基于文獻(xiàn)計量學(xué)對流域產(chǎn)匯流研究的熱點分析

胡金輝，孫穎娜，王 寧，李 贊

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院 中俄寒區(qū)水文水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

人類的活動主要是通過改變下墊面的條件來影響流域的產(chǎn)匯流過程。人類活動改變了原始土壤的蓄水能力，土壤的下滲能力，蒸散能力，植物截留能力等，這使得下墊面狀況和氣候環(huán)境產(chǎn)生變化，可能導(dǎo)致當(dāng)前城市洪澇問題日益突出。由下墊面和氣候環(huán)境變化帶來的災(zāi)害問題吸引了大眾的關(guān)注[1]。為緩解本世紀(jì)頻繁發(fā)生的洪澇災(zāi)害所帶來的影響，當(dāng)前水文科學(xué)研究關(guān)注的重點逐漸轉(zhuǎn)向了全球氣候變化和人類活動影響下的水循環(huán)研究[2]。另外值得一提的是研究產(chǎn)匯流的機制、機理及計算方法同時也是水文工程學(xué)的重要基礎(chǔ)和內(nèi)容。因此，進(jìn)行流域產(chǎn)匯流過程的影響研究對把握水循環(huán)特征和對工程水文學(xué)的發(fā)展是十分必要的。

為了更好地把握對流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的研究動態(tài)，本文將采用文獻(xiàn)計量軟件CiteSpace，對國內(nèi)流域產(chǎn)匯流影響研究現(xiàn)狀進(jìn)行可視化分析并繪制出相應(yīng)的圖譜，總結(jié)出了當(dāng)前的前沿動態(tài)和研究方向，并對熱點問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以期為該領(lǐng)域的學(xué)者們提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過期刊文獻(xiàn)來了解研究領(lǐng)域的趨勢是有效的方法[3]。本文使用知網(wǎng)的高級搜索功能選擇“期刊”或“學(xué)術(shù)論文”并選擇主題為“產(chǎn)匯流”“模型”“產(chǎn)流”“洪水”“匯流”，檢索到以產(chǎn)匯流為研究內(nèi)容的期刊論文最早發(fā)表于1998年。檢索到共計1 116條相關(guān)文獻(xiàn)，并且去除掉其中不可用于分析的會議文獻(xiàn)以及暫不考慮的資訊，得到1999—2020年共計1 046條文獻(xiàn)資料，其中學(xué)術(shù)期刊736條，學(xué)位論文310條。將目標(biāo)文獻(xiàn)按Ref-work格式進(jìn)行導(dǎo)出并轉(zhuǎn)碼，從而得到本文研究樣本數(shù)據(jù)庫(2021年4月3日檢索轉(zhuǎn)碼得到)。

1.2 數(shù)據(jù)的分析處理

華人陳超美博士在2004年開發(fā)的一款基于JAVA算法的文獻(xiàn)統(tǒng)計可視化軟件名為CiteSpace[4]。該軟件于2007年引入中國，目前該軟件已經(jīng)更新到CiteSpace5.7.R5版本，較其他類型軟件更易對作者、機構(gòu)、關(guān)鍵詞等進(jìn)行可視化分析，便于了解當(dāng)前的研究動態(tài)和趨勢。由于CiteSpace在科研等方面的迅猛發(fā)展，使得該軟件的更新速度比SPSS、Excel、TDA、Ucinet、NoteExpress等分析軟件更新頻率快許多。當(dāng)前最新的發(fā)展前沿和圖譜技術(shù)很多是基于CiteSpace，幾乎所有學(xué)科的大數(shù)據(jù)分析任務(wù)都可以在CiteSpace中完成。此外，CiteSpace簡單易學(xué)，對研究者的計算機能力要求并沒有過高要求，這可以幫助研究者從大數(shù)據(jù)分析的困擾中擺脫出來。

本文運用CiteSpace，由于搜索到的文獻(xiàn)的來源時間大致為1999—2020年，因而將計算時期設(shè)置為1999—2020年，將“Year Per Slice”的參數(shù)值可設(shè)置為1年，Node type分別選擇Institution、Author、KeyWord等。由于2000—2020年數(shù)據(jù)較多，網(wǎng)絡(luò)裁剪方式選擇Pathfinder，而后對文獻(xiàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)分析。此外對一些相互包含的關(guān)鍵詞予以了合并處理，如“下墊面”和“下墊面變化”。在得到的圖譜中圈的大小表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率較高，若出現(xiàn)了彼此相鄰的關(guān)鍵詞，則表示它們出現(xiàn)在相同的文獻(xiàn)中[5-6]。機構(gòu)以及個人論文發(fā)表數(shù)量則主要基于CNKI的自帶分析功能獲取。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與研究熱點分析

2.1 國內(nèi)領(lǐng)域發(fā)文分析

文獻(xiàn)數(shù)量的情況是衡量研究領(lǐng)域是否受關(guān)注的重要的指標(biāo)。通過CNKI高級搜索功能，選擇需要統(tǒng)計的年份，即可得到歷年發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量，同時生成的統(tǒng)計圖能夠直觀清晰的地呈現(xiàn)發(fā)文量的歷史變化。發(fā)文數(shù)量及其發(fā)表年份可反映研究成果的動態(tài)變化，對檢索的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計繪圖。圖1表明，在2004年以前相關(guān)的研究較少，該階段的發(fā)文量一直少于30篇。2004年以后有更多的學(xué)者關(guān)注流域產(chǎn)匯流的研究，發(fā)文量也是呈現(xiàn)遞增的總趨勢。在2019年該領(lǐng)域的發(fā)文量達(dá)到最高值88篇。由此可知對流域的產(chǎn)匯流的影響研究目前仍然受到中國研究者們的廣泛關(guān)注，同時也是國內(nèi)領(lǐng)域研究方向的熱點。

圖1 流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域相關(guān)論文年度出版量折線

2.2 研究機構(gòu)分析

在開始界面的Project里選擇已導(dǎo)入的數(shù)據(jù)名稱“產(chǎn)匯流”，選擇參數(shù)設(shè)置為“institution”，其余參數(shù)設(shè)置仍保持為默認(rèn)狀態(tài)，運行軟件即可得到研究機構(gòu)的初始可視化網(wǎng)絡(luò)圖，選擇控制面板中的“find cluster”，進(jìn)行適當(dāng)參數(shù)調(diào)整使可視化網(wǎng)絡(luò)圖布局合理清晰，而后點擊“export”，“generate a narrative”即生成研究機構(gòu)的分析表，整理后見表1。

表1 流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域主要研究機構(gòu)

2.3 作者分析

運行CiteSpace，將節(jié)點類型設(shè)置為作者，閾值和相關(guān)參數(shù)仍然與機構(gòu)參數(shù)相同[7]，得到節(jié)點數(shù)為530，表明在流域產(chǎn)匯流方向上有530位具有相對影響力的研究者，連線數(shù)為334，表明研究者中有334組有著部分合作關(guān)系。對論文作者進(jìn)行知識圖譜繪制見圖2，圖中表明流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的研究者分布廣泛，并且有著小范圍的合作。選中較大的節(jié)點，再點擊Node details可顯示出作者的具體節(jié)點數(shù)，結(jié)果表明節(jié)點數(shù)最大的學(xué)者為徐宗學(xué)(9)，夏達(dá)忠(7)、劉俊(7)、馮杰(7)、夏軍(6)等人位列其后。由于各研究者的相互交流與合作，在圖譜中可直觀的顯示出了幾個作者之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中較為顯著的是以夏軍、劉俊、夏達(dá)忠為代表的3個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以上表明研究者們在流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的研究與合作可以得到進(jìn)一步的加強。

圖2 國內(nèi)流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域作者發(fā)文量共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

2.4 關(guān)鍵詞分析

可以通過出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞來認(rèn)知產(chǎn)匯流理論的應(yīng)用領(lǐng)域，可以快速準(zhǔn)確地識別產(chǎn)匯流領(lǐng)域研究與應(yīng)用前沿。CiteSpace通過計算關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，用高頻詞來確定相應(yīng)領(lǐng)域的研究熱點。本文運用CiteSpace軟件，節(jié)點類型定為KeyWord，對篩選出的1 046篇學(xué)術(shù)論文和期刊進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。采用的網(wǎng)絡(luò)修剪方法算法，關(guān)鍵詞的選取標(biāo)準(zhǔn)及閾值設(shè)置如下：時間區(qū)間為1999—2020年，且“year per slice”仍然設(shè)置為1年。得到圖3所示的產(chǎn)匯流領(lǐng)域關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)圖譜，生成的圖譜中共有506個節(jié)點，表明有506個研究子方向，914條網(wǎng)絡(luò)線，表明各研究子方向之間有著大量密切的聯(lián)系。圓圈的大小表明出現(xiàn)的頻率高低，排在前面的高頻關(guān)鍵詞分別為“產(chǎn)匯流”“洪水預(yù)報”“分布式水文模型”“新安江模型”“城市化”“產(chǎn)流”“SWMM模型”“下墊面”等。

圖3 1999—2020年國內(nèi)流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

“涌現(xiàn)”詞是指在一個時間段內(nèi)被引的頻次突然增多的關(guān)鍵詞，它可以有效地用來反映一時間段內(nèi)的研究動態(tài)。為進(jìn)一步研究流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，可利用CiteSpace中的探測詞頻突發(fā)增長功能，在右側(cè)控制面板中設(shè)置視圖為“Burstness”，并適當(dāng)調(diào)整相關(guān)閾值，即得到國內(nèi)產(chǎn)匯流研究前沿領(lǐng)域的涌現(xiàn)圖。從圖4關(guān)鍵詞涌現(xiàn)圖中可看出,在1999—2004年的突現(xiàn)詞為“洪水”；2003—2007年的突現(xiàn)詞分別為“匯流”“實時校正”“DEM”“水文模型”“新安江模型”等；2008—2016年突現(xiàn)詞為“流域”“暴雨”“山洪災(zāi)害”等；2017—2020年突現(xiàn)詞為“SWMM模型”“低影響開發(fā)”“海綿城市”；其中“低影響開發(fā)”“海綿城市”涌現(xiàn)率一直持續(xù)至今，以上表明二者為當(dāng)前研究的的主要發(fā)展趨勢。

圖4 國內(nèi)流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的關(guān)鍵詞涌現(xiàn)

2.5 研究熱點成果分析

2.5.1聚類分析

為了更深入地了解流域產(chǎn)匯流的前沿?zé)狳c，本文將所分析的文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析。設(shè)置Node type為KeyWord，而后運行程序，再點擊find cluster進(jìn)行適當(dāng)閾值參數(shù)調(diào)整得到圖5所示的聚類圖譜。圖中一共產(chǎn)生12個聚類，分別為“產(chǎn)匯流”“洪水預(yù)報”“城市化”“分布式水文模型”“ARCGIS”“流域”“SCS模型”“城市防洪”“海河流域”“地理信息系統(tǒng)”“洪澇災(zāi)害”，聚類的主題詞及聚類輪廓見圖5。由聚類分析檢索到的1 046篇文章的高頻關(guān)鍵詞可將近年來流域產(chǎn)匯流影響領(lǐng)域的研究熱點劃分為城鎮(zhèn)洪澇治理研究和水文循環(huán)中產(chǎn)匯流模擬，這2類研究熱點之間既有聯(lián)系也有區(qū)別。

圖5 國內(nèi)流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域聚類分析

在得到的聚類圖中設(shè)置可視化的模式為Timeline View，之后進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可以得到各聚類距離目前研究時間的遠(yuǎn)近。圖6給出了圖5前13個聚類的時間線視圖。在圖中圓圈年輪的大小代表研究對象在當(dāng)時年份所受關(guān)注的程度，圓圈年輪越大表示所受關(guān)注的程度越強。在21世紀(jì)初，學(xué)者們主要關(guān)注點為產(chǎn)匯流理論的研究以及洪水預(yù)報研究，之后研究熱點為水文模型。

圖6 國內(nèi)流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域的引文聚類的時間線視圖

在結(jié)果中，一方面可以看出之前中國對流域產(chǎn)匯流的基礎(chǔ)理論研究十分重視；另一方面表明流域產(chǎn)匯流影響的領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢仍在繼續(xù)，流域產(chǎn)匯流影響的領(lǐng)域未來仍備受關(guān)注，相關(guān)水文學(xué)科的研究仍將繼續(xù)，仍會有一些新問題等待進(jìn)一步挖掘。

2.5.2水文循環(huán)中產(chǎn)匯流模擬

根據(jù)流域產(chǎn)流量推求流域出口斷面流量過程是流域產(chǎn)匯流的研究的主要目的。當(dāng)前水文循環(huán)模擬中產(chǎn)流模擬方法主要有：“降雨徑流相關(guān)關(guān)系”“混合產(chǎn)流”“超滲產(chǎn)流”和“蓄滿產(chǎn)流”等方法[8-9]。但是由于單一方法的局限性，多種方法也有綜合的應(yīng)用于相應(yīng)的研究之中，如耦合模型、水文與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合法、模型的對比法等。

流域匯流通常包括“坡地匯流”與“河道匯流”2個階段。2個階段的計算方法匯總見表2。坡面匯流又包括，地表、壤中、地下匯流。其中地表匯流的速度一般最快，地下匯流最慢，壤中流的匯流速度介于二者之間。在小流域匯流中不能忽略坡面匯流，但在中、大型流域研究時，又可以忽略坡面匯流階段，只考慮河道的演算。

表2 常用水文模型匯流方法匯總

此外，水資源管理要求的時間尺度不需特別細(xì)致，而洪水預(yù)報所要求的時間尺度往往通常較為精確；不同的時間尺度會導(dǎo)致模型的精度受到影響，所以應(yīng)注意到模型使用和模型的時間尺度有較為密切的關(guān)系。因而即使利用同一模型在不同時間尺度上產(chǎn)生的結(jié)果也產(chǎn)生巨大的差異[10]。

2.5.3低影響開發(fā)理念和SWMM模型的結(jié)合

目前海綿城市建設(shè)作為中國現(xiàn)代城市水管理的重大戰(zhàn)略，然而隨著社會高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，土地利用變化、植被覆蓋率減少，不透水面增加均對城市暴雨洪水、徑流等產(chǎn)生了很大的影響[11]。將城市的降雨扣除損失量，將剩余的在地表形成徑流的雨水進(jìn)行收集和凈化處理之后可以供城市居民使用，因而形成的雨洪能在一定程度上補充城市的供水[12-13]。

恢復(fù)城市的水循環(huán)能力和提升城市的蓄水能力是建設(shè)海綿城市的目的。LID(Low Impact Development)理念指的是提升海綿城市的對水資源利用能力，并且改善城市的內(nèi)澇現(xiàn)象，降低洪水災(zāi)害發(fā)生的頻次。使用LID是為了是城區(qū)的水循環(huán)更加接近于自然狀態(tài)下的水循環(huán)，主要是通過在多個點進(jìn)行源頭控制從而實現(xiàn)降低徑流的污染[14]。同時，LID模式在減弱洪峰、以及補給地下水，綜合利用社區(qū)雨水等方面的應(yīng)用也十分廣泛[15]。

目前由于中國海綿城市建設(shè)仍處于發(fā)展階段，海綿城市建設(shè)中有關(guān)水文工程學(xué)的問題也需得到進(jìn)一步的深入研究。當(dāng)前的研究手段通常可以是通過獲取研究區(qū)域的遙感影像資料，再用各種數(shù)值模擬方法(例如SWMM)得到各研究區(qū)域的汛期雨洪資源量并進(jìn)行分析評價。SWMM暴雨管理模型是美國環(huán)境保護(hù)代理機構(gòu)研制出的一款軟件[16]此外SWMM也是目前被認(rèn)為是在城市雨水徑流模擬中最廣泛使用的一款軟件。在該模型中，用戶主要通過輸入降水資料、下墊面條件等來模擬產(chǎn)匯流過程[17]。

在產(chǎn)匯流模型中依據(jù)河道地形可將河段概化為管道考慮，在充分考慮下墊面的不同條件后對整個區(qū)域進(jìn)行小流域的劃分，根據(jù)各區(qū)不同下墊面面積占比，進(jìn)行加權(quán)平均計算，這樣就可以求得各個子匯水區(qū)域的徑流過程線[18]。Horton下滲公式一般都能取得比其他經(jīng)驗公式好一些的結(jié)論，考慮使用Horton下滲方法來研究區(qū)域的入滲過程[19]。SWMM模型中是通過非線性水庫的模型來去模擬地表匯流的過程，而后聯(lián)立連續(xù)方程和曼寧公式，使用有限差分法并進(jìn)行迭代求解，也可利用水力、水文學(xué)有關(guān)方程和公式求解出整個出流過程。

對于如霍頓公式中的參數(shù)，和不同區(qū)域的經(jīng)驗參數(shù)可參考SWMM模型用戶手冊及相關(guān)文獻(xiàn)，而對于其他確定性參數(shù)則需通過實測獲得。通過利用SWMM模型對不同的LID設(shè)施布置場景進(jìn)行模擬便可得到相對更優(yōu)的組合[20]。

3 結(jié)語與展望

本文通過對流域產(chǎn)匯流領(lǐng)域科學(xué)文獻(xiàn)的計量分析，總體展示了該研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并得出如下結(jié)論。

a)從整體文章發(fā)表情況來看，近20年流域產(chǎn)匯流影響領(lǐng)域文章發(fā)表呈現(xiàn)上升趨勢，產(chǎn)匯流領(lǐng)域研究熱度不斷提高。從合作網(wǎng)絡(luò)來看，河海大學(xué)和武漢大學(xué)構(gòu)成了國內(nèi)流域產(chǎn)匯流研究的核心力量，各機構(gòu)的合作仍需加強，對研究領(lǐng)域的影響力仍需進(jìn)一步提升。此外，產(chǎn)匯流領(lǐng)域研究學(xué)者的學(xué)術(shù)合作也可以得到進(jìn)一步的加強。

b)從關(guān)鍵詞共現(xiàn)的分析來看，現(xiàn)有流域產(chǎn)匯流研究除聚焦水文模型、地理信息軟件的使用以及相關(guān)影響因素問題，還注重海綿城市的建設(shè)、下墊面環(huán)境的改善等可持續(xù)性發(fā)展的問題，目的在于改善城市的環(huán)境，提升人民群眾的生活質(zhì)量。

c)從關(guān)鍵詞突現(xiàn)時間分析來看，對于各種水文模型的研究和應(yīng)用是排名第一的熱點研究話題，但近年來關(guān)于產(chǎn)匯流研究相關(guān)熱點開始轉(zhuǎn)向“低影響開發(fā)”“海綿城市建設(shè)”“地理信息系統(tǒng)”和“城市化影響”，尤其“低影響開發(fā)理念”和“海綿城市建設(shè)”是未來水文研究需要重點關(guān)注的方向。

此次研究是基于CNKI數(shù)據(jù)庫下的中文文獻(xiàn)，探討了流域產(chǎn)匯流的研究在中國的發(fā)展脈絡(luò)與研究現(xiàn)狀，今后將進(jìn)一步使用Web of Science數(shù)據(jù)庫來探討國外在流域產(chǎn)匯流的發(fā)展脈絡(luò)。