基于CiteSpace软件的海绵城市研究可视化分析

2021-04-29吕佼佼高徐军张友科

四川环境 2021年2期

吕佼佼,高徐军,张友科

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

前言

传统的城市建设一般思路是使水尽可能快地从城市中流出，例如：对马路和停车场等采用混凝土硬化，避免雨水导致道路泥泞；对城市河道采用渠化，人为增加排水流速，缩减河道断面，节省两岸土地等。然而，越来越多的城市规划者和政府开始意识到这种设计理念是有缺陷的[1-2]。以我国为例，近年来城市建成区规模迅速扩大，1981年为7 483km2，城市城区居住人口1.44亿人，2016年已达54 300km2，城市城区居住人口4.77亿人[3]，城市建成区规模和城市人口分别为1981年时的7.26倍和3.31倍，城市的发展在带来经济社会群聚红利的同时，也造成水循环过程的畸变，给生态环境带来巨大压力，各类水问题日益凸显[4-5]。根据不完全统计，近50年来，全国短历时暴雨强度增大，极端降雨日数也在增加，尤其在城市及周边地区。住建部对351个城市的内涝情况调研显示：213个城市发生过不同程度的积水内涝[6]，占调查城市62%。为了应对此类问题，2013年12月，我国官方在中央城镇化工作会议提出海绵城市建设[7]，2015年住建部提出《海绵城市建设指导意见》[8]，2017年3月，海绵城市建设正式写入政府工作报告，海绵城市建设已成为政府和科研院所关注的热点问题。

由于制度环境、经济社会发展差异等的原因，城市化背景下因地制宜的雨洪管理策略存在着多样的定义[9]，除海绵城市外，还有如下代表性定义：低影响开发(Low Impact Development，简称LID)起源于美国，由最佳管理措施(Best Management Practices，简称BMP)演化而来，其目的是维持区域天然状态下的水文机制，通过一系列的分布式小规模的源头控制措施来达到对暴雨产生径流和污染的控制；英国在LID的基础上，把环境和社会的因素纳入城市排水系统的设计，提出了可持续城市排水系统(Sustainable Urban Drainage System，简称SUDS)；澳大利亚基于长期干旱的自然环境，提出水敏感城市设计(Water Sensitive Urban Design，简称WSUD)，以水循环为核心，将雨水、供水、污水管理等统筹设计，并强调城市水循环过程的“拟自然设计”；城市可持续水管理(Sustainable Urban Water Management，简称SUWM)源于瑞典，它的总体目标是管理城市水循环，使其产生比传统方法更多的效益，并使城市实现生态健康和可持续发展。

尽管已有大量的文献涉及海绵城市这一主题，但鲜有从文献统计分析的角度进行研究的记载。实际上，对海绵城市相关文献进行系统回顾十分必要，也会为后续研究带来新的启发。本文通过对Web of Science数据库收录的1999年至2019年海绵城市相关文献进行共被引分析和梳理，对研究进展进行总结，并对研究前沿展望，是对海绵城市研究的一种新的尝试。

1 数据与方法

1.1 数据来源

以Web of Science数据库中的核心合集库作为文献来源。检索条件：主题"sponge city"，或者主题"Low Impact Development"，或者主题"Sustainable Urban Water Management"，或者主题"Water Sensitive Urban Design"，或者主题"Sustainable Urban Drainage System"，检索跨度为1999年1月～2019年7月，文献类型选择Article，共检索出1 008篇文献，作为本次研究的样本。

1.2 研究工具和方法

CiteSpace软件基于Java语言开发设计，是一款主流的文献可视化分析工具[10]，可对文献数据进行计量分析并实现信息的可视化。

将Web of Science核心合计库下载的1 008篇，每条数据下载以全纪录与引用参考文献的纯文本格式进行保存，再将数据文件导入CiteSpace v5.5R2软件。设置参数：时区分割选择1999年至2019年，时间间隔选“1”年。主题词术语来源选择标题(Title)、摘要(Abstract)和作者关键词(Author Keyword)，数据筛选为“TOP30”，引文数量、共被引频次和共被引系数的阈值 (c，cc，ccv)前中后三个时间分区分别设置为默认的参数，节点类型分别选取国家(Country)、机构(Institution)、作者(Author)、学科(Category)和关键词(KeyWord)作共现分析，选取文献(Reference)进行共被引分析并得出自动聚类结果，使用突现检测功能(Detect Bursts)对关键词进行突现分析。

2 结果

2.1 时序分布

1999年至2019年，关于海绵城市(包含其相似定义，后不再标注)的研究文献总数为1 008篇，图1显示了总发文量、施引文献量和我国发文量的年际变化，从总发文量可以看出，2008年以前，年发文量较少，2009年年发文量为31篇，之后年发文量增速加快，2018年达到187篇。2019年截至7月，也达到了139篇，施引文献量也保持了相近的变化趋势。我国海绵城市研究起步较晚，2010年开始发文量为2篇，但此后年发文量迅速增大，2018年我国年发文量为72篇，占年总发文量的38.5%。

图1 年度发文量趋势图Fig.1 Change trend of annual publication number

2.2 国家/地区分布

海绵城市的研究在全世界广泛分布，就发文量来看(表1)，美国的贡献最多，总发文量达323篇，随后为中国224篇、澳大利亚174篇、英格兰65篇、韩国56篇、加拿大45篇等。但就中心度而言，英格兰的中心度高达0.43，此外，澳大利亚、中国、美国的中心度均大于0.2。

表1 国家/地区发文量与中心度前10Tab.1 Top 10 countries/regions with publication number and centrality

2.3 机构分布

海绵城市的研究机构绝大多数为高校，表2中仅有中国科学院、US EPA(美国环境保护署)和USDA ARS(美国农业部农业研究所)三所科研机构为非高校。Monash Univ(蒙纳士大学，澳大利亚)研究成果最多，发文量达59篇，中国科学院(Chinese Acad Sci)与清华大学(Tsinghua Univ)这两所我国的科研机构进入了发文量前10。US EPA(美国环境保护署)发文量23篇排名第5，但其成果影响力最大，中心度达0.16排名第1。中国科学院(Chinese Acad Sci)、清华大学(Tsinghua Univ)与河海大学(Hohai Univ)均进入了中心度排名前10。

表2 研究机构发文量与中心度前10Tab.2 Top 10 research institutions with publication number and centrality

2.4 作者分布

表3中来自美国北卡罗来纳州立大学的HUNT WF海绵城市研究的发文量为23篇，排名第1，DAVIS AP、DIETZ ME、ENGEL BA、LIU YZ、GUO JCY也来自美国的科研机构。BROWN RR、DELETIC A和BACH PM三人来自蒙纳士大学，发文量分别为20篇、17篇和7篇。KIM LH发文量17篇，HONG J发文量9篇，二者均来自韩国的公州大学。来自墨尔本大学的FLETCHER TD发文量为10篇。JIA HF(贾海峰)、Li JK(李家科)和CHUI TFM(徐婷芳，中国香港)三人来自中国的科研机构。

表3 研究作者发文量前20Tab.3 Authors with top 20 publication number

2.5 学科分布

表4为海绵城市研究学科发文量与中心度TOP10。水资源学发文量最大，达到555篇，随后分别为环境学534篇，土木工程学221篇。虽然生态学的发文量为69篇，但其中心度位居第1位，说明其核心地位。

表4 学科发文量与中心度前10Tab.4 Top 10 disciplines with publication number and centrality

2.6 文献共被引聚类

引文历史是可视化的“年轮”，“年轮”颜色从紫色到黄色的变化显示时间从早期到近期的变化，通过Log-likelihood-ration方法将海绵城市研究的引文分为7个聚类(图2)。

聚类#0和聚类#1规模较大。聚类#0标签为pervious concrete storm-water system(透水混凝土雨水系统)，轮廓值0.842，共73个节点，还包含生态调节池设计、流入污染物浓度、流出污染物浓度、出水水质等节点；聚类#1标签为case study(案例研究)，轮廓值0.611，共66个节点，还包含流域尺度、城市流域、流域建模、土地利用、数据驱动型、kozeny-kovacs模型、实时模拟、决策试行与评价、海绵城市PPP项目、识别关键风险、道德风险行为等节点。

图2 文献共被引聚类Fig.2 Co-citation clustering of publications

剩余聚类紧密围绕聚类#0和#1分布。聚类#2标签为extensive green roof(屋顶绿化)，轮廓值0.757，共44个节点，还包含多年模拟、长期水文模型等；聚类#4标签为residential subdivisions(住宅小区)，轮廓值0.978，共15个节点，还包含市民感知、商业开发等节点；聚类#5标签为partial exfiltration(渗滤)，轮廓值0.885，共14个节点，还包含重金属、化学需氧量等节点；聚类#7标签为base flow(基流)，轮廓值0.921，共11个节点，还包含流域尺度、城市绿色设施改造等节点；聚类#10为urban wet-weather flow(城市雨天水流)，轮廓值0.984，共6个节点，还包含雨水收集系统，非点源污染等节点。

2.7 突现关键词

通过关键词突现的变化可揭示研究前沿的变化，由表5可知，海绵城市研究的早期(2010年之前)，关键词主要集中在径流和雨洪管理，其中雨洪管理更是作为长期的热词延续至2015年，此后关键词演化至水文学、绿色屋顶、堵塞、建模，2016年至今，突现关键词演化更加频繁，新增7个突现关键词：土地利用变化、城市水文学、流域尺度、绿色基础设施、中国、海绵城市、不确定性。关键词的突现变化更加频繁。

表5 突现关键词前14Tab.5 Top 14 burst keywords

3 讨论

3.1 概况分析

发文量在一定程度上反映了该领域的发展趋势和研究水平[11]。近20年间，关于海绵城市研究的文献不断增加，这表明海绵城市越来越受到研究机构的关注与重视。

海绵城市的研究具有较广泛的覆盖面积，其中英格兰、中国和澳大利亚这3个国家与其余国家间的连接线较多(图3)，国际间合作频繁，反映出这3国在该领域研究中的核心地位，这也与表1的中心度数值排名相符。澳大利亚的蒙纳士大学、美国环境保护署以及中国科学院(图4)是该领域研究的代表性机构。美国虽发文量排名第一，但与其余国家间的连接线偏少(图3)，即国际合作偏少，此外，美国国内的相关研究机构众多，多数机构发文量小且分散，最终导致研究不够深入，中心度不高。

图3 国家/地区发文量与中心度可视化Fig.3 Visualization of countries/regions with publication nuber and centrality

图4 研究机构发文量与中心度可视化Fig.4 Visualization of research institutions with publication number and centrality

海绵城市研究作者的发文量总体偏低，仅2人发文总数达到20篇，且中心度均较低，故本文未统计作者发文的中心度及可视化结果，结合作者所在机构可以发现，发文量TOP20的作者有多人来自相同机构，例如DELETIC A在蒙纳士大学组建了世界著名的雨水研究团队，研究城市雨水径流可持续发展的管理策略以及建模方法，团队成员还包括BROWN RR和BACH PM等人，LIU YZ和ENGEL BA均来自普渡大学，KIM LH和HONG J均来自公州大学。越来越多的海绵城市研究团队正在形成，但是目前看来各团队间的合作偏少。

海绵城市研究方向呈现出多样化的趋势，除了水资源学、环境学和工程学等学科外，还涉及了地球科学、地质学、海洋学、计算机科学、建筑施工技术、绿色&可持续发展技术等多个学科。从表4看出，计算机科学、建筑施工技术这2个学科虽然发文量未进入TOP10，但仍具有较高的中心度，这说明这些学科在海绵城市研究中也占据着重要地位。水资源学发文量大，与其余学科间的连接线也较多(图5)，中心度却未进入TOP10，这是由于海绵城市研究多为跨学科研究，水资源学相关内容一般作为研究基础而非研究核心内容。

图5 学科发文量与中心度可视化Fig.5 Visualization of disciplines with publication number and centrality

3.2 知识基础分析

文献共被引分析聚类可得出某段时间内,具有内在联系、数量相对较多的一组文献所共同探讨的问题,这类问题构成了研究的知识基础[12]。总结图2结果可知，海绵城市研究的聚类包含多个方面，主要包括工程控制措施、案例分析、非工程系措施、城市水文学。

聚类#0、聚类#2、聚类#5可概括为工程控制措施，主要包括渗滤设施、绿色屋顶、透水路面、生物滞留池、人工处理设备等[13]。以透水路面为例，在城市环境中，透水路面设计无需占用额外土地，又可以消解城市降雨，在海绵城市设计中占据重要的地位。透水路面系统的有效使用必须充分考虑其水文特性，Schwartz[14]依据透水路面降雨与径流的关系提出了水文性能评估和设计标准相结合设计评价系统。透水路面等工程措施在世界各地的推广中也会产生新的课题，如我国透水混凝土道路径流污染日趋严重，董星海等[15]根据透水混凝土孔隙率，结合渗滤结构与污染物的粒径推断出透水混凝土道路的最佳清理时间。总体来看，关于工程控制措施的研究目的明确，研究内容也逐渐趋于成熟。

聚类#1为案例分析，研究人员根据实际案例开展研究，总结经验，最后提出和利用适宜的方案[16]。该聚类轮廓值仅为0.611，这是由于轮廓值反映的是聚类的同质性[10]，而世界各地海绵城市建设案例的多样性及多变性导致了聚类节点的同质性偏低。例如有的节点体现了海绵城市研究范围的变化，如流域尺度、城市化流域、流域建模等；有的节点体现了研究方法的变化，如数据驱动型、kozeny-kovacs模型、决策试行与评价模型等；也有节点体现了建设评估等非工程性措施的变化，如海绵城市PPP项目、道德风险行为、风险识别等。以上这些节点在图2中接近黄色，成果较新，仍有较大的发展空间，随着今后研究的深入，有可能成长为海绵城市研究新的聚类。

聚类#4主要代表海绵城市的建设评估等非工程性措施，发达国家在海绵城市的建设中重视工程建设与经济、社会、生态因素之间的相互平衡[9]，Bowman等人[17]利用4种不同的方式对美国爱荷华州Ames市2093户居民小区的海绵城市建设进行评估，并认为开发商和当地政府发展商及民政官员应考虑如何教育市民有关海绵城市的优势以提高市民对这类设计的兴趣。英国政府针对新建房屋设立1～6级评估体系，要求至少达到3级以上才能获得开工许可，而雨水回收系统是评估体系的重要指标[9]。目前不同的国家或地区对评估方式和内容各有侧重，针对建设评估等非工程性措施研究的相关论文仍然偏少[16]。但结合聚类#1看，该类非工程措施的研究呈现增长的趋势。

聚类#7和聚类#10属于城市水文学领域。基流是地表水、地下水相互作用的重要环节[18]，在河流生态系统中具有调节水温和水质、改善营养物质和碳循环等重要作用，城市化对地下水补给和基流的影响不容忽视[19]。城市雨天水流的研究对象则包括雨洪控制、雨污合流以及雨污分流三大部分[20]。这两个聚类均以水为研究主体，构成了海绵城市研究的理论基础。

3.3 研究前沿分析

尽管海绵城市建设在世界多地已取得了成功案例，但其实施范围通常是小区域或试验性的[16-17]，研究表明，城市雨洪受气候、土地利用特征和邻近河网等多种因素的影响[21-22]。程晓陶[23]针对我国的建设实际指出，仅靠城市小范围海绵城市的改造，难以解决城市内涝的问题，需要在流域尺度上考虑如何为其安排雨洪的出路。因此有必要将海绵城市的设计评价和建设范围扩大，同时考虑更多的影响因素(如土地利用的变化、气候等)。“流域尺度”以及“土地利用变化”这两个突现关键词的出现表明近年来海绵城市研究已经从小区域(或试验性)尺度转向流域尺度。

海绵城市建设研究需要收集大量基础数据和日常运营监测数据，一方面，大量的数据有助于更全面了解情况，并对数据处理的方法和效率提出了更高的要求，另一方面，大量的数据也带来了数据质量、参数选取等的不确定性。这与“不确定性”这一突现关键词相对应。Thorndahl等人[24]利用整合的洪水与雨水模型对丹麦某小镇进行实时模拟，结果可以生成实时的洪水图，但模拟对数据质量和数据分辨率的要求很高，且目前预测性能有限。Li等人[25]以陕西西咸新区为例，建立了城市洪水和非点源污染的MIKE洪水模型，并对模型的不确定性进行分析，结果表明水文折减因子、抗渗性、衰减常数等参数对总径流、洪峰流量和水质有较大影响。因此，基于信息技术的智能数据分析研究是海绵城市研究的前沿，这也与聚类1#中数据驱动型、实时模拟等节点结果相一致。

2010年美国环保总署给出“绿色基础设施”的定义，该词作为2016年的突现关键词取代了之前的“绿色屋顶”(2013年突现关键词)，尽管此后美国多地多部门推出了“绿色基础设施设计标准”，但对执行中存在的障碍、金融策略、评估、维护均没有完整的叙述。Nilubon等人[26]研究发现由于部门权限不足和跨行政区划导致的信息不匹配造成海绵城市案例研究的结果较差。Li等人[27]调查总结了我国30个试点海绵城市所面临的问题与挑战，认为海绵城市建设中存在的问题与当地环境密切相关，此外，工程技术、融资与收益模式、风险承担等多个环节均会影响实施进度与效果。因此需要建立一个融合政府部门、地方相关单位、公众、技术支撑、立法及监管保障的设计标准框架，这也将成为未来海绵城市研究的方向。