【帆软杯】全国废水排放与当地水质状况跟踪展示及与经济发展关系的可视化分析

2021帆软杯全国高校数据应用联赛 全国废水排放与当地水质状况跟踪展示及与经济发展关系的可视化分析

1.团队介绍

队伍名称：CVC

指导老师：芦俊丽

姓名	任务
夏飞艳	负责确定研究方向、寻找数据及导出数据； 负责分析全国废水排放与水质状况的关系； 负责大屏排版及颜色搭配问题； 负责协助思路分析报告撰写；
白明宇	负责协助寻找数据及导出数据； 负责分析经济发展对废水排放的影响； 负责协助大屏排版及颜色搭配问题； 负责协助思路分析报告撰写；
高 琳	负责协助寻找数据并对部分数据进行导出； 负责对废水排放及废水处理情况进行分析； 负责撰写思路分析报告并修改报告。

2.作品背景

      随着我国社会经济的迅速发展，由此带来的陆地污染、海洋污染、空气污染、水污染、噪音污染、放射性污染等环境问题日益突出，尤其是水污染已成为环境污染的重要部分，导致部分区域出现水资源短缺、水污染严重、水生态退化等系列问题，直接影响到人们的饮用水安全。对此，我们小组主要是针对我国废水排放与处理状况、我国各省水质类别情况进行分析以及探究污水排放与经济发展的关系和影响污水排放的因素，进而提出减少水污染的方法和手段，并结合国家相关政策，采取相应的监督管理措施，引导人们意识到减少废水排放的重要性、水污染治理的难度，呼吁民众为建设生态和谐城市，实现可持续发展，减少水污染排放，对水污染进行全面的治理，保护生态环境。

3.制作流程

3.1数据来源

数据主要来自国家统计局、中华人民共和国生态环境部和前瞻数据库，具体网址如下，

国家统计局：http://www.stats.gov.cn/

中华人民共和国生态环境部：https://www.mee.gov.cn/

前瞻数据库：https://d.qianzhan.com/

3.2数据处理

（1）将表“国家地表水融合数据.xlsx ”中的空值替换为趋近于0的小数；

（2）对表进行重命名（从国家统计局上下载的各类数据是从同一个数据库分省年度数据中下载的，因此下载的文件名字全部为分省年度数据）；

（3）从“分省年度数据”中下载的数据包括：废水排放总量，分地区废水中主要污染物排放总量，工业用水量，农业用水量，生活用水量，生态用水量，外商投资出口总额，治理废水项目完成投资，地区生产总值(GDP)；

（4）将废水排放总量、地区生产总值(亿元)、工业用水量、农业用水量、生活用水量、生态用水量、外商投资出口总额、农林牧渔业增加值、工业增加值、建筑业增加值、批发和零售业增加值、交通运输、仓储和邮政业增加值、住宿和餐饮业增加值、金融业增加值、房地产业增加值、其他行业增加值、第一产业增加值、第二产业增加值和第三产业增加值整合为表“2012-2016各产业增值亿元与废水排放量.xls”（筛选了2012-2016的数据，因为废水排放量数据仅发布到2016年），便于更好的分析。

（5）将地区生产总值(亿元)、废水排放总量、外商投资出口总额，治理废水项目完成投资整合为表“2012-2016废水与出口投资.xls”，至此，数据预处理完成。

3.3设计思路

        第一部分，首先通过可视化技术分析2011~2016年全国各省废水排放量情况，向读者呈现2011~2016年我国各省废水总量情况，引发国民反思，随着经济的发展、城镇化进程的加快，过去五年我国各省废水产生总量必然比2011~2016年多，水污染局势不容乐观； 其次分析2020年沿海省份污水排放量情况及废水排口数情况以及2020年全国各省污水处理情况，使国民了解2020年我国沿海省份废水排放总量整体状况以及向国民展示全国各省对污水处理的重视，以此加强国民对水污染现状的了解，进而提高国民对保护水资源、减少水污染的意识；最后，呼吁人们保护水资源，节约用水，减少污水排放，构建人与自然命运共同体。

       第二部分，第一部分了解水污染状况后，通过对地表水监测数据与海水污染成分数据进行分析和对全国各省废水排放的主要污染物成分与当地的水质情况进行对比分析，向人们展示全国废水排放与水质状况的关系，使人们更加清楚的了解我国水污染状况，进一步加强人们对保护水资源、减少水污染的意识。

第三部分，主要是向人们展示经济发展、产业结构、外商投资对废水排放的影响，表明盲目追求经济效益，以牺牲环境、浪费资源为代价来发展地区经济的做法是不可取的，从而对企业、国家、个人提合理的建议，最后阐述水污染防治的方法及重要性。整体思路框架图如图3-1所示，

               

                                                图3-1整体思路框架图

3.4实现方式

       对数据进行整理后，以excel表或csv形式存储数据，结合Navicat工具，将数据导入数据库中，最后用FineReport工具对数据进行可视化分析，得出我们所要的信息。

3.4.1阶段一

        根据附件“废水排放总量.csv”文件，展示2011~2016年我国各省废水量排放情况，从图3-2中可以看出，这六年中广东省的废水排放量位居第一，均高于750000万吨，且都是逐年增加的，从2011年的14.99%增加到了2016年的17.90%，初步判断废水量排放多与当地经济发展水平高有关，后面将给予验证；相比之下，西藏自治区的废水排放量在这六年中都是最少的，废水排放量均低于6500万吨，初步判断与西藏当地经济水平发展落后有关，随着时代的进步，经济发展水平不断的提高，污染程度也不断的增大。

图3-2 2011~2016年全国各省废水排放情况

        既然污水来源较多，所以我们需要对污水采取相关措施进行处理，以保护我们的生态环境。在处理时要根据实际情况而定，制定有效方案，可以达到理想效果。对于城市污水而言，要建立起污水处理站进行集中处理，随着城市污水量的增加，要扩大污水处理站建设规模，确保发挥出有效作用，不仅可以改善城市环境，对外还能树立起良好形象，促进生态文明城市建设。要合理布局污水处理站，保证对城市污水可以快速、全面收集，有利于提升处理效率。工业污水危害性较大，增加了处理的难度，因此要优化处理技术，最大程度减少危害。

上面我们了解了2011~2016年我国各省废水量排放情况，接下来我们再来看看2020年沿海省份污水排放量情况、2020年全国各省对污水处理厂的集中处理力及各省城市污水日处理能力，分别如图3-3、图3-4和图3-5所示，

      图3-3 2020年沿海省份污水排放量情况

图3-4 2020年全国各省污水处理厂集中处理力情况

图3-5 2020年全国各省城市污水日处理能力情况

       我们既要发展经济，也要积极开展污水处理，避免对生态环境造成破坏，如果水源受到污染，人饮用后会危害到人体健康，且污水处理后环境破坏问题会明显减少，需要投入的成本也会减少，具有一定经济效益。因此我们需要保证污水处理后达标，减少对自然环境的污染。从而实现人与自然和谐相处，加快和谐社会构建步伐。结合图3-3、图3-4及图3-5分析，可以看到广东省污水处理能力也是最高的，在污水处理上挺严格的，但废水排放量与2016年相比，减少了很多，这可能是受2019年新冠肺炎疫情影响，而浙江省的污水排放量却有所增加，在沿海省份中位居第一，但对污水处理能力没有广东省的强，没有广东省抓得严，从而也表明浙江省在发展经济的同时，一定要注意治理水污染，水污染治理不容小觑，需积极采取措施治理水污染。要知道我们在发展经济的同时，一定要治理水污染问题，与自然和谐共生，实现可持续发展。

        随着经济的快速发展，浙江的污水排放量不断增加，污水排放口数也在不断的增加，如图3-6所示，可以得到2020年浙江省的污水排放口数达到了沿海省份的22.62%，位居首位，但污水处理能力却不及广东省，需调整措施，积极做好污水排放工作。

        图3-6 2020年沿海省份污水排口数占比情况

2020年我国在工业、生活、综合三方面的污水排放量占比及污水排放口数情况如图3-7和3-8所示，足以看出我国对污水治理的重视，

       图3-7 2020年污水排放量占比情况

         图3-8 2020年污水排口数占比情况

3.4.2阶段二

        该部分通过对地表水监测数据与海水污染成分数据进行分析，对全国各省份的废水排放的主要污染物成分与当地的水质情况进行对比分析，首先对全国各省份的地表水水质类别和海水的水质类别进行占比展示，大体了解国家当前的水质状况。对于水质的类别划分，我国目前地表水水质分为6个等级，其中Ⅰ～Ⅲ类属于优良水质，可以饮用。海水水质则分为五个等级，其中一类和二类属于优质水。综合分析可知，地表水和海水的水质中优良水质所占的比例均为75%左右，可以看出这一年的主要江河为轻度污染，其中，长江流域、浙闽片河流、西南诸河等三个流域主要江河水质为优。然后对全国各个省份的废水的主要排放污染物指标总量与当地地表水和海水中的该污染物指标的污染程度进行对比分析，最终得出的结论是废水中的污染物排放量越多，当地的水质污染程度就越严重，其中主要污染物排放最严重的是广东省、四川省以及江苏省，石油排污量排放最严重的是湖北省，同时污染最严重的也是这几个省份，而沿海省份中排放和污染最严重的是浙江、广东和山东等三个省份。最后对地表水和海水设置污染指数分析，主要分析它的主要污染指标和水体的营养状况，最终将该年的地表水和海水的污染情况清晰的展现出来，具体分析如下，

        如图3-9所示，我国目前地表水水质分为6个等级，其中Ⅰ～Ⅲ类属于优良水质，可以饮用。海水水质则分为五个等级，其中一类和二类属于优质水。结合图3-10，可以得出全国地表水和海水的水质中优良水质所占的比例均为75%左右，可以看出这一年的主要江河为轻度污染。而就季节性方面看，春夏秋三个季节秋季的水质状况稍微差一些。

               图3-9全国地表水水质类别

                图3-10各地区海水水质类别

      由图3-11可知，长江流域、浙闽片河流、西南诸河等三个流域主要江河水质为优；黄河流域、珠江流域、西北诸河的主要江河水质为良好；而松花江流域、淮河流域和辽河流域、海河流域等多个流域主要江河水质则属于轻度污染。

图3-11各流域地表水综合水质类别比例

      由图3-12、3-13、3-14可知，各地区的废水排放会对当地的水质状况产生负影响，其中广东省、四川省和江苏省最为明显。其中广东省污染物排放情况最严重，化学需氧量、氨氮、挥发酚和总磷量等多项指标均占比最大，四川和江苏其次。石油排污量占比最大的为湖北省。同时污染量大的省份中，主要也是广东，天津和江苏。

                                               图3-12各省份地表水中金属污染物含量展示

              图3-13各区废水中污染物排放物质

                       图3-14地表水主要污染指标

在图3-15中，对于海水排污的沿海城市，排放最多同时也是污染最大的三个城市是浙江、广东和山东。

               图3-15沿海省份海水排污与水质对比

污染指数由各个评价指标的断面超标个数、超标倍数以及水体生存空间值等指数构成据分析，地表水水质污染的主要指标有高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、总磷以及氨氮（总氮不作为污染指标统计）。其中高锰酸盐指数的超标断面有301个，断面超标率为8.3%均为指标中的最大值。而超标倍数最大的指标为五日生化需氧量，达到0.08倍。由图3-16对比显示，长江流域、珠江流域、黄河流域和海河流域等四个流域的生存空间最大（溶解氧含量越多，水中生物的生存空间越大。）

          图3-16各流域水体空间比较—溶解氧

             图3-17污染指标—超标断面数

               图3-18污染指标—断面超标率

               图3-19污染指数—超标倍数

        由下图综合分析可知，中国各个海区均受到了不同程度的污染，可以看出东海最为严重，它的海区富营养化面积最大，达到了27320平方千米，同时它的非优水质所占海区面积也是最广的，达到了48000平方千米。而南海则是相对情况最好的海区，各项污染指数均为最低的。从图3-16的主要污染指标分析，在选择出的海区的主要污染指标无机氮、化学需氧量和活性磷酸盐来看，东海的污染情况同样是最严重的，三项指标均占比最大。而南海排名第二，情况最好的是黄海海区。从图3-20中，还可以看出化学需氧量的浓度最大，然后是无机氮，浓度最低的是活性磷酸盐。

               图3-20污染指数—主要污染指标

                  图3-21污染指数—营养状况展示

                     图3-22海区污染指数综合比较

3.4.3阶段三

       根据地图上废水排放较多的地区，结合其对应的产业，包括第一产业，第二产业，以及第三产业的占比状况，从而总结得出导致废水排放较多的地区的主要产业。同时根据历年外商投资的金额，画出废水排放趋势与外商投资金额的趋势对比图，观察二者是否存在一定的相关性，通过组合图明显的看出外商投资金额与废水排放总量呈正相关。通过该地区的不同行业增值占比可以得到废水排放较多的地区的主要产业。具体分析如下，

       根据附件“2012-2016各产业增值亿元与废水排放量.xls”画出经济增长与废水排放趋势图，如图3-23与图3-24所示，可以明显的看到2012~2016年随着经济的增长，废水排放量逐渐增加，表明在发展经济的同时我们也可以实现废水少排放(前期GDP的增长伴随这废水排放量的增多，后期随着治理废水费用的投入，废水排放量得到了减少且GDP得到增加)。

         图3-23 经济增长与废水排放趋势图

             图3-24 GDP与治理废水费用关系图

根据附件“2012-2016废水与出口投资.xls”画出外商投资与废水排放的关系图，如图3-25所示，可以得到外商投资企业出口总额高，其对应的废水排放量越多，外商投资企业出口总额低，其对应的废水排放量也就越少，进而得出外商投资金额与废水排放总量呈正相关关系。

         图3-25 外商投资与废水排放关系图

 

       根据附件“2012-2016各产业增值亿元与废水排放量.xls”，以浙江省为例，画出该省在生活、农业、工业、生态四方面的用水情况，如图3-26所示，从图中我们可以明显的看到农业用水是浙江省用水的主要部分，其用水量高达45%，这与当地气候、降水量有关，结合浙江省实际情况，初步可以判断该省在农业用水方面存在较严重的浪费现象，其次是工业用水，占了28.77%，生活方面用水量也是较多的，位居第三，接近23%，而生态补水仅用了2.71%。面对水资源短缺的状况，当地部门在农业、工业、生活用水方面应加强管理，呼吁市民节约用水，保护水资源，减少水污染，共同建设生态文明城市，实现可持续发展，构建人类命运共同体。

                 图3-26 浙江省各方面用水占比情况

      上面看了浙江省在农业、生活、工业及生态四方面的用水情况后，再来看该省各行业增值情况及各产业的增加值占比情况，如图3-27和3-28所示，并结合图3-23经济增长与废水排放趋势图得到的结论进行分析，可以得出2012~2016年浙江省各行业中工业增加值最多，其相应的废水排放量也就越多，该省第二产业及第三产业增加值均占主体地位，两产业增加值均高达47%，在两产业方面产生的废水量也是最多的。

               图3-27 浙江省各行业增值情况

              图3-28 浙江省各产业增加值占比情况

       针对以上情况，盲目追求经济效益，以牺牲环境、浪费资源为代价来发展地区经济的做法是不可取的，另一方面，市民对水污染状况不了解，生态环境保护意识浅薄，导致水污染治理难度加大，特提出以下建议：

（1）量力增加废水处理投资，建设产业污水废水处理厂，提高产业污水无害化处理率；

（2）有效遏制高污染外商投资出口；

（3）结合当地实际情况，适当调整产业结构；

（4）节约用水；

（5）有效遏制高耗能、高污染产业的发展。

4成果展示

4.1废水排放及废水处理情况展示

       我国社会经济得到快速发展的同时，也产生了一系列的环境问题，其中水污染已成为环境污染的重要组成部分，对水资源的合理利用、减少水污染已然成为我国发展中十分重视的问题。为了倡导国民节约用水，合理使用水资源，减少水污染，特分析2011~2016年我国各省废水量排放状况以及2020年沿海省份废水排放情况及对废水处理的重视，以可视化的方式呈现在全国人民眼前，能更直观的反映我国水污染情况，使全国人民居安思危，时时刻刻有节约用水的意识、减少水污染的意识，进而与自然和谐共生，对建设生态文明社会，实现可持续发展具有重大的意义和作用，最终可视化大屏展示如下图，

                                                                                   图4-1废水排放及废水处理情况大屏

4.2全国废水排放与水质状况关系分析

       此部分通过查找到的2020年的地表水融合数据和分地区废水中主要污染物排放情况 (2020年)数据以及海水水质监测数据和各沿海省份污染物排放情况数据探究全国各省份的废水污染物排放与当地水质状况的关系，并且详细分析一下我国地表水和海水的污染指数。首先对全国各省份的地表水水质类别和海水的水质类别进行占比展示，大体了解国家当前的水质状况；然后对全国各个省份的废水的主要排放污染物指标总量与当地地表水和海水中的该污染物指标的污染程度进行对比分析，最终得出的结论是废水中的污染物排放量越多，当地的水质污染程度就越严重；最后对地表水和海水设置污染指数分析，主要分析它的主要污染指标和水体的营养状况，最终将该年的地表水和海水的污染情况清晰的展现出来。该部分可视化分析大屏如下所示。

                                                                                             图4-2全国废水排放与水质状况关系分析大屏

4.3经济发展对废水排放的影响

        此部分通过附件“2012-2016废水与出口投资.xls”和附件“2012-2016各产业增值亿元与废水排放量.xls”探究废水排放对经济的影响、外商出口对废水排放量的影响以及废水排放较多的地区工业占比情况。首先根据历年经济状况、外商出口总额与废水排放的关系找出经济与废水排放的关系、探究影响废水排放的因素，其次对废水排放量较大的地区进行产业结构分析，找出废水排放与产业结构的关系，最后提出减少废水排放的方法和途径，为各行各业处理废水排放作参考，此部分可视化大屏展示如下图所示，

                                                                                           图4-3经济发展对废水排放的影响大屏

5总结与分享

5.1踩坑系列

踩坑1:地图不显示可能是区域指定出错，还有钻取地图时各层级分别指定和底层数据汇总算出来的值不同，所以区间也不同，导致同样的数据，在某个地图中只出现部分区域。

踩坑2：面对不能直接导出来的数据，通过另存为选项，存在pdf里，进行复制并粘贴在记事本里，在每个数据空格之间加Tab键，然后再复制粘贴进Excel表里，这样就可以保证每个数据都在一个单元格里，但这种做法费电费时费力，效率低，不可取，面对这种情况应多加思考，寻找简便方法，提高效率，例如可以利用数据采集技术，对数据进行爬取，但爬取数据需谨慎，以免违法；另外一个笨方法就是利用Excel表相关功能对数据进行处理，通过前面踩的坑，总结出了一个方法，就是将所有数据复制在记事本里后保存，用Excel表直接打开记事本里数据即可，盲目之时，一定要停下来，冷静思考，寻找解决问题的方法，提高效率。

5.2心得体会

首先，找数据之前，队员之间一定要确定研究方向；

其次，队员之间要加强交流与沟通，一起找数据，明确分析目标，提前做好思路与时间规划，了解可用工具功能及其优缺点；

再次，及时与指导老师沟通，以解决主要的困难；

最后，队员之间要相互信任，相互鼓励。