基于文獻計量學與可視化分析的國際河流研究綜述

羅 含 敏,陸 穎,2*,楊 燕 平,袁 旭

(1.云南大學國際河流與生態安全研究院,云南 昆明 650500;2.云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室,云南 昆明 650091;3.云南省生態環境科學研究院,云南 昆明 650034)

0 引言

國際河流是指流經或分隔兩個或多個國家的河流,其中前者為跨國河流,后者為國際界河[1]。2019年跨界淡水資源爭端數據庫(TFDD)統計的國際河流有310條,涉及150個國家,流域面積占地球表面積的47.1%,居住著世界52%的人口[2]。國際河流作為淡水系統的重要組成,是支撐全球經濟發展的重要資源,也是構建“水安全命運共同體”的重要合作實踐。隨著氣候變化影響加劇、經濟社會發展和人口持續增長,水資源供需矛盾日益突出,國際河流正面臨著域內國家水資源分配沖突加劇[3,4]、跨境水污染日趨加重[5]、河口區土壤鹽漬化、濕地退化和海水入侵等跨境生態負面影響加劇[6,7]、界河國土變動[8]等問題,由此引發的水政治關系也越發敏感。在全球化趨勢與地緣政治經濟合作不斷加強的影響下,國際河流研究既是維護水域生態系統健康的保證,也是促進區域經濟發展和鄰國友好關系的重要基礎。

在水資源緊缺背景下,聯合國頒布了許多跨境流域開發、利用、管理等區域性公約,為國際河流的保護與利用提供了一套普適方法[9]。隨著氣候變化影響加劇和水資源日益短缺,Chenoweth等模擬了21世紀氣候變化對中東地區可再生水資源的影響,揭示了水資源短缺地區水資源管理的潛在風險[10];Altenburger等提出化學混合物是水質監測的重點,應使用標準化的協議和方法監測和管理國際河流水環境[11];何大明等對中國國際河流的分布、研究進展、問題和挑戰進行梳理,提出國際河流合理開發和互利共享理論,并圍繞跨境水資源科學調控與利益共享體系提出研究展望[8,12];Mccracken等建立跨界淡水資源爭端數據庫(TFDD)對全球跨界水沖突及合作進行時空統計,為國際河流的定量分析提供了重要數據來源[2]。綜上,國際河流研究已取得一定成果,但缺乏有關定量分析和演進脈絡特征的總結,因此,本文運用VOSviewer、CiteSpace可視化軟件對國際河流文獻進行圖譜可視化,梳理國際河流領域的網絡脈絡和交叉關系,探究國際河流研究現狀、發展特征、演進趨勢和前沿問題,從整體上把握研究新動向,為國際河流研究提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

選擇Web of Science-Science Citation Index Expanded(WOS-SCIE)作為數據源,因該數據庫最早的研究成果發布于1978年,實際檢索時間為1978—2021年。考慮到文獻檢索的完整性與準確性,以TS=(("international" OR "transboundary") AND ("river*" OR "watershed*" OR "basin*" OR "lake*"))為檢索詞進行高級檢索,最終整理出12 707篇文獻作為分析樣本。

1.2 研究工具與方法

VOSviewer和CiteSpace是可視化的常用軟件,可進行關鍵詞、作者和機構等共現分析。秦建華等對比兩款軟件功能后發現,VOSviewer主要應用于信息計量學圖譜研究,CiteSpace可運用于知識前沿研究[13];付健等研究表明,進行演進規律和知識前沿研究時可以選擇CiteSpace軟件,進行主題關系研究時可以選擇VOSviewer軟件,進行訴求和方向研究時可兩款軟件結合使用[14]。總體而言,VOSviewer軟件操作更簡單,但難以滿足前沿、演進歷程等個性化分析需求,CiteSpace軟件可根據研究需求進行發展趨勢等個性化分析[15,16]。因此,本文首先采用VOSviewer進行社會網絡共現研究,梳理該領域知識的演進歷程,了解國際河流演進脈絡和發展特征;然后運用CiteSpace繪制關鍵詞時間區域圖譜與關鍵詞突現圖,解讀節點規律性信息,總結國際河流發展趨勢并對未來研究熱點進行分析和預測。

2 國際河流演進過程與特征分析

2.1 階段性與研究方向分析

由圖1可知,國際河流研究主要從環境科學角度研究富營養化和重金屬污染[17,18],從水資源角度研究水資源脆弱性及管理對策、水電開發與氣候變化對水體理化環境的影響[19-21],從地質學角度研究跨境河流地貌與地質構造[22],從淡水海洋生物學角度研究水電建設與水體富營養化對種群變化、群落結構、水生生態系統演化的影響[23],其中環境科學類文獻最多,其次為水資源類。隨著國際社會對國際河流的關注度逐漸提升,科研成果已由單一的人文科學向自然科學及綜合科學轉變,國際河流研究的多學科、跨領域、多維度特征日益顯現,多以環境科學、水文學等學科為指導,研究氣候變化與人類活動對國際河流徑流、生態系統的影響以及跨區域合作管理等。本文根據國際河流研究發文量(圖2)將國際河流研究分為萌芽、奠基和發展3個階段。

圖1 1978—2021年國際河流研究方向

圖2 1978—2021年國際河流研究發文量

1)萌芽階段(1978—1990年)。該階段發文量較少,年均發文量低于10篇,全球焦點集中于經濟發展,對國際河流的關注度較低,重大污染事件發生后政界和學界才開始關注國際河流。該階段主要進行國際河流社會治理研究,從法律制度研究跨界河流的主權界定、污染責任劃分和水權分配[24,25],研究區域多為歐洲,側重于萊茵河和多瑙河的研究。19世紀末因歐盟沿岸各國航道標準不同,常面臨著航運路線不能直達、河道頻繁變遷等困難局面,后來域內國陸續簽訂條約并建立管理體制,使水環境、航道污染與資源管理成為研究熱點[26]。多瑙河嚴重的水污染和水電開發導致生態破壞問題,亟須高效的跨境流域協調管理機制,在此背景下Linnerooth提出域內國可通過雙邊、多邊談判開展合作,并討論了中立協調員在談判中的作用[27],該文被引量為24,表明國際河流合作管理機制在社會科學領域具有一定的啟示意義。

2)奠基階段(1991—2010年)。隨著污染事件頻發和歐盟國際河流管理機制逐漸完善,各國在已有研究成果基礎上加以創新和改進[28],致使該階段發文量快速增長,年均發文量在100篇左右。隨著經濟增長與嚴重污染事件頻發,水危機成為全球性問題,許多國家跨境水資源爭端愈演愈烈,因此萌芽階段的水權分配、資源管理、水環境等社會治理研究得以延續[9]。1992年聯合國召開的環境與發展會議對環境生態、經濟社會可持續發展提出更高要求,有關國際河流生態系統和生物多樣性的可持續發展備受重視[8];此外,氣候變化及響應下水環境、水文和生態系統多樣性等也成為研究熱點。總體而言,奠基階段研究地域范圍更寬廣,研究視野由體制相對完善的發達國家國際河流拓展至新興經濟體國家;研究方向明顯增多,涉及法律、生態環境、資源管理、水文和地質構造等;研究方法更多樣化,水文模型(SWAT、Mike等)、跨界沖突的集體合作與利益再分配模型(MCCRB等)受到廣泛關注,3S技術(GPS、RS、GIS)為國際河流地緣政治風險評估、建模、數據管理等帶來新機遇[29-32]。Middelkoop等[33]運用WaSiM-ETH、IRMB、Saar、Vecht和RHINEFLOW模型對萊茵河不同地形流域進行降雨—徑流模擬,以研究氣候變化對水文因子的影響,文章被引頻次為419,表明模型模擬受到科研工作者的認可與關注。印度和巴基斯坦關于印度河的水資源博弈表明,水源競爭、水電開發、流域國家間社會價值觀的差異和權力斗爭等因素在一定程度上提升了國際河流的關注度[34,35],利用模型探究氣候變化與水利工程對流域理化性質的影響[36,37]以及跨境河流生態系統變化和可持續發展[38]成為該階段新熱點。此外,約旦河流域黎巴嫩與以色列的摩擦表明,領土爭端、發展需求差異、歷史遺留問題和地緣權力關系等均可能引發流域國家間的矛盾沖突[34],使跨境河流的合作與管理機制研究得以延續[39]。

3)發展階段(2011—2021年)。該階段年均發文量在400篇以上,呈爆發式增長。主要原因為:①國際河流受到高度重視,各國加速開發與利用國際河流,產出大量科研成果[40];②國際河流研究得到深度挖掘,有機質、痕量元素、生境等新興研究開始涌現[41];③國際河流研究開始與國家戰略、國際輿論和地緣博弈密切結合[31]。此外,域內國間難以實現觀測數據共享,使模型成為國際河流研究的關鍵方法,該階段有關模型的成果共520篇,貫穿于資源管理、水環境與水文學等領域[42-44],如Gassman等[45]總結了SWAT模型可用于水文基礎、沉積物運輸和路徑分析、農藥和營養物運輸以及情景分析四方面,文章被引頻次為283。此后,許多學者運用SWAT模型進行水電開發和運營情景下徑流模擬、氣候響應下的水文效應、水質模擬等研究[46-50]。

2.2 作者共現網絡分析

通過VOSviewer軟件,以最低4篇發文量為篩選條件,繪制出國際河流研究的作者共現網絡圖譜(圖3)。從圖3可以看出,各節點雖已形成緊密的合作網絡,但作者布局較分散,節點間連線較稀疏,具體表現為:隸屬于同一機構的作者合作較緊密,缺乏跨地域、跨學科的合作。Somlyody在奠基階段發文量較多,Santosh、He、Wolf等在發展階段發文量較多。Somlyody致力于歐洲水質管理與監測研究,強調水質管理優化模型在污染控制、監測規范和可持續發展等方面具有重要作用,并討論了水質管理優化模型在實際運用中的阻礙因素[51,52];He是中國較早致力于國際河流研究的學者之一,主要探究中國西南地區國際河流的水文生態變化歸因及跨境影響、水資源分配與利益共享、水安全與生態安全等,為中國西南地區水電開發與決策提供參考[1,53];Mccracken等構建跨界淡水資源爭端數據庫(TFDD),并對全球跨界水沖突及合作進行時空統計,對水資源管理具有重要意義,也為國際河流的定量分析提供了重要數據來源[2]。近7年地球科學領域的高被引學者為Santosh,主要利用礦物元素、同位素原理研究板塊構造與地球演化歷史,討論大陸、海洋的形成機理[54]。對圖3中作者深入挖掘,總結各自研究領域(表1),可以看出,近10年學界關于地質構造及演化規律、跨境河流水環境監測與模擬等領域討論較多,圍繞跨境河流水利工程建設背景下的水動力學研究、跨境生態風險調控與水資源分配管理機制研究也備受關注。

表1 關鍵學者及其研究方向

圖3 1978—2021年作者共現網絡

2.3 國家和機構共現網絡分析

運用VOSviewer繪制國家和機構共現圖譜(圖4、圖5),圖中節點大小表示發文量,連線粗細表示合作的緊密程度[55]。可以看出:歐洲各國、美國和中國發文量較多,西方國家國際河流研究早于中國;各機構間合作多以地理位置為紐帶,影響地緣合作的關鍵因素是國家利益、文化需求和內部政治需求。

圖4 1978—2021年機構共現圖

圖5 1978—2021年國家共現圖

美國學者早期為應對能源危機和水危機,進行國際河流資源開發管理、污染治理研究。20世紀80年代后“拆壩運動”促使以美國地質調查局(US Geological Survey)為中心的科研機構關注拆壩對河流生態系統及生物多樣性的影響,并開展了水文[56]、生物多樣性保護和生態安全[57]等研究。中國學者在水利水電、水文水資源學、跨界合作與管理等領域投入時間早,隨著國際河流關注度不斷提升,在跨境資源管理、地質構造、法學等方面也取得了可觀的成果,如中國科學院(Chinese Academy of Sciences)基于中國三大國際河流區(西北、西南、東北)進行資源管理[58]、水生態[59]和水文[60]研究,北京師范大學團隊基于水文水資源知識開發了國際河流生態水文學模型,清華大學團隊在國際河流泥沙運動研究中取得了顯著成果,云南大學團隊基于綜合社會科學,立足于東南亞國際河流,開展跨界水資源合作與管理[61]、氣候變化與梯級大壩建設對水文因子影響[62]、跨界污染評估[63]等研究,但存在衡量指標模糊等局限性[64]。

值得注意的是,美國與跨州國家具有緊密合作,這與美國雄厚的科研實力以及強調域外國家和國際組織對國際河流水資源合作的重要性有關,如在瀾滄江—湄公河流域合作中,美國通過聯合更多的域外國家和國際組織進一步加強與湄公河國家在水資源、氣候和能源等方面的區域合作。除多瑙河、萊茵河以外,湄公河于2015年成立了瀾滄江—湄公河合作機制,其他國際河流域多缺乏有效、多邊、綜合的合作機制,如中國與周邊國家形成的跨境河流組織有中俄跨界水體水質聯合監測委員會、中哈環保合作委員會、新湄公河委員會等,但與部分南亞國家仍未形成較健全的流域管理機制。

3 國際河流研究熱點與新興趨勢

3.1 國際河流研究熱點

運用CiteSpace軟件對1991—2021年的文獻關鍵詞進行突發性探測,據此預測一些關鍵領域在未來是否具有延續爆發的趨勢。結果顯示,國際河流研究領域呈現從宏觀到微觀、單一到復雜的歷史進程(圖6),紅色區域為關鍵詞爆發的持續時間。1991—2021年持續時間最長的關鍵詞為"ecology""trace metal""water environment"和"pesticide",表明國際河流的重金屬污染與治理[65]、水體富營養化[66]、魚類種群與群落結構變化[67]長期受到關注。為探究多瑙河流域重金屬遷移規律,Bird等分析了下游水域和沉積物中重金屬濃度,發現沉積物中重金屬的擴散范圍更大[68]。奠基階段的突現關鍵詞占比最大、持續時間較長且與發展階段的關鍵詞銜接較緊密,表明發展階段的多數研究是基于奠基階段的成果展開,奠基階段的文獻具有極大的影響力且研究內容具有傳承性。"risk""framework"和"governance"為突現持續至今的關鍵詞,表明跨境生態風險評估與補償[69]、跨區域合作管理[70]備受關注,也是日后值得重點關注的方向。Sindico等基于2002—2017年瓜拉尼跨境含水層合作軌跡,提出未來流域國間應以前期合作產生的成果為基礎開展合作[71]。

圖6 1991—2021年關鍵詞突發探測

3.2 新興趨勢

為直觀了解國際河流研究主題隨時間的變化情況,運用CiteSpace繪制關鍵詞時區圖以分析各時區關鍵詞的演進歷程(圖7),可以看出,"climate change""water environment""management""model"具有較大的節點且持續時間較長,表明氣候變化對國際河流水環境的影響及其模型預測以及管理探索是近30年的研究熱點。2013—2021年文獻關鍵詞共現結果顯示,近10年學界關于國際河流沖突與合作、大壩建設及水庫運行的跨境風險等研究的討論日益突出。值得關注的是,隨著新興經濟體國家的發展與壯大,各國為應對旱澇災害、滿足日益增長的水資源需求等目的而規劃建設大量水利工程,圍繞國際河流水利工程建設背景下的跨境水安全風險調控等問題逐步成為國際河流研究的前沿方向[72,73]。何大明等以瀾滄江—湄公河流域為案例并兼顧其他國際河流,基于“信息融合—主權界定—模型模擬—信息集成—綜合運用”技術探究國際河流水電開發導致的跨境生態風險評估與補償、水文過程變化歸因及跨境影響[12,74,75]。此外,面對跨境水沖突加劇的風險,在全球變化影響下建立國際河流水資源分配與管理體系、水資源協調與保障機制等也備受關注[76,77]。Li等基于水文模型、優化模型和合作博弈理論等方法,分析不同情景下瀾滄江—湄公河流域利益相關者的水資源效益,以探尋有效的水資源協調、保障方案[78]。綜上,國內外在國際河流水電開發導致的跨境生態風險評估與補償、水文過程變化歸因、水資源分配與管理等方面已形成了基本完整的研究體系并取得一定成果[79-81]。

圖7 1988—2021年關鍵詞共現網絡時區

4 結論與展望

4.1 結論

本文基于WOS-SCIE數據庫,運用VOSviewer、CiteSpace可視化工具,對國際河流研究成果進行圖譜可視化,梳理其研究特點和演進脈絡,得到以下結論:①從研究主題和研究階段看,早期研究多集中于發達國家國際河流的社會治理研究。隨著新興經濟體國家對水資源的迫切需求,研究視野逐漸由體制完善的發達國家拓展至新興經濟體國家,在生物多樣性保護、氣候變化與人類活動對國際河流理化環境影響、生態系統和跨區域可持續性開發和管理等方面有了更深認識。②從研究理論看,前期國際河流研究多基于單一學科理論與方法,隨著科技進步,模型、遙感等交叉方法成為國際河流研究的關鍵技術,多學科方法融合貫穿于資源管理、水環境和水文學等研究。③從研究社會網絡關系看,國際河流的研究實力逐步壯大。作者團體跨學科、跨機構、跨地域的合作仍較缺乏;各機構合作多以地理位置為紐帶,影響地緣合作的關鍵因素有國家利益、文化需求以及內部政治需求;部分國際河流研究由域外國主導,域內國參與度較低,導致域內國難以在關鍵問題上達成有效共識。④從研究趨勢看,隨著新興經濟體國家的迅速崛起,跨界資源管理再次成為研究議題,此外,水電建設對流域水文因子、生態環境的影響也是研究熱點。

4.2 展望

區別于境內河流,國際河流作為特殊河流系統,受國際政治及地緣關系影響,其研究敏感且備受關注。雖然近年圍繞國際河流開展的基礎性研究逐步增多,研究體系日趨完善,但受跨界流域觀測數據缺失、標準不統一、跨境信息分享機制不健全等影響,部分跨境流域在全流域尺度仍缺乏整體認知。隨著人工智能、大數據技術體系日趨成熟,基于開源遙感的空間信息挖掘或將成為解決國際河流信息瓶頸的關鍵技術,為未來提升跨境流域水資源本底的整體認知提供有效途徑。特別是針對跨境含水層研究等薄弱環節,基于重力衛星等技術備受關注。

當前國際河流綜合研究由關注水資源本底及變化趨勢的單一維度,逐步轉變為以“水—能源—糧食”多維度視角的復雜系統耦合,然而氣候變化、水電開發、國際航道建設等諸多干擾因素驅動下,由水文過程變化引發的水域生態系統受損、生物多樣性降低、生物入侵等跨境生態安全問題不斷涌現,因此,發揮地理學、生態學和地緣政治學等多學科與多維度優勢,探究氣候變化與人類活動對國際河流理化環境因子的影響,開展生態系統風險評估、跨境區域合作與管理、“水—能源—糧食—生態”關聯研究,進而探討全流域尺度多目標生態安全調控及跨境生態安全補償機制是未來國際河流研究不可忽視的一環。此外,現行國際河流管理是以國際水法為基礎,以多國構建的協商管理機構為輔,缺乏針對不同國情的國際河流管理體系,隨著各國國情、發展程度與用水需求的差異,未來需因地制宜地提出跨境河流管理治理的建議和措施,進一步完善國際河流利益共享理論體系、跨境生態系統風險評估體系,切實保證公平合理的跨境河流水權益分配。