基于文献计量学对流域产汇流研究的热点分析

2021-09-08胡金辉孙颖娜

人民珠江 2021年9期

胡金辉，孙颖娜，王宁，李赞

(黑龙江大学水利电力学院中俄寒区水文水利工程联合实验室，黑龙江哈尔滨 150080)

人类的活动主要是通过改变下垫面的条件来影响流域的产汇流过程。人类活动改变了原始土壤的蓄水能力，土壤的下渗能力，蒸散能力，植物截留能力等，这使得下垫面状况和气候环境产生变化，可能导致当前城市洪涝问题日益突出。由下垫面和气候环境变化带来的灾害问题吸引了大众的关注[1]。为缓解本世纪频繁发生的洪涝灾害所带来的影响，当前水文科学研究关注的重点逐渐转向了全球气候变化和人类活动影响下的水循环研究[2]。另外值得一提的是研究产汇流的机制、机理及计算方法同时也是水文工程学的重要基础和内容。因此，进行流域产汇流过程的影响研究对把握水循环特征和对工程水文学的发展是十分必要的。

为了更好地把握对流域产汇流领域的研究动态，本文将采用文献计量软件CiteSpace，对国内流域产汇流影响研究现状进行可视化分析并绘制出相应的图谱，总结出了当前的前沿动态和研究方向，并对热点问题进行进一步的分析，以期为该领域的学者们提供一些参考。

1 数据来源及处理

1.1 数据来源

通过期刊文献来了解研究领域的趋势是有效的方法[3]。本文使用知网的高级搜索功能选择“期刊”或“学术论文”并选择主题为“产汇流”“模型”“产流”“洪水”“汇流”，检索到以产汇流为研究内容的期刊论文最早发表于1998年。检索到共计1 116条相关文献，并且去除掉其中不可用于分析的会议文献以及暂不考虑的资讯，得到1999—2020年共计1 046条文献资料，其中学术期刊736条，学位论文310条。将目标文献按Ref-work格式进行导出并转码，从而得到本文研究样本数据库(2021年4月3日检索转码得到)。

1.2 数据的分析处理

华人陈超美博士在2004年开发的一款基于JAVA算法的文献统计可视化软件名为CiteSpace[4]。该软件于2007年引入中国，目前该软件已经更新到CiteSpace5.7.R5版本，较其他类型软件更易对作者、机构、关键词等进行可视化分析，便于了解当前的研究动态和趋势。由于CiteSpace在科研等方面的迅猛发展，使得该软件的更新速度比SPSS、Excel、TDA、Ucinet、NoteExpress等分析软件更新频率快许多。当前最新的发展前沿和图谱技术很多是基于CiteSpace，几乎所有学科的大数据分析任务都可以在CiteSpace中完成。此外，CiteSpace简单易学，对研究者的计算机能力要求并没有过高要求，这可以帮助研究者从大数据分析的困扰中摆脱出来。

本文运用CiteSpace，由于搜索到的文献的来源时间大致为1999—2020年，因而将计算时期设置为1999—2020年，将“Year Per Slice”的参数值可设置为1年，Node type分别选择Institution、Author、KeyWord等。由于2000—2020年数据较多，网络裁剪方式选择Pathfinder，而后对文献进行网络共现分析。此外对一些相互包含的关键词予以了合并处理，如“下垫面”和“下垫面变化”。在得到的图谱中圈的大小表示该关键词出现的频率较高，若出现了彼此相邻的关键词，则表示它们出现在相同的文献中[5-6]。机构以及个人论文发表数量则主要基于CNKI的自带分析功能获取。

2 数据结果与研究热点分析

2.1 国内领域发文分析

文献数量的情况是衡量研究领域是否受关注的重要的指标。通过CNKI高级搜索功能，选择需要统计的年份，即可得到历年发表文献的数量，同时生成的统计图能够直观清晰的地呈现发文量的历史变化。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表明，在2004年以前相关的研究较少，该阶段的发文量一直少于30篇。2004年以后有更多的学者关注流域产汇流的研究，发文量也是呈现递增的总趋势。在2019年该领域的发文量达到最高值88篇。由此可知对流域的产汇流的影响研究目前仍然受到中国研究者们的广泛关注，同时也是国内领域研究方向的热点。

图1 流域产汇流领域相关论文年度出版量折线

2.2 研究机构分析

在开始界面的Project里选择已导入的数据名称“产汇流”，选择参数设置为“institution”，其余参数设置仍保持为默认状态，运行软件即可得到研究机构的初始可视化网络图，选择控制面板中的“find cluster”，进行适当参数调整使可视化网络图布局合理清晰，而后点击“export”，“generate a narrative”即生成研究机构的分析表，整理后见表1。

表1 流域产汇流领域主要研究机构

2.3 作者分析

运行CiteSpace，将节点类型设置为作者，阈值和相关参数仍然与机构参数相同[7]，得到节点数为530，表明在流域产汇流方向上有530位具有相对影响力的研究者，连线数为334，表明研究者中有334组有着部分合作关系。对论文作者进行知识图谱绘制见图2，图中表明流域产汇流领域的研究者分布广泛，并且有着小范围的合作。选中较大的节点，再点击Node details可显示出作者的具体节点数，结果表明节点数最大的学者为徐宗学(9)，夏达忠(7)、刘俊(7)、冯杰(7)、夏军(6)等人位列其后。由于各研究者的相互交流与合作，在图谱中可直观的显示出了几个作者之间的联系网络结构，其中较为显著的是以夏军、刘俊、夏达忠为代表的3个网络结构。以上表明研究者们在流域产汇流领域的研究与合作可以得到进一步的加强。

图2 国内流域产汇流领域作者发文量共现网络

2.4 关键词分析

可以通过出现频次较高的关键词来认知产汇流理论的应用领域，可以快速准确地识别产汇流领域研究与应用前沿。CiteSpace通过计算关键词出现的次数，用高频词来确定相应领域的研究热点。本文运用CiteSpace软件，节点类型定为KeyWord，对筛选出的1 046篇学术论文和期刊进行关键词共现分析。采用的网络修剪方法算法，关键词的选取标准及阈值设置如下：时间区间为1999—2020年，且“year per slice”仍然设置为1年。得到图3所示的产汇流领域关键词网络共现图谱，生成的图谱中共有506个节点，表明有506个研究子方向，914条网络线，表明各研究子方向之间有着大量密切的联系。圆圈的大小表明出现的频率高低，排在前面的高频关键词分别为“产汇流”“洪水预报”“分布式水文模型”“新安江模型”“城市化”“产流”“SWMM模型”“下垫面”等。

图3 1999—2020年国内流域产汇流领域高频关键词共现网络

“涌现”词是指在一个时间段内被引的频次突然增多的关键词，它可以有效地用来反映一时间段内的研究动态。为进一步研究流域产汇流领域的发展趋势，可利用CiteSpace中的探测词频突发增长功能，在右侧控制面板中设置视图为“Burstness”，并适当调整相关阈值，即得到国内产汇流研究前沿领域的涌现图。从图4关键词涌现图中可看出,在1999—2004年的突现词为“洪水”；2003—2007年的突现词分别为“汇流”“实时校正”“DEM”“水文模型”“新安江模型”等；2008—2016年突现词为“流域”“暴雨”“山洪灾害”等；2017—2020年突现词为“SWMM模型”“低影响开发”“海绵城市”；其中“低影响开发”“海绵城市”涌现率一直持续至今，以上表明二者为当前研究的的主要发展趋势。

图4 国内流域产汇流领域的关键词涌现

2.5 研究热点成果分析

2.5.1聚类分析

为了更深入地了解流域产汇流的前沿热点，本文将所分析的文献进行聚类分析。设置Node type为KeyWord，而后运行程序，再点击find cluster进行适当阈值参数调整得到图5所示的聚类图谱。图中一共产生12个聚类，分别为“产汇流”“洪水预报”“城市化”“分布式水文模型”“ARCGIS”“流域”“SCS模型”“城市防洪”“海河流域”“地理信息系统”“洪涝灾害”，聚类的主题词及聚类轮廓见图5。由聚类分析检索到的1 046篇文章的高频关键词可将近年来流域产汇流影响领域的研究热点划分为城镇洪涝治理研究和水文循环中产汇流模拟，这2类研究热点之间既有联系也有区别。

图5 国内流域产汇流领域聚类分析

在得到的聚类图中设置可视化的模式为Timeline View，之后进行适当调整可以得到各聚类距离目前研究时间的远近。图6给出了图5前13个聚类的时间线视图。在图中圆圈年轮的大小代表研究对象在当时年份所受关注的程度，圆圈年轮越大表示所受关注的程度越强。在21世纪初，学者们主要关注点为产汇流理论的研究以及洪水预报研究，之后研究热点为水文模型。

图6 国内流域产汇流领域的引文聚类的时间线视图

在结果中，一方面可以看出之前中国对流域产汇流的基础理论研究十分重视；另一方面表明流域产汇流影响的领域可持续发展态势仍在继续，流域产汇流影响的领域未来仍备受关注，相关水文学科的研究仍将继续，仍会有一些新问题等待进一步挖掘。

2.5.2水文循环中产汇流模拟

根据流域产流量推求流域出口断面流量过程是流域产汇流的研究的主要目的。当前水文循环模拟中产流模拟方法主要有：“降雨径流相关关系”“混合产流”“超渗产流”和“蓄满产流”等方法[8-9]。但是由于单一方法的局限性，多种方法也有综合的应用于相应的研究之中，如耦合模型、水文与数理统计结合法、模型的对比法等。

流域汇流通常包括“坡地汇流”与“河道汇流”2个阶段。2个阶段的计算方法汇总见表2。坡面汇流又包括，地表、壤中、地下汇流。其中地表汇流的速度一般最快，地下汇流最慢，壤中流的汇流速度介于二者之间。在小流域汇流中不能忽略坡面汇流，但在中、大型流域研究时，又可以忽略坡面汇流阶段，只考虑河道的演算。

表2 常用水文模型汇流方法汇总

此外，水资源管理要求的时间尺度不需特别细致，而洪水预报所要求的时间尺度往往通常较为精确；不同的时间尺度会导致模型的精度受到影响，所以应注意到模型使用和模型的时间尺度有较为密切的关系。因而即使利用同一模型在不同时间尺度上产生的结果也产生巨大的差异[10]。

2.5.3低影响开发理念和SWMM模型的结合

目前海绵城市建设作为中国现代城市水管理的重大战略，然而随着社会高速发展以及城镇化进程加快，土地利用变化、植被覆盖率减少，不透水面增加均对城市暴雨洪水、径流等产生了很大的影响[11]。将城市的降雨扣除损失量，将剩余的在地表形成径流的雨水进行收集和净化处理之后可以供城市居民使用，因而形成的雨洪能在一定程度上补充城市的供水[12-13]。

恢复城市的水循环能力和提升城市的蓄水能力是建设海绵城市的目的。LID(Low Impact Development)理念指的是提升海绵城市的对水资源利用能力，并且改善城市的内涝现象，降低洪水灾害发生的频次。使用LID是为了是城区的水循环更加接近于自然状态下的水循环，主要是通过在多个点进行源头控制从而实现降低径流的污染[14]。同时，LID模式在减弱洪峰、以及补给地下水，综合利用社区雨水等方面的应用也十分广泛[15]。

目前由于中国海绵城市建设仍处于发展阶段，海绵城市建设中有关水文工程学的问题也需得到进一步的深入研究。当前的研究手段通常可以是通过获取研究区域的遥感影像资料，再用各种数值模拟方法(例如SWMM)得到各研究区域的汛期雨洪资源量并进行分析评价。SWMM暴雨管理模型是美国环境保护代理机构研制出的一款软件[16]此外SWMM也是目前被认为是在城市雨水径流模拟中最广泛使用的一款软件。在该模型中，用户主要通过输入降水资料、下垫面条件等来模拟产汇流过程[17]。

在产汇流模型中依据河道地形可将河段概化为管道考虑，在充分考虑下垫面的不同条件后对整个区域进行小流域的划分，根据各区不同下垫面面积占比，进行加权平均计算，这样就可以求得各个子汇水区域的径流过程线[18]。Horton下渗公式一般都能取得比其他经验公式好一些的结论，考虑使用Horton下渗方法来研究区域的入渗过程[19]。SWMM模型中是通过非线性水库的模型来去模拟地表汇流的过程，而后联立连续方程和曼宁公式，使用有限差分法并进行迭代求解，也可利用水力、水文学有关方程和公式求解出整个出流过程。

对于如霍顿公式中的参数，和不同区域的经验参数可参考SWMM模型用户手册及相关文献，而对于其他确定性参数则需通过实测获得。通过利用SWMM模型对不同的LID设施布置场景进行模拟便可得到相对更优的组合[20]。