基于PSR-PLS模型的内蒙古赤峰地区农村用水安全评价研究

张向红，单德坤

(内蒙古自治区红山水库管理中心，内蒙古自治区 赤峰 024500)

1 研究区概况

赤峰市位于内蒙古自治区东南部，总面积为90021km2，下辖12个县级行政区，常住人口有四百余万人，2020年GDP总量达到1763.6亿元。赤峰市境内地形复杂多变，海拔跨度较大，为300～2000m，总体上呈西高东低、多山多丘陵的地貌特征，包含有山地、丘陵、岗地、川地、平地等多种自然类型土地，北部为山地丘陵区，南部为山地丘陵区，西部为高平原区，东部为平原区。赤峰市年平均降雨量为381mm，年平均气温为0～7℃，年平均日照数为3000h。境内流域面积超过50km2的河流共有333条，全市水资源总量达到39.98亿m3，人均水资源占有量为851m3，仅为全国人均水资源占有量的40%，属于典型的水资源匮乏地区。

当前，赤峰市农村人口占比为48.89%，农村人均可支配收入为8246元，农村地区居民居住分散，环保意识薄弱，普遍存在生活污水和废弃物随意排放的现象，对地下水环境造成了严重污染，同时由于地形差异较大和水利设施不足，农村地区仍以分散供水方式为主，多数村民生活用水没有经过任何有效的处理，而且赤峰地区还存在严重的季节性缺水问题，导致农村地区居民的用水安全得不到保障。

2 评价模型建立

2.1 基本理论

PSR(Pressure-State-Response)环境评价模型由压力(P)，状态(S)和响应(R)三部分结构组成，最早于20世纪70年代末由加拿大学者David J.Rapport和Tony Friend提出[1- 3]。在PSR模型中，压力指标反映了人类在从事生产生活过程中对环境造成的破坏和扰动，状态指标主要描述自然和社会环境在人类社会活动影响下所表现出来的状态，响应指标主要表征在环境现状情况下采取何种措施来减轻、阻止或者恢复人类活动对环境造成的负面影响。PSR模型充分展现出人与自然相互影响的关系，通过评估人类应对措施的有效性，对水资源的安全评价进行客观公正的评价。

PLS结构方程模型由两部分组成：一是测量模型，主要用于描述潜变量与显变量之间的相互关系，二是结构模型，主要用于描述潜变量之间的相互关系[4- 5]。PLS结构方程模型具有同时处理多个因变量、容许自变量和因变量含有测量误差、同时估计因子结构和因子关系、容许更大弹性的测量模型、可以估计整个模型的拟合程度等优点。在利用PLS方法估计结构模型时，首先需要通过多次迭代计算得到潜变量的估计值，再通过最小二乘法对估计值进行线性回归分析，从而得到测量模型和结构模型的参数估计值。PLS结构方程模型为：

(1)

结构模型：η=Bη+Γξ+τ

(2)

式中，y，x—内因观测变量矩阵和外因观测变量矩阵；Λy和Λx—内因观测变量和外因观测变量的负荷矩阵；η和ξ—内因潜变量和外因潜变量；ε和δ—内因测量模型残差矩阵和外因测量模型残差矩阵；B和Γ—内因潜变量和外因潜变量的相互影响效应系数矩阵；τ—内因潜变量的残差向量。

2.2 评价模型构建

基于PSR环境评价模型，将农村地区生活用水安全(Y)作为评价目标，将压力、状态和响应三个指标作为潜变量，即将生活用水安全评价模型划分为压力(Y1)、状态(Y2)和响应(Y3)三个相互影响、相互联系的子系统，从而构建内蒙古赤峰地区农村生活用水安全评价模型，结果如图1所示。

图1 农村生活用水安全评价模型

压力(Y1)指标，又包括农村人口(Y11)、农村发展(Y12)以及用水需求(Y13)三个一级潜变量，农村人口(Y11)包括农村人口占比(P1)以及贫困发生率(P2)两个显变量，农村发展(Y12)包括农村居民可支配收入(P3)、第一产业增加值占GDP比重(P4)以及农业经营户数量(P5)三个显变量，用水需求(Y13)包括单位农业人口拥有大牲畜数量(P6)、单位农田灌溉用水量(P7)以及耕地面积占比(P8)三个显变量；状态(Y2)指标，又包括自然概况(Y21)、地形起伏(Y22)以及水资源状态(Y23)三个一级潜变量，自然概况(Y21)包括海拔高度(S1)、丘陵面积占比(S2)、岩溶面积占比(S3)、森林覆盖率(S4)四个显变量，地形起伏(Y22)包括地表起伏度(S5)和平均坡度(S6)两个显变量，水资源状态(Y23)包括地表河网密度(S7)、多年平均降水量(S8)、多年平均地表水资源量(S9)、多年平均地下水资源量(S10)和农村居民人均水资源占有量(S11)五个显变量；响应(Y3)指标，又包括环境治理(Y31)和引水水源来源(Y32)两个，环境治理(Y31)包括生活垃圾集中处理的村占比(R1)、生活污水集中处理的村占比(R2)、完成改厕的村占比(R3)和农村饮水安全工程覆盖人口占比(R4)四个显变量，引水水源来源(Y32)包括经过净化处理的自来水占比(R5)、不受保护的井水泉水占比(R6)以及桶装水占比(R7)三个显变量。根据各潜变量各显变量之间的相互关系，从而建立起农村生活用水安全评价PSR-PLS路径模型，如图2所示。

2.3 模型可靠性分析

在应用PSR-PLS模型分析之前，需要对各个指标路径模型进行信度检验和效度检验，信度检验分为一致性信度检验和合成信度检验，一致性信度检验一般采用Cronbach’α来衡量是否满足要求，合成信度检验一般采用CR值来衡量是否满足要求；而效度检验则是根据AVE指标来进行衡量。PSR-PLS路径模型检验结果见表1。从表中可以看到：压力(P)、状态(S)和响应(R)三个指标的Cronbach’α分别为0.87、0.73和0.85，均满足>0.6的要求，CR值分别为0.88、0.76和0.89，均满足>0.7的要求，AVE值分别为0.51、0.56和0.54，均满足>0.5的要求，表明文章建立的农村生活用水安全评价PSR-PLS路径模型具有较好的区分效度。

图2 农村生活用水安全评价PSR-PLS路径模型

表1 模型检验结果

3 评价结果分析

3.1 压力安全指数

通过对压力指标各个潜变量和显变量的计算分析，最终得到了赤峰地区各行政区压力安全指数情况，如图3所示。根据自然段点法，将农村地区生活用水压力安全指数划分为Ⅰ～Ⅴ五个等级，其中Ⅰ级安全指数范围为0.044～0.092，Ⅱ级安全指数范围为0.093～0.135，Ⅲ级安全指数范围为0.136～0.169，Ⅳ级安全指数范围为0.170～0.250，Ⅴ级安全指数范围为0.251～0.302，等级越高，表明该地区的生活用水越安全。由图3中可知：在12个行政区中，压力安全指数为Ⅰ级的行政区包括克什克腾旗(0.079)、喀喇沁旗(0.092)和敖汉旗(0.085)，压力安全指数为Ⅱ级的行政区包括林西县(0.135)、阿鲁科尔沁旗(0.112)、巴林左旗(0.119)、巴林右旗(0.105)和翁牛特旗(0.115)，压力安全指数为Ⅲ级的行政区包括红山区(0.159)、松山区(0.143)、元宝山区(0.148)和宁城县(0.144)；由此可见，赤峰市市区周边的压力安全指数较高，而靠北方的几个行政区的压力安全指数较低，这主要是由于当地农业用水效率不高，且耕地面积和畜牧面积大，造成当地需水量高，但是又缺乏足够的水利基础设施。

图3 压力安全指数分析结果

3.2 状态安全指数

对状态指标各个潜变量和显变量进行计算分析，最终得到赤峰地区各行政区状态安全指数情况，如图4所示。同理根据自然段点法，将农村地区生活用水状态安全指数也划分为Ⅰ～Ⅴ五个等级，五个等级分别对应的安全指数分范围为(0.113～0.135)、(0.136～0.160)、(0.161～0.2)、(0.201～0.235)和(0.236～0.288)，等级越高，表明该地区的生活用水安全状态正在逐渐变好。由图4中可知：在12个行政区中，喀喇沁旗(0.135)和敖汉旗(0.128)为Ⅰ级，巴林左旗(0.143)、巴林右旗(0.141)、克什克腾旗(0.141)和翁牛特旗(0.157)为Ⅱ级，宁城县(0.169)、林西县(0.17)和阿鲁科尔沁旗(0.182)为Ⅲ级，红山区(0.235)和松山区(0.212)为Ⅳ级，元宝山区(0.266)为Ⅴ级，Ⅲ级以上状态安全指数占比为50%，且主要集中于南部和东部地区，这些地区的生态环境好，降雨量更多，地表水资源量和地下可开发水资源量占比较高，因而农村地区生活用水状态安全指数较高，而北部和西部地区多为高原山地，环境比较恶劣，水环境脆弱度较高，因而状态安全系数低[6- 7]。

图4 状态安全指数分析结果

3.3 响应安全指数

对响应指标各个潜变量和显变量进行计算分析，最终得到赤峰地区各行政区响应安全指数情况，如图5所示。根据自然段点法，将农村地区生活用水响应安全指数也划分为Ⅰ～Ⅴ五个等级，五个等级分别对应的安全指数分范围为(0.046～0.058)、(0.059～0.087)、(0.088～0.119)、(0.120～0.159)和(0.160～0.267)，等级越高，表明该地区人为的相应措施及其对用水安全的效应越好。由图5中可知：巴林左旗(0.078)、巴林右旗(0.085)、克什克腾旗(0.074)和敖汉旗(0.087)四个行政区的响应安全指数属于Ⅱ级，红山区(0.102)和翁牛特旗(0.112)两个行政区为Ⅲ级，松山区(0.143)、元宝山区(0.129)、宁城县(0.142)、林西县(0.159)、阿鲁科尔沁旗(0.127)和喀喇沁旗(0.143)六个行政区为Ⅳ级，Ⅲ级以上状态安全指数占比为66.7%，各地区之间响应安全指数相差较大，这反映了各地区对各项政策的推进落实力度有较大的区别，间接反映了各地区间发展不平衡，经济收入较高的地区有足够的财政收入来改善用水设施和设备，农村经济社会发展水平相对落后的地区在环境治理和自来水净化方面相对落后[8- 10]。

图5 响应安全指数分析结果

3.4 综合安全指数

赤峰市不同地区综合安全指数计算分析结果如图6所示。根据综合安全指数的高低，将用水安全划分为安全(0.76～1)、较安全(0.61～0.75)、临界安全(0.46～0.6)、不安全(0.31～0.45)以及极不安全(0～0.3)五个安全等级。由图5中可知：在12个行政区中，红山区(0.495)、松山区(0.497)、元宝山区(0.543)、宁城县(0.455)和林西县(0.465)五个行政区属于临界安全状态，阿鲁科尔沁旗(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)五个行政区属于不安全状态，而克什克腾旗(0.294)和敖汉旗(0.30)两个行政区属于极不安全状态，不安全和极不安全状态的行政区占比达到58.3%，赤峰市农村地区用水安全情况不容乐观，形势较为严峻，处于临界安全状态的地区主要集中在南部地区，这些地区经社会经济整体发展较好，农口人口比重相对较低，贫困发生率低，因而水资源状态稍好。

图6 区综合安全指数分析结果

4 结语

(1)在PSR环境评价模型和PLS结构方程模型基础上，构建包括压力、状态、和响应三个评价指标的赤峰地区农村生活用水安全评价模型，经检验模型具有良好的区分效度。

(2)压力安全指数、状态安全指数和响应安全指数达到Ⅲ级及其以上状态的行政区占比分别为33.3%、50.0%和66.7%，有58.3%的地区农村用水安全处于不安全或者极不安全状态，其余行政区也仅仅是处于临界安全状态。

(3)社会经济整体发展较差、农村人口比重较高的地区农村生活用水安全状态较差，应重点对这些地区进行用水安全治理。

(4)文章仅针对内蒙古赤峰地区进行了评估分析，模型是否适用于其他地区还需要根据实际情况进行更深层次的分析。