水安全格局發展趨勢與熱點研究
——基于CiteSpace的可視化文獻計量分析

蔡昕宏，許大為

(東北林業大學 園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

隨著城市及周邊地區的人口和工業密度快速增加，人類活動對水資源和生態環境的影響加劇[1]，對城市水資源環境造成的負面影響逐漸顯現出來。我國是一個嚴重缺水的國家，面臨著水資源短缺、水污染和水生物棲息地喪失、生態系統嚴重退化等多種水問題，嚴重損害了城市河流功能[2]，水環境保護形勢嚴峻。此外，氣候變化導致降水量、降水強度和降水時間以及氣溫變化等問題直接影響天然徑流量[3]。快速城市化嚴重影響了自然狀態下雨洪調蓄的過程，導致我國許多城市在遭遇強降雨后發生內澇災害，影響范圍廣且危害性巨大。中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于推進城市安全發展的意見》提出：“到2035年，城市安全發展體系更加完善，安全文明程度顯著提升，建成與基本實現社會主義現代化相適應的安全發展城市。持續推進形成系統性、現代化的城市安全保障體系，加快建成以中心城區為基礎，帶動周邊、輻射縣鄉、惠及民生的安全發展型城市[4]。”城市群作為城市化的重要載體，承載著維護社會穩定、經濟發展和生態和諧的重要使命，在此背景下，構建水安全格局有助于從生態系統的層面，全面保護水環境的生態網絡、組織結構和服務功能，實現城市與水生態環境的協調發展[5]。

在2005年出版的《“反規劃”途徑》一書中，俞孔堅等學者首次對水安全格局進行了探討。水安全格局是基于生態安全格局所發展出的研究，是指以解決區域水資源、以與水環境和水災害相關的水安全重要問題為指導，優化土地資源，確保優化和調節區域景觀格局和實現區域水安全目的空間規劃策略，水安全格局本質上是能夠維護區域水安全的關鍵要素和空間位置，是最優配置的理想景觀格局[6]。國內對水安全格局的研究尚未成熟，以研究領域為視角，鮮有研究基于多學科角度對水安全格局的研究內容進行系統梳理；以研究內容為視角，當前研究多集中在雨洪管理、水源地保護與生態環境營造等層面，研究較為零散，缺乏系統的理論框架來支持水安全格局的研究體系。隨著信息技術的發展與進步，通過文獻體系和文獻計量特征評價某領域科學發展現狀及水平，被廣泛用于文獻情報分析。 CiteSpace軟件結合社會網絡分析、關聯規則分析、聚類分析等方法，側重于發展學科的研究課題，研究前沿熱點與相關理論的關系，探索不同時期研究熱點之間的內在聯系[7]。因此，本次研究利用CiteSpace，基于CNKI數據庫以及Web of Science(WOS)核心合集數據庫對中英文文獻所反映出的各學科在“水安全格局”這一問題上的相關研究進行了可視化分析，在水安全格局的定義、指標體系的構建、研究方法的選擇等方面，建立一個系統的、科學的理論體系，使得研究更具針對性，為今后的研究提供有價值的參考，在增加城市安全系數、促進生態和諧的基礎上，推進城市的可持續發展。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

知識圖譜是對知識領域中科學知識的結構、發展過程和規律的可視化分析所獲得的圖形[8]。當今市面上存在著如VOSviewer、VantagePoint、CoPalRed等大量的可視化分析工具[9，10]。CiteSpace是陳超美教授在2004年利用Java語言開發的信息可視化軟件，該軟件憑借其可通過主題、關鍵詞、機構等進行網絡圖譜分析，挖掘文獻背后的隱含信息，定量且直觀地梳理研究現狀、顯示學科的發展趨勢和動向，使其成為最具影響力的知識圖譜繪制工具之一[11]。相較于傳統文獻研究的費時費力以及過于摻雜主觀因素等諸多問題，如今運用可視化工具對某學科領域進行客觀、高效的文獻計量分析已成為學術研究的一大熱點。

2.2 數據來源

本次研究結合中英文文獻分別進行可視化分析，中文文獻選自CNKI數據庫，英文文獻選自WOS(Web of Science)核心合集數據庫，WOS核心合集數據庫涵蓋了全球學者的重要研究成果，雖包含國內學者所發表的內容，但從發文統計來看，可代表國外學者的研究狀況。為避免重復，將CNKI數據庫中的英文文獻進行篩選與剔除，以CNKI數據庫作為國內學者的研究成果進行分析。

在CNKI數據庫以“水安全格局”為檢索主題，檢索文獻的標題、摘要或關鍵詞部分，精確匹配檢索，檢索時間范圍為“不限”，采集日期為2021年8月13日，共得文獻733篇，所得文獻時間范圍為2001～2021年。對檢索結果進行篩選，刪除期刊與會議征稿、卷首語等無用信息，并對所得結果進行去重，共得文獻711篇，用于知識圖譜的繪制。

WOS核心合集數據庫的數據采集于2021年8月23日，以所有年份的“TS=(water security pattern)”進行檢索，共得文獻1298篇，時間跨度為2003～2021年。經CiteSpace對數據進行去重后，共計文獻1175篇，用于圖譜繪制。使用WOS數據庫自帶的分析工具對時間跨度內的論文發表數量進行匯總，發現自2011年呈現逐年遞增的趨勢，在2017～2018年間相關研究漲幅激增。

3 結果與分析

3.1 CNKI數據庫可視化結果分析

3.1.1 關鍵詞共現結果分析

由于在CiteSpace軟件中，針對CNKI數據庫的數據操作具有一定局限性，因此本次研究中，僅對CNKI數據庫進行關鍵詞共現分析。“Node Types”選擇“Keyword”,“Selection Criteria”設置為“Top 50”,將文獻的核心內容從文獻信息中進行提取關鍵詞，并根據頻次進行高低分布，以此作為參考用于分析該領域研究熱點及發展，在圖譜中，研究較為成熟的領域會呈現出聚集性分布，新興話題的排列形式較為分散。在關鍵詞共現輸出結果中，研究關鍵詞以“海綿城市”和“生態安全格局”為主要聚集。將發文量排名前十的關鍵詞與中介中心性排名前十的關鍵詞進行統計，結果見表1。

表1 水安全格局研究2001～2021年頻次與中介中心性前10位關鍵詞

根據時間線(圖1)可知，自2001起，在整體研究框架中，“生態安全”是最早出現聚類的關鍵詞，出現于2003年，“生態安全格局”關鍵詞聚類出現于2007年，是在研究脈絡中較早提出的通過建設生態功能區，確保以最少的土地利用和最有效的效果體現生態功能。此時“水環境”與“景觀安全格局”的研究與之產生較多交叉性；“海綿城市”聚類產生于2015年，“低影響開發”“雨洪管理”“生態系統服務”在研究上產生較強相關性。“水安全格局”是聚類產生于2010年，介于“生態安全格局”與“海綿城市”之間，由于水生態系統的循環特性，影響因素不僅是水本身，還包括流域內的土地利用和各類景觀要素[12]，在推進城市化進程時，要合理地控制城市建設用地面積增長，使得各種土地利用類型均衡發展，增加城市中綠化面積，減少城市中的不透水面積[13]。根據中介中心性數據統計，在“水安全格局”的研究中“海綿城市”與“生態安全格局”始終占據研究主要地位。

圖1 水安全格局CNKI數據庫關鍵詞聚類與時間線分布

海綿城市是源自于地影響開發和綠色基礎設施所創造出的概念，用于創建一個像海綿一樣運作的水系統的城市，可以吸收、儲存、滲透和凈化雨水，并在需要時將其釋放出來進行再利用，是管理城市雨水和廢水以及其他水循環的半自然性的管理措施。生態安全格局是由生態系統的重要組成成分、斑塊和廊道所組成的特定格局，對控制生態過程、保護生態系統的結構和功能，管理當地的生態系統環境非常重要，為保護城市生態系統安全服務，是實現城市可持續發展的重要途徑[14]。以上概念對于水安全格局的研究與發展有著重要影響。按年份進行排序，近些年的關鍵詞聚類為：2019年“城市雙修”、2020年“國土空間規劃”“SWMM模型”，可以發現，隨著研究的推進，“水安全格局”的研究逐漸形成多學科融合、研究模型創新的發展趨勢。

3.1.2 關鍵詞突現結果分析

在CiteSpace中突現詞分析被用來探測在某一段時間研究關鍵詞有較大變化的情況，用于發現某一個關鍵詞衰落或興起進而根據突現結果分析特定時間段內的研究熱點與趨勢[15]。本次研究基于 CiteSpace 軟件中的“Burstness”功能，將“最少持續時間”設置為兩年，為得出更多突現結果，增強研究的準確性，將參數設置為0.1，運行后共得出128條突現結果。針對不同研究重點，進行兩組劃分，第一組是根據突現強度進行排序，所得結果為從2000年起至今，所有涉及“水安全格局”研究內容的關鍵詞進行綜合排序，將篩選后排名前20的關鍵詞再次根據突現持續年數從高到低進行排序，最后可以得出在所涉及的整個研究歷程中，最具影響力的關鍵詞。第二組是在結果中選擇突現結束時間為2017～2021年的關鍵詞，共篩選出65條，根據突現強度進行排序，篩選出突現強度前20的關鍵詞，而后在此基礎上根據突現結束的最新時間進行排序，對二者結果進行分析可以得出近5年來針對“水安全格局”的研究熱點，便于找到近期的研究趨勢。

根據突現強度排序可知，“低影響開發”是突現強度最強的關鍵詞，強度為3.63，“GI”緊隨其后，突現強度為3.14。“低影響開發”(low-impact development, LID)這是美國1990 年代所提出，旨在通過小型、分散的水源管理實現暴雨徑流和污染控制，并使開發區盡可能接近自然水循環，通過創建生態水景觀來解決雨水問題，通過將城市規劃和設計結合起來進行水系統管理，提高城市的可持續性[16]。“GI”(Green Infrastructure)意為“綠色基礎設施”，于1999年由美國“GI工作組”提出，該小組將綠色基礎設施定義為“自然生命支撐系統”，即一個由水路、綠道、濕地、公園、森林、農場和其他保護區域等組成的維護生態環境與提高人民生活質量的相互連接的網絡[17]，相對于LID概念，GI強調多學科的綜合應用，進一步探索雨水管理，這兩個關鍵詞的突現強度表現出對可持續發展的水循環技術和方法的探索是“水安全格局”研究的熱點內容。將突現強度前20的關鍵詞進行持續年數由高到低的統計后，前三名依次為：“生態安全”10年、“土地利用”5年、“GI”4年。除上文所提到的“生態安全”與“GI”外，在“水安全格局”的相關研究中“土地利用”也是一個研究重點，城市土地利用結構的不平衡導致滲透性區域被堅硬的地面取代，使得城市面臨著內澇的威脅。合理的城市土地利用政策可以平衡城市土地利用結構，以調整城市規劃和發展中的水循環，向可持續的城市水管理方式方向發展。此外，土地利用的轉變也會對氣候狀況造成影響，相關研究還可用于評估人類活動對氣候的影響[18]。

在突現結束于2017～2021年的65個關鍵詞中，根據突現強度進行排序的前五名分別是：“低影響開發”3.63、“規劃策略”2.47、“生態修復”2.23、“雨洪管理”1.97、“水環境景觀”1.81。將突現結束年份與強度進行綜合排列，篩選出包含不同學科研究背景及內容價值的關鍵詞，剔除如“ArcGis”這樣的研究軟件之類關鍵詞，得出表2，由此可以大體得出中文文獻在“水安全格局”的研究方面，最具研究價值的關鍵詞排列，可結合不同學科背景及研究重點從中選取合適指標構建水安全格局評價體系，使得該評價體系更具有權威性。

表2 “水安全格局”問題相關中英文文獻關鍵詞突現情況

3.2 WOS數據庫可視化結果分析

在CiteSpace中，由于WOS核心合集數據庫的相關功能遠大于CNKI數據庫，因此與研究相關且無法在CNKI數據庫獲取的結果可以通過對WOS核心合集數據庫所導出的數據進行相應分析，進而使得研究更為完善，結果更為準確。在此部分的研究內容與重點與上文中CNKI數據庫部分略有不同。

3.2.1 關鍵詞共現結果分析

關鍵詞可以高度濃縮和概括文獻的研究內容，是確定研究領域總體結構和研究主題的有效方法。關鍵詞出現頻率越高，說明該領域的研究熱點越具有代表性。將結果按頻次大小進行排列，所出現的高頻關鍵詞有：“氣候變化”“食品安全”“農業”“土地利用”“水安全”“水資源”等，代表“水安全格局”這一研究主題的研究重點。而后進行突現分析，根據突現強度進行排序有“安全性”“玉米”“降水”“作物生產”“都市化”“土壤”“生物多樣性”“耕地”等關鍵詞，因為突發性可以體現出領域的研究前沿，因此可知，在WOS核心合集數據庫中對于“水安全格局”的研究更加著重于在農業方向的應用，以作物生長、產量等為核心研究，此外“水安全格局”對生物多樣性的影響也占據了一定的研究地位。根據年份進行分段排序有助于發現在研究歷史中的不同關注重點及方向。結果顯示突現首次出現在2003年，最早的研究主要從農作物的生產角度進行，涉及農業、漁業、農作物管理、產量等方面。在2009年后，研究重點逐漸轉移到氣候變化對農作物與環境所造成的影響中。2011年后，開始規劃與資源的方向成為研究重點，涉及到“空間格局”“水文學”等方面。自2016年起，以生態研究重點，涉及“生態敏感性”“城市化”“水源涵養”“模型評估”等方面。由此可見，研究前沿并不是連續的。當學者的注意力從一個問題轉移到另一個問題時，前沿研究就會突然停止，另一個研究前沿就會突然出現，從趨勢來看，研究重點逐漸轉化為生態與可持續性發展。

3.2.2 領域共現結果分析

選擇“Category”對篩選出的1175篇文獻進行領域共現分析，根據圖譜分析主題為“water security pattern”的研究在英文文獻中的學科分布情況，共得出關鍵節點149個，關系連線715條，將頻次與中介中心性排名靠前的學科領域進行整理得出在“水安全格局”這一研究上具有代表性的學科。再將領域共現結果進行突發性檢測，根據強度得出學科排名找到熱點學科，而后根據突現結束年份遠近進行排序，得出進幾年參與研究的熱門學科，了解研究所在的熱門領域。

WOS核心合集數據庫中“水安全格局”的研究涉及到149個學科類別，其中不乏有重復或表述不清晰的類別，將其進行人工篩選剔除，再進行排列。根據頻次統計，排名前三位的學科分別是：“環境科學與生態”“水資源”“工程學”，其次為農學、地質學、環境學、氣象學、生態學等學科。結果表明，這些學科在“水安全格局”的相關研究中已經具有了相對廣泛的學術研究。將領域分析的結果以中介中心性大小 進行排列，篩選出結果大于0.1的學科為：“環境科學與生態”0.52、“工程學”0.4、“農學”0.19、“公共環境與職業健康”0.18、“化學”0.14、“計算機科學”0.13、“物理學”0.11。可知這些學科與其他學科的聯系更為緊密，起到加強跨學科研究的樞紐作用。將領域共現結果進行突發性檢測，“最少持續時間”設置為兩年，參數設置為0.1，共得出60條突現結果。依據突現強度進行排序，依次為“農學”“林學”“公共管理”“自然地理學”。按突現結束的最新年份進行排序，依次為：“影像科學與攝影技術”“材料科學 ”“社會科學跨學科”“計算機科學”“人工智能”“城市研究”等學科，代表近年來對“水安全格局”研究做出研究貢獻的熱門學科，這與近些年來相關研究的創新方法相符合。將結合突現持續時間進行綜合排序與劃分，大體可以整理出對于“水安全格局”的研究有以“計算機科學”“自然地理學”“生態學”“城市規劃”“環境科學”“工程土建”等為核心的綜合性。

4 中英文文獻關于“水安全格局”研究總結

基于本次研究的目的是從全方位多角度找到“水安全格局”研究重點，進而選取合適的指標進行評價體系的構建，因此，將收錄于CNKI中文數據庫2001～2021年間和WOS核心合集數據庫2003～2021年間有關“水安全格局”研的中英文文獻的研究進行綜合分析，整合出以下結果。

(1)國內外針對“水安全格局”的相關研究的熱度呈上升趨勢，經過對兩個數據庫的關鍵詞共現分析后發現，雖然該主題具有一定關注度，但中外文獻的研究重點完全不同。

(2)“水安全格局”的研究具有多學科性，通過對CNKI數據庫所得出結果進行人工整理，在中文期刊的研究中“水安全格局”主要涉及“資源科學”“環境科學”“生態學”“災害學”等諸多學科。在對WOS核心合集數據庫進行領域分析后，得出外文文獻中發文量最多的學科為“環境科學與生態”“水資源”“工程學”等。不同學科之間存在交叉合作研究現象，可根據中介中心性的結果找到連接其他領域作用的中心樞紐性的學科有“環境科學與生態”“農學”“計算機科學”“生態學”等。

(3)經對比發現，在WOS核心合集數據庫中，對“水安全格局”的研究早期主要集中于以農作物生產作為研究核心，以水安全對農作物的產量、質量等農業問題的影響進行研究，進行諸如降水量，灌溉等問題的探討；隨著農業發展的進步，以作物為研究核心的研究逐漸減少，至2011年后，隨著氣候變化等問題的顯現，針對“水安全格局”的研究逐漸轉化為從生態學的視角結合水文學從宏觀角度對水資源保護與水質量安全的關注，但仍有近半數研究與農學中作物生長等問題相關，2016年后開始著重于生態保護的方向，以“水源涵養”“生態敏感性”等內容作為主要研究，整體研究呈現出不同階段研究重點相對平行的研究狀態。與之不同的是，在CNKI數據庫中對“水安全格局”的研究以“生態安全”作為重點貫穿整個研究，并且隨著研究的細化，呈現出隨著時間推移逐漸產生交叉性，且整體研究呈現出由宏觀研究逐漸向微觀研究演進的趨勢。

鑒于研究中對兩組數據庫的年限不做限制，所以所得初始年限即為涉及“水安全格局”相關研究的最早時間，其中CNKI數據庫的最早年限顯示為2001年，WOS核心合集數據庫顯示為2003年，因此可以產生推測，對于“水安全格局”的研究應該是以我國學者的研究作為核心引領。為證實這一推測，首先利用WOS自帶的可視化功能對以“水安全格局”為主題的所有文獻研究進行統計，統計發文量與國家的聯系如圖2所示，由此可知，在相關研究中，我國的研究成果處于遙遙領先的地位，研究成果占據數據庫統計中的較大體量，其次為美國。

而后為更加準確的驗證這一推測，將CNKI數據庫與WOS核心合集數據庫這兩組數據庫所生成的關鍵詞共現結果進行對比分析，以研究階段劃分兩組，通過關鍵詞所產生的時間及突現強度、起始時間等諸多數據進行對比，總結得出表2，由此可知，外文研究的重點轉移受我國學者的研究影響較大，根據統計，人工瀏覽WOS核心合集數據庫產生研究重點轉移的年限中的發文情況，我國學者發表的文獻占據多數，因此，外文文獻的研究重點由農作物轉向以生態引領、規劃為導向的關注轉移與我國學者的成果輸出具有密不可分的聯系，在該階段的研究呈現出以中國為研究引領者的盛況。

5 結論與展望

5.1 研究結論

基于研究統計所得結果進行分析可知：根據對CNKI數據庫的關鍵詞共現分析結果可以明確，時至今日，我國學者對“水安全格局”的研究主要從資源安全、生態安全、環境安全、災害規避這四方面開展，研究重點以“海綿城市”和“生態安全格局”為主要內容。在災害規避的方面多與規劃類學科相結合，研究涉及如“雨洪管理”“生態基礎設施”“低影響開發”等內容，基于推進城市安全發展的原則來看災害規避成為構建“水安全格局”評價體系必不可少的一環。在生態安全方面，體現在“水源涵養”“生態修復”“保護物種多樣性”等方面。

(1)在WOS核心合集數據庫的統計中，根據關鍵詞共現結果可以得知對于“水安全格局”的研究主要從：農業生產，水資源保護，水質安全，生態脆弱性等方面進行。領域共現結果表明，對“水安全格局”的研究最具貢獻的學科有以“農學”“自然地理學”“環境科學”“計算機科學”“城市規劃學”“生態學”為引領的諸多學科，具有極高學科交叉性。

(2)通過將兩個數據庫進行整合，找到國內外文獻對于“水安全格局”研究的交叉與互補，可知：WOS核心合集數據庫所得出的研究重點“水資源保護”與CNKI數據庫中的“資源安全”呈現出研究重合，可以合并為“水資源安全”評價；WOS數據庫中的“生態脆弱性”與CNKI中的“生態安全”具有所屬關系，因此可以歸納為“水生態安全”評價；環境安全主要涉及水環境質量評價、水質安全等方面，因此可以將兩組數據庫的相關研究歸納為“水環境安全”評價。除此之外，兩組數據庫各具不同研究側重，CNKI數據庫中著重產生針對城市安全所進行的“災害規避”這一分類，而WOS核心合集數據庫中，對水安全格局的研究中農業占據較大地位，鑒于研究主要涉及灌溉、降水、水質量要求等內容，可以將農業中的評價進行拆分，歸屬于以上評價體系中。其次外文文獻中對“計算機科學”的應用 也可為我們的研究帶來全新角度的思考，可以從技術上創新并完善現有的研究體系。

(3)綜上所述，基于對研究結果的統計與分析，初步可以確定構建“水安全格局”評價體系的主要內容有：水資源安全、水生態安全、水環境安全、水災害規避四大方面，可以與不同學科的研究特點以及研究目標進行整合，結合學科特點從以上四大方面中選取合適指標進行“水安全格局”研究體系的構建。

5.2 研究展望

相比而言，中國學者在“水安全格局”的研究中起步較早，且針對性強，甚至在近些年的研究中處于引領地位。結合英文文獻所得出的研究統計，對接下來的研究進行展望。

(1)對理論進行深化研究。對國內外現有研究進行深度探討，明確水安全格局研究內涵，進一步明確構建方法與指標選擇，根據社會經濟發展對區域生態安全的新要求，動態優化水安全格局[19]。此外，由于水系的安全狀況與所處環境的地理因素具有較強相關性，不同區域存在著不小的差異性[11]，因此，在構建水安全格局的評價體系中應當結合地域實際特征進行開展，因地制宜選取最適指標，制定最適評價標準，構建最適評價體系。

(2)增強評價體系深度。根據研究尺度不同，對評價體系進行進一步的細分，而不是以同一套評價體系及指標對不同尺度無差別進行分析，會影響評價結果準確性。接下來的研究可以進行不同尺度的水安全格局評價，以找出對應不同研究尺度的最適評價體系。

(3)加強多學科交叉，拓展研究廣度。從WOS核心合集數據庫中得到啟示，可以結合其他學科的新興技術手段來增強研究的廣度，彌補傳統研究方法在時間、空間尺度研究上的缺陷，增強研究可預測性，使得研究可以更好地服務于決策管理，促進可持續協調發展。