基于文獻計量學對流域產匯流研究的熱點分析

胡金輝，孫穎娜，王 寧，李 贊

(黑龍江大學水利電力學院 中俄寒區水文水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

人類的活動主要是通過改變下墊面的條件來影響流域的產匯流過程。人類活動改變了原始土壤的蓄水能力，土壤的下滲能力，蒸散能力，植物截留能力等，這使得下墊面狀況和氣候環境產生變化，可能導致當前城市洪澇問題日益突出。由下墊面和氣候環境變化帶來的災害問題吸引了大眾的關注[1]。為緩解本世紀頻繁發生的洪澇災害所帶來的影響，當前水文科學研究關注的重點逐漸轉向了全球氣候變化和人類活動影響下的水循環研究[2]。另外值得一提的是研究產匯流的機制、機理及計算方法同時也是水文工程學的重要基礎和內容。因此，進行流域產匯流過程的影響研究對把握水循環特征和對工程水文學的發展是十分必要的。

為了更好地把握對流域產匯流領域的研究動態，本文將采用文獻計量軟件CiteSpace，對國內流域產匯流影響研究現狀進行可視化分析并繪制出相應的圖譜，總結出了當前的前沿動態和研究方向，并對熱點問題進行進一步的分析，以期為該領域的學者們提供一些參考。

1 數據來源及處理

1.1 數據來源

通過期刊文獻來了解研究領域的趨勢是有效的方法[3]。本文使用知網的高級搜索功能選擇“期刊”或“學術論文”并選擇主題為“產匯流”“模型”“產流”“洪水”“匯流”，檢索到以產匯流為研究內容的期刊論文最早發表于1998年。檢索到共計1 116條相關文獻，并且去除掉其中不可用于分析的會議文獻以及暫不考慮的資訊，得到1999—2020年共計1 046條文獻資料，其中學術期刊736條，學位論文310條。將目標文獻按Ref-work格式進行導出并轉碼，從而得到本文研究樣本數據庫(2021年4月3日檢索轉碼得到)。

1.2 數據的分析處理

華人陳超美博士在2004年開發的一款基于JAVA算法的文獻統計可視化軟件名為CiteSpace[4]。該軟件于2007年引入中國，目前該軟件已經更新到CiteSpace5.7.R5版本，較其他類型軟件更易對作者、機構、關鍵詞等進行可視化分析，便于了解當前的研究動態和趨勢。由于CiteSpace在科研等方面的迅猛發展，使得該軟件的更新速度比SPSS、Excel、TDA、Ucinet、NoteExpress等分析軟件更新頻率快許多。當前最新的發展前沿和圖譜技術很多是基于CiteSpace，幾乎所有學科的大數據分析任務都可以在CiteSpace中完成。此外，CiteSpace簡單易學，對研究者的計算機能力要求并沒有過高要求，這可以幫助研究者從大數據分析的困擾中擺脫出來。

本文運用CiteSpace，由于搜索到的文獻的來源時間大致為1999—2020年，因而將計算時期設置為1999—2020年，將“Year Per Slice”的參數值可設置為1年，Node type分別選擇Institution、Author、KeyWord等。由于2000—2020年數據較多，網絡裁剪方式選擇Pathfinder，而后對文獻進行網絡共現分析。此外對一些相互包含的關鍵詞予以了合并處理，如“下墊面”和“下墊面變化”。在得到的圖譜中圈的大小表示該關鍵詞出現的頻率較高，若出現了彼此相鄰的關鍵詞，則表示它們出現在相同的文獻中[5-6]。機構以及個人論文發表數量則主要基于CNKI的自帶分析功能獲取。

2 數據結果與研究熱點分析

2.1 國內領域發文分析

文獻數量的情況是衡量研究領域是否受關注的重要的指標。通過CNKI高級搜索功能，選擇需要統計的年份，即可得到歷年發表文獻的數量，同時生成的統計圖能夠直觀清晰的地呈現發文量的歷史變化。發文數量及其發表年份可反映研究成果的動態變化，對檢索的結果進行統計繪圖。圖1表明，在2004年以前相關的研究較少，該階段的發文量一直少于30篇。2004年以后有更多的學者關注流域產匯流的研究，發文量也是呈現遞增的總趨勢。在2019年該領域的發文量達到最高值88篇。由此可知對流域的產匯流的影響研究目前仍然受到中國研究者們的廣泛關注，同時也是國內領域研究方向的熱點。

圖1 流域產匯流領域相關論文年度出版量折線

2.2 研究機構分析

在開始界面的Project里選擇已導入的數據名稱“產匯流”，選擇參數設置為“institution”，其余參數設置仍保持為默認狀態，運行軟件即可得到研究機構的初始可視化網絡圖，選擇控制面板中的“find cluster”，進行適當參數調整使可視化網絡圖布局合理清晰，而后點擊“export”，“generate a narrative”即生成研究機構的分析表，整理后見表1。

表1 流域產匯流領域主要研究機構

2.3 作者分析

運行CiteSpace，將節點類型設置為作者，閾值和相關參數仍然與機構參數相同[7]，得到節點數為530，表明在流域產匯流方向上有530位具有相對影響力的研究者，連線數為334，表明研究者中有334組有著部分合作關系。對論文作者進行知識圖譜繪制見圖2，圖中表明流域產匯流領域的研究者分布廣泛，并且有著小范圍的合作。選中較大的節點，再點擊Node details可顯示出作者的具體節點數，結果表明節點數最大的學者為徐宗學(9)，夏達忠(7)、劉俊(7)、馮杰(7)、夏軍(6)等人位列其后。由于各研究者的相互交流與合作，在圖譜中可直觀的顯示出了幾個作者之間的聯系網絡結構，其中較為顯著的是以夏軍、劉俊、夏達忠為代表的3個網絡結構。以上表明研究者們在流域產匯流領域的研究與合作可以得到進一步的加強。

圖2 國內流域產匯流領域作者發文量共現網絡

2.4 關鍵詞分析

可以通過出現頻次較高的關鍵詞來認知產匯流理論的應用領域，可以快速準確地識別產匯流領域研究與應用前沿。CiteSpace通過計算關鍵詞出現的次數，用高頻詞來確定相應領域的研究熱點。本文運用CiteSpace軟件，節點類型定為KeyWord，對篩選出的1 046篇學術論文和期刊進行關鍵詞共現分析。采用的網絡修剪方法算法，關鍵詞的選取標準及閾值設置如下：時間區間為1999—2020年，且“year per slice”仍然設置為1年。得到圖3所示的產匯流領域關鍵詞網絡共現圖譜，生成的圖譜中共有506個節點，表明有506個研究子方向，914條網絡線，表明各研究子方向之間有著大量密切的聯系。圓圈的大小表明出現的頻率高低，排在前面的高頻關鍵詞分別為“產匯流”“洪水預報”“分布式水文模型”“新安江模型”“城市化”“產流”“SWMM模型”“下墊面”等。

圖3 1999—2020年國內流域產匯流領域高頻關鍵詞共現網絡

“涌現”詞是指在一個時間段內被引的頻次突然增多的關鍵詞，它可以有效地用來反映一時間段內的研究動態。為進一步研究流域產匯流領域的發展趨勢，可利用CiteSpace中的探測詞頻突發增長功能，在右側控制面板中設置視圖為“Burstness”，并適當調整相關閾值，即得到國內產匯流研究前沿領域的涌現圖。從圖4關鍵詞涌現圖中可看出,在1999—2004年的突現詞為“洪水”；2003—2007年的突現詞分別為“匯流”“實時校正”“DEM”“水文模型”“新安江模型”等；2008—2016年突現詞為“流域”“暴雨”“山洪災害”等；2017—2020年突現詞為“SWMM模型”“低影響開發”“海綿城市”；其中“低影響開發”“海綿城市”涌現率一直持續至今，以上表明二者為當前研究的的主要發展趨勢。

圖4 國內流域產匯流領域的關鍵詞涌現

2.5 研究熱點成果分析

2.5.1聚類分析

為了更深入地了解流域產匯流的前沿熱點，本文將所分析的文獻進行聚類分析。設置Node type為KeyWord，而后運行程序，再點擊find cluster進行適當閾值參數調整得到圖5所示的聚類圖譜。圖中一共產生12個聚類，分別為“產匯流”“洪水預報”“城市化”“分布式水文模型”“ARCGIS”“流域”“SCS模型”“城市防洪”“海河流域”“地理信息系統”“洪澇災害”，聚類的主題詞及聚類輪廓見圖5。由聚類分析檢索到的1 046篇文章的高頻關鍵詞可將近年來流域產匯流影響領域的研究熱點劃分為城鎮洪澇治理研究和水文循環中產匯流模擬，這2類研究熱點之間既有聯系也有區別。

圖5 國內流域產匯流領域聚類分析

在得到的聚類圖中設置可視化的模式為Timeline View，之后進行適當調整可以得到各聚類距離目前研究時間的遠近。圖6給出了圖5前13個聚類的時間線視圖。在圖中圓圈年輪的大小代表研究對象在當時年份所受關注的程度，圓圈年輪越大表示所受關注的程度越強。在21世紀初，學者們主要關注點為產匯流理論的研究以及洪水預報研究，之后研究熱點為水文模型。

圖6 國內流域產匯流領域的引文聚類的時間線視圖

在結果中，一方面可以看出之前中國對流域產匯流的基礎理論研究十分重視；另一方面表明流域產匯流影響的領域可持續發展態勢仍在繼續，流域產匯流影響的領域未來仍備受關注，相關水文學科的研究仍將繼續，仍會有一些新問題等待進一步挖掘。

2.5.2水文循環中產匯流模擬

根據流域產流量推求流域出口斷面流量過程是流域產匯流的研究的主要目的。當前水文循環模擬中產流模擬方法主要有：“降雨徑流相關關系”“混合產流”“超滲產流”和“蓄滿產流”等方法[8-9]。但是由于單一方法的局限性，多種方法也有綜合的應用于相應的研究之中，如耦合模型、水文與數理統計結合法、模型的對比法等。

流域匯流通常包括“坡地匯流”與“河道匯流”2個階段。2個階段的計算方法匯總見表2。坡面匯流又包括，地表、壤中、地下匯流。其中地表匯流的速度一般最快，地下匯流最慢，壤中流的匯流速度介于二者之間。在小流域匯流中不能忽略坡面匯流，但在中、大型流域研究時，又可以忽略坡面匯流階段，只考慮河道的演算。

表2 常用水文模型匯流方法匯總

此外，水資源管理要求的時間尺度不需特別細致，而洪水預報所要求的時間尺度往往通常較為精確；不同的時間尺度會導致模型的精度受到影響，所以應注意到模型使用和模型的時間尺度有較為密切的關系。因而即使利用同一模型在不同時間尺度上產生的結果也產生巨大的差異[10]。

2.5.3低影響開發理念和SWMM模型的結合

目前海綿城市建設作為中國現代城市水管理的重大戰略，然而隨著社會高速發展以及城鎮化進程加快，土地利用變化、植被覆蓋率減少，不透水面增加均對城市暴雨洪水、徑流等產生了很大的影響[11]。將城市的降雨扣除損失量，將剩余的在地表形成徑流的雨水進行收集和凈化處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補充城市的供水[12-13]。

恢復城市的水循環能力和提升城市的蓄水能力是建設海綿城市的目的。LID(Low Impact Development)理念指的是提升海綿城市的對水資源利用能力，并且改善城市的內澇現象，降低洪水災害發生的頻次。使用LID是為了是城區的水循環更加接近于自然狀態下的水循環，主要是通過在多個點進行源頭控制從而實現降低徑流的污染[14]。同時，LID模式在減弱洪峰、以及補給地下水，綜合利用社區雨水等方面的應用也十分廣泛[15]。

目前由于中國海綿城市建設仍處于發展階段，海綿城市建設中有關水文工程學的問題也需得到進一步的深入研究。當前的研究手段通常可以是通過獲取研究區域的遙感影像資料，再用各種數值模擬方法(例如SWMM)得到各研究區域的汛期雨洪資源量并進行分析評價。SWMM暴雨管理模型是美國環境保護代理機構研制出的一款軟件[16]此外SWMM也是目前被認為是在城市雨水徑流模擬中最廣泛使用的一款軟件。在該模型中，用戶主要通過輸入降水資料、下墊面條件等來模擬產匯流過程[17]。

在產匯流模型中依據河道地形可將河段概化為管道考慮，在充分考慮下墊面的不同條件后對整個區域進行小流域的劃分，根據各區不同下墊面面積占比，進行加權平均計算，這樣就可以求得各個子匯水區域的徑流過程線[18]。Horton下滲公式一般都能取得比其他經驗公式好一些的結論，考慮使用Horton下滲方法來研究區域的入滲過程[19]。SWMM模型中是通過非線性水庫的模型來去模擬地表匯流的過程，而后聯立連續方程和曼寧公式，使用有限差分法并進行迭代求解，也可利用水力、水文學有關方程和公式求解出整個出流過程。

對于如霍頓公式中的參數，和不同區域的經驗參數可參考SWMM模型用戶手冊及相關文獻，而對于其他確定性參數則需通過實測獲得。通過利用SWMM模型對不同的LID設施布置場景進行模擬便可得到相對更優的組合[20]。

3 結語與展望

本文通過對流域產匯流領域科學文獻的計量分析，總體展示了該研究領域的發展現狀，并得出如下結論。

a)從整體文章發表情況來看，近20年流域產匯流影響領域文章發表呈現上升趨勢，產匯流領域研究熱度不斷提高。從合作網絡來看，河海大學和武漢大學構成了國內流域產匯流研究的核心力量，各機構的合作仍需加強，對研究領域的影響力仍需進一步提升。此外，產匯流領域研究學者的學術合作也可以得到進一步的加強。

b)從關鍵詞共現的分析來看，現有流域產匯流研究除聚焦水文模型、地理信息軟件的使用以及相關影響因素問題，還注重海綿城市的建設、下墊面環境的改善等可持續性發展的問題，目的在于改善城市的環境，提升人民群眾的生活質量。

c)從關鍵詞突現時間分析來看，對于各種水文模型的研究和應用是排名第一的熱點研究話題，但近年來關于產匯流研究相關熱點開始轉向“低影響開發”“海綿城市建設”“地理信息系統”和“城市化影響”，尤其“低影響開發理念”和“海綿城市建設”是未來水文研究需要重點關注的方向。

此次研究是基于CNKI數據庫下的中文文獻，探討了流域產匯流的研究在中國的發展脈絡與研究現狀，今后將進一步使用Web of Science數據庫來探討國外在流域產匯流的發展脈絡。