基于CiteSpace分析中国城市雨水利用的发展趋势

韦新东,冯 霞

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院,吉林 长春 130118)

近年来,城市内涝在多个城市发生、水资源短缺的问题日益严重,在这种情况下,城市雨水资源的合理利用显得尤为重要[1].雨水利用能够帮助我们更好地管控用水,并为环境可持续发展带来好处.应当积极推动海绵城市的建设,以实现对雨水的全面、系统、有序的利用,从而实现其在经济、社会及环境上的共赢,为实现可持续发展提供强劲动力.过去10年,雨水利用的概念和实践受到了越来越多的重视.为了更好地了解这一现象,本文使用CiteSpace这一文献分析软件,整合了中国知网中重要的相关论文,并从中总结了雨水利用的发展历史,综述当下对于雨水的利用情况和最新发展动态,以期更好地了解这一课题,并为今后的发展做好准备.

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

选择中国知网的文献分析我国城市雨水利用研究概况.CiteSpace,也被称为“引文空间”,主要用于研究文献的相似性,近年来,CiteSpace的技术发展迅速,除了原有应用外,也支持探索各种信息的相似性,比如研究人员、研究组织、研究领域的联系以及跨领域的交流[2].

1.2 研究方法

本文利用CiteSpace软件对论文发表数量、出版机构、文献来源、核心作者群体、研究热点和未来趋势进行了分析.为了全面了解海绵城市领域雨水利用研究的最新进展和趋势,搜索步骤如下:检索时间设置为2013.03.01—2023.03.01,以“雨水利用”为主题,“海绵城市”为高级检索的检索标准,共获得754篇文献,进一步筛除相关的新闻报道、期刊封面和会议征文,排除重复研究,最终得到有效文献718篇 (2023年3月检索).

2 结果和分析

2.1 雨水利用领域研究特点

2.1.1 发表论文数量分析

通过对多年来出版物数量的统计,可以深入了解该领域的发展趋势.这些数据评估了一个重要的指标,即学术研究的受欢迎程度随着时间的推移而变化的情况.从表1可以看出,雨水利用的论文数量并非呈持续上升趋势,2012年4月“海绵城市”的概念被首次提出.随后,该概念被进一步强调:在建设海绵城市、提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来,通过海绵城市建设,科学、合理、高效地利用城市雨水资源,充分发挥雨水资源的利用效益是我国生态文明建设的一项重要任务[3].住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[4],明确了海绵城市的定义:海绵城市,是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用.自此,在海绵城市建设的背景下,雨水利用领域的相关文献开始出现.自2014年以来,雨水利用领域发表论文的产量呈快速增长趋势,表明雨水利用的研究在国内越来越重要.2016—2018年,相关文献数量激增,年均发表数量超过150篇.

表1 2014—2023年雨水利用文献的年度分布

随着海绵城市概念的推广,越来越多的研究人员致力于深入研究和剖析国际上关于雨洪管理的理论体系、发展历程以及实际应用效果,以寻找适合中国本土化的雨水利用体系[5].这些研究不仅涉及对雨水资源的开发、应用、监管和优化,还包括对管理模式进行改革、提高公众参与度、完善绩效考核机制等方面的建议,从而使得关于雨水利用的研究更为全面、系统.自2019年起,中国现代雨洪管理技术的进步,使得有关雨水利用的研究出现了减少的态势.

雨水利用是实现水资源可持续发展的一条重要途径,我国政府推出海绵城市项目时设定了一个目标,即到2030年吸收70%的雨水以满足全国80%的城市用水需求.但雨水资源理论在实践应用上还存在较大差距,这一领域将一直是今后研究的热点.

2.1.2 主要的雨水利用科研机构分析

通过CiteSpace的“Institution”节点的分析,可以清晰地展现出研究领域内研究群体的地域分布,从而更好地理解他们之间的合作关系.图1展示了各个节点及其之间的连线,节点的大小表示研究机构对文章数量的贡献,连线则表示机构之间的合作关系.在这些研究机构中,有两类主要关注雨水利用的理论和技术,一类是建筑类高校,另一类是规划设计单位.这些机构都在努力探索雨水利用的实际应用,以科学的方法和规划为指导,充分利用城市的雨水,以达到节约、安全、高效的目的.西安建筑大学、沈阳建筑大学、天津大学、重庆大学等高校是发文量最高的研究机构.然而,尽管建筑类高校发文量高,但彼此间的联系并不紧密,这表明高校研究群体大多缺乏横向沟通与合作,不利于当前环境下的知识流动与共享.以北京市水科学技术研究院为核心聚集的设计单位和研究院合作最为紧密.未来,雨水利用的发展需要更多机构的广泛参与,以实现整个产业链、学术链和研究链的创新.

图1 机构合作网络图

2.1.3 主要高产作者分析

在文献计量学研究中,作者的定量分析不仅能发现并分析雨水利用这一研究领域最具代表性的学者,还能反映出作者在该领域的学术联系.通过“Author”节点运行可以得到作者之间合作关系的网络图,如图2所示,连线表示作者之间存在合作关系,节点的大小与作者的文章数量贡献相对应.主要作者发表的期刊在这一研究领域发挥着重要作用,是衡量研究社区形成的重要基础.为了分析研究领域内的核心作者,根据Price平方根定律,核心作者中生产力最低的作者的发文数量应等于最具影响力的作者的出版物数量的平方根的0.749倍.公式如下:

图2 作者合作网络图

其中:M是确定核心作者的最小论文数量;NMAX是作者发表论文数量最多的文件数量.

发表频率最高的核心作者是方涛,已经发表了4篇论文.确定发文数量超过2篇的作者为核心作者.其中,方涛、张伟、白雪、徐振强、张书函、刘翠、冯峰、关卓今具有较高影响力.

2.2 研究热点与研究趋势分析

通过聚类分析关键词,本文旨在深化关键词之间的共现关系,并计算出一组更密切相关的关键词.这些关键词将形成包含多个词的主题聚类,从而进一步研究雨水利用领域的主题结构.

2.2.1 研究热点和知识演进

为了进一步探讨在海绵城市的背景下有关雨水利用研究的热点,对关键词进行聚类.其中ModularityQ=0.527 9,表明聚类结果显著;Weighted Mean SilhouetteS=0.918 1,该值是用来衡量网络同质性的指标,越接近1,反映网络的同质性越高.本文选取热度最高的前9个关键词进行分析聚类,如图3所示.

图3 雨水利用关键词聚类

从具体与宏观两方面看待雨水利用,将有关雨水利用热度最高的9个关键词分为两部分.第一类具体的雨水利用关键词包括#2雨洪管理、#5城市内涝、#6雨水收集、#8雨水控制,这部分具体的雨水利用可概括为雨洪管理的技术与方法.第二类宏观的雨水利用关键词包括#0海绵城市、#1雨水利用、#3雨水、#4雨水花园、#7雨水资源.它们可以概括为基于雨水资源的诸多利用途径.

由图3所示,聚类效果非常显著.第一项聚类为海绵城市,通过该聚类的“Note Details”了解到该聚类下更详细的关联词.海绵城市的聚类下主要包括的“Neighboring Nodes”有效益分析、发展前景、展望、地理国情、生态建设、生态景观、生态服务.表明在海绵城市的推进过程中,国内学者更热衷于讨论海绵城市实施以后的具体效益,评估其生态价值,对其发展前景进行展望[6].第二项聚类为雨水利用.第三项聚类为雨洪管理,该聚类下讨论的内容主要有专门立法、雨洪调蓄、内涝控制、地下水库、下垫面、规划设计、再生资源等.这些内容主要分为三个方面:第一,有关雨水利用的政策法规.近年来,随着一系列有助于雨水调蓄利用的政策的出台,雨洪管理体系的建设取得了显著的成果[7].第二方面是有关雨水利用的技术发展.在海绵城市建设中通常以雨水花园、下沉绿地、渗渠等组成雨水收集回用系统,并广泛应用于建筑小区与道路广场等地[8].第三方面是指雨水利用的可持续发展.回顾国内雨水利用的发展历程,可以将其划分为三个阶段:早期阶段,重点主要放在水的安全性上;中期阶段,重点转向水的环境质量;后期阶段,重点聚焦于水的生态性和生物多样性,以及水的资源可持续性.这些变化反映出人们对雨水的价值观念的不断转变.

通过使用时区视图,可以研究雨水利用的时间变化情况,并发现关键节点之间的结构关系.这有助于探究它的热点演进特征.例如,图4显示,国内雨水利用研究的维度正在不断扩展,关注点也越来越多样化.通过使用时区图谱,可以将这些热点演变过程大致划分为两个方面:

图4 雨水利用研究关键词共现时序

(1)自《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》的发布明确了海绵城市的定义以后,有关海绵城市背景下雨水利用的研究开始激增,高涨的热度一直持续到2017年.2017年至今,稳定保持高频率的讨论.在整个阶段的前期,雨水利用相关途径的技术成为了研究的焦点,例如雨水花园等海绵设施受到了广泛的讨论.相关学者开始重点关注国外雨水利用技术与国内海绵城市建设之间的联系,并从多个角度深入探讨中国特定情境下的雨水利用理念,以及如何通过水文过程的研究来实现这一目标,即将雨水利用的重点放在构建一个完整、平衡和协调的水循环系统上.

(2)随着国内雨水利用的逐步发展完善和工程实践及理论探索的不断深入,研究的重点开始向技术角度转移.在这个阶段,出现了许多多维度、跨尺度、跨专业讨论系统之间优化组合的文章.然而,从图4中可以发现,如何合理利用雨水资源以缓解城市内涝,同时更好地进行雨水控制,仍然是讨论的重点,并持续受到国内学者的关注.

2.2.2 研究前沿趋势分析

CiteSpace可以帮助研究人员深入了解该学科的最新发展动态,从而更好地预测未来的发展趋势,并且可以帮助他们发现有待深入探索的课题[9].突现词是指特定文献在一定时期内被引用频率的突然增加,它可以为研究者提供学科的最新发展和方向.因此,最近出现的突现词代表了一个研究的前沿领域.通过“Burstness”对突变词进行检测,得到8个有效的前沿关键词,如图5所示.通过追踪这些涌现的词汇,发现这些前沿关键词大概可以以2020年为界线划分为两个阶段来看.在2013—2020年,各方向的发展趋势都比较平均,多个关键词突现,其中“城市建设与规划”一直是雨水利用研究的热点方向,而“雨水景观”和“绿色建筑”也是热度较高的方向,这表明雨水利用的有关研究呈现多目标、多方向、多领域齐头并进的局面.然而,在2020—2023年,突现出“排水系统”这一关键词.多年来,“排水系统”一直被讨论,但是近两年有关此方向的论文呈现爆发式增长的状态,且一直持续较高热度.随着国内城市化进程的不断推进,地表面临着严重的雨水淹没风险,极端的暴雨对国内的城市产生了巨大的影响[9-10].同时,由于雨水排放系统等基础设施的建设周期长、成本较高,因此评估海绵城市雨水利用相关政策对雨水排放基础设施产生的影响成为了近两年的热点话题[11].

图5 关键词突变

面对雨水利用复杂的现实条件、多专业和系统的衔接问题,以及技术设施的建设时序,各个海绵城市的试点城市必须寻找适用于当地的绿色生态建设模式、先进的雨水利用技术、完善的管理结构,以及有效的融资机制.这将有助于实现雨水利用的可持续发展,并成为未来海绵城市研究的重要方向和热点.

2.3 未来研究趋势及展望

本文基于对当前热点及前沿趋势的深入分析,提出未来需要重点关注的研究领域,以期为接下来的雨水利用研究提供思路.

(1)建立一个由多学科和领域共同参与的雨水管控技术体系,是应对当前雨水管控领域的挑战和机遇的关键.当前雨水利用尚处于发展阶段,正面临如何更好地提升各专业技术之间相互配合的挑战.因此,必须加强对这些领域的学科和领域的共识,并结合中国的国际环境和城市建设的特点,提出适当的解决方案.

(2)完善与健全雨水利用相关规范制度、机构体制,是保障雨水利用可持续发展的必要举措.

(3)政府和社会资本合作的模式可以成为雨水利用持续推进的动力.当雨水量达到特定的标准,可以收集、净化、存蓄雨水,并利用这些降雨来满足城市绿化、道路浇洒,也可作为工业冷却、生活区冲厕等用途的商品水[12].雨水资源利用在“绿色金融”方面有待进一步发展.

3 结论

经过对近10年的雨水利用研究文献的深入分析,可以清晰地看到,中国在雨水资源的开发和应用方面正在经历一个快速的上升期.目前,关于雨水利用的理论研究与工程实践正在齐头并进.研究作者和研究机构从多个目标和角度对雨水利用进行探讨,共同推动雨水利用的科学、绿色和可持续地发展.理论与实践并重是现阶段中国雨水利用的研究现状.在此之前,国内的关注焦点主要集中在海绵城市实施后的雨水利用的具体效益上,评估其生态价值,并展望其发展前景.后期的研究则逐渐转向雨水利用的技术应用和工程实践.我国城市的雨水利用正在朝着一个更加综合性的方向发展.