基于CiteSpace的SWAT模型国内应用现状与发展趋势分析

郭 伟，陈兴伟，2，3*，林炳青，2，3

(1.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007；2.福建省 陆地灾害监测评估工程技术研究中心，福建 福州 350007；3.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350007)

0 引言

CiteSpace是由美国德雷塞尔大学信息科学与技术学院的华人陈超美博士于2004年开发的一款文献统计的可视化软件[1]。2007年首次引入中国，适用于分析综合性学科的知识脉络，能够将文献之间的关系以科学知识图谱的方式可视化的展现，帮助梳理学科过去的研究轨迹，也能识别未来的研究前景。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美国农业部(USDA)的农业研究中心1994年开发的基于物理机制的分布式水文模型。最初主要应用于预测大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响[2]。SWAT模型在中国的应用已经走过了近20年历史，目前仍然是分布式水文模型中应用最广泛的模型之一。目前已有研究从统计计量的角度对SWAT模型在中国的发展变化进行整体分析[3]，但是基本上是定量的描述，缺乏对模型研究成果的综述。为了更为全面地了解近20年来SWAT模型在中国的研究与应用，采用文献计量分析软件CiteSpace，用定量与定性相结合的方式，首先通过对中文发表的关于SWAT模型论文的统计分析，对SWAT模型在中国的应用进程进行全面的解读，识别研究热点，在此基础上，对文献进行追踪及综合整理，对研究热点的成果进行分析与综述，以期进一步理清SWAT模型的发展脉络与研究现状，为SWAT模型在中国的进一步发展提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

期刊是研究文献的基础性平台[4]。中国知网作为中国文献覆盖率广泛，内容丰富的文献检索平台，收纳有中国各种期刊有关于“SWAT模型”为研究内容的几乎全部的文献。由于学位论文的重要成果一般都会以期刊论文的形式发表，故本文在数据收集时只考虑期刊论文。在知网高级搜索模块输入主题“SWAT模型”，并选择“期刊论文”，检索到最早以SWAT模型为研究内容的期刊论文发表于2003年。检索到共计976条相关文献，手动去除其中不可用于分析的会议文献及暂不考虑的英文文献76条，得到2003～2018年共计930条文献资料。

1.2 分析方法

通过CNKI高级搜索功能，按发表年度进行分类，得到历年文献数据，能够简洁清晰地呈现发文量的历史变化。

CiteSpace是2004年开发并不断更新的基于JAVA的计量和分析科学文献数据的信息可视化软件。运用CiteSpace工具，时期为2003～2018年，将时间切片设置为1年，术语来源选标题、摘要、著者关键词、关键词扩展，阈值设置为TOP50。2003～2018年数据较多，网络裁剪方式选择Pathfinder、Pruning Sliced networks。对文献进行研究机构、发文作者、关键词共现网络分析。此外对一些同义关键词予以合并处理，如SWAT与SWAT模型、非点源与非点源污染、径流与径流模拟等。

在文献追踪及综合整理的基础上，对研究热点的成果进行分析与综述。

2 结果分析

2.1 发文数量时间特征

发文数量及其发表年份可反映研究成果的动态变化，对检索的结果进行统计绘图(图1)。图1表明，中国关于SWAT模型的研究始于2003年且在2007年以前发文量总计不超过50篇。从2007年开始一直到2016年，发文量整体呈上升趋势。2016年以后一直到2018年，发文量有所下降。故将SWAT模型在中国的发展分为初步发展(2003～2006年)，繁荣发展(2007～2016年)，相对稳定(2017年～目前)等3个阶段。

图1 中国SWAT模型研究发文量Fig.1 The number of published papers of SWAT model in China

对中国水文学领域的重点期刊，如地理学报、水利学报、水科学进展、生态学报、自然资源学报等，以SWAT模型为研究内容的文献数量进行统计(图2)。图2中显示，重点期刊发文数量的变化趋势与SWAT模型在中国发展的3个阶段基本一致，经历了上升、稳定、下降的变化。

图2 重要学术期刊有关SWAT模型的发文量变化图Fig.2 The number of published papers about key academic journals of SWAT model

2.2 研究机构分析

通过对发文机构的整合，结果见图3。可以看出，中国科学院大学、武汉大学资源与水电工程科学国家重点实验室、河海大学、中国水利水电科学研究院、北京师范大学、福建师范大学是中国SWAT模型发文量的前6位的机构。在CiteSpace中有紫色外圈的节点是具有高中介性的节点，被称为转折点。转折点表示与其他点有较强的合作关系，图中转折点为中国科学院大学和武汉大学。中国科

图3 研究机构合作网络特征Fig.3 Network of co-author institutions 注：网络节点148个、连线104条、密度0.0096

学院与北京师范大学、河海大学、武汉大学和中国水利水电科学研究院表现出了较强的合作关系，形成了SWAT模型研究的一个大合作团体。福建师范大学对SWAT 模型的研究较早[5]，但局限于福建省闽江、晋江等区域河流开展研究，与其他机构的合作较少。

2.3 论文作者分析

对论文作者进行知识图谱绘制，表明SWAT模型的研究者分布广泛，独立性较强，且有小范围的合作。

对SWAT模型研究发文量前5位的作者及所属单位进行统计(表1)，SWAT模型研究发文量前五的作者分别是来自北京师范大学的徐宗学、福建师范大学的陈兴伟、武汉大学的张利平、夏军、崔远来以及南京大学的张万昌。虽然这些作者对SWAT模型研究较早、发文较多，但是中介中心性很低，徐宗学、张利平、夏军中介中心性是0.01，其余研究者都为0，表明对SWAT模型的研究者大多专注于独立研究，研究者之间合作较少。

表1 2003～2018年SWAT模型研究发文量前五位的作者及所属单位Tab.1 The top five authors and institutions in the number of SWAT model papers published from 2003 to 2018

2.4 研究热点分析

研究热点识别。文献关键词是对全文主题的高度概括，因此基于关键词的共现网络可以用于确定该领域的研究热点[6]。对2003～2018年的文献关键词进行知识图谱的绘制(图4)。图4中节点表示频次，出现频次越多，节点越大，节点内颜色及厚薄度表示不同时间段出现的频次，节点之间的连线表示共现的关系，其粗细表示强度，颜色从蓝色到黄色的变化反映了时间从早期到近期的变化[7]。图4结果显示，SWAT模型的研究重点集中在径流模拟、非点源污染模拟两部分，其中“土地利用变化”、“气候变化”与“径流”、“非点源污染”之间的联系比较强，表明SWAT模型在径流及非点源污染模拟中更加注重变化环境下的响应研究。

图4 关键词共现图谱特征

对SWAT模型在“径流”、“非点源污染”、“土地利用变化”、“气候变化”的应用文献进行统计(图5)。图5显示，利用SWAT模型对径流模拟、非点源污染模拟、土地利用变化效应、气候变化效应等研究的发文量整体上呈增长趋势。其中径流模拟研究增长速度快，非点源污染模拟、土地利用变化效应、气候变化效应的研究增长较慢；径流模拟的研究近两年来下降较快，非点源污染模拟、气候变化效应的研究保持稳定，而土地利用变化效应的研究保持上升势头。

图5 SWAT模型重点研究内容发文量变化图Fig.5 The number of published literature about key research contents of SWAT model

2.5 研究热点成果分析

2.5.1 变化环境下的流域径流响应

(1)气候变化对流域径流的影响

气候因素是影响河川径流变化的最直接最显著的因素，气候因素决定了降水、径流和蒸发(气温)之间的比例分配[8]。径流对气候变化的响应研究，从早期的设定气候变化情景[9-16]到近年通过GCMs[17-21](General Circulation Models)模拟气候变化，驱动SWAT模型预测未来气候变化对径流的影响。

表2总结了气候因子(降水和气温)对流域径流影响的相关研究结果。由表2可知，气候变化对流域径流的影响较为显著，从降水和气温的影响程度来看，在干旱区降水与气温影响结果不一致。青海湖布哈河流域[9]、甘肃葫芦河流域[16]降水对径流的影响大于气温，黄河源区[17]、洮儿河流域[10]两者影响均显著，而在湿润区降水的影响大于气温。从未来径流变化趋势模拟结果来看，干旱区未来30年径流变化趋势不一致，如青海湖布哈河流域[9]、开都河流域[13]、甘肃葫芦河流域[16]增加趋势，而在黄河源区[17]、洮儿河流域[10]、乌裕尔河流域[14]则减少；湿润区未来30年径流整体增加。以上也说明干旱区水资源系统更加脆弱，径流对气候变化的响应比湿润区强烈。

目前大部分研究基于年、月尺度进行分析气候变化对流域径流影响，对不同时间尺度的径流变化的差异性研究还应加强。另一方面要进一步加强气候模型与水文模型的双向耦合技术研究，提高两者之间尺度转化和模拟的精度[8，22]。

表2 气候因子对径流的影响及未来径流的变化趋势Tab.2 The influence of climate factors on runoff and runoff change trend in the future

(2)人类活动对流域径流的影响

人类活动主要是指流域水利工程建设和土地利用变化，土地利用变化直接体现和反映了人类活动的影响程度，它对流域径流产生重要的影响。SWAT模型用于土地利用变化水文效应分析的主要方法是通过固定气象因子，比较不同土地利用条件下的径流响应，来分析已发生土地利用变化对径流的影响，或预测未来土地利用情景下径流的响应。

全国部分流域的主要研究结果汇总见表3。一般来说，随着城市化加快，城市建设用地增加，林地和草地减少，流域径流量增加。如在大通河流域[23]、深圳市布吉河流域[24]、秦淮河流域[25]等，快速城市化使林草地向建设用地转化，使得流域径流明显增加。反之，生态修复等工程使径流减少。如在西部关川流域[26]、潘家口水库控制流域[27]等，退耕还林还草使流域径流减少。而紫荆关流域1988～1996年林地及灌木林地减少使紫荆关流域的年径流减少[28]，结论相反，原因有待分析。

表3 全国部分流域土地利用变化对径流影响研究结果Tab.3 Research results of the effect of land use change on runoff in some basins of China

研究的主要问题：一是绝大部分研究基于月均流量的模拟，对日径流量模拟较少，应加强不同时间尺度下人类活动对径流影响的差异性研究；二是干旱区与湿润区径流响应的差异性有待进一步分析；三是人类活动的影响是多方面的，已有研究更多考虑土地利用变化的影响，其它如水利工程、城市化建设等对径流的影响，未来应考虑用有效方法做到量化、区分[22]。

2.5.2 土地利用变化的非点源污染模拟

非点源污染又称面源污染，随着工业点源污染控制水平的提高，非点源污染已成为当今水环境污染的主要污染源，土地利用是非点源污染的主要影响动因[35]。应用SWAT模型进行土地利用变化非点源响应模拟的思路与土地利用变化对径流的响应类似。

SWAT模型非点源研究对象是氮、磷元素，其中以氮为主。多数研究表明，非点源污染具有很强的空间差异性，而土地利用分布是影响非点源污染空间分异特征的主要因素[36-39]。因为不同土地利用类型非点源污染流失负荷不同，一般来说耕地负荷贡献最大，其次是农村居民点，林地的污染负荷贡献最小。如在1993～2001年黑龙江蚂蚁河[37]、1980～2001年的香溪河[40]、2000～2009年的苕溪[41]等流域非点源污染的空间分布与耕地分布具有很强的相关性。退耕还林、水源涵养林的保护实施会使流域水环境得到改善[35，42，43]。

目前研究绝大部分是基于月尺度下模拟，而非点源污染的时间尺度特征强于径流模拟，应加强不同时间尺度的差异性研究[44]。另一方面，SWAT模型的不确定性问题更加突出[45，46]。

2.5.3 SWAT模型优化

模型优化的目的是提高模拟精度，使模型的适用性更强。模型的优化包括模拟技术的改进、模型之间的集成与耦合。

模型模拟技术的改进包括模型参数方法的优化和模型自身模块的改进，表4统计了在模拟技术改进方面的重要成果。早期的模型参数率定，大多数靠人工试错率定参数，受主观因素的影响较大，而且耗时多，难度大。2010年以后参数率定方法有了不少新的探索。从表4可知，SWAT模型可塑性强，未来应根据需求的不同和应用领域的扩展，在适用性、可操作性、可靠性方面进行改进和深化，解决SWAT模型在实际应用中精度不高、不确定性大等引起的模拟效果不佳问题。

表4 SWAT模型模拟技术改进的重要成果Tab.4 Important achievement of SWAT model simulation technology improvement

由于特殊的研究区域和不同的研究目的，需要对SWAT模型与其他模型进行集成与耦合(表5)。目前SWAT模型的集成与耦合研究主要针对寒区、旱区、冰区、农田罐区及湿地对模型的数据预处理与管理模块、融雪模块、自动灌溉模块进行改进。使SWAT模型更好的反应地下水下渗过程、融雪过程、土地利用/覆被变化。

3 结论与讨论

CiteSpace是进行知识图谱分析的有效工具。可以理清楚研究机构、研究作者等合作网络关系，识别研究热点、发现研究趋势以及动态进展。利用文献计量分析法对2003年～2018年中国有关SWAT模型的文献数据进行了统计，对模型应用取得的主要成果进行了分析，发现：第一，SWAT模型在中国经历了起步、繁荣发展、相对稳定3个阶段，时间分别是2003～2006年、2007～2016年、2017年至今。初期研究更多的是对SWAT模型的介绍与简单的应用。在繁荣发展阶段，变化环境下径流响应的模拟研究是SWAT模型的主要研究内容。目前相对稳定阶段的重要工作是对模型的优化与改进。

表5 SWAT模型的集成与耦合研究重要成果Tab.5 Important achievement of integration and coupling research of SWAT model

第二，SWAT模型的研究内容以径流模拟为主导，气候变化、人类活动影响下的径流模拟、非点源污染模拟仍然是模型的研究热点。将来研究趋向于优化参数率定、模型的改进、不同模型的耦合以提高模拟精度与适用性。另外，还应加强年、月、日不同时间尺度的差异，以及不同区域之间的差异的研究。第三，进一步加强相关研究机构、团队的合作，也将促进SWAT模型的研究与应用。

此次研究是基于中国知网CNKI数据库下的中文文献，探讨了SWAT模型在中国的发展脉络与研究现状。今后还将进一步利用Web of Science等外文数据库，更全面的分析中国外有关SWAT模型的研究过程现状与趋势。