宋晓媚,解永健,张彩霞,李现文,王青

(1.山东省自然资源资料档案馆(山东省地质博物馆),山东 济南 250299;2.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局),山东 青岛 266101;3.自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室,山东 青岛 266101)

0 引言

地质遗迹评价是地质遗迹有效保护和合理利用的重要依据,山东地处中国大陆东部,位于华北板块东南缘与扬子板块结合部位,特有的大地构造、地层、岩浆岩形成了丰富的地质遗迹资源,地质遗迹评价工作更为重要。前人针对地质遗迹评价已经进行了大量研究,使用的评价方法主要有:定性评价法[1-3],直接打分法[4-5],层次分析+模糊评分法[6-8]。本文以大比例尺综合地质调查为主要手段,系统梳理了灵山岛30处地质遗迹,引入变权函数对地质遗迹定量评价体系进行优化,为当地地质遗迹保护规划与合理利用提供地学参考,促进“地质+”经济的绿色、低碳、可持续发展。

1 灵山岛主要地质遗迹资源发育特征

1.1 研究区概况

灵山岛位于青岛市黄岛区东南黄海之中,陆域总面积为7.28km2。属低山丘陵区,地形切割较大,整体地势呈现南高北低,东陡西缓。有大小山峰56个,最高峰为歪头顶,海拔513.6m,是我国北方的第一高岛[4]。灵山岛位于秦岭-大别-苏鲁造山带(Ⅰ),胶南-威海隆起区(Ⅱ)、胶莱盆地东部(Ⅲ)、海阳-青岛断陷(Ⅳ)之黄岛凹陷(Ⅴ)东南侧,是华北板块与杨子板块的结合部位,地质条件复杂(图1)[9-15]。

1—一级单元界线;2—二级单元界线;3—三级单元界线;4—四级单元界线;5—五级单元界线;6—凹陷区;7—隆起区

1.2 地质遗迹资源

灵山岛已发现各类典型地质遗迹资源30余处,涵盖“基础地质、地貌景观、地质灾害”3大类,9类和10个亚类[12-13]。以褶皱与变形地质遗迹最为典型,其次为海蚀地貌、古生物化石产地和碎屑岩地貌。海岛各类地质现象丰富,地质遗迹类型齐全,基岩露头较好,褶皱变形地质遗迹在全国少见,加上地处外海,观赏性极好,是集系统性、完整性、典型性、稀有性、美观性为一体的综合性地质遗迹出露区,科研和美学价值均较高(图2)。

2 灵山岛地质遗迹定性评价

在地质遗迹调查的基础上,遵循《地质遗迹调查规范》(DZ/T0303—2017)不同类型地质遗迹科学性和观赏性指标(表1),对应标准表和地质遗迹评价其他指标(表2),按照地质遗迹分类对应准则组织专家集体鉴评进行定性评价。基础地质类和地质灾害类地质遗迹侧重评价其科学价值,地貌景观类地质遗迹侧重评价其观赏价值。根据地质遗迹的科学性、稀有性、完整性、美学性、保存程度、可保护性6个方面,确定地质遗迹的等级。通过地质遗迹价值等级综合评价,划分出世界级、国家级、省级、省级以下。

表1 灵山岛地质遗迹类型表

表2 地质遗迹定性评价结果一览表

3 灵山岛地质遗迹定量评价

前人的地质遗迹定量评价以层次分析法最为常见,而传统的层次分析法中每项指标只有一个权重,即指标权重确定后,不管各指标在不同评价单元内的指标值大小如何,权重值始终不变。但是这种方式存在一定的弊端,例如一个评价方案中有2个评价指标x1=0.1和x2=0.9(指标分值标度按0～1),则综合评价值为M(x)=0.1×0.2+0.9×0.8=0.74,分值接近1,适宜性较好,即在评价单元内较差的指标被较好的指标“中和”,使评价结果变的较好或与实际的条件不符,实际存在“木桶原理”,即不管其他的指标值如何好,一旦有一个指标的值特别差,则会影响整体的评价,很显然例子中的情况使最终的评价结果偏离了实际情况。

笔者尝试将变权引入地质遗迹定量评价指标体系,首先运用层次分析法完成固权评价,然后选取适配的变权函数根据单因素得分优化固权而获得变权指标,最后依据变权参数完成对灵山岛地质遗迹的定等分级。

3.1 评价指标体系

地质遗迹资源评价指标体系是一个多层次的递阶结构。采用目标分析的方法来建立地质遗迹资源评价指标体系,按系统分解和逐层控制的过程将目标分解,直到子目标能够用定量或定性的独立指标来衡量为止。评价因子可分为自身属性和外部开发利用条件两大类。自身属性是指地质遗迹本身所具有的科学价值,包括地质遗迹自然属性和价值属性,外部开发利用条件是指影响地质遗迹资源开发与保护的外界条件[16-22],包括区位条件和配套设施等因素。

灵山岛地质遗迹资源评价指标体系采用四层结构(图3),分别为目标层(第一层:地质遗迹资源评价),准则层(第二层:自身属性和外部开发利用条件),次准则层(第三层:自然属性、价值属性、区位条件和配套设施等),方案层(第四层:能够反映地质遗迹资源质量的评价因子,包括稀有性、保存程度、完整性、科学性、美学性、历史文化价值、地理位置及交通状况、可保护性、基础设施和服务设施等)。

图3 地质遗迹与地貌景观评价指标体系

3.2 评价指标权重(固权)

灵山岛地质遗迹价值因素众多,故笔者采用层次分析法确定各评价指标的权重。

3.2.1 目标层的确定

目标层(A)为灵山岛地质遗迹综合评价等级,根据规范和实用性,将评价结果划分为4级,即世界级、国家级、省级和省级以下。

3.2.2 评价指标的构建

建立层次分析模型,按分级、序、抓主淡次的原则,采用穷举-剔除法,构建灵山岛地质遗迹综合评价体系。A层为地质遗迹等级综合评价;B层为地质遗迹等级制约因素;C层为制约因素的子系统。

3.2.3 确定权重集W

(1)构造指标的对比矩阵。对所考虑的诸多指标,用成对比较法和1～9比较尺度构成对比比较矩阵。若指标过多时(譬如多于9个),宜进一步分界子系统(表3)。

表3 1～9比较尺度的含义

例如:“自然属性”包含“稀有性”“保存程度”和“完整性”3个指标,他们之间的相对重要性是不同的,评分确定定量关系见表4。

表4 指标体系判断矩阵及一致性检验

(2)矩阵运算,确定权重。将矩阵中的的元素按行相乘并开n次方得:

(3)一致性检验。由M与W相乘,得到一个向量。该向量中每一个元素乘以W中对应的元素,然后累加所有元素,计算得最大特征值λmax。并由式(1)确定一致性指数:

(1)

一致性比率CR由式(2)确定:

(2)

式中:RI为随机矩阵的一致性指数,由表5确定。

表5 一致性指标RI

经一致性检验,权重向量W是合理的。

综上,根据指标体系最低级的样本参数对地质遗迹评价的影响程度,结合各影响因素的分析,确定各样本参数的权重。

根据层次单排序法获得各评价指标的最终权重。评价判别矩阵、权重计算见表6。

表6 地质遗迹综合评价指标体系

3.3 指标量化分级

不同的指标数据具有不同的单位与量纲,无法直接进行比较和运算,因此必须对数据进行标准量化处理,形成数据形式统一的属性数据库,以便进行指标间的综合运算。量化分级过程必须充分考虑灵山岛的实际情况。通过现场调查结合相关规范,将各评价指标分为优、良、中、差4个级别,分别赋值为0.81～0.99分、0.61～0.8分、0.41～0.6分和0.01～0.4分(表7),分值越大对应的等级越高。地质遗迹评价分级标准见表8。

表7 评价指标量化分级标准

表8 评价标准分级

根据量化标准对灵山岛已经发现的30处地质遗迹进行系统打分,结果见表9。

表9 评价因子分值统计表

3.4 固权评价结果

根据各因素赋分及总权重计算得到各评价指标固权总得分见表10。

表10 评价因子得分评价结果对比一览表

3.5 变权优化评价结果

变权思想由我国学者汪培庄在20世纪80年代首次提出,李洪兴在其基础上通过讨论因素空间的内涵和外延对变权原理进行了系统研究,给出了变权公理化定义,讨论了与之有关的均衡函数及梯度向量,并引入了激励型均衡函数和混合型均衡函数,从而使变权综合理论趋于完善[23-26]。

3.5.1 基于变权思想的调权函数选取

根据段树乔给出的惩罚-激励分段协调定理,笔者选取如图4中的混合型变权向量S(X)。

图4 混合型变权函数

3.5.2 评价模型

基于变权理论的综合评价数学模型如式(3):

(3)

式中:M为适宜性评价值;W为常权向量;Wj为第j项指标的常权权重;Sj(X)为第j项指标的状态变权向量;S(X)为状态变权向量;Xj为单因素得分。

依据上述变权模型对固权总得分进行优化,优化结果见表10。

3.5.3 讨论

(1)在固权评价体系下,“灵山岛船厂褶皱与变形”和“灵山岛灯塔褶皱与变形”两处地质遗迹得分均为0.79,评价等级为省级(Ⅲ),变权后,“灵山岛船厂褶皱与变形”得分优化为0.82,“灵山岛灯塔褶皱与变形”得分优化为0.80,评价等级提升为国家级(Ⅱ)。

这2处地质遗迹本身就是灵山岛特色旅游名片的存在,而且两处地质遗迹发育的形态迥异的褶皱构造已经引发了灵山岛“陆相还是海相”的地学大讨论,吸引着一批又一批地质科学家登岛调研,热度不断。这个评价结果也更符合这2处地质遗迹目前在岛上的旅游知名度和学术知名度。

(2)变权评价体系下,各地质遗迹的得分离散型更好,更加有利于分级定等,更有利于地质遗迹区划的落地与实践。

4 结论

(1)灵山岛30处地质遗迹在数量上以地貌景观大类和基础地质大类为主,基础地质大类又以构造剖面类中的褶皱与变形亚类最为发育,地貌景观大类以岩土体地貌类的碎屑岩地貌亚类和海岸地貌类的海蚀地貌亚类为主。在等级排名上,国家级评级全部属于基础地质大类,且基础地质大类中省级评级最多,主要包括构造剖面类中的褶皱与变形亚类和地层剖面类的地质事件剖面亚类等,地貌景观大类中省级评级仅有海岸地貌类的海蚀地貌亚类,其余皆为省级以下地质遗迹资源。

(2)与固权评价体系相比,变权评价体系下的评价结果与传统的定性评价结论一致,突出了“灵山岛船厂褶皱与变形”和“灵山岛灯塔褶皱与变形”两处地质遗迹的价值,更符合灵山岛实际,且评价结果数据的离散型更好,更利于分级,指导意义更大。

(3)灵山岛已跻身全国第一批地质文化村行列,并成为了全国第一个“地质文化岛”,本文的评价结果学术意义更大,仅提供参考借鉴。下一步应积极对接上级主管部门,开展综合评定,将灵山岛纳入更高维度的地质遗迹保护体系,使灵山岛地质遗迹保护与开发高质量发展,为促进海岛建设创新、协调、绿色发展添砖加瓦。