水科學(xué)研究的關(guān)鍵詞共詞聚類分析

韓宇平，袁皖華，肖恒

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

“水科學(xué)”(Water Science)是最近二十年來出現(xiàn)頻率很高的一個(gè)詞，已經(jīng)滲透到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境、資源利用等許多方面，也派生出許多新的學(xué)科或研究方向，成為學(xué)術(shù)研究和科技應(yīng)用的熱點(diǎn)．相應(yīng)地，每年涌現(xiàn)出大量期刊論文，既給學(xué)者的研究工作提供了便利，但同時(shí)也給文獻(xiàn)的管理與分析利用帶來了不便［1］．因此，有必要對(duì)所包含的學(xué)科主題和熱點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的梳理． 左其亭［2－3］將水科學(xué)劃分為:水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育等各有側(cè)重且相互交叉的10 個(gè)具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的研究領(lǐng)域，并分別對(duì)這10 個(gè)方面做專題研究進(jìn)展報(bào)告，及時(shí)總結(jié)了當(dāng)前水科學(xué)研究的最新進(jìn)展．然而，目前運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法來分析水科學(xué)研究中的熱點(diǎn)與現(xiàn)狀的成果還比較少．而這些少數(shù)研究也只側(cè)重于水科學(xué)研究中的某一方面(如水資源領(lǐng)域［4］)進(jìn)行文獻(xiàn)分析探討．

因此，本文利用《CNKI 中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫》中的文獻(xiàn)資料，采用Bibexcel 統(tǒng)計(jì)分析涉及水科學(xué)期刊論文中的關(guān)鍵詞，選取高頻關(guān)鍵詞構(gòu)建共詞矩陣，通過網(wǎng)絡(luò)分析、多尺度分析和聚類分析等統(tǒng)計(jì)方法，揭示水科學(xué)研究中的熱點(diǎn)與研究現(xiàn)狀．

1 資料與方法

1．1 資料來源

研究使用的資料源于《CNKI 中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫》．以關(guān)鍵詞為搜索詞進(jìn)行模糊檢索，檢索策略為:以10 個(gè)“水科學(xué)”的研究方面作為搜索范圍，即水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育;來源類別限定為EI、核心期刊;檢索年限為2005—2014 年． 按上述方法，檢索到期刊論文24 634 篇，年度分布情況見表1．

從表1 中可以看出，2005—2007 年論文數(shù)量逐年增加(1 764 ～2 244 篇)，2008—2013 年在2 600篇以上，2014 年論文數(shù)量相對(duì)較少，這主要是因?yàn)殚_始檢索的時(shí)間為2015 年1 月初，2014 年12 月份發(fā)表的部分論文未納入統(tǒng)計(jì)之中． 從各研究領(lǐng)域的論文數(shù)量上看，水資源領(lǐng)域期刊論文數(shù)量最多，為1 129 ～1 823 篇，平均約1 477 篇;其次是水環(huán)境領(lǐng)域，發(fā)表論文477 ～875 篇，平均約714 篇．這2 個(gè)領(lǐng)域約占統(tǒng)計(jì)的10 個(gè)水科學(xué)領(lǐng)域論文總量的90%，論文數(shù)量在年際上的變化主要由這2 個(gè)領(lǐng)域論文數(shù)量所引起．2010 年左右，關(guān)于水文學(xué)、水環(huán)境和水安全等的研究顯著增多，一定程度上反映出國家水安全戰(zhàn)略需求重點(diǎn)關(guān)注的方面(如洪澇、干旱等極端水文事件研究)．涉及水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育等領(lǐng)域的論文數(shù)量相對(duì)較少，特別是水教育領(lǐng)域自2011 年才有期刊論文出現(xiàn)，論文數(shù)量1 ～2 篇．

表1 2005—2014 年期刊論文數(shù)量年度分布篇

1．2 高頻關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞是論文的文獻(xiàn)檢索標(biāo)識(shí)，是表達(dá)文獻(xiàn)主題概念的自然語言詞匯，能夠簡單、直接、較為全面地概括論文的核心研究內(nèi)容，可以反映一個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域在某一時(shí)期內(nèi)大量學(xué)術(shù)研究的發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展方向［5］．由于水科學(xué)涉及面廣，關(guān)鍵詞繁雜，本文僅以出現(xiàn)頻次較多的高頻關(guān)鍵詞為分析對(duì)象．

以2005—2014 年與水科學(xué)相關(guān)性較大的5 972篇論文的關(guān)鍵詞為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象，使用文獻(xiàn)計(jì)量軟件Bibexcel 得到1 003 個(gè)關(guān)鍵詞． 考慮到一些同義關(guān)鍵詞在不同論文中的表述存在不同的情況，如水資源承載力、水資源承載能力在大多數(shù)情況下概念相同，本文對(duì)部分同義詞進(jìn)行了合并處理，最終將62 個(gè)詞頻大于等于20 次的關(guān)鍵詞，作為高頻關(guān)鍵詞，見表2．

表2 2005—2014 年高頻關(guān)鍵詞及詞頻

從表2 中可以初步歸納出近十年來涉及水科學(xué)相關(guān)研究的文獻(xiàn)具有如下特點(diǎn):

1)水環(huán)境、水資源承載力、可持續(xù)發(fā)展、水文學(xué)、水文化等出現(xiàn)頻次超過100 次，表明這些領(lǐng)域(方向)是水科學(xué)工作的重點(diǎn)，研究成果較多．

2)雖然國內(nèi)對(duì)研究氣候變化、水生態(tài)文明、水文化等方面研究起步較晚，但是在變化環(huán)境下的水資源脆弱性評(píng)價(jià)和適應(yīng)性、氣候變化下的水資源承載能力、水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、水文化的宣傳和普及等方面的研究得到較快發(fā)展．

3)方法層面的應(yīng)用研究較多． 如層次分析法、主成分分析法、分布式水文模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、熵權(quán)法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、集對(duì)分析等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次較高，這一方面表明一些較為成熟的方法得到了廣泛應(yīng)用;另一方面表明新的技術(shù)方法也在不斷發(fā)展．

4)形成了一些研究熱點(diǎn)地區(qū)． 按流域劃分，主要集中在黃河流域(如全流域、渭河流域、黑河流域等)和長江流域(如全流域、漢江流域、太湖流域等);按行政區(qū)域劃分，以北京市為研究區(qū)的研究最多．此外從水利工程角度分析，以研究三峽水庫和南水北調(diào)工程的居多．

1．3 高頻關(guān)鍵詞共詞分析方法

高頻關(guān)鍵詞在一定程度上反映了水科學(xué)研究的熱點(diǎn)與研究方向，但僅按出現(xiàn)頻次對(duì)這些詞進(jìn)行線性排列，還不能全面反映它們之間的關(guān)系，需要進(jìn)行共詞分析［6］． 共詞分析法屬于內(nèi)容分析法的一種，其原理主要是統(tǒng)計(jì)一組詞中兩兩同時(shí)出現(xiàn)于一篇文獻(xiàn)的次數(shù)，以這種“共現(xiàn)”次數(shù)反映這些詞之間的關(guān)聯(lián)程度，兩個(gè)詞的“共詞強(qiáng)度”(指兩個(gè)詞同時(shí)出現(xiàn)于一篇論文中的次數(shù))越高，則這兩個(gè)詞之間的關(guān)聯(lián)越緊密［7］．

本研究對(duì)高頻關(guān)鍵詞共詞的分析主要從網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析、聚類分析等3 個(gè)方面展開．

首先采用Bibexcel 構(gòu)建共詞矩陣． 由于關(guān)鍵詞的頻次懸殊，共詞矩陣中數(shù)據(jù)相差也比較大，為了消除頻次懸殊造成的影響，研究中引入共詞相對(duì)強(qiáng)度的指標(biāo)，采用關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的Salton 統(tǒng)計(jì)指數(shù)計(jì)算，

式中:nij為兩關(guān)鍵詞同時(shí)出現(xiàn)的頻次;ni、nj分別為第i、j 個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次．

利用式(1)計(jì)算得到高頻關(guān)鍵詞共詞的相異矩陣，其對(duì)角線上的數(shù)據(jù)表示該詞自身的相關(guān)程度．

然后，為進(jìn)一步揭示高頻關(guān)鍵詞之間的內(nèi)在相關(guān)關(guān)系，采用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析軟件Ucinet 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用畫圖工具Netdraw 繪制合著網(wǎng)絡(luò)圖譜，得到高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖．對(duì)高頻關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中，處于中心位置的關(guān)鍵詞運(yùn)用Ucinet 對(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖的網(wǎng)絡(luò)中心性指標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)一步考察各關(guān)鍵詞相對(duì)其它關(guān)鍵詞的地位和影響力．

最后，采用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)高頻關(guān)鍵詞共詞的相異矩陣進(jìn)行多維尺度分析和聚類分析，分別得到多維尺度可視化圖譜和聚類圖，以便直觀、形象地反映關(guān)鍵詞之間的聚類群體和各研究對(duì)象之間的相對(duì)關(guān)系．

2 結(jié)果分析

2．1 高頻關(guān)鍵詞共詞網(wǎng)絡(luò)分析

將62 個(gè)高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行兩兩配對(duì)，統(tǒng)計(jì)它們?cè)? 003篇文獻(xiàn)中共同出現(xiàn)的頻次，得到62 ×62 的共詞矩陣．其中主對(duì)角線的數(shù)值為該詞出現(xiàn)的頻次，非主對(duì)角線上的數(shù)值表示兩個(gè)關(guān)鍵詞共同出現(xiàn)在同一篇論文中的次數(shù)． 由于篇幅所限，這里僅給出前10位高頻關(guān)鍵詞的共詞矩陣，見表3．

表3 2005—2014 年高頻關(guān)鍵詞共詞矩陣

通過式(1)將高頻關(guān)鍵詞矩陣轉(zhuǎn)化為相異矩陣，采用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析軟件Ucinet 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并用畫圖工具Netdraw 繪制合著網(wǎng)絡(luò)圖譜．圖1 給出了高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖．圖1 中節(jié)點(diǎn)的大小表示該關(guān)鍵詞在水科學(xué)研究中影響力的強(qiáng)弱;節(jié)點(diǎn)之間連線的粗細(xì)表示節(jié)點(diǎn)之間兩組關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的大?。?/p>

圖1 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖

從圖1 中可以看出，水環(huán)境、水資源承載力、可持續(xù)發(fā)展、水文學(xué)、水資源管理、指標(biāo)體系等節(jié)點(diǎn)較大，處于節(jié)點(diǎn)的中心位置，在一定程度上反映出近十年來水科學(xué)研究的主題和主要內(nèi)容．具體來說:

1)水文學(xué)與氣候變化的聯(lián)系最為緊密，這表明，氣候變化下的水文過程的響應(yīng)及機(jī)理研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題．

2)水資源管理與管理模式、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化配置等關(guān)系較為密切，表明關(guān)于水資源管理的研究從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化配置技術(shù)方法層面和從管理的角度開展的較多．

3)水資源承載力與指標(biāo)體系、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、主成分分析法、層次分析法等聯(lián)系較為密切，表明關(guān)于水資源承載力方面的研究主要側(cè)重于計(jì)算方法．

4)水環(huán)境與水環(huán)境質(zhì)量、水污染、可持續(xù)發(fā)展、水環(huán)境容量、對(duì)策等聯(lián)系較為密切，表明水環(huán)境方面的研究側(cè)重于從可持續(xù)發(fā)展的角度探討水環(huán)境質(zhì)量和水環(huán)境容量，以及相應(yīng)的對(duì)策研究．

此外，由于水工程領(lǐng)域文章數(shù)量相對(duì)較少，涉及水工程領(lǐng)域的節(jié)點(diǎn)較小，但是高頻關(guān)鍵詞共詞的聯(lián)系卻十分緊密．如動(dòng)能經(jīng)濟(jì)為中心節(jié)點(diǎn)，其與水電站建筑、水庫群、工程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化設(shè)備等關(guān)鍵詞共同出現(xiàn)的頻率較大．

2．2 高頻關(guān)鍵詞共詞多維尺度分析

采用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)高頻關(guān)鍵詞共詞相異矩陣進(jìn)行多維尺度分析，擬合指標(biāo)為0．132 5，小于閾值0．2，且決定系數(shù)達(dá)到0．910 7，這表明擬合結(jié)果較好，分析結(jié)果如圖2 所示．

圖2 多維尺度分析結(jié)果

從圖2 可以看出，第1 維度方向上，側(cè)重水文學(xué)、水資源、水安全研究方面的高頻關(guān)鍵詞在左側(cè);側(cè)重水環(huán)境、水工程研究方面的高頻關(guān)鍵詞在右側(cè)．第2 維度方向上，水文學(xué)方面的關(guān)鍵詞在左下方，水資源方面關(guān)于區(qū)域水資源合理配置方面的關(guān)鍵詞在左上方;水工程方面圍繞南水北調(diào)工程的關(guān)鍵詞在中上方;水環(huán)境方面的關(guān)鍵詞在右上方;右下方則主要是水工程研究中與流域水資源利用相關(guān)的關(guān)鍵詞．

2．3 高頻關(guān)鍵詞共詞聚類分析

采用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)高頻關(guān)鍵詞共詞相異矩陣進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析計(jì)算，得到共詞聚類樹形圖，如圖3 所示．

圖3 層次分析聚類樹形圖

圖3 中大致將62 個(gè)高頻關(guān)鍵詞劃分為6 類，分別集中在水文學(xué)領(lǐng)域、水資源領(lǐng)域(方法部分)、水資源領(lǐng)域(管理部分)、水環(huán)境領(lǐng)域、水工程領(lǐng)域以及其它相關(guān)領(lǐng)域．

1)水文學(xué)領(lǐng)域． 研究內(nèi)容側(cè)重于氣候變化、水循環(huán)、生態(tài)水文及水資源安全等，研究區(qū)域多選擇半干旱地區(qū)的黑河流域和我國重大水利工程(如三峽水庫)，研究方法上主要采用(水文)模型進(jìn)行模擬分析．

2)水資源領(lǐng)域(方法部分)．圍繞區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，側(cè)重開展水資源承載力、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等研究，研究區(qū)域集中在干旱區(qū)，如石羊河流域及黃河流域．采用的方法主要是建立指標(biāo)體系，多以熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用層次分析、主成分分析、模糊綜合評(píng)價(jià)等方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)．

3)水資源領(lǐng)域(管理部分)．流域方面?zhèn)戎厮Y源管理模式的研究，研究區(qū)集中在長江流域，同時(shí)注重考慮流域生態(tài)需水問題;城市方面注重水資源利用的研究，地理信息系統(tǒng)技術(shù)在城市數(shù)字化過程中也得到了較為廣泛的應(yīng)用．

4)水環(huán)境領(lǐng)域． 研究圍繞地表、地下水環(huán)境的容量、質(zhì)量、管理等方面展開，研究區(qū)域主要是太湖流域．

5)水工程領(lǐng)域．研究側(cè)重于與南水北調(diào)工程相關(guān)的地質(zhì)勘探、相關(guān)設(shè)備、工程監(jiān)測(cè)、工程影響因素等方面．

6)其它領(lǐng)域．研究成果較為集中地體現(xiàn)在采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法研究北京市的水環(huán)境承載力．

3 結(jié) 語

水科學(xué)的涉及范圍十分廣泛，很多方面仍處于探索階段，對(duì)水科學(xué)的學(xué)科體系、研究框架的認(rèn)識(shí)還很不足，相應(yīng)的關(guān)于水科學(xué)研究的成果層出不窮，文獻(xiàn)數(shù)量越來越多．本文在收集大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建由62 個(gè)高頻關(guān)鍵詞組成的共詞矩陣，利用網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析和聚類分析等不同統(tǒng)計(jì)方法，初步歸納出近十年來水科學(xué)研究中的研究熱點(diǎn)和研究現(xiàn)狀．

①在水文學(xué)領(lǐng)域中關(guān)于氣候變化方面的研究、在水資源領(lǐng)域中關(guān)于水資源承載力和水資源管理方面的研究、在水環(huán)境領(lǐng)域中關(guān)于水環(huán)境容量和水環(huán)境質(zhì)量方面的研究在當(dāng)前研究成果中占較大比例;②圍繞大型水利工程(如南水北調(diào)工程)的水工程領(lǐng)域的研究，以及國家日益重點(diǎn)關(guān)注的水安全問題的水安全領(lǐng)域的研究均有所增多;③水科學(xué)相關(guān)研究中更加注重區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù);④各方面的研究中都形成了一些研究熱點(diǎn)地區(qū)．

應(yīng)當(dāng)指出的是，本文在研究方法上還存在一些不足，今后需進(jìn)一步加以改進(jìn):①對(duì)有限的高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，僅是從一個(gè)側(cè)面揭示了當(dāng)前水科學(xué)研究的現(xiàn)狀;②由于水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育等領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞少，造成這些領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和研究現(xiàn)狀分析不足．

致謝:本文第一作者自2013 年以來參加了由鄭州大學(xué)左其亭教授主編的《中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告》系列叢書的編寫工作，在編寫過程中認(rèn)識(shí)到用數(shù)學(xué)方法描述水科學(xué)研究進(jìn)展的直觀性和科學(xué)性，先期以“水資源學(xué)”為研究對(duì)象撰寫的《水資源學(xué)研究的關(guān)鍵詞共詞聚類分析》一文已發(fā)表，本文則在前期研究的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到整個(gè)水科學(xué)研究領(lǐng)域． 在此，感謝左其亭教授及其領(lǐng)導(dǎo)的《中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告》編寫團(tuán)隊(duì)對(duì)本文提出的指導(dǎo)意見!

［1］任智軍，朱東華，謝菲． 科技文本的可視化分析研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007，9(1):13－17．

［2］左其亭．中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告2011—2012［M］．北京:中國水利水電出版社，2013．

［3］左其亭．中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告2013—2014［M］．北京:中國水利水電出版社，2015．

［4］王富強(qiáng)，韓宇平，王朋，等．水資源學(xué)研究的關(guān)鍵詞共詞聚類分析［J］． 水利水電科技進(jìn)展，2014，34(4):29－34．

［5］尹相旭，張更平，李曉菲． 基于關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)的情報(bào)學(xué)研究現(xiàn)狀分析［J］．情報(bào)雜志，2009，28(11):38 －41．

［6］舒瑯．基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的項(xiàng)目管理學(xué)科熱點(diǎn)和主流知識(shí)群的研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2010．

［7］FRY J，TALJA S．The intellectual and social organization of academic fields and the shaping of digital resources［J］．Journal of Information Science，2007，33(2):115 －133．