基于PSR-PLS模型的內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)農(nóng)村用水安全評價(jià)研究

張向紅，單德坤

(內(nèi)蒙古自治區(qū)紅山水庫管理中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 赤峰 024500)

1 研究區(qū)概況

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，總面積為90021km2，下轄12個(gè)縣級行政區(qū)，常住人口有四百余萬人，2020年GDP總量達(dá)到1763.6億元。赤峰市境內(nèi)地形復(fù)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(qū)，南部為山地丘陵區(qū)，西部為高平原區(qū)，東部為平原區(qū)。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(shù)為3000h。境內(nèi)流域面積超過50km2的河流共有333條，全市水資源總量達(dá)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(qū)。

當(dāng)前，赤峰市農(nóng)村人口占比為48.89%，農(nóng)村人均可支配收入為8246元，農(nóng)村地區(qū)居民居住分散，環(huán)保意識薄弱，普遍存在生活污水和廢棄物隨意排放的現(xiàn)象，對地下水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，同時(shí)由于地形差異較大和水利設(shè)施不足，農(nóng)村地區(qū)仍以分散供水方式為主，多數(shù)村民生活用水沒有經(jīng)過任何有效的處理，而且赤峰地區(qū)還存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺水問題，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)居民的用水安全得不到保障。

2 評價(jià)模型建立

2.1 基本理論

PSR(Pressure-State-Response)環(huán)境評價(jià)模型由壓力(P)，狀態(tài)(S)和響應(yīng)(R)三部分結(jié)構(gòu)組成，最早于20世紀(jì)70年代末由加拿大學(xué)者David J.Rapport和Tony Friend提出[1- 3]。在PSR模型中，壓力指標(biāo)反映了人類在從事生產(chǎn)生活過程中對環(huán)境造成的破壞和擾動(dòng)，狀態(tài)指標(biāo)主要描述自然和社會環(huán)境在人類社會活動(dòng)影響下所表現(xiàn)出來的狀態(tài)，響應(yīng)指標(biāo)主要表征在環(huán)境現(xiàn)狀情況下采取何種措施來減輕、阻止或者恢復(fù)人類活動(dòng)對環(huán)境造成的負(fù)面影響。PSR模型充分展現(xiàn)出人與自然相互影響的關(guān)系，通過評估人類應(yīng)對措施的有效性，對水資源的安全評價(jià)進(jìn)行客觀公正的評價(jià)。

PLS結(jié)構(gòu)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(guān)系，二是結(jié)構(gòu)模型，主要用于描述潛變量之間的相互關(guān)系[4- 5]。PLS結(jié)構(gòu)方程模型具有同時(shí)處理多個(gè)因變量、容許自變量和因變量含有測量誤差、同時(shí)估計(jì)因子結(jié)構(gòu)和因子關(guān)系、容許更大彈性的測量模型、可以估計(jì)整個(gè)模型的擬合程度等優(yōu)點(diǎn)。在利用PLS方法估計(jì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)，首先需要通過多次迭代計(jì)算得到潛變量的估計(jì)值，再通過最小二乘法對估計(jì)值進(jìn)行線性回歸分析，從而得到測量模型和結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)估計(jì)值。PLS結(jié)構(gòu)方程模型為：

(1)

結(jié)構(gòu)模型：η=Bη+Γξ+τ

(2)

式中，y，x—內(nèi)因觀測變量矩陣和外因觀測變量矩陣；Λy和Λx—內(nèi)因觀測變量和外因觀測變量的負(fù)荷矩陣；η和ξ—內(nèi)因潛變量和外因潛變量；ε和δ—內(nèi)因測量模型殘差矩陣和外因測量模型殘差矩陣；B和?！獌?nèi)因潛變量和外因潛變量的相互影響效應(yīng)系數(shù)矩陣；τ—內(nèi)因潛變量的殘差向量。

2.2 評價(jià)模型構(gòu)建

基于PSR環(huán)境評價(jià)模型，將農(nóng)村地區(qū)生活用水安全(Y)作為評價(jià)目標(biāo)，將壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三個(gè)指標(biāo)作為潛變量，即將生活用水安全評價(jià)模型劃分為壓力(Y1)、狀態(tài)(Y2)和響應(yīng)(Y3)三個(gè)相互影響、相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，從而構(gòu)建內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)農(nóng)村生活用水安全評價(jià)模型，結(jié)果如圖1所示。

圖1 農(nóng)村生活用水安全評價(jià)模型

壓力(Y1)指標(biāo)，又包括農(nóng)村人口(Y11)、農(nóng)村發(fā)展(Y12)以及用水需求(Y13)三個(gè)一級潛變量，農(nóng)村人口(Y11)包括農(nóng)村人口占比(P1)以及貧困發(fā)生率(P2)兩個(gè)顯變量，農(nóng)村發(fā)展(Y12)包括農(nóng)村居民可支配收入(P3)、第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重(P4)以及農(nóng)業(yè)經(jīng)營戶數(shù)量(P5)三個(gè)顯變量，用水需求(Y13)包括單位農(nóng)業(yè)人口擁有大牲畜數(shù)量(P6)、單位農(nóng)田灌溉用水量(P7)以及耕地面積占比(P8)三個(gè)顯變量；狀態(tài)(Y2)指標(biāo)，又包括自然概況(Y21)、地形起伏(Y22)以及水資源狀態(tài)(Y23)三個(gè)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(gè)顯變量，地形起伏(Y22)包括地表起伏度(S5)和平均坡度(S6)兩個(gè)顯變量，水資源狀態(tài)(Y23)包括地表河網(wǎng)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(nóng)村居民人均水資源占有量(S11)五個(gè)顯變量；響應(yīng)(Y3)指標(biāo)，又包括環(huán)境治理(Y31)和引水水源來源(Y32)兩個(gè)，環(huán)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(nóng)村飲水安全工程覆蓋人口占比(R4)四個(gè)顯變量，引水水源來源(Y32)包括經(jīng)過凈化處理的自來水占比(R5)、不受保護(hù)的井水泉水占比(R6)以及桶裝水占比(R7)三個(gè)顯變量。根據(jù)各潛變量各顯變量之間的相互關(guān)系，從而建立起農(nóng)村生活用水安全評價(jià)PSR-PLS路徑模型，如圖2所示。

2.3 模型可靠性分析

在應(yīng)用PSR-PLS模型分析之前，需要對各個(gè)指標(biāo)路徑模型進(jìn)行信度檢驗(yàn)和效度檢驗(yàn)，信度檢驗(yàn)分為一致性信度檢驗(yàn)和合成信度檢驗(yàn)，一致性信度檢驗(yàn)一般采用Cronbach’α來衡量是否滿足要求，合成信度檢驗(yàn)一般采用CR值來衡量是否滿足要求；而效度檢驗(yàn)則是根據(jù)AVE指標(biāo)來進(jìn)行衡量。PSR-PLS路徑模型檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可以看到：壓力(P)、狀態(tài)(S)和響應(yīng)(R)三個(gè)指標(biāo)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(nóng)村生活用水安全評價(jià)PSR-PLS路徑模型具有較好的區(qū)分效度。

圖2 農(nóng)村生活用水安全評價(jià)PSR-PLS路徑模型

表1 模型檢驗(yàn)結(jié)果

3 評價(jià)結(jié)果分析

3.1 壓力安全指數(shù)

通過對壓力指標(biāo)各個(gè)潛變量和顯變量的計(jì)算分析，最終得到了赤峰地區(qū)各行政區(qū)壓力安全指數(shù)情況，如圖3所示。根據(jù)自然段點(diǎn)法，將農(nóng)村地區(qū)生活用水壓力安全指數(shù)劃分為Ⅰ～Ⅴ五個(gè)等級，其中Ⅰ級安全指數(shù)范圍為0.044～0.092，Ⅱ級安全指數(shù)范圍為0.093～0.135，Ⅲ級安全指數(shù)范圍為0.136～0.169，Ⅳ級安全指數(shù)范圍為0.170～0.250，Ⅴ級安全指數(shù)范圍為0.251～0.302，等級越高，表明該地區(qū)的生活用水越安全。由圖3中可知：在12個(gè)行政區(qū)中，壓力安全指數(shù)為Ⅰ級的行政區(qū)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(shù)為Ⅱ級的行政區(qū)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(shù)為Ⅲ級的行政區(qū)包括紅山區(qū)(0.159)、松山區(qū)(0.143)、元寶山區(qū)(0.148)和寧城縣(0.144)；由此可見，赤峰市市區(qū)周邊的壓力安全指數(shù)較高，而靠北方的幾個(gè)行政區(qū)的壓力安全指數(shù)較低，這主要是由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水效率不高，且耕地面積和畜牧面積大，造成當(dāng)?shù)匦杷扛?，但是又缺乏足夠的水利基礎(chǔ)設(shè)施。

圖3 壓力安全指數(shù)分析結(jié)果

3.2 狀態(tài)安全指數(shù)

對狀態(tài)指標(biāo)各個(gè)潛變量和顯變量進(jìn)行計(jì)算分析，最終得到赤峰地區(qū)各行政區(qū)狀態(tài)安全指數(shù)情況，如圖4所示。同理根據(jù)自然段點(diǎn)法，將農(nóng)村地區(qū)生活用水狀態(tài)安全指數(shù)也劃分為Ⅰ～Ⅴ五個(gè)等級，五個(gè)等級分別對應(yīng)的安全指數(shù)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(qū)的生活用水安全狀態(tài)正在逐漸變好。由圖4中可知：在12個(gè)行政區(qū)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(qū)(0.235)和松山區(qū)(0.212)為Ⅳ級，元寶山區(qū)(0.266)為Ⅴ級，Ⅲ級以上狀態(tài)安全指數(shù)占比為50%，且主要集中于南部和東部地區(qū)，這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境好，降雨量更多，地表水資源量和地下可開發(fā)水資源量占比較高，因而農(nóng)村地區(qū)生活用水狀態(tài)安全指數(shù)較高，而北部和西部地區(qū)多為高原山地，環(huán)境比較惡劣，水環(huán)境脆弱度較高，因而狀態(tài)安全系數(shù)低[6- 7]。

圖4 狀態(tài)安全指數(shù)分析結(jié)果

3.3 響應(yīng)安全指數(shù)

對響應(yīng)指標(biāo)各個(gè)潛變量和顯變量進(jìn)行計(jì)算分析，最終得到赤峰地區(qū)各行政區(qū)響應(yīng)安全指數(shù)情況，如圖5所示。根據(jù)自然段點(diǎn)法，將農(nóng)村地區(qū)生活用水響應(yīng)安全指數(shù)也劃分為Ⅰ～Ⅴ五個(gè)等級，五個(gè)等級分別對應(yīng)的安全指數(shù)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(qū)人為的相應(yīng)措施及其對用水安全的效應(yīng)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(gè)行政區(qū)的響應(yīng)安全指數(shù)屬于Ⅱ級，紅山區(qū)(0.102)和翁牛特旗(0.112)兩個(gè)行政區(qū)為Ⅲ級，松山區(qū)(0.143)、元寶山區(qū)(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(gè)行政區(qū)為Ⅳ級，Ⅲ級以上狀態(tài)安全指數(shù)占比為66.7%，各地區(qū)之間響應(yīng)安全指數(shù)相差較大，這反映了各地區(qū)對各項(xiàng)政策的推進(jìn)落實(shí)力度有較大的區(qū)別，間接反映了各地區(qū)間發(fā)展不平衡，經(jīng)濟(jì)收入較高的地區(qū)有足夠的財(cái)政收入來改善用水設(shè)施和設(shè)備，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平相對落后的地區(qū)在環(huán)境治理和自來水凈化方面相對落后[8- 10]。

圖5 響應(yīng)安全指數(shù)分析結(jié)果

3.4 綜合安全指數(shù)

赤峰市不同地區(qū)綜合安全指數(shù)計(jì)算分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)綜合安全指數(shù)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(gè)安全等級。由圖5中可知：在12個(gè)行政區(qū)中，紅山區(qū)(0.495)、松山區(qū)(0.497)、元寶山區(qū)(0.543)、寧城縣(0.455)和林西縣(0.465)五個(gè)行政區(qū)屬于臨界安全狀態(tài)，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(gè)行政區(qū)屬于不安全狀態(tài)，而克什克騰旗(0.294)和敖漢旗(0.30)兩個(gè)行政區(qū)屬于極不安全狀態(tài)，不安全和極不安全狀態(tài)的行政區(qū)占比達(dá)到58.3%，赤峰市農(nóng)村地區(qū)用水安全情況不容樂觀，形勢較為嚴(yán)峻，處于臨界安全狀態(tài)的地區(qū)主要集中在南部地區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)社會經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展較好，農(nóng)口人口比重相對較低，貧困發(fā)生率低，因而水資源狀態(tài)稍好。

圖6 區(qū)綜合安全指數(shù)分析結(jié)果

4 結(jié)語

(1)在PSR環(huán)境評價(jià)模型和PLS結(jié)構(gòu)方程模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建包括壓力、狀態(tài)、和響應(yīng)三個(gè)評價(jià)指標(biāo)的赤峰地區(qū)農(nóng)村生活用水安全評價(jià)模型，經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂辛己玫膮^(qū)分效度。

(2)壓力安全指數(shù)、狀態(tài)安全指數(shù)和響應(yīng)安全指數(shù)達(dá)到Ⅲ級及其以上狀態(tài)的行政區(qū)占比分別為33.3%、50.0%和66.7%，有58.3%的地區(qū)農(nóng)村用水安全處于不安全或者極不安全狀態(tài)，其余行政區(qū)也僅僅是處于臨界安全狀態(tài)。

(3)社會經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展較差、農(nóng)村人口比重較高的地區(qū)農(nóng)村生活用水安全狀態(tài)較差，應(yīng)重點(diǎn)對這些地區(qū)進(jìn)行用水安全治理。

(4)文章僅針對內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)進(jìn)行了評估分析，模型是否適用于其他地區(qū)還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更深層次的分析。