基于PSR-PLS模型的內蒙古赤峰地區農村用水安全評價研究

張向紅，單德坤

(內蒙古自治區紅山水庫管理中心，內蒙古自治區 赤峰 024500)

1 研究區概況

赤峰市位于內蒙古自治區東南部，總面積為90021km2，下轄12個縣級行政區，常住人口有四百余萬人，2020年GDP總量達到1763.6億元。赤峰市境內地形復雜多變，海拔跨度較大，為300～2000m，總體上呈西高東低、多山多丘陵的地貌特征，包含有山地、丘陵、崗地、川地、平地等多種自然類型土地，北部為山地丘陵區，南部為山地丘陵區，西部為高平原區，東部為平原區。赤峰市年平均降雨量為381mm，年平均氣溫為0～7℃，年平均日照數為3000h。境內流域面積超過50km2的河流共有333條，全市水資源總量達到39.98億m3，人均水資源占有量為851m3，僅為全國人均水資源占有量的40%，屬于典型的水資源匱乏地區。

當前，赤峰市農村人口占比為48.89%，農村人均可支配收入為8246元，農村地區居民居住分散，環保意識薄弱，普遍存在生活污水和廢棄物隨意排放的現象，對地下水環境造成了嚴重污染，同時由于地形差異較大和水利設施不足，農村地區仍以分散供水方式為主，多數村民生活用水沒有經過任何有效的處理，而且赤峰地區還存在嚴重的季節性缺水問題，導致農村地區居民的用水安全得不到保障。

2 評價模型建立

2.1 基本理論

PSR(Pressure-State-Response)環境評價模型由壓力(P)，狀態(S)和響應(R)三部分結構組成，最早于20世紀70年代末由加拿大學者David J.Rapport和Tony Friend提出[1- 3]。在PSR模型中，壓力指標反映了人類在從事生產生活過程中對環境造成的破壞和擾動，狀態指標主要描述自然和社會環境在人類社會活動影響下所表現出來的狀態，響應指標主要表征在環境現狀情況下采取何種措施來減輕、阻止或者恢復人類活動對環境造成的負面影響。PSR模型充分展現出人與自然相互影響的關系，通過評估人類應對措施的有效性，對水資源的安全評價進行客觀公正的評價。

PLS結構方程模型由兩部分組成：一是測量模型，主要用于描述潛變量與顯變量之間的相互關系，二是結構模型，主要用于描述潛變量之間的相互關系[4- 5]。PLS結構方程模型具有同時處理多個因變量、容許自變量和因變量含有測量誤差、同時估計因子結構和因子關系、容許更大彈性的測量模型、可以估計整個模型的擬合程度等優點。在利用PLS方法估計結構模型時，首先需要通過多次迭代計算得到潛變量的估計值，再通過最小二乘法對估計值進行線性回歸分析，從而得到測量模型和結構模型的參數估計值。PLS結構方程模型為：

(1)

結構模型：η=Bη+Γξ+τ

(2)

式中，y，x—內因觀測變量矩陣和外因觀測變量矩陣；Λy和Λx—內因觀測變量和外因觀測變量的負荷矩陣；η和ξ—內因潛變量和外因潛變量；ε和δ—內因測量模型殘差矩陣和外因測量模型殘差矩陣；B和Γ—內因潛變量和外因潛變量的相互影響效應系數矩陣；τ—內因潛變量的殘差向量。

2.2 評價模型構建

基于PSR環境評價模型，將農村地區生活用水安全(Y)作為評價目標，將壓力、狀態和響應三個指標作為潛變量，即將生活用水安全評價模型劃分為壓力(Y1)、狀態(Y2)和響應(Y3)三個相互影響、相互聯系的子系統，從而構建內蒙古赤峰地區農村生活用水安全評價模型，結果如圖1所示。

圖1 農村生活用水安全評價模型

壓力(Y1)指標，又包括農村人口(Y11)、農村發展(Y12)以及用水需求(Y13)三個一級潛變量，農村人口(Y11)包括農村人口占比(P1)以及貧困發生率(P2)兩個顯變量，農村發展(Y12)包括農村居民可支配收入(P3)、第一產業增加值占GDP比重(P4)以及農業經營戶數量(P5)三個顯變量，用水需求(Y13)包括單位農業人口擁有大牲畜數量(P6)、單位農田灌溉用水量(P7)以及耕地面積占比(P8)三個顯變量；狀態(Y2)指標，又包括自然概況(Y21)、地形起伏(Y22)以及水資源狀態(Y23)三個一級潛變量，自然概況(Y21)包括海拔高度(S1)、丘陵面積占比(S2)、巖溶面積占比(S3)、森林覆蓋率(S4)四個顯變量，地形起伏(Y22)包括地表起伏度(S5)和平均坡度(S6)兩個顯變量，水資源狀態(Y23)包括地表河網密度(S7)、多年平均降水量(S8)、多年平均地表水資源量(S9)、多年平均地下水資源量(S10)和農村居民人均水資源占有量(S11)五個顯變量；響應(Y3)指標，又包括環境治理(Y31)和引水水源來源(Y32)兩個，環境治理(Y31)包括生活垃圾集中處理的村占比(R1)、生活污水集中處理的村占比(R2)、完成改廁的村占比(R3)和農村飲水安全工程覆蓋人口占比(R4)四個顯變量，引水水源來源(Y32)包括經過凈化處理的自來水占比(R5)、不受保護的井水泉水占比(R6)以及桶裝水占比(R7)三個顯變量。根據各潛變量各顯變量之間的相互關系，從而建立起農村生活用水安全評價PSR-PLS路徑模型，如圖2所示。

2.3 模型可靠性分析

在應用PSR-PLS模型分析之前，需要對各個指標路徑模型進行信度檢驗和效度檢驗，信度檢驗分為一致性信度檢驗和合成信度檢驗，一致性信度檢驗一般采用Cronbach’α來衡量是否滿足要求，合成信度檢驗一般采用CR值來衡量是否滿足要求；而效度檢驗則是根據AVE指標來進行衡量。PSR-PLS路徑模型檢驗結果見表1。從表中可以看到：壓力(P)、狀態(S)和響應(R)三個指標的Cronbach’α分別為0.87、0.73和0.85，均滿足>0.6的要求，CR值分別為0.88、0.76和0.89，均滿足>0.7的要求，AVE值分別為0.51、0.56和0.54，均滿足>0.5的要求，表明文章建立的農村生活用水安全評價PSR-PLS路徑模型具有較好的區分效度。

圖2 農村生活用水安全評價PSR-PLS路徑模型

表1 模型檢驗結果

3 評價結果分析

3.1 壓力安全指數

通過對壓力指標各個潛變量和顯變量的計算分析，最終得到了赤峰地區各行政區壓力安全指數情況，如圖3所示。根據自然段點法，將農村地區生活用水壓力安全指數劃分為Ⅰ～Ⅴ五個等級，其中Ⅰ級安全指數范圍為0.044～0.092，Ⅱ級安全指數范圍為0.093～0.135，Ⅲ級安全指數范圍為0.136～0.169，Ⅳ級安全指數范圍為0.170～0.250，Ⅴ級安全指數范圍為0.251～0.302，等級越高，表明該地區的生活用水越安全。由圖3中可知：在12個行政區中，壓力安全指數為Ⅰ級的行政區包括克什克騰旗(0.079)、喀喇沁旗(0.092)和敖漢旗(0.085)，壓力安全指數為Ⅱ級的行政區包括林西縣(0.135)、阿魯科爾沁旗(0.112)、巴林左旗(0.119)、巴林右旗(0.105)和翁牛特旗(0.115)，壓力安全指數為Ⅲ級的行政區包括紅山區(0.159)、松山區(0.143)、元寶山區(0.148)和寧城縣(0.144)；由此可見，赤峰市市區周邊的壓力安全指數較高，而靠北方的幾個行政區的壓力安全指數較低，這主要是由于當地農業用水效率不高，且耕地面積和畜牧面積大，造成當地需水量高，但是又缺乏足夠的水利基礎設施。

圖3 壓力安全指數分析結果

3.2 狀態安全指數

對狀態指標各個潛變量和顯變量進行計算分析，最終得到赤峰地區各行政區狀態安全指數情況，如圖4所示。同理根據自然段點法，將農村地區生活用水狀態安全指數也劃分為Ⅰ～Ⅴ五個等級，五個等級分別對應的安全指數分范圍為(0.113～0.135)、(0.136～0.160)、(0.161～0.2)、(0.201～0.235)和(0.236～0.288)，等級越高，表明該地區的生活用水安全狀態正在逐漸變好。由圖4中可知：在12個行政區中，喀喇沁旗(0.135)和敖漢旗(0.128)為Ⅰ級，巴林左旗(0.143)、巴林右旗(0.141)、克什克騰旗(0.141)和翁牛特旗(0.157)為Ⅱ級，寧城縣(0.169)、林西縣(0.17)和阿魯科爾沁旗(0.182)為Ⅲ級，紅山區(0.235)和松山區(0.212)為Ⅳ級，元寶山區(0.266)為Ⅴ級，Ⅲ級以上狀態安全指數占比為50%，且主要集中于南部和東部地區，這些地區的生態環境好，降雨量更多，地表水資源量和地下可開發水資源量占比較高，因而農村地區生活用水狀態安全指數較高，而北部和西部地區多為高原山地，環境比較惡劣，水環境脆弱度較高，因而狀態安全系數低[6- 7]。

圖4 狀態安全指數分析結果

3.3 響應安全指數

對響應指標各個潛變量和顯變量進行計算分析，最終得到赤峰地區各行政區響應安全指數情況，如圖5所示。根據自然段點法，將農村地區生活用水響應安全指數也劃分為Ⅰ～Ⅴ五個等級，五個等級分別對應的安全指數分范圍為(0.046～0.058)、(0.059～0.087)、(0.088～0.119)、(0.120～0.159)和(0.160～0.267)，等級越高，表明該地區人為的相應措施及其對用水安全的效應越好。由圖5中可知：巴林左旗(0.078)、巴林右旗(0.085)、克什克騰旗(0.074)和敖漢旗(0.087)四個行政區的響應安全指數屬于Ⅱ級，紅山區(0.102)和翁牛特旗(0.112)兩個行政區為Ⅲ級，松山區(0.143)、元寶山區(0.129)、寧城縣(0.142)、林西縣(0.159)、阿魯科爾沁旗(0.127)和喀喇沁旗(0.143)六個行政區為Ⅳ級，Ⅲ級以上狀態安全指數占比為66.7%，各地區之間響應安全指數相差較大，這反映了各地區對各項政策的推進落實力度有較大的區別，間接反映了各地區間發展不平衡，經濟收入較高的地區有足夠的財政收入來改善用水設施和設備，農村經濟社會發展水平相對落后的地區在環境治理和自來水凈化方面相對落后[8- 10]。

圖5 響應安全指數分析結果

3.4 綜合安全指數

赤峰市不同地區綜合安全指數計算分析結果如圖6所示。根據綜合安全指數的高低，將用水安全劃分為安全(0.76～1)、較安全(0.61～0.75)、臨界安全(0.46～0.6)、不安全(0.31～0.45)以及極不安全(0～0.3)五個安全等級。由圖5中可知：在12個行政區中，紅山區(0.495)、松山區(0.497)、元寶山區(0.543)、寧城縣(0.455)和林西縣(0.465)五個行政區屬于臨界安全狀態，阿魯科爾沁旗(0.43)、巴林左旗(0.341)、巴林右旗(0.331)、翁牛特旗(0.385)、喀喇沁旗(0.37)五個行政區屬于不安全狀態，而克什克騰旗(0.294)和敖漢旗(0.30)兩個行政區屬于極不安全狀態，不安全和極不安全狀態的行政區占比達到58.3%，赤峰市農村地區用水安全情況不容樂觀，形勢較為嚴峻，處于臨界安全狀態的地區主要集中在南部地區，這些地區經社會經濟整體發展較好，農口人口比重相對較低，貧困發生率低，因而水資源狀態稍好。

圖6 區綜合安全指數分析結果

4 結語

(1)在PSR環境評價模型和PLS結構方程模型基礎上，構建包括壓力、狀態、和響應三個評價指標的赤峰地區農村生活用水安全評價模型，經檢驗模型具有良好的區分效度。

(2)壓力安全指數、狀態安全指數和響應安全指數達到Ⅲ級及其以上狀態的行政區占比分別為33.3%、50.0%和66.7%，有58.3%的地區農村用水安全處于不安全或者極不安全狀態，其余行政區也僅僅是處于臨界安全狀態。

(3)社會經濟整體發展較差、農村人口比重較高的地區農村生活用水安全狀態較差，應重點對這些地區進行用水安全治理。

(4)文章僅針對內蒙古赤峰地區進行了評估分析，模型是否適用于其他地區還需要根據實際情況進行更深層次的分析。