水安全格局发展趋势与热点研究——基于CiteSpace的可视化文献计量分析

蔡昕宏，许大为

(东北林业大学 园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引言

随着城市及周边地区的人口和工业密度快速增加，人类活动对水资源和生态环境的影响加剧[1]，对城市水资源环境造成的负面影响逐渐显现出来。我国是一个严重缺水的国家，面临着水资源短缺、水污染和水生物栖息地丧失、生态系统严重退化等多种水问题，严重损害了城市河流功能[2]，水环境保护形势严峻。此外，气候变化导致降水量、降水强度和降水时间以及气温变化等问题直接影响天然径流量[3]。快速城市化严重影响了自然状态下雨洪调蓄的过程，导致我国许多城市在遭遇强降雨后发生内涝灾害，影响范围广且危害性巨大。中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于推进城市安全发展的意见》提出：“到2035年，城市安全发展体系更加完善，安全文明程度显著提升，建成与基本实现社会主义现代化相适应的安全发展城市。持续推进形成系统性、现代化的城市安全保障体系，加快建成以中心城区为基础，带动周边、辐射县乡、惠及民生的安全发展型城市[4]。”城市群作为城市化的重要载体，承载着维护社会稳定、经济发展和生态和谐的重要使命，在此背景下，构建水安全格局有助于从生态系统的层面，全面保护水环境的生态网络、组织结构和服务功能，实现城市与水生态环境的协调发展[5]。

在2005年出版的《“反规划”途径》一书中，俞孔坚等学者首次对水安全格局进行了探讨。水安全格局是基于生态安全格局所发展出的研究，是指以解决区域水资源、以与水环境和水灾害相关的水安全重要问题为指导，优化土地资源，确保优化和调节区域景观格局和实现区域水安全目的空间规划策略，水安全格局本质上是能够维护区域水安全的关键要素和空间位置，是最优配置的理想景观格局[6]。国内对水安全格局的研究尚未成熟，以研究领域为视角，鲜有研究基于多学科角度对水安全格局的研究内容进行系统梳理；以研究内容为视角，当前研究多集中在雨洪管理、水源地保护与生态环境营造等层面，研究较为零散，缺乏系统的理论框架来支持水安全格局的研究体系。随着信息技术的发展与进步，通过文献体系和文献计量特征评价某领域科学发展现状及水平，被广泛用于文献情报分析。 CiteSpace软件结合社会网络分析、关联规则分析、聚类分析等方法，侧重于发展学科的研究课题，研究前沿热点与相关理论的关系，探索不同时期研究热点之间的内在联系[7]。因此，本次研究利用CiteSpace，基于CNKI数据库以及Web of Science(WOS)核心合集数据库对中英文文献所反映出的各学科在“水安全格局”这一问题上的相关研究进行了可视化分析，在水安全格局的定义、指标体系的构建、研究方法的选择等方面，建立一个系统的、科学的理论体系，使得研究更具针对性，为今后的研究提供有价值的参考，在增加城市安全系数、促进生态和谐的基础上，推进城市的可持续发展。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

知识图谱是对知识领域中科学知识的结构、发展过程和规律的可视化分析所获得的图形[8]。当今市面上存在着如VOSviewer、VantagePoint、CoPalRed等大量的可视化分析工具[9，10]。CiteSpace是陈超美教授在2004年利用Java语言开发的信息可视化软件，该软件凭借其可通过主题、关键词、机构等进行网络图谱分析，挖掘文献背后的隐含信息，定量且直观地梳理研究现状、显示学科的发展趋势和动向，使其成为最具影响力的知识图谱绘制工具之一[11]。相较于传统文献研究的费时费力以及过于掺杂主观因素等诸多问题，如今运用可视化工具对某学科领域进行客观、高效的文献计量分析已成为学术研究的一大热点。

2.2 数据来源

本次研究结合中英文文献分别进行可视化分析，中文文献选自CNKI数据库，英文文献选自WOS(Web of Science)核心合集数据库，WOS核心合集数据库涵盖了全球学者的重要研究成果，虽包含国内学者所发表的内容，但从发文统计来看，可代表国外学者的研究状况。为避免重复，将CNKI数据库中的英文文献进行筛选与剔除，以CNKI数据库作为国内学者的研究成果进行分析。

在CNKI数据库以“水安全格局”为检索主题，检索文献的标题、摘要或关键词部分，精确匹配检索，检索时间范围为“不限”，采集日期为2021年8月13日，共得文献733篇，所得文献时间范围为2001～2021年。对检索结果进行筛选，删除期刊与会议征稿、卷首语等无用信息，并对所得结果进行去重，共得文献711篇，用于知识图谱的绘制。

WOS核心合集数据库的数据采集于2021年8月23日，以所有年份的“TS=(water security pattern)”进行检索，共得文献1298篇，时间跨度为2003～2021年。经CiteSpace对数据进行去重后，共计文献1175篇，用于图谱绘制。使用WOS数据库自带的分析工具对时间跨度内的论文发表数量进行汇总，发现自2011年呈现逐年递增的趋势，在2017～2018年间相关研究涨幅激增。

3 结果与分析

3.1 CNKI数据库可视化结果分析

3.1.1 关键词共现结果分析

由于在CiteSpace软件中，针对CNKI数据库的数据操作具有一定局限性，因此本次研究中，仅对CNKI数据库进行关键词共现分析。“Node Types”选择“Keyword”,“Selection Criteria”设置为“Top 50”,将文献的核心内容从文献信息中进行提取关键词，并根据频次进行高低分布，以此作为参考用于分析该领域研究热点及发展，在图谱中，研究较为成熟的领域会呈现出聚集性分布，新兴话题的排列形式较为分散。在关键词共现输出结果中，研究关键词以“海绵城市”和“生态安全格局”为主要聚集。将发文量排名前十的关键词与中介中心性排名前十的关键词进行统计，结果见表1。

表1 水安全格局研究2001～2021年频次与中介中心性前10位关键词

根据时间线(图1)可知，自2001起，在整体研究框架中，“生态安全”是最早出现聚类的关键词，出现于2003年，“生态安全格局”关键词聚类出现于2007年，是在研究脉络中较早提出的通过建设生态功能区，确保以最少的土地利用和最有效的效果体现生态功能。此时“水环境”与“景观安全格局”的研究与之产生较多交叉性；“海绵城市”聚类产生于2015年，“低影响开发”“雨洪管理”“生态系统服务”在研究上产生较强相关性。“水安全格局”是聚类产生于2010年，介于“生态安全格局”与“海绵城市”之间，由于水生态系统的循环特性，影响因素不仅是水本身，还包括流域内的土地利用和各类景观要素[12]，在推进城市化进程时，要合理地控制城市建设用地面积增长，使得各种土地利用类型均衡发展，增加城市中绿化面积，减少城市中的不透水面积[13]。根据中介中心性数据统计，在“水安全格局”的研究中“海绵城市”与“生态安全格局”始终占据研究主要地位。

图1 水安全格局CNKI数据库关键词聚类与时间线分布

海绵城市是源自于地影响开发和绿色基础设施所创造出的概念，用于创建一个像海绵一样运作的水系统的城市，可以吸收、储存、渗透和净化雨水，并在需要时将其释放出来进行再利用，是管理城市雨水和废水以及其他水循环的半自然性的管理措施。生态安全格局是由生态系统的重要组成成分、斑块和廊道所组成的特定格局，对控制生态过程、保护生态系统的结构和功能，管理当地的生态系统环境非常重要，为保护城市生态系统安全服务，是实现城市可持续发展的重要途径[14]。以上概念对于水安全格局的研究与发展有着重要影响。按年份进行排序，近些年的关键词聚类为：2019年“城市双修”、2020年“国土空间规划”“SWMM模型”，可以发现，随着研究的推进，“水安全格局”的研究逐渐形成多学科融合、研究模型创新的发展趋势。

3.1.2 关键词突现结果分析

在CiteSpace中突现词分析被用来探测在某一段时间研究关键词有较大变化的情况，用于发现某一个关键词衰落或兴起进而根据突现结果分析特定时间段内的研究热点与趋势[15]。本次研究基于 CiteSpace 软件中的“Burstness”功能，将“最少持续时间”设置为两年，为得出更多突现结果，增强研究的准确性，将参数设置为0.1，运行后共得出128条突现结果。针对不同研究重点，进行两组划分，第一组是根据突现强度进行排序，所得结果为从2000年起至今，所有涉及“水安全格局”研究内容的关键词进行综合排序，将筛选后排名前20的关键词再次根据突现持续年数从高到低进行排序，最后可以得出在所涉及的整个研究历程中，最具影响力的关键词。第二组是在结果中选择突现结束时间为2017～2021年的关键词，共筛选出65条，根据突现强度进行排序，筛选出突现强度前20的关键词，而后在此基础上根据突现结束的最新时间进行排序，对二者结果进行分析可以得出近5年来针对“水安全格局”的研究热点，便于找到近期的研究趋势。

根据突现强度排序可知，“低影响开发”是突现强度最强的关键词，强度为3.63，“GI”紧随其后，突现强度为3.14。“低影响开发”(low-impact development, LID)这是美国1990 年代所提出，旨在通过小型、分散的水源管理实现暴雨径流和污染控制，并使开发区尽可能接近自然水循环，通过创建生态水景观来解决雨水问题，通过将城市规划和设计结合起来进行水系统管理，提高城市的可持续性[16]。“GI”(Green Infrastructure)意为“绿色基础设施”，于1999年由美国“GI工作组”提出，该小组将绿色基础设施定义为“自然生命支撑系统”，即一个由水路、绿道、湿地、公园、森林、农场和其他保护区域等组成的维护生态环境与提高人民生活质量的相互连接的网络[17]，相对于LID概念，GI强调多学科的综合应用，进一步探索雨水管理，这两个关键词的突现强度表现出对可持续发展的水循环技术和方法的探索是“水安全格局”研究的热点内容。将突现强度前20的关键词进行持续年数由高到低的统计后，前三名依次为：“生态安全”10年、“土地利用”5年、“GI”4年。除上文所提到的“生态安全”与“GI”外，在“水安全格局”的相关研究中“土地利用”也是一个研究重点，城市土地利用结构的不平衡导致渗透性区域被坚硬的地面取代，使得城市面临着内涝的威胁。合理的城市土地利用政策可以平衡城市土地利用结构，以调整城市规划和发展中的水循环，向可持续的城市水管理方式方向发展。此外，土地利用的转变也会对气候状况造成影响，相关研究还可用于评估人类活动对气候的影响[18]。

在突现结束于2017～2021年的65个关键词中，根据突现强度进行排序的前五名分别是：“低影响开发”3.63、“规划策略”2.47、“生态修复”2.23、“雨洪管理”1.97、“水环境景观”1.81。将突现结束年份与强度进行综合排列，筛选出包含不同学科研究背景及内容价值的关键词，剔除如“ArcGis”这样的研究软件之类关键词，得出表2，由此可以大体得出中文文献在“水安全格局”的研究方面，最具研究价值的关键词排列，可结合不同学科背景及研究重点从中选取合适指标构建水安全格局评价体系，使得该评价体系更具有权威性。

表2 “水安全格局”问题相关中英文文献关键词突现情况

3.2 WOS数据库可视化结果分析

在CiteSpace中，由于WOS核心合集数据库的相关功能远大于CNKI数据库，因此与研究相关且无法在CNKI数据库获取的结果可以通过对WOS核心合集数据库所导出的数据进行相应分析，进而使得研究更为完善，结果更为准确。在此部分的研究内容与重点与上文中CNKI数据库部分略有不同。

3.2.1 关键词共现结果分析

关键词可以高度浓缩和概括文献的研究内容，是确定研究领域总体结构和研究主题的有效方法。关键词出现频率越高，说明该领域的研究热点越具有代表性。将结果按频次大小进行排列，所出现的高频关键词有：“气候变化”“食品安全”“农业”“土地利用”“水安全”“水资源”等，代表“水安全格局”这一研究主题的研究重点。而后进行突现分析，根据突现强度进行排序有“安全性”“玉米”“降水”“作物生产”“都市化”“土壤”“生物多样性”“耕地”等关键词，因为突发性可以体现出领域的研究前沿，因此可知，在WOS核心合集数据库中对于“水安全格局”的研究更加着重于在农业方向的应用，以作物生长、产量等为核心研究，此外“水安全格局”对生物多样性的影响也占据了一定的研究地位。根据年份进行分段排序有助于发现在研究历史中的不同关注重点及方向。结果显示突现首次出现在2003年，最早的研究主要从农作物的生产角度进行，涉及农业、渔业、农作物管理、产量等方面。在2009年后，研究重点逐渐转移到气候变化对农作物与环境所造成的影响中。2011年后，开始规划与资源的方向成为研究重点，涉及到“空间格局”“水文学”等方面。自2016年起，以生态研究重点，涉及“生态敏感性”“城市化”“水源涵养”“模型评估”等方面。由此可见，研究前沿并不是连续的。当学者的注意力从一个问题转移到另一个问题时，前沿研究就会突然停止，另一个研究前沿就会突然出现，从趋势来看，研究重点逐渐转化为生态与可持续性发展。

3.2.2 领域共现结果分析

选择“Category”对筛选出的1175篇文献进行领域共现分析，根据图谱分析主题为“water security pattern”的研究在英文文献中的学科分布情况，共得出关键节点149个，关系连线715条，将频次与中介中心性排名靠前的学科领域进行整理得出在“水安全格局”这一研究上具有代表性的学科。再将领域共现结果进行突发性检测，根据强度得出学科排名找到热点学科，而后根据突现结束年份远近进行排序，得出进几年参与研究的热门学科，了解研究所在的热门领域。

WOS核心合集数据库中“水安全格局”的研究涉及到149个学科类别，其中不乏有重复或表述不清晰的类别，将其进行人工筛选剔除，再进行排列。根据频次统计，排名前三位的学科分别是：“环境科学与生态”“水资源”“工程学”，其次为农学、地质学、环境学、气象学、生态学等学科。结果表明，这些学科在“水安全格局”的相关研究中已经具有了相对广泛的学术研究。将领域分析的结果以中介中心性大小 进行排列，筛选出结果大于0.1的学科为：“环境科学与生态”0.52、“工程学”0.4、“农学”0.19、“公共环境与职业健康”0.18、“化学”0.14、“计算机科学”0.13、“物理学”0.11。可知这些学科与其他学科的联系更为紧密，起到加强跨学科研究的枢纽作用。将领域共现结果进行突发性检测，“最少持续时间”设置为两年，参数设置为0.1，共得出60条突现结果。依据突现强度进行排序，依次为“农学”“林学”“公共管理”“自然地理学”。按突现结束的最新年份进行排序，依次为：“影像科学与摄影技术”“材料科学 ”“社会科学跨学科”“计算机科学”“人工智能”“城市研究”等学科，代表近年来对“水安全格局”研究做出研究贡献的热门学科，这与近些年来相关研究的创新方法相符合。将结合突现持续时间进行综合排序与划分，大体可以整理出对于“水安全格局”的研究有以“计算机科学”“自然地理学”“生态学”“城市规划”“环境科学”“工程土建”等为核心的综合性。

4 中英文文献关于“水安全格局”研究总结

基于本次研究的目的是从全方位多角度找到“水安全格局”研究重点，进而选取合适的指标进行评价体系的构建，因此，将收录于CNKI中文数据库2001～2021年间和WOS核心合集数据库2003～2021年间有关“水安全格局”研的中英文文献的研究进行综合分析，整合出以下结果。

(1)国内外针对“水安全格局”的相关研究的热度呈上升趋势，经过对两个数据库的关键词共现分析后发现，虽然该主题具有一定关注度，但中外文献的研究重点完全不同。

(2)“水安全格局”的研究具有多学科性，通过对CNKI数据库所得出结果进行人工整理，在中文期刊的研究中“水安全格局”主要涉及“资源科学”“环境科学”“生态学”“灾害学”等诸多学科。在对WOS核心合集数据库进行领域分析后，得出外文文献中发文量最多的学科为“环境科学与生态”“水资源”“工程学”等。不同学科之间存在交叉合作研究现象，可根据中介中心性的结果找到连接其他领域作用的中心枢纽性的学科有“环境科学与生态”“农学”“计算机科学”“生态学”等。

(3)经对比发现，在WOS核心合集数据库中，对“水安全格局”的研究早期主要集中于以农作物生产作为研究核心，以水安全对农作物的产量、质量等农业问题的影响进行研究，进行诸如降水量，灌溉等问题的探讨；随着农业发展的进步，以作物为研究核心的研究逐渐减少，至2011年后，随着气候变化等问题的显现，针对“水安全格局”的研究逐渐转化为从生态学的视角结合水文学从宏观角度对水资源保护与水质量安全的关注，但仍有近半数研究与农学中作物生长等问题相关，2016年后开始着重于生态保护的方向，以“水源涵养”“生态敏感性”等内容作为主要研究，整体研究呈现出不同阶段研究重点相对平行的研究状态。与之不同的是，在CNKI数据库中对“水安全格局”的研究以“生态安全”作为重点贯穿整个研究，并且随着研究的细化，呈现出随着时间推移逐渐产生交叉性，且整体研究呈现出由宏观研究逐渐向微观研究演进的趋势。

鉴于研究中对两组数据库的年限不做限制，所以所得初始年限即为涉及“水安全格局”相关研究的最早时间，其中CNKI数据库的最早年限显示为2001年，WOS核心合集数据库显示为2003年，因此可以产生推测，对于“水安全格局”的研究应该是以我国学者的研究作为核心引领。为证实这一推测，首先利用WOS自带的可视化功能对以“水安全格局”为主题的所有文献研究进行统计，统计发文量与国家的联系如图2所示，由此可知，在相关研究中，我国的研究成果处于遥遥领先的地位，研究成果占据数据库统计中的较大体量，其次为美国。

而后为更加准确的验证这一推测，将CNKI数据库与WOS核心合集数据库这两组数据库所生成的关键词共现结果进行对比分析，以研究阶段划分两组，通过关键词所产生的时间及突现强度、起始时间等诸多数据进行对比，总结得出表2，由此可知，外文研究的重点转移受我国学者的研究影响较大，根据统计，人工浏览WOS核心合集数据库产生研究重点转移的年限中的发文情况，我国学者发表的文献占据多数，因此，外文文献的研究重点由农作物转向以生态引领、规划为导向的关注转移与我国学者的成果输出具有密不可分的联系，在该阶段的研究呈现出以中国为研究引领者的盛况。

5 结论与展望

5.1 研究结论

基于研究统计所得结果进行分析可知：根据对CNKI数据库的关键词共现分析结果可以明确，时至今日，我国学者对“水安全格局”的研究主要从资源安全、生态安全、环境安全、灾害规避这四方面开展，研究重点以“海绵城市”和“生态安全格局”为主要内容。在灾害规避的方面多与规划类学科相结合，研究涉及如“雨洪管理”“生态基础设施”“低影响开发”等内容，基于推进城市安全发展的原则来看灾害规避成为构建“水安全格局”评价体系必不可少的一环。在生态安全方面，体现在“水源涵养”“生态修复”“保护物种多样性”等方面。

(1)在WOS核心合集数据库的统计中，根据关键词共现结果可以得知对于“水安全格局”的研究主要从：农业生产，水资源保护，水质安全，生态脆弱性等方面进行。领域共现结果表明，对“水安全格局”的研究最具贡献的学科有以“农学”“自然地理学”“环境科学”“计算机科学”“城市规划学”“生态学”为引领的诸多学科，具有极高学科交叉性。

(2)通过将两个数据库进行整合，找到国内外文献对于“水安全格局”研究的交叉与互补，可知：WOS核心合集数据库所得出的研究重点“水资源保护”与CNKI数据库中的“资源安全”呈现出研究重合，可以合并为“水资源安全”评价；WOS数据库中的“生态脆弱性”与CNKI中的“生态安全”具有所属关系，因此可以归纳为“水生态安全”评价；环境安全主要涉及水环境质量评价、水质安全等方面，因此可以将两组数据库的相关研究归纳为“水环境安全”评价。除此之外，两组数据库各具不同研究侧重，CNKI数据库中着重产生针对城市安全所进行的“灾害规避”这一分类，而WOS核心合集数据库中，对水安全格局的研究中农业占据较大地位，鉴于研究主要涉及灌溉、降水、水质量要求等内容，可以将农业中的评价进行拆分，归属于以上评价体系中。其次外文文献中对“计算机科学”的应用 也可为我们的研究带来全新角度的思考，可以从技术上创新并完善现有的研究体系。

(3)综上所述，基于对研究结果的统计与分析，初步可以确定构建“水安全格局”评价体系的主要内容有：水资源安全、水生态安全、水环境安全、水灾害规避四大方面，可以与不同学科的研究特点以及研究目标进行整合，结合学科特点从以上四大方面中选取合适指标进行“水安全格局”研究体系的构建。

5.2 研究展望

相比而言，中国学者在“水安全格局”的研究中起步较早，且针对性强，甚至在近些年的研究中处于引领地位。结合英文文献所得出的研究统计，对接下来的研究进行展望。

(1)对理论进行深化研究。对国内外现有研究进行深度探讨，明确水安全格局研究内涵，进一步明确构建方法与指标选择，根据社会经济发展对区域生态安全的新要求，动态优化水安全格局[19]。此外，由于水系的安全状况与所处环境的地理因素具有较强相关性，不同区域存在着不小的差异性[11]，因此，在构建水安全格局的评价体系中应当结合地域实际特征进行开展，因地制宜选取最适指标，制定最适评价标准，构建最适评价体系。

(2)增强评价体系深度。根据研究尺度不同，对评价体系进行进一步的细分，而不是以同一套评价体系及指标对不同尺度无差别进行分析，会影响评价结果准确性。接下来的研究可以进行不同尺度的水安全格局评价，以找出对应不同研究尺度的最适评价体系。

(3)加强多学科交叉，拓展研究广度。从WOS核心合集数据库中得到启示，可以结合其他学科的新兴技术手段来增强研究的广度，弥补传统研究方法在时间、空间尺度研究上的缺陷，增强研究可预测性，使得研究可以更好地服务于决策管理，促进可持续协调发展。