貢 力，田 潔，靳春玲，陸麗麗，魏曉悅

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

河流是維系地球生態(tài)系統(tǒng)健康運行的命脈，起著物種流動、能量交換、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞等作用[1]。隨著工業(yè)化進程的加快、科技的進步以及城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，人類對河流進行掠奪式開發(fā)，嚴重超出河流系統(tǒng)的承載能力，出現(xiàn)生態(tài)破壞、水環(huán)境惡化、水資源短缺等一系列危及河流生命、人類健康和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的問題[2]?；謴秃恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)健康、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、推動河流合理開發(fā)和可持續(xù)管理等已成為國內(nèi)外共同關注的熱點話題[3-5]。新時期，我國流域政治、經(jīng)濟、社會、文化和生態(tài)文明價值空前凸顯，保護河流生態(tài)健康、推動社會經(jīng)濟發(fā)展、傳承弘揚江河文化是實現(xiàn)人民對美好生活向往的重要環(huán)節(jié)，在流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略下，建設幸福河成為新時期生態(tài)文明和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的新目標[6-7]。因此，明確幸福河的建設方向，構(gòu)建系統(tǒng)的幸福河評價體系，并進行科學合理的評價是極其重要的。

許多學者從理解幸福河的基本內(nèi)涵出發(fā)，對幸福河的建設進行了初步的探索。趙建軍[8]認為幸福河建設是以滿足人的生態(tài)安全需要、經(jīng)濟發(fā)展需要、民生福祉需要、文化積淀需要，進而實現(xiàn)人水和諧共生為指引方向的；王浩從防洪保安全、優(yōu)質(zhì)水資源、健康水生態(tài)、宜居水環(huán)境、先進水文化等5個方面對幸福河湖的指標體系和建設途徑進行重點把控，指明當前幸福河湖建設的重點工作方向[9]；陳茂山等[10]從馬克思主義的幸福觀出發(fā)，以人與河流自身以及兩者的內(nèi)在聯(lián)系闡述幸福河的內(nèi)涵；唐克旺[11]從心理學的角度理解幸福河的內(nèi)涵，引出層次化多維度的評價指標體系；韓宇平等[12]基于馬斯洛需求層次論構(gòu)建幸福河評價指標體系，對黃河上中下游進行實例研究；左其亭等[13]針對所建立的幸福河評價體系，采用“單指標量化-多指標綜合-多準則集成”的方法更加客觀地對幸福河進行定量評價。由于幸福河概念提出的時間相對較短，而且中國幅員遼闊，無論是在空間上還是時間上，幸福河的研究系統(tǒng)極為復雜，目前還處于初步探索階段，幸福河評價指標體系和評價方法仍需進一步完善。

本文基于現(xiàn)有研究，在明確幸福河概念和內(nèi)涵的基礎上，引入ERG(existence relatedness growth)理論，從生存、生態(tài)和發(fā)展3方面建立幸福河評價的ERG需求模型，針對細化的評價指標，運用Matlab軟件，基于投影尋蹤模型，構(gòu)建出河流幸福等級與幸福河評價指標的復雜非線性關系的改進粒子群優(yōu)化投影尋蹤(improved particle swarm optimization projection pursuit grade evaluation，IPSO-PPE)等級評價模型，并以黃河甘肅段為例進行應用分析。

1 幸福河評價的ERG需求模型

1.1 幸福河的內(nèi)涵

河流主要具有生態(tài)、航運、水利、納污、歷史文化、游憩休閑、景觀等7個功能，人類利用這些功能的過程就是對河流開發(fā)利用的過程。為了使河流能夠持續(xù)發(fā)揮這些功能并造福人類，需要對河流進行合理開發(fā)、有效保護。建設幸福河是我國在新時代背景下提出的治理江河的新目標，在傳統(tǒng)的健康河流以及純粹的河流生態(tài)環(huán)境保護的范疇內(nèi)，結(jié)合水安全、水生態(tài)、水資源、水環(huán)境、水保護、水產(chǎn)業(yè)、水文化、水景觀、水管理等9個方面理解，幸福河就是在維持河流生態(tài)系統(tǒng)自身健康的基礎上，滿足人民群眾對美好生活的向往，達到人水和諧，實現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展的一條平安健康、宜居富民的河流。幸福河的概念并不是絕對的，具有一定的主觀性和可變性，幸福河概念的核心是：確保人類生存與河流生態(tài)和諧共生、平衡發(fā)展的良好關系。構(gòu)建幸福河是指確保河流安全運行、控制解決河流災害事故、維護河流水資源持續(xù)供給、提供河流優(yōu)質(zhì)水源、保護河流生態(tài)良性循環(huán)、建設河流健康生態(tài)環(huán)境、促進社會經(jīng)濟快速發(fā)展，最終達到人水和諧共同發(fā)展。

1.2 ERG需求模型

ERG理論是美國耶魯大學的Clayton Alderfer在馬斯洛需求層次理論的基礎上提出的一種人本主義需求理論，即生存(existence)、相互關系(relatedness)和成長發(fā)展(growth)3個層面的需求[14]。ERG理論將人作為研究主體，通過人的生理、心理需求和價值實現(xiàn)，揭示人類行為和心理活動的普遍規(guī)律，被廣泛運用到人力資源管理、高等教育和心理學等領域[15]。建設幸福河是人類的一種實踐活動，而需求正是刺激人類完成這一有意識、有目的的實踐活動的動機?；诖耍疚倪\用ERG理論，從人類需求的心理和活動規(guī)律出發(fā)，建立幸福河評價的ERG需求模型。

a.生存需求。是第一層級的需求，屬于較低級的基本需求，是指河流健康運行、安全持續(xù)的供給水資源，滿足生物生存、河流自身基本健康、企業(yè)生產(chǎn)運營的水量和保障水域內(nèi)生存環(huán)境的安全。該層級主要滿足水域安全運行、水域安全供給和水域持續(xù)供給3個方面的需求，若不滿足則用水需求和災害防治面臨生存威脅。

b.生態(tài)需求。是第二層級的需求，也是超越基本生存需求的需求層級。生態(tài)就是指一切生物的生存狀態(tài)以及生物之間、生物與環(huán)境之間的關系，生態(tài)需求對應ERG需求理論中的相互關系需求。該層級主要滿足水域生態(tài)環(huán)境和水域節(jié)水監(jiān)管2方面的需求，使河流生態(tài)系統(tǒng)處于一種良性的動態(tài)循環(huán)狀態(tài)，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

c.發(fā)展需求。是第三層級的需求，即最高層級的需求。該層級滿足河流文化發(fā)展、水域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和人水和諧發(fā)展3個方面的需求，實現(xiàn)了人水和諧，經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，用水效率極高，水資源需求趨于穩(wěn)定，使人類活動和河流生態(tài)系統(tǒng)處于一種動態(tài)平衡的狀態(tài)。

2 幸福河評價體系

2.1 幸福河評價指標

幸福河的建設是動態(tài)可變和區(qū)域不定的，需要在明確評價的時間和區(qū)域特征的基礎上構(gòu)建幸福河的評價指標體系和確定劃分標準。本文依據(jù)《河湖健康評估技術導則》《水生態(tài)文明城市建設評價導則》以及管理部門頒發(fā)的標準和技術指南，借鑒河流評價的相關文獻資料[16-17]，基于ERG需求模型，構(gòu)建“目標-準則-指標”3級體系的幸福河評價指標體系，包括23個核心指標和27個可選指標，共50個，如圖1所示。

圖1 幸福河評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of Happy River

2.2 幸福河評價標準

評價標準是評價指標的價值尺度和界限，科學合理地劃分評價指標的等級是衡量河流幸福程度的關鍵步驟。由于幸福河理念提出的時間較短，雖然已有一些研究，但目前還沒有統(tǒng)一的幸福河指標評價標準。本文依據(jù)《水生態(tài)文明城市建設評價導則》等相關技術文件、文獻資料的劃分標準和專家經(jīng)驗值，對幸福河評價指標的判定標準進行等級劃分，將河流的幸福程度劃分為A～E 5個等級，如表1所示，具體的分級判定標準如表2所示(限于篇幅，只列出部分數(shù)據(jù))。

2.3 幸福河評價方法

本文利用投影尋蹤聚類技術構(gòu)建幸福河評價模型，在數(shù)據(jù)降維過程中，運用改進的粒子群算法解決高維全局尋優(yōu)問題，確定投影尋蹤模型的最佳投影方向[18-19]，構(gòu)建IPSO-PPE模型進行幸福河評價，評價流程見圖2。

2.3.1PPE的建模原理

投影尋蹤等級評價(projection pursuit grade evaluation，PPE)模型是根據(jù)給定的判別標準利用投影特征值對評價樣本進行等級水平評價，步驟如下：

(1)

(2)

表1 幸福河評價劃分等級

表2 評價指標分級標準

圖2 基于IPSO-PPE的幸福河評價流程

式中：Aij為指標標準值；Ajmax為第j個指標的最大值；Ajmin為第j個指標的最小值。

(3)

步驟3構(gòu)建投影指標函數(shù)：

Q(a)=S(a)D(a)

(4)

rij=|Zi-Zj|R=0.1S(a)

步驟4優(yōu)化投影指標函數(shù)：

maxQ(a)=S(a)D(a)

(5)

(6)

2.3.2PPE模型投影方向的優(yōu)化

基于改進的粒子群算法(improved particle swarm optimization，IPSO)解決PPE模型的復雜非線性優(yōu)化問題。速度和位置更新公式見式(7)和式(8)，其中采用系數(shù)法改進慣性權重w和加速因子動態(tài)調(diào)整法改進學習因子c1、c2，見式(9)和式(10)[20-21]。

Vid(k+1)=wVidk+c1r1(Pidk-Xidk)+c2r2(Gidk-Xidk)

(i=1,2,…,m;d=1,2,…,D)

(7)

Xid(k+1)=Xidk+Vid(k+1)

(8)

wk+1=ηwk

(9)

(10)

式中：D為搜索空間的維數(shù)；m為種群規(guī)模；k為當前迭代次數(shù)；Pidk為個體極值；Gidk為全局極值；c1為自我學習因子；c2為社會學習因子；r1和r2為均勻分布于[0,1]之間的隨機數(shù)；為慣性權重的衰減系數(shù)；T為最大迭代次數(shù)。

3 實例應用

3.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

以黃河甘肅段為例，進行幸福河評價的實例分析。黃河發(fā)源于青海，成河于甘南瑪曲，全長約5 464 km，是中國的第二大河流；黃河流域西界巴顏喀拉山、北抵陰山、南至秦嶺、東注渤海，流域面積約79.5萬 km2，流域內(nèi)人口密集、資源豐富、水利樞紐眾多，包括多個具有水源涵養(yǎng)、水土保持、碳匯與碳儲存、防風固沙、生物多樣性保護等多種功能的重要生態(tài)功能區(qū)，在中國政治、經(jīng)濟、文化發(fā)展和生態(tài)文明建設的進程中處于非常重要的地位。把黃河建設成為造福人民的幸福河，解決流域生態(tài)系統(tǒng)退化、環(huán)境污染、水資源分布不均以及自然災害突發(fā)等問題，對推動流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有重要的作用。黃河甘肅段長900多km，分為兩段，上段流經(jīng)甘南藏族自治州，下段流經(jīng)臨夏回族自治州、蘭州市和白銀市。甘肅是黃河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補給區(qū)，60%以上的水來自蘭州以上的河段。近年來，黃河甘肅段生態(tài)環(huán)境惡化、汛情突發(fā)，直接影響沿岸群眾生產(chǎn)生活，給人民生命財產(chǎn)安全造成威脅。改善甘肅省黃河干流的水情水勢，建設幸福黃河，保障沿黃地區(qū)社會經(jīng)濟健康發(fā)展極其重要。

基于圖1建立的幸福河指標體系，依據(jù)甘肅省具體情況，選取23個核心指標和19個可選指標，數(shù)據(jù)來源于2010—2018年甘肅省水資源統(tǒng)計公報、甘肅省河流泥沙公報、甘肅省水利發(fā)展公報、甘肅水土保持公報、中國水旱災害公報、中國水土保持公報、黃河水資源公報以及甘肅省發(fā)展年鑒。

3.2 基于IPSO-PPE的幸福河等級評價

構(gòu)建科學合理的樣本數(shù)據(jù)是IPSO-PPE評價模型準確預測評價幸福河等級的前提，所以獲取指標體系的樣本數(shù)據(jù)是進行評價的關鍵環(huán)節(jié)。本文在表2劃分幸福河指標的5個等級中隨機各抽取5組數(shù)據(jù)，20組學習樣本和5組測試樣本，作為IPSO-PPE評價模型的輸入值，每組指標數(shù)據(jù)對應的河流幸福等級指數(shù)則為IPSO-PPE評價模型的輸出值。然后基于Matlab軟件實現(xiàn)河流幸福等級指數(shù)的測算，IPSO優(yōu)化過程中，慣性權重w為0.729，慣性權重的衰減系數(shù)為0.99，進化最大迭代次數(shù)T為1 000，群體規(guī)模N為100，個體速度限制為[-0.5,0.5]，個體初始速度為0，預測結(jié)果如圖3所示。

圖3 預測結(jié)果

3.3 黃河甘肅段幸福河評價

以甘肅省2010—2018年的幸福河指標數(shù)據(jù)為輸入值，運用建立的IPSO-PPE模型進行幸福程度測算，得到2010—2018年黃河甘肅段的幸福河評價等級指數(shù)，如圖4所示。由圖4可見，除2015年外，2010—2018年黃河甘肅段的幸福河評價等級指數(shù)整體呈增長趨勢，從2010年E等級(不幸福)上升到2018年B等級(幸福指數(shù)較高)，表明2010—2018年黃河甘肅段的河流幸福程度明顯提升，尤其是2018年幸福河等級指數(shù)達到4.604 2。黃河甘肅段幸福河等級指數(shù)雖呈上升趨勢，但整體幸福河等級指數(shù)不高，分析其主要原因是由于甘肅地處黃土高原區(qū)，水土流失嚴重，治理率偏低，流域水患災害嚴重，河流生態(tài)基流滿足程度不高，且水資源缺乏，分布不均。為進一步提升河流幸福等級指數(shù)，增加流域人民幸福感，政府應加強流域治理和投資力度，開展流域綜合治理和節(jié)水監(jiān)督工作，推進生態(tài)工程構(gòu)建黃河流域生態(tài)保護屏障，采取修建梯田、建設淤地壩、營造水保林等生態(tài)修復措施提高水土流失治理率，以此降低流域水環(huán)境的負面影響。

圖4 2010—2018年黃河甘肅段幸福河評價結(jié)果

基于傳統(tǒng)的多目標決策GRA-TOPSIS法，構(gòu)建幸福河評價模型與IPSO-PPE模型進行對比。GRA-TOPSIS法根據(jù)求得的各評價對象的相對貼近度Ni判定河流幸福狀態(tài)，其中Ni大于0.8為A等級(幸福)，(0.6,0.8]為B等級(幸福指數(shù)較高)，(0.4,0.6]為C等級(幸福指數(shù)較低)，(0.2,0.4]為D等級(幸福指數(shù)低)，小于或等于0.2為E等級(不幸福)[22]。IPSO-PPE模型與GRA-TOPSIS法評價結(jié)果對比如表4所示，可見，IPSO-PPE模型和GRA-TOPSIS法的綜合評價結(jié)果吻合率達到88.9%，即運用IPSO-PPE模型進行幸福河評價可行，評價結(jié)果相對可靠。IPSO-PPE幸福河評價模型與傳統(tǒng)的評價方法相比，簡化了指標體系的賦權步驟，評價結(jié)果準確性相對較高，并且可以有效反映幸福河等級與評價指標之間的非線性映射關系。

表4 IPSO-PPE與GRA-TOPSIS法的評價結(jié)果對比

按照黃河甘肅段整體的幸福河等級評價模型構(gòu)造原理，構(gòu)建各需求層級的幸福河等級IPSO-PPE評價模型，將2010—2018年的各需求層級的指標值作為模型的輸入值，計算得到2010—2018年各需求層級的幸福河等級指數(shù)，如圖5所示。由圖5可見，2010—2018年各需求層級幸福河等級指數(shù)的變化趨勢雖有波動，但整體呈現(xiàn)增長的趨勢。其中，生存需求層級的幸福河等級指數(shù)在2016年以前均低于3.0，主要是由于水土流失嚴重、干旱指數(shù)和流量變異程度大，導致水域安全運行指數(shù)較低，加之洪澇災害嚴重、工業(yè)用水大、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)和水資源利用率較低，使得生存需求層次的幸福河等級指數(shù)不高。生態(tài)需求層級的幸福河等級指數(shù)前期波動較大，2015年出現(xiàn)最低值，處于不幸福狀態(tài)，河流生態(tài)系統(tǒng)衰退，水土流失嚴重；2016年開始，生態(tài)需求層次的幸福河等級指數(shù)開始明顯提升，到2018年已達到較幸福狀態(tài)。發(fā)展需求層級的幸福河等級指數(shù)呈現(xiàn)逐年增長趨勢，主要是因為甘肅省2010—2018年人均GDP和河流綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)占GDP比例的持續(xù)上漲，促使人水和諧度和公眾對河流的幸福滿意度上升。實際上，發(fā)展需求層級的幸福河等級指數(shù)會受到生存和生態(tài)需求層級幸福河等級指數(shù)的影響，即表明生存和生態(tài)需求層級對提升河流幸福等級指數(shù)具有重要的促進作用。

圖5 2010—2018年黃河甘肅段各層次幸福河等級指數(shù)

3.4 指標敏感性分析

以2018年為例，利用單因素輪換OAT(one-at-a-time)法[23]計算各準則層幸福等級指數(shù)的絕對平均變化率(mean absolute change rate，MACR)，以此分析和驗證單個指標變化率對準則層幸福等級指數(shù)的敏感性和影響程度。本文選取指標值變化率的范圍為[-30%,30%]，變化率增量為10%，各準則層幸福等級指數(shù)的MACR值如圖6所示。以圖6 (a)水域安全運行指標為例可以看出，隨著各指標值變化率的增大，MACR值呈線性增大趨勢，其中MACR值的斜率代表準則層水域安全運行指標對幸福河等級指數(shù)的敏感程度，斜率越大，敏感性越大，即水域安全運行的敏感性指標是水源涵養(yǎng)功能指數(shù)H6。通過對指標的敏感性分析，可以識別影響幸福河評價的主要因素，有助于決策者對建設幸福河方向的進一步掌握，為促進流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供理論依據(jù)。

(a)水域安全運行指標 (b) 水域安全供給指標

(c)水域持續(xù)供給指標 (d) 水域生態(tài)環(huán)境指標

(e)水域節(jié)水監(jiān)管指標 (f) 河流文化發(fā)展指標

(g)水域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟指標 (h) 人水和諧發(fā)展指標

4 結(jié) 論

a.針對建設幸福河的河流治理目標，引入ERG理論，提出一種基于ERG需求模型的幸福河評價體系。利用投影尋蹤模型構(gòu)造出幸福河評價指標值與幸福河等級指數(shù)之間的非線性關系，建立基于IPSO-PPE的幸福河等級評價模型，實現(xiàn)對幸福河的定量評價。

b.運用Matlab軟件完成IPSO-PPE幸福河等級模型的構(gòu)建，得到黃河甘肅段2010—2018年的幸福河等級，評價結(jié)果與傳統(tǒng)的GRA-TOPSIS法比較，吻合率達88.9%，表明IPSO-PPE模型評價幸福河可行，評價結(jié)果較合理可靠。

c.黃河甘肅段幸福河等級指數(shù)雖呈上升趨勢，但整體幸福河等級指數(shù)不高，主要是由于甘肅地處黃土高原區(qū)，水土流失嚴重、治理率偏低、流域水患災害嚴重、河流生態(tài)基流滿足程度不高，且水資源缺乏、分布不均所致。生態(tài)層級是制約黃河甘肅段整體幸福河等級指數(shù)提升的主要準則層，其中生存和生態(tài)需求影響發(fā)展層次促進幸福河等級指數(shù)的提升。以OAT法剖析各準則層的指標敏感性，有效識別出各準則層的敏感性因素。