雨水利用研究進展及熱點分析

侯 雷

（湖北文理學院資源環境與旅游學院，湖北襄陽 441053）

人口增長和社會經濟的快速發展，使得水資源需求量不斷增加，并且伴隨著城鎮化進程的推進，下墊面性質發生明顯變化，徑流系數的增大及徑流污染問題的出現，使得城市防洪及水環境治理的壓力明顯增加[1]。同時由于水資源時空分布不均，降雨與作物生育期需水在時間上難以保持一致，對農業生產也造成一定影響[2]。降雨是自然界水循環的重要環節，也是淡水資源的重要來源之一，雨水的資源化利用，可為應對水資源短缺、水環境污染、城市內澇等問題提供有效解決辦法。

文獻計量學以各類文獻為研究對象，運用數學和計算機統計方法，對學科發展歷程、研究熱點、前沿動態等進行全面、客觀的定量分析[3-4]。CiteSpace軟件因其極強的文獻計量統計和知識圖譜可視化功能，已被廣泛應用到諸多學科領域，該軟件側重于對學科研究的演變趨勢、動態發展規律及知識結構關系進行探究[5]。雖然目前已有針對雨水利用的理論研究[6-7]，但仍缺乏從文獻計量分析角度對該領域文獻進行的梳理，對該領域的知識演變特征及研究熱點的認識有待進一步完善。因此，本文基于文獻計量學對國內雨水利用研究進行系統整理和分析，從而明晰該領域研究的發展脈絡和熱點方向，為雨水利用的深入探索提供理論參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文數據來源于中國知網（CNKI）數據庫，檢索主題設置為“雨水利用”，檢索數據庫包括EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI 及CSCD 數據庫。通過對1994—2022 年的文獻進行高級檢索，共檢索出885 篇文獻，經進一步的篩選和整理得到有效文獻共860 篇。

1.2 研究方法

CiteSpace 軟件可用于科研文獻的可視化分析，能夠展示特定學科領域的知識結構，較為直觀地表現知識演化過程和研究熱點[8]。本文在文獻整理的基礎上，利用CiteSpace 軟件對文獻的關鍵信息進行提取和分析，主要從關鍵詞共現網絡分析、突現詞及關鍵詞聚類分析3個方面探究雨水利用的知識演化路徑和研究熱點。

2 結果與分析

2.1 關鍵詞共現網絡分析

由于文獻中的關鍵詞具有繼承性和延展性，能夠反映出文章的研究內容與核心主題[9]，因此本文主要對關鍵詞進行統計和分析，繪制雨水利用關鍵詞共現知識圖譜（圖1），圖譜中節點的大小代表關鍵詞出現的頻次，圖中共有607個節點，連接線有1 020 條，網絡密度為0.005 5。由圖1 可知，該研究領域的關鍵詞根據出現的頻率由高到低依次為“雨水利用”“雨水資源”“雨水”“海綿城市”“水資源”等，反映出該領域研究主要集中在雨水的資源化利用方面。

圖1 雨水利用研究關鍵詞共現知識圖譜

節點中心性反映了節點在整體網絡中所起連接作用的大小，中心性越高，其影響力和重要程度越大[10]。因此可進一步對關鍵詞的中心性進行分析（表1），其中“雨水利用”“海綿城市”和“雨水資源”關鍵詞節點的中心性較高，并與周圍節點的連結線較為密集，形成了較強凝聚力的研究網絡，其中心性分別為0.82、0.15 和0.13，說明這些領域是研究的中心與重點。

表1 雨水利用研究關鍵詞統計

2.2 研究主題演進分析

在文獻分析中，關鍵詞在某個階段突然的增加反映了一定時期內研究熱點的轉變，即出現了新的熱點研究主題，因此可對雨水利用突現詞進行分析，從時間維度探究不同時期的研究熱點及知識演進過程[11]。由圖2可知，關鍵詞突現時間最長的是“雨水集蓄”，表明圍繞該主題的研究持續范圍較長，關鍵詞突現強度最高的是“海綿城市”，反映出與該詞有關的研究主題關注度較高。隨著研究內容的廣度和深度不斷增強，更多的研究熱點出現，根據1994—2022年研究主題的時序變化特征，可將雨水利用的研究可分為3個階段。

圖2 雨水利用文獻關鍵詞突現信息

第一個階段為初期探索階段（1994—2007 年），通過對雨水利用相關理論及應用的探索，形成了基礎的研究體系和框架。該階段文獻分析的突現詞包括“雨水集蓄”“黃土高原”“節水灌溉”“雨水資源”和“雨水利用”，由此可知，雨水利用研究初期關注重點是雨水的集蓄利用。雨水集蓄是雨水開發利用的基礎，即從集雨區收集雨水徑流，并將其送入蓄水設施中加以貯存[12]。而保證整個雨水集蓄利用技術體系獲得最大效益的關鍵環節則是高效、經濟合理地利用雨水[13]。農業利用是該階段雨水利用研究的主要側重點，從研究區域來看，前期的研究較多集中在黃土高原地區，嚴重的水土流失及干旱是該區域農業生產的主要限制因素，為滿足人口增長和社會發展的需求，實現地區生態環境改善及農業可持續發展，雨水集蓄利用成為黃土高原地區改善生態環境和提高生產力的重要方式[14-15]。對于以集雨農業為主的地區，可通過分析天然降水的時空分布規律及作物不同生長期需水量的差異，選擇適當時段補充灌溉，從而實現雨水的高效利用[16]。同時，該階段的研究對象也從單一集雨工程或集雨設施向雨水集蓄利用系統及技術體系的研究擴展[17]。

第二階段為快速發展階段（2008—2014 年），該時期擴展了雨水利用研究的范圍，形成了更加豐富的研究成果。通過突現關鍵詞可知，該階段的研究重點圍繞城市雨水徑流污染、雨水利用效益、屋面雨水、綠色建筑及初期雨水等主題展開。從研究的側重點來看，逐漸由雨水數量的研究轉向雨水質量的研究，而研究區域也更加趨向于城市區域，研究趨勢的轉變主要與城市化進程的不斷加快關系密切。城市化不僅影響水文循環過程，同時還伴隨有徑流污染問題的出現[18]。屋面雨水和初期雨水徑流污染是該階段開展雨水徑流污染研究的主要方面[19-20]。同時為進一步加強雨水利用效率，提高城市雨水利用的建設質量和管理水平，該階段的研究也更加關注雨水利用效益的分析與評價[21]。

第三個階段為穩定發展階段（2015—2022 年），該時期主要圍繞海綿城市建設展開研究。為更好地協調城市化建設和水生態環境的關系，避免雨水資源的浪費，有效應對城市中的雨洪內澇、雨水徑流污染、水資源匱乏等問題，海綿城市的建設為解決這些問題提供了新的思路[22-23]。自2014年10月起，隨著《海綿城市建設技術指南》發布以及海綿城市試點建設工作的啟動，國內海綿城市建設受到更加廣泛關注，進一步推動了相關研究的開展[24]。

2.3 研究熱點分析

通過對關鍵詞進行聚類分析，采用時間線圖反映聚類之間的關系及不同聚類中各文獻的時間跨度[25]，該領域的研究可歸納為12 類（圖3），并根據研究主題的發展及相關性，可將國內雨水利用的研究熱點總結為4 個方面，即雨水收集與利用、雨水資源利用效益與潛力、雨水徑流污染和海綿城市建設。

圖3 雨水利用研究關鍵詞時間線

2.3.1 雨水收集與利用 雨水收集與利用研究主題包括聚類#0、#1、#3、#6、#7、#10。降雨是水循環的重要環節，雨水利用在我國有著較長的歷史[26]。早期雨水集蓄利用的研究主要圍繞干旱和半干旱地區的農業灌溉展開，在具體應用方面，通過收集雨水徑流，并對作物灌溉需水量和灌溉制度進行分析，合理選擇溝灌、噴灌、滴灌、注灌和滲灌等方式，并結合作物需水關鍵期和土壤水分嚴重缺水期進行有效補灌[27]。雨水既是保障農業生產的必要條件，也是影響城市可持續發展的重要因素。隨著城市化的快速推進，建成區下墊面不透水面積顯著增加，導致地表徑流系數較大，加大了城市防洪排水壓力和洪澇風險[28]。為有效應對城市雨洪問題，在城市雨水利用中，可通過人工或自然水體，包括池塘、濕地或低洼地等對雨水徑流實施調蓄、凈化和利用[29]。基于此，一些學者圍繞城市雨水利用工程或技術展開研究，如張書函等[30]對城市雨水利用工程的關鍵技術進行探究，主要從設計降雨、雨水池容積、溢流堰頂標高、下滲設施規模和透水地面結構等方面進行了探討。

屋面、道路和綠地是城市雨水利用的重點研究對象，屋頂綠化通過基質的吸附作用、基質空隙的阻攔和蓄積作用、植被吸收和蒸騰作用等方式對雨水進行遲滯和蓄積，不僅具有改善生態環境、拓展綠化空間、提高屋頂隔熱效果等功能，還可以截留雨水，并將凈化后的雨水存入蓄水池循環利用[31]。已有研究表明屋頂綠化的雨水滯留率為44%～49%[32]，洪峰徑流削減可達44.2%[33]。為進一步強化屋面雨水利用技術的應用研究，戎貴文等[34]提出了重力流雨水過程自動棄流與收集、雨水智能潔凈收集、涵養地下水等屋面雨水源頭調控技術。道路既是城市的重要組成部分，又受到雨水徑流的直接影響，一些學者從措施布設方面對道路雨水的收集利用情況進行了探究。已有研究表明，生物滯留帶的建設及透水磚的鋪設均能提高雨水的收集利用效率[35]。城市綠地作為城市區域綠色空間，也為雨水的集蓄利用提供條件，通過綠地進行雨水滲透，不僅滿足綠地的生態需水，補給地下水，同時能起到雨水凈化的作用[36]。隨著研究的深入，城市雨水利用的研究也擴展到對雨水利用系統的研究。雨水利用系統是由多因子構成的復合系統，不同因子的相互關系及作用也反映了雨水資源利用的整體狀態[37]，降雨量時空分布的差異，也會較大程度地影響雨水利用系統運行的效率[38]，因此優化雨水利用系統有利于實現雨水的高效利用，陳如梁等[39]通過對雨水回收再利用方案的改進，提出了適用于我國南方住宅建筑的雨水集蓄利用系統。

2.3.2 雨水資源利用效益與潛力 雨水資源利用效益與潛力研究主題包括聚類#4、#5、#8、#13，雨水作為重要的水資源，既能夠為社會發展帶來效益，又具有一定的利用潛力，雨水資源化利用能夠有效緩解水資源短缺問題，同時可降低城市排水系統負荷，減少水體污染[40]。因此，在雨水利用效益和雨水資源化潛力的分析和評價方面，一些學者結合不同的指標和方法進行了相關探索。李美娟等[41]對城市雨水利用效益評價指標體系進行了系統分析，并通過多層次半結構模糊決策法對雨水集蓄利用效益進行綜合評價。舒安平等[42]從雨水措施集蓄、入滲、利用水量計算和雨水措施成本—效益分析兩方面建立了城市雨水措施評估體系。而針對雨水資源利用潛力的評價研究，主要采用評估模型和數理統計方法。孟凡香等[43]引入SWAT 分布式水文模型，提出了相應的雨水資源化潛力計算模型。馬瑾瑾等[44]利用層次分析法與模糊綜合評價法對雨水資源的利用潛力進行評價。

2.3.3 雨水徑流污染 雨水徑流污染研究主題主要為聚類#9，城市雨水徑流不僅會沖刷下墊面，同時也會使得營養鹽、重金屬、懸浮固體等進入水體，形成非點源污染，給城市水體污染防治帶來壓力[45]。城市雨水徑流污染的防治主要圍繞屋面雨水和道路雨水徑流污染展開，例如宮永偉等[46]探究了5 種簡單式綠色屋頂對屋面雨水徑流的影響規律。馮萃敏等[47]等探究了道路雨水徑流中典型污染物質量濃度變化規律及徑流水質污染指標相關性。同時，徑流污染模型的研究也得到不斷發展和應用，王寶山等[48]探究了不透水表面雨水徑流污染物沖刷規律，通過建立徑流污染物沖刷模型對雨水徑流污染物沖刷進行了模擬。還有學者針對不同模型的適用性進行了評價，吳春篤等[49]基于污染物累積和沖刷過程建立的6 種雨水徑流污染模型，針對其在道路雨水徑流污染模擬方面的適用性進行了探討。同時，在雨水徑流污染研究中，由于初期雨水徑流污染的污染物成分復雜且污染源空間分布廣泛，給污染物治理帶來巨大挑戰[50]，所以初期雨水也受到學者的廣泛關注，并從城市下墊面特性、土壤本底條件、排水設施等影響因素方面展開了研究[51]。

2.3.4 海綿城市建設 海綿城市建設研究主題主要為聚類#2，海綿城市的建設突破了傳統“以排為主”的城市雨水管理理念，充分考慮城市基礎設施運行安全和城市水安全，根據水文條件和規劃指標的差異性，綜合運用工程與非工程措施，實現雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、用、排”[52]。從理論發展來看，車伍等[53]對海綿城市的基本概念、內涵及低影響開發雨水系統與海綿城市的關系進行了重點闡述，俞孔堅等[54]詳細闡述了海綿城市概念的源起、發展、內涵和構建方法體系，為海綿城市的建設提供了理論支撐。在應用研究上，海綿城市的研究主要包括城市雨洪調蓄、低影響開發技術、海綿城市建設效果分析及效益評價等，例如陳秋伶等[55]基于SWMM 模型對不同尺度海綿系統雨洪控制措施的合理設置及綜合控制目標進行系統性實例研究。低影響開發是海綿城市核心技術體系的重要組成部分，研究表明低影響開發（LID）控制措施能有效削減洪峰及徑流總量達40%[56]。常見的低影響開發工程措施包括植草溝、透水鋪裝、綠色屋頂、生物滯留池、雨水濕地系統、下凹式綠地，因此最優的LID 措施組合的雨洪控制效果也受到學者的關注[57]。同時一些學者也從海綿城市單一效益及綜合效益方面進行了評價[58-59]，為進一步推進海綿城市建設提供參考。

3 結論及展望

本文通過利用CiteSpace 軟件對1994—2022 年雨水利用研究的相關文獻進行分析，并深入探究該領域的發展歷程、研究熱點及前沿動態，得到的主要結論如下。

（1）根據關鍵詞共現網絡分析可知，雨水利用研究領域的關鍵詞包括“雨水利用”“雨水資源”“雨水”“海綿城市”“水資源”等，其中“雨水利用”“雨水資源”“海綿城市”作為高頻關鍵詞，中心性分別為0.82、0.15和0.13。

（2）1994—2022 年國內雨水利用研究主要分為3個階段，即初步探索階段、快速發展階段和穩定發展階段，不同階段研究的側重點分別為農業雨水利用、城市雨水利用和海綿城市建設。

（3）通過聚類分析，可將雨水利用研究歸納為12類，總體可總結為4個方面，分別為雨水收集與利用、雨水利用潛力及效益、雨水徑流污染和海綿城市。

今后對于雨水利用的研究可進一步加強氣象學、土壤學、植物學、經濟學、管理學等跨學科知識的運用，優化雨水收集、利用和管理方式，逐步完善雨水利用研究體系。在研究尺度上，通過探究不同尺度條件下的雨水高效利用方式，深入探索不同尺度雨水利用特征及轉換規律。在雨水利用效益及潛力評價等方面，可加強評價體系建立及評價模型應用方面的研究。同時從雨水徑流污染的成因、遷移規律、污染負荷等方面探索徑流污染治理體系研究，從而實現雨水資源的可持續利用。