基于CiteSpace的地表水-地下水相互作用研究文獻分析

劉玉玉，馮雨晴，姜欣

(1.濟南大學水利與環(huán)境學院，濟南 250022；2.山東省水利科學研究院，濟南 250014；3.山東省農(nóng)村供排水安全工程技術(shù)研究中心，濟南 250014)

地表水和地下水是相互關(guān)聯(lián)的水文連續(xù)體，廣泛存在于山區(qū)巖層、河流系統(tǒng)、海岸和喀斯特等地形環(huán)境中，其多變而復雜的相互轉(zhuǎn)化和相互作用影響著流域水文循環(huán)和水量收支計算[1-3]。水質(zhì)方面，地表水-地下水相互作用過程影響著水化學成分的分布和演變規(guī)律，水巖作用、吸附效應等在作用過程中產(chǎn)生影響，干擾著流域水質(zhì)[4]；水量方面，地下水是一些流域水文循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化的主導因素，尤其對一些干旱區(qū)的生態(tài)植被狀況影響顯著[6-7]。近年來，許多河流水利工程的修建和運行在解決流域水資源時空分布不均、水資源供需矛盾和水資源合理配置等方面發(fā)揮著巨大作用，同時使水循環(huán)過程發(fā)生變化[8]。灌溉引水和地下水開采改變了地表水和地下水的循環(huán)[9-10]，但過度引水導致河道徑流減少[11-12]，造成生態(tài)退化，地下水的過量開采引發(fā)了許多生態(tài)環(huán)境問題[13-14]。

單獨的地表水與地下水研究不能滿足研究需求，也難以解釋水體交互作用形成的各種現(xiàn)象。為了進一步探明水體相互作用的形成機理，為水資源管理提供思路方法，需要對地表水-地下水相互作用開展進一步的研究。地表水與地下水之間存在著密切的聯(lián)系，兩者的相互作用深刻影響著流域內(nèi)的水循環(huán)，最終影響生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，其原理、機制及影響等是水文學中需要進一步探討的內(nèi)容，對于科學地進行水資源評價、開發(fā)利用和綜合管理具有重要意義。

文獻計量學是一門基于數(shù)學和統(tǒng)計學的交叉學科，以文獻、作者和詞匯數(shù)量為主要度量對象，對知識載體進行定量分析。CiteSpace統(tǒng)計和可視化軟件是美國德雷塞爾大學陳超美博士基于Java平臺研發(fā)而成的文獻計量工具[15]，利用文獻計量原理，在使用知識圖譜達成數(shù)據(jù)可視化方面展開了廣泛的應用[16-22]。本文利用CiteSpace文獻計量工具對地表水-地下水相互作用相關(guān)文獻進行量化分析，通過繪制知識圖譜展示該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，通過分析文獻共被引和關(guān)鍵詞探究地表水-地下水相互作用領(lǐng)域研究前沿與研究熱點，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文以Web of Science(WoS)核心數(shù)據(jù)庫為檢索平臺，主題詞設(shè)置為：[groundwater and(river*or surface*or lake*)]and interact*，時間跨度為1985—2020年，語言選擇English，文獻類型選擇Article進行檢索，得到文獻信息共5 958條。文獻數(shù)據(jù)最后更新時間為2021年1月25日。

1.2 分析方法

將WoS核心合集中的5 958篇文獻導出。為保證文獻非重復性和關(guān)聯(lián)性，利用CiteSpace對導出文獻進行除重，人工篩除與該領(lǐng)域相關(guān)性弱的文獻，得到有效文獻信息2 941條。對導出文獻的發(fā)文量、引文量、研究領(lǐng)域、發(fā)文作者、研究機構(gòu)、載文期刊和關(guān)鍵詞等進行分析，文章數(shù)據(jù)處理采用的CiteSpace軟件為5.5 R2.SE的版本。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量分析

發(fā)文數(shù)量及增長率隨時間的變化反映了該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢。1985—2020年，該研究領(lǐng)域的文獻發(fā)表總數(shù)為2 941篇，總被引頻次達到54 645次(圖1)，去除自引后的引用頻次為47 954次，每篇平均被引次數(shù)為18.58，h指數(shù)為89。1985—2020年，地表水-地下水相互作用研究領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量分為緩慢增長、波動增長、穩(wěn)定增長3個階段。1993年前，該領(lǐng)域年均發(fā)文數(shù)量在10篇以下，有關(guān)研究較少，增長緩慢；1994—2010年，該領(lǐng)域年發(fā)文數(shù)量為10～113篇，發(fā)文數(shù)量呈波動增長；2011—2020年，出現(xiàn)大量研究性文獻，研究進入穩(wěn)定增長階段，年增長率為12.44%。該領(lǐng)域近3年的年均發(fā)文量超過250篇，受到研究學者的廣泛關(guān)注。

圖1 1985—2020 年地表水-地下水相互作用的年發(fā)表文獻量

2.2 學科分析

地表水-地下水的相互作用是水循環(huán)過程中水資源、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人為作用等多要素共同影響的結(jié)果，涉及多門學科。設(shè)置時間切片為1 a，分析節(jié)點為Category，數(shù)據(jù)選取標準為Top 50，對文獻進行學科方向分析。高占比學科(圖2)展示了地表水-地下水相互作用的研究主要涉及學科，包括水資源學、地質(zhì)學、工程學、地球科學、環(huán)境科學與生態(tài)學等(文獻所屬學科類別的劃分具有一定的重復率)。研究過程中，靈活應用各領(lǐng)域不同技術(shù)手段將是研究取得突破的關(guān)鍵之一。此外，地表水-地下水相互作用與生物學、湖沼學、地球化學與地球物理學等也有一定聯(lián)系，這也是該領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的重要原因之一。

圖2 1985—2020 年地表水-地下水相互作用相關(guān)學科文章占比

2.3 載文期刊分析

表1列出了1985—2020年該領(lǐng)域載文數(shù)量排名前10的期刊，發(fā)文量占總發(fā)文量的41.49%。其中，由荷蘭Netherlands主辦，Elsevier Science BV出版的JournalofHydrology發(fā)文數(shù)量最多。此外EnvironmentalEarthScience、HydrologicalProcesses、HydrogeologyJournal、WaterResourcesResearch等期刊發(fā)文量位居前5。可以看出，地表水-地下水相互作用研究的發(fā)文期刊所屬學科以水文水資源學、環(huán)境科學及地球科學為主。

表1 1985—2020年地表水與地下水相互作用文獻載文期刊

2.4 研究力量分析

不同國家(地區(qū))和機構(gòu)的發(fā)文量在一定程度上反映其對該領(lǐng)域的重視程度及影響力；發(fā)文作者共現(xiàn)圖譜可以展示不同階段該領(lǐng)域的前沿團隊和合作密切的學者群。

2.4.1國家和地區(qū)分析

時間跨度選擇時間切片為1 a，分析節(jié)點為Country，數(shù)據(jù)選取標準為Top 50。研究期內(nèi)，有110個國家(地區(qū))研究了地表水-地下水相互作用，有9個國家發(fā)文量超過100篇。由表2可知：美國發(fā)文量最多，處于該領(lǐng)域研究的主導地位；第二位是中國，反映出我國在該領(lǐng)域科研水平的提高。發(fā)文數(shù)量在100次以上的國家中，中國、美國、英國和意大利等國家具有雄厚的科研實力，基于水資源的經(jīng)濟與社會需求廣大，在一定程度上展現(xiàn)了科研能力和研究領(lǐng)域需求對科學研究的推動作用。根據(jù)被引頻次，英國、意大利和西班牙等國家的論文篇均被引頻次較高,中國為14.28，文獻年均被引次數(shù)較低，論文綜合影響力有待提高。這與中國在該領(lǐng)域研究起步較晚有關(guān)，因此，我國要提高論文的質(zhì)量和研究深度，擴大文獻影響力。

表2 1985—2020年地表水與地下水相互作用發(fā)文數(shù)量排名前10位的國家

2.4.2發(fā)文機構(gòu)分析

分析節(jié)點選擇Institution，數(shù)據(jù)選取標準為Top 50，其他設(shè)置不變。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):中國科學院(Chinese Acad Sci)在該領(lǐng)域發(fā)文量第一(147篇)；美國地質(zhì)調(diào)查局(US Geol Survey)發(fā)文數(shù)量第二(96篇)；中國地質(zhì)大學(China Univ Geosci)和澳大利亞弗林德斯大學(Flinders Univ S Australia)第三(70篇)。在CiteSpace中，Centrality指的是一個節(jié)點擔任其他兩個節(jié)點之間最短路的橋梁的次數(shù)，節(jié)點充當“中介”的次數(shù)越高，值越大，節(jié)點也就越重要。中介中心性標準化計算通常使用一個節(jié)點承擔最短路橋梁的次數(shù)除以所有的路徑數(shù)量，中介中心性超過0.1的節(jié)點稱為關(guān)鍵節(jié)點。中心性較高的機構(gòu)包括澳大利亞弗林德斯大學(0.31)、中國科學院(0.30)、加拿大滑鐵盧大學(Univ Waterloo，0.17)、美國地質(zhì)調(diào)查局(0.14)和德國亥姆霍茲聯(lián)合會(UFZ Helmholtz Ctr Environm Res，0.12)。中國科學院、美國地質(zhì)調(diào)查局及澳大利亞弗林德斯大學的中心度和發(fā)文量均較高，科研實力雄厚，影響深遠，見圖3。

圖3 1985—2020年地表水與地下水相互作用機構(gòu)合作共現(xiàn)圖譜

2.4.3文獻作者群體分析

分析節(jié)點選擇Author，數(shù)據(jù)選取標準為Top 50，其他設(shè)置不變。由表3可知，Chunmiao Zheng(鄭春苗)是1985年以來該領(lǐng)域發(fā)文量最多的學者(23篇)。超過10篇的作者還有：Yanxin Wang(王焰新)、Laura K Lautz、Reed M Maxwell、Martin A Briggs、Craig T Simmons和Xianfang Song(宋獻方)。圖4顯示該領(lǐng)域具有多個學術(shù)合作團體，如鄭春苗、田勇和鄭一學術(shù)團隊，王焰新和馬騰學術(shù)團隊，Laura K Lautz團隊，Reed M Maxwell團隊，Martin A Briggs團隊，Craig T Simmons和Peter G Cook學術(shù)團隊，宋獻方和唐常源學術(shù)團隊。從作者合作共現(xiàn)圖譜可以看出，各國家地區(qū)研究機構(gòu)和團隊目前已基本成熟穩(wěn)定，團隊內(nèi)部學者的聯(lián)系較緊密，但團隊與團隊之間合作交流較弱，部分團隊研究活動較為獨立。

表3 1985—2020 年地表水-地下水相互作用文獻發(fā)文作者

圖4 1985—2020 年地表水-地下水相互作用作者合作共現(xiàn)圖譜

2.5 知識基礎(chǔ)識別

高頻被引文獻展示了領(lǐng)域所涉及的類似或相通研究思路和聚焦點，是后期研究者強有力的參考范本。保持CiteSpace的其它設(shè)置不變，分析節(jié)點選擇Reference，數(shù)據(jù)選取標準設(shè)置為Top 50，得到引文共現(xiàn)圖譜，并對圖譜中排名前10的文獻進行分析，見表4。

表4 1985—2020 年地表水-地下水相互作用文獻排名前10的被引文獻

Sophocleous[2]建立了一個完善的水文地質(zhì)生態(tài)學框架，闡述了氣候、地形、地質(zhì)和生物因素間的相互作用，概述了地表水和地下水相互作用對補給-排泄過程的影響機理，并強調(diào)了這種相互作用的生態(tài)意義。Boano等[23]總結(jié)了潛流帶中流體流動和輸送過程的模擬研究，并概述了水文和流體動力學中提出的理論。Kalbus等[24]概述了目前用于估算地表水-地下水界面通量的方法。Keery等[25]探索了一種利用溫度時間序列來計算跨河床沉積物的垂直水通量的方法。Fleckenstein等[26]探討了表征、量化和建模地表水-地下水相互作用的新方法和模型，如自然示蹤劑和集成的地表-地下數(shù)值模型等，以提高對地表水-地下水作用過程的理解。Brunner等[27]介紹了一種數(shù)值型水文模型HydroGeoSphere，用以定量分析水文循環(huán)。Kollet等[28]提出了一種用于解決大型、高度異構(gòu)、可變飽和的流動問題的通用耦合模型，以更好擬合地表水-地下水界面條件。Hatch等[29]提出了一種使用時間序列熱記錄法確定河床滲流率，定量分析地表水與地下水相互作用的方法。Schmidt等[30]通過測量河床溫度計算經(jīng)由河床排放的地下水量。Anibas等[31]設(shè)計了一種以熱量為示蹤劑，通過熱分布圖確定地表水-地下水相互作用的季節(jié)性和空間格局的方法，并在比利時Aa River進行實測。

從高頻被引文獻分析來看，該領(lǐng)域關(guān)注地表水-地下水交互的定量分析，熱追蹤作為一種常見且有效的追蹤方法，常用以探究地表水-地下水交互的水通量、滲透率、排放量等量化分析結(jié)果。此外，通過分析熱分布與溫度序列，可探究地表水-地下水相互作用的空間格局與時間變化。水文模型作為分析地表水-地下水交互的有效模擬手段，也是該領(lǐng)域重點研究方向，近年來，對數(shù)值模型進行改進或研發(fā)，用于提高模型對作用界面及不同研究區(qū)域模擬精度是較為常見的研究思路。此外，隨著該領(lǐng)域研究的逐步深入，相應的綜述性文獻日益增多，逐漸建立起該領(lǐng)域的研究框架與知識體系。

2.6 變化趨勢與研究熱點

關(guān)鍵詞是對論文研究重點和方向的提煉，是對文章核心的概括。從高頻關(guān)鍵詞分析中能夠進一步了解該領(lǐng)域的主要研究方向、技術(shù)方法和研究熱點。時間跨度及切片保持不變，選擇Key word為分析節(jié)點，數(shù)據(jù)選擇標準為Top 5%，合并含義相同的關(guān)鍵詞，刪除聯(lián)系性較弱的關(guān)鍵詞，生成關(guān)鍵詞圖譜見圖5。

圖5 1985—2020 年地表水-地下水相互作用關(guān)鍵詞圖譜

節(jié)點groundwater、flow、surface water、water和aquifer代表了地表水-地下水相互作用領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，在對5個節(jié)點的研究分析基礎(chǔ)之上，探究地表水-地下水相互作用(表5)。高頻關(guān)鍵詞展示了該領(lǐng)域主要研究涉及以下幾個方面：研究對象[32-35]包括河流-地下水、湖泊-地下水、濕地-地下水、濱海-地下水、交互帶、含水層、淺層地下水等區(qū)域的水體交互作用；研究內(nèi)容[36-37]包含地下水流量、水質(zhì)和水力傳導率等；作用過程[38-42]指運輸、補給、排放、交換和集水等；影響因素[43-44]，宏觀上體現(xiàn)在氣候變化和人類活動等，微觀上體現(xiàn)在水巖相互作用、浸潤和蒸發(fā)作用等；涉及學科為地球科學、水資源學、水化學、水文地球化學及生態(tài)學等；研究方法[45-48]包括數(shù)理統(tǒng)計、模型以及示蹤劑等。目前該領(lǐng)域的研究方向朝多元化發(fā)展，技術(shù)也呈多元化。利用同位素探究地表水-地下水轉(zhuǎn)化情況和通過數(shù)值模擬法建立地表水-地下水作用耦合模型的研究比重較大。除了同位素外，熱追蹤[49-50]也是一種較為常用的追蹤方法。另外，砷、磷、氡、氮、有機碳以及鈾等高頻關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，說明該領(lǐng)域重視水中化學元素含量的分析，借助化學元素含量量化分析交互作用或探究交互過程。高頻節(jié)點展示了該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，相關(guān)學者可以從中探索研究思路。

表5 1985—2020 年地表水-地下水相互作用高頻關(guān)鍵詞

突現(xiàn)性較高的關(guān)鍵詞是特定時段內(nèi)頻次變化率高的詞，反映不同時段研究趨勢。為了識別元素在某時段內(nèi)的突出貢獻，進行Burstness排名識別，Minimum Duration參數(shù)設(shè)置為3，獲取連續(xù)3年及以上突出的元素。分析發(fā)現(xiàn)：該領(lǐng)域研究內(nèi)容呈現(xiàn)“較單一的地下水研究→地表水-地下水相互作用研究→陸地-水域生態(tài)系統(tǒng)的水體交互對各因素的響應研究”的變化趨勢，是由單一研究對象→多目標水體相互作用→整個生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)變化的探究過程。早期，groundwater是研究的基礎(chǔ)，關(guān)于地表水-地下水相互作用的研究較少，有關(guān)理論尚處于起步階段。中期，科研人員開始探究地表水-地下水相互作用的作用機理與有關(guān)作用過程，量化分析交互水量和水質(zhì)問題，示蹤劑與數(shù)值模型等研究方法逐漸應用于該領(lǐng)域的研究。現(xiàn)階段，隨著生物地球化學循環(huán)等理念的發(fā)展，蒸散發(fā)(evapotranspiration)、植被(vegetation)、溫度(temperature)、鹽漬化(salinization)和灌溉(irrigation)等關(guān)鍵詞較為頻繁出現(xiàn)，研究關(guān)注陸地-水域生態(tài)系統(tǒng)的水體交互作用對人類活動、氣候變化等影響因素的生物和化學響應。此外，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，工農(nóng)業(yè)活動對水資源產(chǎn)生的影響大大增加，研究人員開始關(guān)注人類活動對地下水和地表水造成的影響。重金屬(heavy metal)、污染(pollution)、飲用水(drinking water)及地下水水質(zhì)(groundwater quality)等關(guān)鍵詞突現(xiàn)性較高，有機物、重金屬和硝酸鹽等物質(zhì)在水中的分布與含量及在地表水-地下水相互作用過程中的轉(zhuǎn)移受到關(guān)注。

關(guān)鍵詞聚類展示了該領(lǐng)域的前沿研究熱點。圖6關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間線圖譜共生成6個聚類標簽。其中：交互帶(hyporheic zone)是地表水-地下水相互作用研究的焦點；水文地球化學(hydrogeochemistry)的研究最為持久；氣候變化(climate change)對地表水-地下水相互作用的影響是研究的重要內(nèi)容；土壤濕度(soil moisture)和河岸(riparian)是地表水-地下水相互作用的重要研究對象；海底地下水排泄(submarine groundwater discharge)與濱海區(qū)水體交換研究息息相關(guān)。分析還發(fā)現(xiàn)：隨著科學技術(shù)的發(fā)展與生態(tài)理念的完善，生物地球化學循環(huán)等理念逐漸受到關(guān)注，探究水循環(huán)驅(qū)動下水體交互作用對人類活動及氣候系統(tǒng)等的生物學、物理學和化學過程的響應是該領(lǐng)域近年來研究熱點問題[51-54]。

圖6 1985—2020 年地表水-地下水相互作用關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間線圖譜

3 結(jié) 論

通過CiteSpace對WoS篩選除重后的地表水-地下水相互作用領(lǐng)域的文獻進行分析，得到以下結(jié)論：該領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量與被引頻次呈上升趨勢，相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注；發(fā)文數(shù)量最多的期刊為JournalofHydrology、EnvironmentalEarthScience、HydrologicalProcesses，研究力量主要分布在美國、中國、澳大利亞等國家，中國科學院、美國地質(zhì)調(diào)查局和澳大利亞弗林德斯大學等機構(gòu)貢獻突出，影響力深遠；鄭春苗教授是該領(lǐng)域發(fā)文量最多的學者。研究發(fā)現(xiàn)：“較單一的地下水研究→地表水-地下水相互作用研究→陸地-水域生態(tài)系統(tǒng)的水體交互對各因素的響應研究”是該領(lǐng)域研究的變化趨勢；探究水循環(huán)驅(qū)動下水體交互作用對人類活動及氣候系統(tǒng)等的生物學、物理學和化學過程的響應是該領(lǐng)域近年來研究熱點問題。

高新技術(shù)、精密測定儀器和各種計算機建模軟件的快速發(fā)展為科學進行水資源評價、開發(fā)利用和綜合管理提供強有力的支撐。通過梳理該領(lǐng)域的研究方向變化及前沿問題，發(fā)現(xiàn)目前尚有以下問題亟待解決：研究內(nèi)容上，諸如南水北調(diào)、地下水開采等一系列人類活動對水文循環(huán)產(chǎn)生影響，而氣候變化增加了影響的復雜度，地表水與地下水的交互作用需進行更長時空尺度的綜合研究；技術(shù)方法上，地表水與地下水交互界面的確定、不同時空尺度下地表水-地下水耦合模型及模型精確度的提高是目前需要解決的技術(shù)問題；同時，未來要注重地表水-地下水交互作用的多尺度多學科交叉研究，增強團隊間的合作交流。

對地表水-地下水相互作用領(lǐng)域的文獻計量分析展示了該領(lǐng)域的發(fā)展狀況、主要研究力量、研究方向與熱點，幫助研究人員初步認識該領(lǐng)域的發(fā)展進程，確定研究方向，把握前沿脈絡(luò)。與綜述型文獻比較，利用CiteSpace軟件分析多重文獻節(jié)點，結(jié)果更為細化、清晰和直觀。