水文功能是湿地中发生的各种水文过程及其外在表征，是湿地的基础功能，也是湿地具备其他功能的前提条件。在各种人为干扰下，许多湿地水文功能丧失或退化，对局地、区域和全球的可持续发展将产生重要影响，因此准确掌握湿地水文功能的变化情况，对于采取正确的湿地管理措施无疑具有重要的意义。美国在湿地功能评价包括水文功能评价方面开展了大量研究工作，建立了许多在湿地管理实践中被广为应用的评价方法。如Adamus等(1987;1991)帮助美国陆军兵工署开发了“湿地评价技术”，Kent等(1990)开发了湿地快速评价法和虚拟参照湿地法等。Brinson(1993)和Smith(2001)帮助美国陆军兵工署逐步开发、完善了湿地功能评价水文地貌分类法(HGM)，该方法可以对一个大尺度地理区域内的诸多湿地水文功能进行定量评价，在美国得到了广泛应用。1990年欧盟环保科技计划资助英国、法国、西班牙和爱尔兰等国的有关大学和研究单位启动了“欧洲湿地生态系统功能评价”项目(简称FAEWE)，希望建立欧洲湿地生态系统功能特征科学的评价方法，但FAEWE最终建立的功能评价方法与美国水文地貌评价法很相似(Maltby et al., 1996)。总的看来，美国和欧盟的湿地功能评价研究一般都是针对具体的湿地管理目的而进行，如颁发湿地开发许可证、开展湿地恢复项目和进行湿地监测等，因而不具有普遍性，难以直接应用于其他国家。而且，自HGM评价法提出以后，湿地功能评价的方法学研究几乎都是在HGM的框架内进行修修补补，目前在这方面还有待进一步开展深入研究(袁军等，2004)。

我国湿地水文功能评价研究尚处于起步阶段。目前，国内学者只对湿地水文功能的某些方面进行了描述性说明，不能像欧美国家那样量化湿地水文功能的现状或变化趋势，这就使湿地功能评价方法难以在湿地管理实践中得到应用(袁军等，2004)。本文在分析湿地水文功能特征的基础上，提出了一套简明的湿地水文功能评价指标体系，引入模糊数学方法，建立了湿地水文功能评价的多级模糊模式识别模型，并应用模型对黑龙江洪河自然保护区20余年的湿地水文功能变化情况进行了量化评价。

1 基本原理

湿地水文功能包括若干类型，如储存地表水、土壤蓄水、调节局域气候、维持流域水文过程的整体性及储存或补充地下水等。各功能的强弱以定量化、相互独立、能够表示其本质特征的评价指标表示，根据指标遭受外来干扰后的功能变化情况，可以认为未受干扰时湿地水文功能处于最优状态，而在强大干扰作用下水文功能降至最低限时为最劣状态。若以最佳和最劣状态作为参照点将湿地水文功能划分为若干评价级别，那么对于处于某2个级别之间的待评价湿地水文功能而言，存在归属上的模糊性。为了定量描述目标湿地水文功能归属评价级别的模糊属性，及获取全面、客观地评价结论，引入了工程模糊集理论中的级别特征值概念(陈守煜，1998)。

将湿地水文功能分为1，2，…，c-1, c级，其中1级表示湿地功能基本未受干扰情况下的优态，c级表示湿地功能由于受外来干扰而接近最低限时的劣态，2至c-1级表示湿地功能处于中间状态。以h表示级别变量，即h＝1，2，…，c。若待评价湿地u对级别1，2，…，c的相对隶属度分别为μ₁(u), μ₂(u)，…，μ_c(u), 且满足，因某级别的相对隶属度可看作是该级别的权重，则

式中：H(u)为待评价湿地的级别特征值，它表示待评价湿地水文功能归属评价级别的整体特征。

2 模型建立

设湿地水文功能m个系列、k个评价指标的特征值矩阵为

(1)

式中：x_ij为系列j指标i的特征值，i=1, 2, …，k, j=1, 2, …，m。

设湿地水文功能分c个级别进行评价，k个指标的c个级别的标准特征值矩阵为

(2)

式中：y_ih为指标i级别h的标准特征值，i=1, 2, …，k, h=1, 2, …，c。

这样，湿地水文功能评价指标的特征值与标准特征值对湿地功能优态的相对隶属度可分别按线性内插式(3)和(4)确定：

(3)

(4)

式中：r_ij为系列j指标i的特征值对湿地功能优态的隶属度; x_ij为系列j指标i的特征值; s_ih为指标i级别h的标准特征值对湿地功能优态的隶属度; y_ih为指标i级别h的标准特征值; y_i1为指标i级别1的标准特征值; y_ic为指标i级别c的标准特征值。

这样，通过式(3)和(4)可以将矩阵(1)和(2)变换为对湿地功能优态的隶属度矩阵(5)和(6)。

(5)

(6)

式中：i=1, 2, …，k; j=1, 2, …，m; h=1，2, …，c。

将湿地水文功能评价指标对湿地功能优态的隶属度r_1j, r_2j, …，r_kj分别与指标标准相对隶属度矩阵S的1，2，…，k行的行向量逐一比较，则得j系列指标的级别上限值b_j和级别下限值a_j。

设湿地水文功能k个评价指标的权向量为

(7)

由工程模糊集理论，可得湿地水文功能对评价级别h的相对隶属度表达式

(8)

式中：p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧氏距离，u_hj取2种距离参数下运算结果的平均值; d_hj为湿地水文功能评价j系列指标与湿地功能级别h之间的广义权距离，可表示为

(9)

将矩阵(5)、(6)和行矩阵(7)中的数据代入模型(8)，得湿地水文功能对评价级别h的相对隶属度向量

(10)

应用级别特征值公式，可得湿地水文功能的级别特征值H_j为

(11)

H_j为湿地水文功能是否正常发挥的最终评价。由于1≤H_j≤c，当H_j=1时，湿地水文功能为优态; 当H_j=c时，湿地水文功能处于劣态; 当1＜H_j＜c时，湿地水文功能部分发挥，且H_j越接近1，湿地水文功能越佳。

3 案例研究——黑龙江洪河国家级自然保护区湿地水文功能评价 3.1 评价区概述

洪河国家级自然保护区位于黑龙江省三江平原腹地，同江市和抚远县境内，浓江和沃绿兰河交汇的低洼处(133°34′38″—133°42′29″E，47°42′18″—47°52′00″N)，总面积251.62 km²。自1984年建立保护区以来，周边地区开展了大规模的农业开发和水利建设活动，保护区内湿地明显退化。洪河保护区原自然状态下集水面积为1 730.22 km²，经过多次人工截流，保护区汇水面积减小了1 478.60 km²。目前，洪河保护区湿地水源只能靠境内降水补充，出现了水源不足的现象，湿地水文功能受到了影响。

3.2 评价目的

通过对洪河保护区1980(周边无开发活动的准原始状态)、1988(浓鸭总干建成、保护区主要水源被截走)和2002年(现状)的湿地水文功能状况进行评价，掌握在人类活动影响下该保护区湿地水文功能的退化情况，从而为制定正确的湿地管理措施提供依据。

3.3 评价指标体系

洪河保护区湿地水文功能主要包括维持水文过程的整合性、储存地表水、土壤蓄水和调节局域气候4个子功能，分别以汇水区面积、蒸发蒸腾量、土壤蓄水量和地表蓄洪量4个指标表示功能强度(袁军等，2005)。

3.4 3个代表年份湿地水文功能评价 3.4.1 指标特征值

通过实地勘测、历史资料调研和计算机模拟分析，得出洪河保护区3个年份湿地水文功能评价指标特征值，见表 1(陈刚起等，1996;国家林业局GEF湿地项目办公室，2003)。

3个年份的指标特征值矩阵为：

式中：i=1, 2, 3, 4;j=1, 2, 3。

3.4.2 指标标准特征值

将水文功能分为5级，其中1级为准原始状态下湿地基本没有受到干扰时具有的功能; 2级为湿地受到轻微干扰时具有的功能，此时大部分湿地功能仍能发挥; 3级为湿地受到较大干扰时具有的功能，此时约一半功能不能发挥; 4级为湿地受到严重干扰时具有的功能，此时大部分湿地功能丧失; 5级为湿地受到极严重干扰时具有的功能，此时湿地功能基本上完全丧失。

假设湿地功能状况与上述4项指标均呈线形相关。设各指标的最优状态特征值为x_b，最劣状态特征值为x_w，则评价级别h的标准特征值x_h由式(12)确定：

(12)

式中：e_h为不同级别的划分系数，且e₁=0.9，e₂=0.7，e₃=0.5，e₄=0.3，e₅=0.1。

对于汇水面积，x_b为自然状态下的汇水面积1 730 km²，x_w为无外部来水、完全靠保护区自身补给时的251 km²; 对于蓄洪量，x_b为地表水完全丧失时洪河保护区的最大容积3.176 1亿m³，x_w为保护区地表水处于最高水位53.0 m时的容积0 m³; 对于土壤蓄水量，水位处于最低的46.5 m时土壤蓄水能力最强，此时蓄水能力3 262 m³为x_b，水位最高时的蓄水能力0 m³为x_w; 对于蒸发蒸腾量，x_b为近似原始态时的蒸发量2.529 9亿m³，x_w为保护区全部转为其他土地类型时的蒸发蒸腾量1.308 4亿m³。

由式(12)得评价指标5级标准特征值如表 2所示。

这样，水文功能评价指标标准特征值矩阵为：

式中：i=1, 2, 3, 4;h=1，2，3，4，5。

3.4.3 指标特征值相对隶属度和指标标准特征值相对隶属度矩阵

应用式(3)和(4)，将矩阵X、Y分别变换为湿地功能优态的指标特征值相对隶属度和指标标准特征值相对隶属度矩阵：

3.4.4 确定指标权重

运用非结构性决策模糊集分析单元系统理论，得到汇水区面积、地表蓄洪量、土壤蓄水量和蒸发蒸腾量四个指标的归一化权向量w=(0.516，0.221，0.172，0.091)。

3.4.5 计算不同年份湿地水文功能级别特征值

首先考虑1980年的情况。通过比较得指标的级别上限值b₁=5，级别下限值a₁=1。取距离参数p=2，此时模型(8)变为：

将矩阵R、S和向量w中的有关数据代入，算得1980年湿地水文功能对级别h=1, 2, 3, 4, 5的相对隶属度向量_p(2)u₁=(0.298，0.363，0.193，0.094，0.052)。再取距离参数p=1，此时模型(8)变为

同理可得_p(1)u₁=(0.343，0.250，0.191，0.145，0.071)。取_p(2)u₁和_p(1)u₁的平均值，则得1980年湿地水文功能对级别h=1, 2, 3, 4, 5的相对隶属度向量u₁=(0.321，0.307，0.192，0.120，0.062)。根据式(11)，得到1980年洪河保护区湿地水文功能的级别特征值H₁=(1, 2, 3, 4, 5)·(0.321，0.307，0.192，0.120，0.062)^T=2.296。同理可得H₂=2.937，H₃=3.586。

4 结论

在建立湿地水文功能评价的多级模糊模式识别模型的基础上，对洪河保护区湿地在不同代表年份的水文功能进行了评价，其级别特征值在1980、1988和2002年分别为2.296、2.937和3.586，表明其水文功能呈明显降低趋势。评价结果表明，该模型能够较为直观、定量地反映湿地水文功能的动态变化情况，为湿地管理机构有针对性地制定湿地管理目标和管理措施提供了依据。