基于層次分析法-變權(quán)函數(shù)的青島市靈山島地質(zhì)遺跡定量評價研究

宋曉媚,解永健,張彩霞,李現(xiàn)文,王青

(1.山東省自然資源資料檔案館(山東省地質(zhì)博物館),山東 濟(jì)南 250299;2.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開發(fā)局),山東 青島 266101;3.自然資源部濱海城市地下空間地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗室,山東 青島 266101)

0 引言

地質(zhì)遺跡評價是地質(zhì)遺跡有效保護(hù)和合理利用的重要依據(jù),山東地處中國大陸東部,位于華北板塊東南緣與揚(yáng)子板塊結(jié)合部位,特有的大地構(gòu)造、地層、巖漿巖形成了豐富的地質(zhì)遺跡資源,地質(zhì)遺跡評價工作更為重要。前人針對地質(zhì)遺跡評價已經(jīng)進(jìn)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(zhì)調(diào)查為主要手段,系統(tǒng)梳理了靈山島30處地質(zhì)遺跡,引入變權(quán)函數(shù)對地質(zhì)遺跡定量評價體系進(jìn)行優(yōu)化,為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)遺跡保護(hù)規(guī)劃與合理利用提供地學(xué)參考,促進(jìn)“地質(zhì)+”經(jīng)濟(jì)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。

1 靈山島主要地質(zhì)遺跡資源發(fā)育特征

1.1 研究區(qū)概況

靈山島位于青島市黃島區(qū)東南黃海之中,陸域總面積為7.28km2。屬低山丘陵區(qū),地形切割較大,整體地勢呈現(xiàn)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(qū)(Ⅱ)、膠萊盆地東部(Ⅲ)、海陽-青島斷陷(Ⅳ)之黃島凹陷(Ⅴ)東南側(cè),是華北板塊與楊子板塊的結(jié)合部位,地質(zhì)條件復(fù)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(qū);7—隆起區(qū)

1.2 地質(zhì)遺跡資源

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

2 靈山島地質(zhì)遺跡定性評價

在地質(zhì)遺跡調(diào)查的基礎(chǔ)上,遵循《地質(zhì)遺跡調(diào)查規(guī)范》(DZ/T0303—2017)不同類型地質(zhì)遺跡科學(xué)性和觀賞性指標(biāo)(表1),對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表和地質(zhì)遺跡評價其他指標(biāo)(表2),按照地質(zhì)遺跡分類對應(yīng)準(zhǔn)則組織專家集體鑒評進(jìn)行定性評價。基礎(chǔ)地質(zhì)類和地質(zhì)災(zāi)害類地質(zhì)遺跡側(cè)重評價其科學(xué)價值,地貌景觀類地質(zhì)遺跡側(cè)重評價其觀賞價值。根據(jù)地質(zhì)遺跡的科學(xué)性、稀有性、完整性、美學(xué)性、保存程度、可保護(hù)性6個方面,確定地質(zhì)遺跡的等級。通過地質(zhì)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(zhì)遺跡類型表

表2 地質(zhì)遺跡定性評價結(jié)果一覽表

3 靈山島地質(zhì)遺跡定量評價

前人的地質(zhì)遺跡定量評價以層次分析法最為常見,而傳統(tǒng)的層次分析法中每項指標(biāo)只有一個權(quán)重,即指標(biāo)權(quán)重確定后,不管各指標(biāo)在不同評價單元內(nèi)的指標(biāo)值大小如何,權(quán)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(biāo)x1=0.1和x2=0.9(指標(biāo)分值標(biāo)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(nèi)較差的指標(biāo)被較好的指標(biāo)“中和”,使評價結(jié)果變的較好或與實(shí)際的條件不符,實(shí)際存在“木桶原理”,即不管其他的指標(biāo)值如何好,一旦有一個指標(biāo)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(jié)果偏離了實(shí)際情況。

筆者嘗試將變權(quán)引入地質(zhì)遺跡定量評價指標(biāo)體系,首先運(yùn)用層次分析法完成固權(quán)評價,然后選取適配的變權(quán)函數(shù)根據(jù)單因素得分優(yōu)化固權(quán)而獲得變權(quán)指標(biāo),最后依據(jù)變權(quán)參數(shù)完成對靈山島地質(zhì)遺跡的定等分級。

3.1 評價指標(biāo)體系

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

靈山島地質(zhì)遺跡資源評價指標(biāo)體系采用四層結(jié)構(gòu)(圖3),分別為目標(biāo)層(第一層:地質(zhì)遺跡資源評價),準(zhǔn)則層(第二層:自身屬性和外部開發(fā)利用條件),次準(zhǔn)則層(第三層:自然屬性、價值屬性、區(qū)位條件和配套設(shè)施等),方案層(第四層:能夠反映地質(zhì)遺跡資源質(zhì)量的評價因子,包括稀有性、保存程度、完整性、科學(xué)性、美學(xué)性、歷史文化價值、地理位置及交通狀況、可保護(hù)性、基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施等)。

圖3 地質(zhì)遺跡與地貌景觀評價指標(biāo)體系

3.2 評價指標(biāo)權(quán)重(固權(quán))

靈山島地質(zhì)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(biāo)的權(quán)重。

3.2.1 目標(biāo)層的確定

目標(biāo)層(A)為靈山島地質(zhì)遺跡綜合評價等級,根據(jù)規(guī)范和實(shí)用性,將評價結(jié)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(biāo)的構(gòu)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(gòu)建靈山島地質(zhì)遺跡綜合評價體系。A層為地質(zhì)遺跡等級綜合評價;B層為地質(zhì)遺跡等級制約因素;C層為制約因素的子系統(tǒng)。

3.2.3 確定權(quán)重集W

(1)構(gòu)造指標(biāo)的對比矩陣。對所考慮的諸多指標(biāo),用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)成對比比較矩陣。若指標(biāo)過多時(譬如多于9個),宜進(jìn)一步分界子系統(tǒng)(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(biāo),他們之間的相對重要性是不同的,評分確定定量關(guān)系見表4。

表4 指標(biāo)體系判斷矩陣及一致性檢驗

(2)矩陣運(yùn)算,確定權(quán)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(yīng)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(shù):

(1)

一致性比率CR由式(2)確定:

(2)

式中:RI為隨機(jī)矩陣的一致性指數(shù),由表5確定。

表5 一致性指標(biāo)RI

經(jīng)一致性檢驗,權(quán)重向量W是合理的。

綜上,根據(jù)指標(biāo)體系最低級的樣本參數(shù)對地質(zhì)遺跡評價的影響程度,結(jié)合各影響因素的分析,確定各樣本參數(shù)的權(quán)重。

根據(jù)層次單排序法獲得各評價指標(biāo)的最終權(quán)重。評價判別矩陣、權(quán)重計算見表6。

表6 地質(zhì)遺跡綜合評價指標(biāo)體系

3.3 指標(biāo)量化分級

不同的指標(biāo)數(shù)據(jù)具有不同的單位與量綱,無法直接進(jìn)行比較和運(yùn)算,因此必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量化處理,形成數(shù)據(jù)形式統(tǒng)一的屬性數(shù)據(jù)庫,以便進(jìn)行指標(biāo)間的綜合運(yùn)算。量化分級過程必須充分考慮靈山島的實(shí)際情況。通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合相關(guān)規(guī)范,將各評價指標(biāo)分為優(yōu)、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(yīng)的等級越高。地質(zhì)遺跡評價分級標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表7 評價指標(biāo)量化分級標(biāo)準(zhǔn)

表8 評價標(biāo)準(zhǔn)分級

根據(jù)量化標(biāo)準(zhǔn)對靈山島已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的30處地質(zhì)遺跡進(jìn)行系統(tǒng)打分,結(jié)果見表9。

表9 評價因子分值統(tǒng)計表

3.4 固權(quán)評價結(jié)果

根據(jù)各因素賦分及總權(quán)重計算得到各評價指標(biāo)固權(quán)總得分見表10。

表10 評價因子得分評價結(jié)果對比一覽表

3.5 變權(quán)優(yōu)化評價結(jié)果

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

3.5.1 基于變權(quán)思想的調(diào)權(quán)函數(shù)選取

根據(jù)段樹喬給出的懲罰-激勵分段協(xié)調(diào)定理,筆者選取如圖4中的混合型變權(quán)向量S(X)。

圖4 混合型變權(quán)函數(shù)

3.5.2 評價模型

基于變權(quán)理論的綜合評價數(shù)學(xué)模型如式(3):

(3)

式中:M為適宜性評價值;W為常權(quán)向量;Wj為第j項指標(biāo)的常權(quán)權(quán)重;Sj(X)為第j項指標(biāo)的狀態(tài)變權(quán)向量;S(X)為狀態(tài)變權(quán)向量;Xj為單因素得分。

依據(jù)上述變權(quán)模型對固權(quán)總得分進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果見表10。

3.5.3 討論

(1)在固權(quán)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(zhì)遺跡得分均為0.79,評價等級為省級(Ⅲ),變權(quán)后,“靈山島船廠褶皺與變形”得分優(yōu)化為0.82,“靈山島燈塔褶皺與變形”得分優(yōu)化為0.80,評價等級提升為國家級(Ⅱ)。

這2處地質(zhì)遺跡本身就是靈山島特色旅游名片的存在,而且兩處地質(zhì)遺跡發(fā)育的形態(tài)迥異的褶皺構(gòu)造已經(jīng)引發(fā)了靈山島“陸相還是海相”的地學(xué)大討論,吸引著一批又一批地質(zhì)科學(xué)家登島調(diào)研,熱度不斷。這個評價結(jié)果也更符合這2處地質(zhì)遺跡目前在島上的旅游知名度和學(xué)術(shù)知名度。

(2)變權(quán)評價體系下,各地質(zhì)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(zhì)遺跡區(qū)劃的落地與實(shí)踐。

4 結(jié)論

(1)靈山島30處地質(zhì)遺跡在數(shù)量上以地貌景觀大類和基礎(chǔ)地質(zhì)大類為主,基礎(chǔ)地質(zhì)大類又以構(gòu)造剖面類中的褶皺與變形亞類最為發(fā)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(chǔ)地質(zhì)大類,且基礎(chǔ)地質(zhì)大類中省級評級最多,主要包括構(gòu)造剖面類中的褶皺與變形亞類和地層剖面類的地質(zhì)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(zhì)遺跡資源。

(2)與固權(quán)評價體系相比,變權(quán)評價體系下的評價結(jié)果與傳統(tǒng)的定性評價結(jié)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(zhì)遺跡的價值,更符合靈山島實(shí)際,且評價結(jié)果數(shù)據(jù)的離散型更好,更利于分級,指導(dǎo)意義更大。

(3)靈山島已躋身全國第一批地質(zhì)文化村行列,并成為了全國第一個“地質(zhì)文化島”,本文的評價結(jié)果學(xué)術(shù)意義更大,僅提供參考借鑒。下一步應(yīng)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(zhì)遺跡保護(hù)體系,使靈山島地質(zhì)遺跡保護(hù)與開發(fā)高質(zhì)量發(fā)展,為促進(jìn)海島建設(shè)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色發(fā)展添磚加瓦。