水的排放量上并不多，而少量的废水也是更利于治理的。如下图所示，树状聚类图的横轴为距离，纵轴为各个案例（即初始(ch sh)小类），从图中看出：南宁和昆明两群之间的距离最短，他们首先聚在一起；在剩余的30类中（南宁和昆明第一步已聚在一起，算作一类），太原和杭州间距离最短，他们聚在一起，聚了两步，减少了2类，直到最后，由31个案例聚在一起聚成一个大群，直至此系统聚类过程完成。所以说正是由于树状聚类图能直观明了的展示聚类的过程，所以实际中应用广泛。* * * * * * * * * * * * * * * * * *

22、 * 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 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 -+ Cas

23、e 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 -+ | | Case 16 16 -+ | + Case 28 28 + | | Case 10 10 -+ | | Case 19 19 -+ +-+ | Case 2 2 +-+ | | Case 3 3 + + | Case 17 17 -+ | Case 27

24、27 -+ | | Case 20 20 + | Case 11 11 + | Case 22 22 + + | Case 23 23 + + Case 9 9 +图3-1 树状聚类图结论(jiln)与建议由以上(yshng)分析可见，我国工业废水处理的确(dqu)存在一系列的问题，针对以上问题提出有关建议如下： 1、对环保设施市场化运营需要加以引导和扶持 环保设施运营市场化，有三层含义。首先，治污企业与排污企业是购买服务关系。第二，治污企业或运营公司自负盈亏；第三，在治污企业或运营公司的选择上存在竞争关系。推进环保设施市场化的好处在于，一是将污染治理的成本明晰了。原来由政府建设、事业单位运营

25、时，治理成本是模糊的，政府收费后也可能会用于其它方面；由专业化公司运作后则要独立核算，花多少钱在污染治理上有案可稽。二是形成制衡机制，可以降低监管成本。原来政府要对众多的排污企业监管，难度较大；实现市场化后，排污企业与治污企业之间形成服务的提供者与购买者关系，不仅降低管理成本，还可以提高监管效率。三是专业化治理，解决了治污规模不经济的问题。 应对环保设施的建设和运营给予扶持。一方面，环境保护是“外部性”问题，是“市场失效”领域，仅靠市场不能解决问题；另一方面，要发挥市场在配置资源方面的基础性作用，通过企业化运作，提高污染治理设施的运行效率。换句话说，环境保护光靠政府投入是不够的，还必须按市场规

26、律办事，以最小的经济成本保护环境。由于治污企业的相对垄断，在批准、核定排污收费价格时，既要保证投资者能够还本付息并有所盈利，又不能加重排污企业的负担。因此，投资者的盈利必须有政策优惠，包括土地价格、税收和其他方面的政策优惠。在政府财政能力有限的情况下，引入民间资本，把政策优惠转变为治污企业的盈利，按实际提取折旧和大修理费用，提高污染治理设施的运营效率，为环保产业的可持续发展提供保证。 2、为工业污染集中治理创造条件，营造公平的竞争(jngzhng)环境 集中治理是解决中小企业污染的有效途径。实践证明，市场化运作不仅降低企业治理污染的成本，也可以使他们能集中精力关心市场，发展主业。鉴于中小企业的行业特点及其对市场的依赖，只要政府加以正确引导，完全有可能相对集中于一定的专业区域或工业园区，从而使工业污染的集中治理成为可能。这就解决了因企业规模过小，导致污染治理设施达不到经济运行规模要求的难题。加强环保设施建设是市场化的又一个条件。我国一些城市污水处理设施运转(ynzhun)不正常，除了资金、政策等原因外，收集污水的管网不足、处理厂达不到设