基于層次分析法-變權函數的青島市靈山島地質遺跡定量評價研究

宋曉媚,解永健,張彩霞,李現文,王青

(1.山東省自然資源資料檔案館(山東省地質博物館),山東 濟南 250299;2.青島地質工程勘察院(青島地質勘查開發局),山東 青島 266101;3.自然資源部濱海城市地下空間地質安全重點實驗室,山東 青島 266101)

0 引言

地質遺跡評價是地質遺跡有效保護和合理利用的重要依據,山東地處中國大陸東部,位于華北板塊東南緣與揚子板塊結合部位,特有的大地構造、地層、巖漿巖形成了豐富的地質遺跡資源,地質遺跡評價工作更為重要。前人針對地質遺跡評價已經進行了大量研究,使用的評價方法主要有:定性評價法[1-3],直接打分法[4-5],層次分析+模糊評分法[6-8]。本文以大比例尺綜合地質調查為主要手段,系統梳理了靈山島30處地質遺跡,引入變權函數對地質遺跡定量評價體系進行優化,為當地地質遺跡保護規劃與合理利用提供地學參考,促進“地質+”經濟的綠色、低碳、可持續發展。

1 靈山島主要地質遺跡資源發育特征

1.1 研究區概況

靈山島位于青島市黃島區東南黃海之中,陸域總面積為7.28km2。屬低山丘陵區,地形切割較大,整體地勢呈現南高北低,東陡西緩。有大小山峰56個,最高峰為歪頭頂,海拔513.6m,是我國北方的第一高島[4]。靈山島位于秦嶺-大別-蘇魯造山帶(Ⅰ),膠南-威海隆起區(Ⅱ)、膠萊盆地東部(Ⅲ)、海陽-青島斷陷(Ⅳ)之黃島凹陷(Ⅴ)東南側,是華北板塊與楊子板塊的結合部位,地質條件復雜(圖1)[9-15]。

1—一級單元界線;2—二級單元界線;3—三級單元界線;4—四級單元界線;5—五級單元界線;6—凹陷區;7—隆起區

1.2 地質遺跡資源

靈山島已發現各類典型地質遺跡資源30余處,涵蓋“基礎地質、地貌景觀、地質災害”3大類,9類和10個亞類[12-13]。以褶皺與變形地質遺跡最為典型,其次為海蝕地貌、古生物化石產地和碎屑巖地貌。海島各類地質現象豐富,地質遺跡類型齊全,基巖露頭較好,褶皺變形地質遺跡在全國少見,加上地處外海,觀賞性極好,是集系統性、完整性、典型性、稀有性、美觀性為一體的綜合性地質遺跡出露區,科研和美學價值均較高(圖2)。

2 靈山島地質遺跡定性評價

在地質遺跡調查的基礎上,遵循《地質遺跡調查規范》(DZ/T0303—2017)不同類型地質遺跡科學性和觀賞性指標(表1),對應標準表和地質遺跡評價其他指標(表2),按照地質遺跡分類對應準則組織專家集體鑒評進行定性評價。基礎地質類和地質災害類地質遺跡側重評價其科學價值,地貌景觀類地質遺跡側重評價其觀賞價值。根據地質遺跡的科學性、稀有性、完整性、美學性、保存程度、可保護性6個方面,確定地質遺跡的等級。通過地質遺跡價值等級綜合評價,劃分出世界級、國家級、省級、省級以下。

表1 靈山島地質遺跡類型表

表2 地質遺跡定性評價結果一覽表

3 靈山島地質遺跡定量評價

前人的地質遺跡定量評價以層次分析法最為常見,而傳統的層次分析法中每項指標只有一個權重,即指標權重確定后,不管各指標在不同評價單元內的指標值大小如何,權重值始終不變。但是這種方式存在一定的弊端,例如一個評價方案中有2個評價指標x1=0.1和x2=0.9(指標分值標度按0～1),則綜合評價值為M(x)=0.1×0.2+0.9×0.8=0.74,分值接近1,適宜性較好,即在評價單元內較差的指標被較好的指標“中和”,使評價結果變的較好或與實際的條件不符,實際存在“木桶原理”,即不管其他的指標值如何好,一旦有一個指標的值特別差,則會影響整體的評價,很顯然例子中的情況使最終的評價結果偏離了實際情況。

筆者嘗試將變權引入地質遺跡定量評價指標體系,首先運用層次分析法完成固權評價,然后選取適配的變權函數根據單因素得分優化固權而獲得變權指標,最后依據變權參數完成對靈山島地質遺跡的定等分級。

3.1 評價指標體系

地質遺跡資源評價指標體系是一個多層次的遞階結構。采用目標分析的方法來建立地質遺跡資源評價指標體系,按系統分解和逐層控制的過程將目標分解,直到子目標能夠用定量或定性的獨立指標來衡量為止。評價因子可分為自身屬性和外部開發利用條件兩大類。自身屬性是指地質遺跡本身所具有的科學價值,包括地質遺跡自然屬性和價值屬性,外部開發利用條件是指影響地質遺跡資源開發與保護的外界條件[16-22],包括區位條件和配套設施等因素。

靈山島地質遺跡資源評價指標體系采用四層結構(圖3),分別為目標層(第一層:地質遺跡資源評價),準則層(第二層:自身屬性和外部開發利用條件),次準則層(第三層:自然屬性、價值屬性、區位條件和配套設施等),方案層(第四層:能夠反映地質遺跡資源質量的評價因子,包括稀有性、保存程度、完整性、科學性、美學性、歷史文化價值、地理位置及交通狀況、可保護性、基礎設施和服務設施等)。

圖3 地質遺跡與地貌景觀評價指標體系

3.2 評價指標權重(固權)

靈山島地質遺跡價值因素眾多,故筆者采用層次分析法確定各評價指標的權重。

3.2.1 目標層的確定

目標層(A)為靈山島地質遺跡綜合評價等級,根據規范和實用性,將評價結果劃分為4級,即世界級、國家級、省級和省級以下。

3.2.2 評價指標的構建

建立層次分析模型,按分級、序、抓主淡次的原則,采用窮舉-剔除法,構建靈山島地質遺跡綜合評價體系。A層為地質遺跡等級綜合評價;B層為地質遺跡等級制約因素;C層為制約因素的子系統。

3.2.3 確定權重集W

(1)構造指標的對比矩陣。對所考慮的諸多指標,用成對比較法和1～9比較尺度構成對比比較矩陣。若指標過多時(譬如多于9個),宜進一步分界子系統(表3)。

表3 1～9比較尺度的含義

例如:“自然屬性”包含“稀有性”“保存程度”和“完整性”3個指標,他們之間的相對重要性是不同的,評分確定定量關系見表4。

表4 指標體系判斷矩陣及一致性檢驗

(2)矩陣運算,確定權重。將矩陣中的的元素按行相乘并開n次方得:

(3)一致性檢驗。由M與W相乘,得到一個向量。該向量中每一個元素乘以W中對應的元素,然后累加所有元素,計算得最大特征值λmax。并由式(1)確定一致性指數:

(1)

一致性比率CR由式(2)確定:

(2)

式中:RI為隨機矩陣的一致性指數,由表5確定。

表5 一致性指標RI

經一致性檢驗,權重向量W是合理的。

綜上,根據指標體系最低級的樣本參數對地質遺跡評價的影響程度,結合各影響因素的分析,確定各樣本參數的權重。

根據層次單排序法獲得各評價指標的最終權重。評價判別矩陣、權重計算見表6。

表6 地質遺跡綜合評價指標體系

3.3 指標量化分級

不同的指標數據具有不同的單位與量綱,無法直接進行比較和運算,因此必須對數據進行標準量化處理,形成數據形式統一的屬性數據庫,以便進行指標間的綜合運算。量化分級過程必須充分考慮靈山島的實際情況。通過現場調查結合相關規范,將各評價指標分為優、良、中、差4個級別,分別賦值為0.81～0.99分、0.61～0.8分、0.41～0.6分和0.01～0.4分(表7),分值越大對應的等級越高。地質遺跡評價分級標準見表8。

表7 評價指標量化分級標準

表8 評價標準分級

根據量化標準對靈山島已經發現的30處地質遺跡進行系統打分,結果見表9。

表9 評價因子分值統計表

3.4 固權評價結果

根據各因素賦分及總權重計算得到各評價指標固權總得分見表10。

表10 評價因子得分評價結果對比一覽表

3.5 變權優化評價結果

變權思想由我國學者汪培莊在20世紀80年代首次提出,李洪興在其基礎上通過討論因素空間的內涵和外延對變權原理進行了系統研究,給出了變權公理化定義,討論了與之有關的均衡函數及梯度向量,并引入了激勵型均衡函數和混合型均衡函數,從而使變權綜合理論趨于完善[23-26]。

3.5.1 基于變權思想的調權函數選取

根據段樹喬給出的懲罰-激勵分段協調定理,筆者選取如圖4中的混合型變權向量S(X)。

圖4 混合型變權函數

3.5.2 評價模型

基于變權理論的綜合評價數學模型如式(3):

(3)

式中:M為適宜性評價值;W為常權向量;Wj為第j項指標的常權權重;Sj(X)為第j項指標的狀態變權向量;S(X)為狀態變權向量;Xj為單因素得分。

依據上述變權模型對固權總得分進行優化,優化結果見表10。

3.5.3 討論

(1)在固權評價體系下,“靈山島船廠褶皺與變形”和“靈山島燈塔褶皺與變形”兩處地質遺跡得分均為0.79,評價等級為省級(Ⅲ),變權后,“靈山島船廠褶皺與變形”得分優化為0.82,“靈山島燈塔褶皺與變形”得分優化為0.80,評價等級提升為國家級(Ⅱ)。

這2處地質遺跡本身就是靈山島特色旅游名片的存在,而且兩處地質遺跡發育的形態迥異的褶皺構造已經引發了靈山島“陸相還是海相”的地學大討論,吸引著一批又一批地質科學家登島調研,熱度不斷。這個評價結果也更符合這2處地質遺跡目前在島上的旅游知名度和學術知名度。

(2)變權評價體系下,各地質遺跡的得分離散型更好,更加有利于分級定等,更有利于地質遺跡區劃的落地與實踐。

4 結論

(1)靈山島30處地質遺跡在數量上以地貌景觀大類和基礎地質大類為主,基礎地質大類又以構造剖面類中的褶皺與變形亞類最為發育,地貌景觀大類以巖土體地貌類的碎屑巖地貌亞類和海岸地貌類的海蝕地貌亞類為主。在等級排名上,國家級評級全部屬于基礎地質大類,且基礎地質大類中省級評級最多,主要包括構造剖面類中的褶皺與變形亞類和地層剖面類的地質事件剖面亞類等,地貌景觀大類中省級評級僅有海岸地貌類的海蝕地貌亞類,其余皆為省級以下地質遺跡資源。

(2)與固權評價體系相比,變權評價體系下的評價結果與傳統的定性評價結論一致,突出了“靈山島船廠褶皺與變形”和“靈山島燈塔褶皺與變形”兩處地質遺跡的價值,更符合靈山島實際,且評價結果數據的離散型更好,更利于分級,指導意義更大。

(3)靈山島已躋身全國第一批地質文化村行列,并成為了全國第一個“地質文化島”,本文的評價結果學術意義更大,僅提供參考借鑒。下一步應積極對接上級主管部門,開展綜合評定,將靈山島納入更高維度的地質遺跡保護體系,使靈山島地質遺跡保護與開發高質量發展,為促進海島建設創新、協調、綠色發展添磚加瓦。