雨水利用研究进展及热点分析

侯 雷

（湖北文理学院资源环境与旅游学院，湖北襄阳 441053）

人口增长和社会经济的快速发展，使得水资源需求量不断增加，并且伴随着城镇化进程的推进，下垫面性质发生明显变化，径流系数的增大及径流污染问题的出现，使得城市防洪及水环境治理的压力明显增加[1]。同时由于水资源时空分布不均，降雨与作物生育期需水在时间上难以保持一致，对农业生产也造成一定影响[2]。降雨是自然界水循环的重要环节，也是淡水资源的重要来源之一，雨水的资源化利用，可为应对水资源短缺、水环境污染、城市内涝等问题提供有效解决办法。

文献计量学以各类文献为研究对象，运用数学和计算机统计方法，对学科发展历程、研究热点、前沿动态等进行全面、客观的定量分析[3-4]。CiteSpace软件因其极强的文献计量统计和知识图谱可视化功能，已被广泛应用到诸多学科领域，该软件侧重于对学科研究的演变趋势、动态发展规律及知识结构关系进行探究[5]。虽然目前已有针对雨水利用的理论研究[6-7]，但仍缺乏从文献计量分析角度对该领域文献进行的梳理，对该领域的知识演变特征及研究热点的认识有待进一步完善。因此，本文基于文献计量学对国内雨水利用研究进行系统整理和分析，从而明晰该领域研究的发展脉络和热点方向，为雨水利用的深入探索提供理论参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文数据来源于中国知网（CNKI）数据库，检索主题设置为“雨水利用”，检索数据库包括EI 来源期刊、核心期刊、CSSCI 及CSCD 数据库。通过对1994—2022 年的文献进行高级检索，共检索出885 篇文献，经进一步的筛选和整理得到有效文献共860 篇。

1.2 研究方法

CiteSpace 软件可用于科研文献的可视化分析，能够展示特定学科领域的知识结构，较为直观地表现知识演化过程和研究热点[8]。本文在文献整理的基础上，利用CiteSpace 软件对文献的关键信息进行提取和分析，主要从关键词共现网络分析、突现词及关键词聚类分析3个方面探究雨水利用的知识演化路径和研究热点。

2 结果与分析

2.1 关键词共现网络分析

由于文献中的关键词具有继承性和延展性，能够反映出文章的研究内容与核心主题[9]，因此本文主要对关键词进行统计和分析，绘制雨水利用关键词共现知识图谱（图1），图谱中节点的大小代表关键词出现的频次，图中共有607个节点，连接线有1 020 条，网络密度为0.005 5。由图1 可知，该研究领域的关键词根据出现的频率由高到低依次为“雨水利用”“雨水资源”“雨水”“海绵城市”“水资源”等，反映出该领域研究主要集中在雨水的资源化利用方面。

图1 雨水利用研究关键词共现知识图谱

节点中心性反映了节点在整体网络中所起连接作用的大小，中心性越高，其影响力和重要程度越大[10]。因此可进一步对关键词的中心性进行分析（表1），其中“雨水利用”“海绵城市”和“雨水资源”关键词节点的中心性较高，并与周围节点的连结线较为密集，形成了较强凝聚力的研究网络，其中心性分别为0.82、0.15 和0.13，说明这些领域是研究的中心与重点。

表1 雨水利用研究关键词统计

2.2 研究主题演进分析

在文献分析中，关键词在某个阶段突然的增加反映了一定时期内研究热点的转变，即出现了新的热点研究主题，因此可对雨水利用突现词进行分析，从时间维度探究不同时期的研究热点及知识演进过程[11]。由图2可知，关键词突现时间最长的是“雨水集蓄”，表明围绕该主题的研究持续范围较长，关键词突现强度最高的是“海绵城市”，反映出与该词有关的研究主题关注度较高。随着研究内容的广度和深度不断增强，更多的研究热点出现，根据1994—2022年研究主题的时序变化特征，可将雨水利用的研究可分为3个阶段。

图2 雨水利用文献关键词突现信息

第一个阶段为初期探索阶段（1994—2007 年），通过对雨水利用相关理论及应用的探索，形成了基础的研究体系和框架。该阶段文献分析的突现词包括“雨水集蓄”“黄土高原”“节水灌溉”“雨水资源”和“雨水利用”，由此可知，雨水利用研究初期关注重点是雨水的集蓄利用。雨水集蓄是雨水开发利用的基础，即从集雨区收集雨水径流，并将其送入蓄水设施中加以贮存[12]。而保证整个雨水集蓄利用技术体系获得最大效益的关键环节则是高效、经济合理地利用雨水[13]。农业利用是该阶段雨水利用研究的主要侧重点，从研究区域来看，前期的研究较多集中在黄土高原地区，严重的水土流失及干旱是该区域农业生产的主要限制因素，为满足人口增长和社会发展的需求，实现地区生态环境改善及农业可持续发展，雨水集蓄利用成为黄土高原地区改善生态环境和提高生产力的重要方式[14-15]。对于以集雨农业为主的地区，可通过分析天然降水的时空分布规律及作物不同生长期需水量的差异，选择适当时段补充灌溉，从而实现雨水的高效利用[16]。同时，该阶段的研究对象也从单一集雨工程或集雨设施向雨水集蓄利用系统及技术体系的研究扩展[17]。

第二阶段为快速发展阶段（2008—2014 年），该时期扩展了雨水利用研究的范围，形成了更加丰富的研究成果。通过突现关键词可知，该阶段的研究重点围绕城市雨水径流污染、雨水利用效益、屋面雨水、绿色建筑及初期雨水等主题展开。从研究的侧重点来看，逐渐由雨水数量的研究转向雨水质量的研究，而研究区域也更加趋向于城市区域，研究趋势的转变主要与城市化进程的不断加快关系密切。城市化不仅影响水文循环过程，同时还伴随有径流污染问题的出现[18]。屋面雨水和初期雨水径流污染是该阶段开展雨水径流污染研究的主要方面[19-20]。同时为进一步加强雨水利用效率，提高城市雨水利用的建设质量和管理水平，该阶段的研究也更加关注雨水利用效益的分析与评价[21]。

第三个阶段为稳定发展阶段（2015—2022 年），该时期主要围绕海绵城市建设展开研究。为更好地协调城市化建设和水生态环境的关系，避免雨水资源的浪费，有效应对城市中的雨洪内涝、雨水径流污染、水资源匮乏等问题，海绵城市的建设为解决这些问题提供了新的思路[22-23]。自2014年10月起，随着《海绵城市建设技术指南》发布以及海绵城市试点建设工作的启动，国内海绵城市建设受到更加广泛关注，进一步推动了相关研究的开展[24]。

2.3 研究热点分析

通过对关键词进行聚类分析，采用时间线图反映聚类之间的关系及不同聚类中各文献的时间跨度[25]，该领域的研究可归纳为12 类（图3），并根据研究主题的发展及相关性，可将国内雨水利用的研究热点总结为4 个方面，即雨水收集与利用、雨水资源利用效益与潜力、雨水径流污染和海绵城市建设。

图3 雨水利用研究关键词时间线

2.3.1 雨水收集与利用 雨水收集与利用研究主题包括聚类#0、#1、#3、#6、#7、#10。降雨是水循环的重要环节，雨水利用在我国有着较长的历史[26]。早期雨水集蓄利用的研究主要围绕干旱和半干旱地区的农业灌溉展开，在具体应用方面，通过收集雨水径流，并对作物灌溉需水量和灌溉制度进行分析，合理选择沟灌、喷灌、滴灌、注灌和渗灌等方式，并结合作物需水关键期和土壤水分严重缺水期进行有效补灌[27]。雨水既是保障农业生产的必要条件，也是影响城市可持续发展的重要因素。随着城市化的快速推进，建成区下垫面不透水面积显著增加，导致地表径流系数较大，加大了城市防洪排水压力和洪涝风险[28]。为有效应对城市雨洪问题，在城市雨水利用中，可通过人工或自然水体，包括池塘、湿地或低洼地等对雨水径流实施调蓄、净化和利用[29]。基于此，一些学者围绕城市雨水利用工程或技术展开研究，如张书函等[30]对城市雨水利用工程的关键技术进行探究，主要从设计降雨、雨水池容积、溢流堰顶标高、下渗设施规模和透水地面结构等方面进行了探讨。

屋面、道路和绿地是城市雨水利用的重点研究对象，屋顶绿化通过基质的吸附作用、基质空隙的阻拦和蓄积作用、植被吸收和蒸腾作用等方式对雨水进行迟滞和蓄积，不仅具有改善生态环境、拓展绿化空间、提高屋顶隔热效果等功能，还可以截留雨水，并将净化后的雨水存入蓄水池循环利用[31]。已有研究表明屋顶绿化的雨水滞留率为44%～49%[32]，洪峰径流削减可达44.2%[33]。为进一步强化屋面雨水利用技术的应用研究，戎贵文等[34]提出了重力流雨水过程自动弃流与收集、雨水智能洁净收集、涵养地下水等屋面雨水源头调控技术。道路既是城市的重要组成部分，又受到雨水径流的直接影响，一些学者从措施布设方面对道路雨水的收集利用情况进行了探究。已有研究表明，生物滞留带的建设及透水砖的铺设均能提高雨水的收集利用效率[35]。城市绿地作为城市区域绿色空间，也为雨水的集蓄利用提供条件，通过绿地进行雨水渗透，不仅满足绿地的生态需水，补给地下水，同时能起到雨水净化的作用[36]。随着研究的深入，城市雨水利用的研究也扩展到对雨水利用系统的研究。雨水利用系统是由多因子构成的复合系统，不同因子的相互关系及作用也反映了雨水资源利用的整体状态[37]，降雨量时空分布的差异，也会较大程度地影响雨水利用系统运行的效率[38]，因此优化雨水利用系统有利于实现雨水的高效利用，陈如梁等[39]通过对雨水回收再利用方案的改进，提出了适用于我国南方住宅建筑的雨水集蓄利用系统。

2.3.2 雨水资源利用效益与潜力 雨水资源利用效益与潜力研究主题包括聚类#4、#5、#8、#13，雨水作为重要的水资源，既能够为社会发展带来效益，又具有一定的利用潜力，雨水资源化利用能够有效缓解水资源短缺问题，同时可降低城市排水系统负荷，减少水体污染[40]。因此，在雨水利用效益和雨水资源化潜力的分析和评价方面，一些学者结合不同的指标和方法进行了相关探索。李美娟等[41]对城市雨水利用效益评价指标体系进行了系统分析，并通过多层次半结构模糊决策法对雨水集蓄利用效益进行综合评价。舒安平等[42]从雨水措施集蓄、入渗、利用水量计算和雨水措施成本—效益分析两方面建立了城市雨水措施评估体系。而针对雨水资源利用潜力的评价研究，主要采用评估模型和数理统计方法。孟凡香等[43]引入SWAT 分布式水文模型，提出了相应的雨水资源化潜力计算模型。马瑾瑾等[44]利用层次分析法与模糊综合评价法对雨水资源的利用潜力进行评价。

2.3.3 雨水径流污染 雨水径流污染研究主题主要为聚类#9，城市雨水径流不仅会冲刷下垫面，同时也会使得营养盐、重金属、悬浮固体等进入水体，形成非点源污染，给城市水体污染防治带来压力[45]。城市雨水径流污染的防治主要围绕屋面雨水和道路雨水径流污染展开，例如宫永伟等[46]探究了5 种简单式绿色屋顶对屋面雨水径流的影响规律。冯萃敏等[47]等探究了道路雨水径流中典型污染物质量浓度变化规律及径流水质污染指标相关性。同时，径流污染模型的研究也得到不断发展和应用，王宝山等[48]探究了不透水表面雨水径流污染物冲刷规律，通过建立径流污染物冲刷模型对雨水径流污染物冲刷进行了模拟。还有学者针对不同模型的适用性进行了评价，吴春笃等[49]基于污染物累积和冲刷过程建立的6 种雨水径流污染模型，针对其在道路雨水径流污染模拟方面的适用性进行了探讨。同时，在雨水径流污染研究中，由于初期雨水径流污染的污染物成分复杂且污染源空间分布广泛，给污染物治理带来巨大挑战[50]，所以初期雨水也受到学者的广泛关注，并从城市下垫面特性、土壤本底条件、排水设施等影响因素方面展开了研究[51]。

2.3.4 海绵城市建设 海绵城市建设研究主题主要为聚类#2，海绵城市的建设突破了传统“以排为主”的城市雨水管理理念，充分考虑城市基础设施运行安全和城市水安全，根据水文条件和规划指标的差异性，综合运用工程与非工程措施，实现雨水径流的“渗、滞、蓄、净、用、排”[52]。从理论发展来看，车伍等[53]对海绵城市的基本概念、内涵及低影响开发雨水系统与海绵城市的关系进行了重点阐述，俞孔坚等[54]详细阐述了海绵城市概念的源起、发展、内涵和构建方法体系，为海绵城市的建设提供了理论支撑。在应用研究上，海绵城市的研究主要包括城市雨洪调蓄、低影响开发技术、海绵城市建设效果分析及效益评价等，例如陈秋伶等[55]基于SWMM 模型对不同尺度海绵系统雨洪控制措施的合理设置及综合控制目标进行系统性实例研究。低影响开发是海绵城市核心技术体系的重要组成部分，研究表明低影响开发（LID）控制措施能有效削减洪峰及径流总量达40%[56]。常见的低影响开发工程措施包括植草沟、透水铺装、绿色屋顶、生物滞留池、雨水湿地系统、下凹式绿地，因此最优的LID 措施组合的雨洪控制效果也受到学者的关注[57]。同时一些学者也从海绵城市单一效益及综合效益方面进行了评价[58-59]，为进一步推进海绵城市建设提供参考。

3 结论及展望

本文通过利用CiteSpace 软件对1994—2022 年雨水利用研究的相关文献进行分析，并深入探究该领域的发展历程、研究热点及前沿动态，得到的主要结论如下。

（1）根据关键词共现网络分析可知，雨水利用研究领域的关键词包括“雨水利用”“雨水资源”“雨水”“海绵城市”“水资源”等，其中“雨水利用”“雨水资源”“海绵城市”作为高频关键词，中心性分别为0.82、0.15和0.13。

（2）1994—2022 年国内雨水利用研究主要分为3个阶段，即初步探索阶段、快速发展阶段和稳定发展阶段，不同阶段研究的侧重点分别为农业雨水利用、城市雨水利用和海绵城市建设。

（3）通过聚类分析，可将雨水利用研究归纳为12类，总体可总结为4个方面，分别为雨水收集与利用、雨水利用潜力及效益、雨水径流污染和海绵城市。

今后对于雨水利用的研究可进一步加强气象学、土壤学、植物学、经济学、管理学等跨学科知识的运用，优化雨水收集、利用和管理方式，逐步完善雨水利用研究体系。在研究尺度上，通过探究不同尺度条件下的雨水高效利用方式，深入探索不同尺度雨水利用特征及转换规律。在雨水利用效益及潜力评价等方面，可加强评价体系建立及评价模型应用方面的研究。同时从雨水径流污染的成因、迁移规律、污染负荷等方面探索径流污染治理体系研究，从而实现雨水资源的可持续利用。