可視化知識圖譜的中國SWAT模型研究趨勢分析

尤麗萍，林雪兒，林美嬌，劉君成，何東進(jìn)，游巍斌

（福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002）

分布式水文模型研究是水文界研究的熱點，是真實描述和科學(xué)揭示流域水文過程和規(guī)律的一個有效途徑，為研究水文、生態(tài)和環(huán)境問題提供了一種有效的工具。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是一種具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ)的長時段的流域分布式水文模型[1-2]。該模型適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復(fù)雜大流域，能在資料缺乏的地區(qū)建模，在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應(yīng)用[3]。隨著模型發(fā)展和推廣，目前SWAT模型成為流域水文和生態(tài)環(huán)境問題研究的重要工具。SWAT模型自1990年開發(fā)以來，在國外已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)和水量的模擬評估、非點源污染負(fù)荷估算及形成機(jī)制探討、情景分析與預(yù)測、環(huán)境變化及農(nóng)業(yè)管理措施對水文水質(zhì)的影響、氣候變化對區(qū)域水循環(huán)和作物生長的影響等多方面[4]。

國內(nèi)SWAT模型的研究和應(yīng)用從2000年前后起步，SWAT模型的引入為西部寒冷地區(qū)水文過程的模擬提供了有用工具，它獨特的分布式結(jié)構(gòu)和運行控制方式也為我國分布式水文模型的研制開拓了視野[5]。SWAT模型除了分布式徑流模擬功能之外，還能用于面源污染、水土流失、土地利用和農(nóng)業(yè)管理等方面的研究，是一個十分值得推廣的綜合性流域水文模型[6]。因此本文基于中國知網(wǎng)（CNKI），以“SWAT模型”為主題詞，對1990—2017年期間國內(nèi)學(xué)者發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析，從文獻(xiàn)數(shù)量與研究趨勢、文獻(xiàn)關(guān)鍵詞、文獻(xiàn)期刊分布、文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)與合作網(wǎng)絡(luò)及文獻(xiàn)研究作者合作網(wǎng)絡(luò)這五方面進(jìn)行簡要梳理國內(nèi)對SWAT模型應(yīng)用研究的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，以期服務(wù)于SWAT模型在我國的發(fā)展，并為我國的水資源管理、水土保持工作提供決策支持與依據(jù)。

1 研究方法

1.1 基于中國知網(wǎng)（CNKI）的文獻(xiàn)計量

以中國知網(wǎng)（CNKI）為檢索數(shù)據(jù)源，考慮到SWAT模型最早的版為SWAT90s，故將檢索時間段設(shè)置為：1990—2017年（2017年12月31日）。為保證檢索結(jié)果的全面性，文獻(xiàn)類型選擇期刊和學(xué)位論文兩類；最終以主題=“SWAT模型”or摘要=“SWAT”進(jìn)行檢索，獲得文獻(xiàn)1 726篇；在文獻(xiàn)所屬學(xué)科基礎(chǔ)上，剔除不符合本研究要求文獻(xiàn)16篇；最終確定1 710篇文獻(xiàn)作為分析數(shù)據(jù)庫。

1.2 基于知識圖譜的可視化分析

伴隨著數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，對數(shù)據(jù)進(jìn)行單純的計量統(tǒng)計已經(jīng)難以看出數(shù)據(jù)間更深層次的特點，數(shù)據(jù)可視化不僅能通過關(guān)系數(shù)據(jù)來識別和分析數(shù)據(jù)信息，而且能以更為直觀的方式看到數(shù)據(jù)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更加深入的觀察和分析[7]。本文基于上文確定的中國知網(wǎng)（CNKI）的數(shù)據(jù)源，利用信息可視化軟件Cite Space Ⅲ，Cite Space軟件由美國費城德雷克塞爾大學(xué)（Drexel）信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的陳超美博士開發(fā)，他是國際上信息可視化領(lǐng)域的權(quán)威專家，多年致力于信息可視化方法及相關(guān)算法的研究。通過對文獻(xiàn)信息的可視化，我們能夠較為直觀地識別學(xué)科前沿的演進(jìn)路徑及學(xué)科領(lǐng)域的經(jīng)典基礎(chǔ)文獻(xiàn)[8]。本文通過運用信息可視化方法、文獻(xiàn)計量統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)挖掘算法等，對引文進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘和計量分析，以可視化的形式展現(xiàn)有關(guān)國內(nèi)SWAT模型應(yīng)用研究的發(fā)展進(jìn)程和結(jié)構(gòu)關(guān)系，掌握SWAT模型的研究現(xiàn)狀、研究路徑演變和發(fā)展趨勢。

2 結(jié)果與分析

趨勢[9]。關(guān)鍵詞的中心度能較準(zhǔn)確地反映了特定時期的核心研究主題和未來發(fā)展趨勢[10]。根據(jù)關(guān)鍵詞聚類圖譜（圖2），整理出中心度較高的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析（表1），以期更全面地了解不同時期的SWAT模型應(yīng)用研究的進(jìn)展。

從每年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量和研究主題演變趨勢來看（圖1和表1），我國應(yīng)用SWAT模型的研究趨勢總體上可劃分為3個階段：（1）1990—2005年，年發(fā)文量61篇，占1990—2017年發(fā)表文獻(xiàn)總量的3．27%。國際上SWAT模型最早的版本始于1990年，然而我國較早研究SWAT模型是在2001年由北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院的牛志明等共同創(chuàng)作的綜合性論述文章 《非點源污染模型在土壤侵蝕模擬中的應(yīng)用及發(fā)展動態(tài)》[11]。這說明在這段期間對于SWAT模型的關(guān)注度較少，在此階段的研究主題主要集中于國外SWAT模型的基礎(chǔ)認(rèn)識和相關(guān)理論的引入，以及對國內(nèi)SWAT模型應(yīng)用案例的評價。因此SWAT，分布式水文模型，SWAT模型等三個關(guān)鍵詞的中心度較強(qiáng)，并且是整個研究領(lǐng)域的核心節(jié)點。（2）從2006—2015年開始，對SWAT模型的關(guān)注度開始提高，文獻(xiàn)數(shù)量迅速增加，在2015年最高達(dá)216篇。隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，SWAT模型趨向于與高程模型（DEM）相結(jié)合，并與地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）集成。該階段的關(guān)鍵詞中心度具有相對的穩(wěn)定性，變化幅度較小，大部分在 0．13～0．32 之間波動，個別關(guān)鍵詞中心度在 0．02～0．08之間波動。在此階段的研究階段主要集中于開展了非點源污染形成機(jī)制和水質(zhì)模擬評估的探討[12-13]，并在GIS的輔助下開始對流域模擬進(jìn)行探討以及土地利用變化產(chǎn)生的水文響應(yīng)進(jìn)行模擬預(yù)測[14]，表明SWAT模型在面源污染和覆被變化下的水文效應(yīng)這兩方面的研究在此期間是我國新的研究熱點（3）在2016—2017年期間，發(fā)表文獻(xiàn)與2015年的峰值相比，文獻(xiàn)略有下降，但是國內(nèi)SWAT模型開始出現(xiàn)了新的研究內(nèi)容：氣候變化對水文的響應(yīng)研究[15-16]和水資源的管理研究[17-18]。在全球變暖背景下，研究氣候變化對水文資源的影響將成為新的研究熱點方向。

2.1 SWAT模型文獻(xiàn)數(shù)量與研究趨勢

一定時期內(nèi)的文獻(xiàn)數(shù)量反映所研究對象的科學(xué)產(chǎn)出的多少，有助于了解目前學(xué)科研究的狀況與發(fā)展

表1 中國1990-2017 SWAT模型關(guān)鍵詞中心度信息Table 1 China's 1990-2017 SWATmodel keyword centrality information

圖1 中國SWAT模型研究文獻(xiàn)數(shù)量的時間分布Figure 1 The time distribution of the number of literature in the study of SWATmodel in China

2.2 文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類分析

學(xué)科領(lǐng)域較長時期大量學(xué)術(shù)研究成果的關(guān)鍵詞集合，可以揭示該學(xué)科總體內(nèi)容特征、研究內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系、學(xué)術(shù)研究的發(fā)展脈絡(luò)與發(fā)展方向等[19]。中國SWAT模型研究呈現(xiàn)出典型的研究初期狀態(tài)，各聚類主要集中于2007—2012年，研究網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的集中性。從關(guān)鍵詞的連線分布可以看出，研究圍繞關(guān)鍵節(jié)點形成多個研究聚類，且以相似的顏色呈現(xiàn)（圖2）。剔除關(guān)鍵詞SWAT模型、SWAT和一些小聚類，因此，筆者將中國SWAT模型的研究領(lǐng)域重新劃分為#1聚類敏感性分析、#2聚類空間分布、#3聚類徑流模擬、#4聚類土地利用變化和#5聚類非點源污染5個知識群組。

（1）“敏感性分析”聚類群。該群組的文獻(xiàn)數(shù)量多。通過原文獻(xiàn)追蹤發(fā)現(xiàn)該聚類的研究主要集中在模型參數(shù)敏感性分析綜述性研究。主要概括了SWAT模型構(gòu)建及參數(shù)不確定分析、利用不同方法分別對模型進(jìn)行敏感性分析以進(jìn)行參數(shù)率定和利用不同算法進(jìn)行流域的參數(shù)優(yōu)化工作等綜述性文章[20]，總結(jié)了SWAT模型中參數(shù)率定不確定性，以期為后面的研究者在應(yīng)用SWAT模型時得到更準(zhǔn)確的結(jié)果提供參考。

（2）“徑流模擬”聚類群。該群組文獻(xiàn)數(shù)量較多。在該群組中“土地利用/覆被變化”、“徑流量”和“水文響應(yīng)”等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率較高。且從節(jié)點間連線的顏色可以看出徑流模擬一直貫穿于整個SWAT模型研究之中。研究鄰域包括水量、土地利用變化及氣候變化的水文響應(yīng)、融雪和凍土對水文循環(huán)的影響[21-22]。

（3）“土地利用變化”聚類群。此聚類中“土地利用/覆被變化”、“人類活動”和“氣候變化”等關(guān)鍵詞存在一定的共生關(guān)系。表明了在人類活動響應(yīng)下景觀格局變化對流域水質(zhì)和水量的影響越來越受到我國學(xué)者的重視。通過原文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化與徑流量之間的關(guān)系備受關(guān)注，針對特定區(qū)域，弄清土地利用變化與水文變化之間的聯(lián)系，已經(jīng)逐漸成為區(qū)域資源問題、環(huán)境問題及生態(tài)問題上政策效應(yīng)分析的重要手段。

（4）“空間分布”聚類群。該群組文獻(xiàn)數(shù)量較多?！八哪Ｐ汀?、“空間適用性”和“流域污染控制”等相關(guān)關(guān)鍵詞不斷出現(xiàn)。水資源時空分布不均勻是我國水資源短缺的主要原因，合理調(diào)配水資源，不僅能解決局部水資源短缺的問題，還能促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。

（5）“非點源污染”聚類群。該群組文獻(xiàn)數(shù)量較多。通過原文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，該群組的研究主要分為“非點源污染模擬研究”[23-24]和“非點源污染的負(fù)荷評估”[25-26]兩個方面。其中前者側(cè)重于運用調(diào)查、識別和監(jiān)測等步驟來模擬流域非點源污染，作為有效控制水環(huán)境污染、保證用水安全的重要手段。后者則側(cè)重于通過探討非點源污染負(fù)荷的時間分布規(guī)律對地表徑流非點源污染進(jìn)行定量分析和評價，以期為模擬流域非點源污染的動態(tài)變化奠定基礎(chǔ)。

圖2 中國1990—2017 SWAT模型研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類圖譜Figure2 KeywordsclusteringofChinese1990 to2017SWATmodels

2.3 載刊的期刊分布

學(xué)術(shù)期刊是反映學(xué)科發(fā)展動態(tài)、方向和水平的重要媒介[27]。從表2來看，無論是單篇文獻(xiàn)引用次數(shù)、文獻(xiàn)引用總次數(shù)，還是載文比例，排在前三的都是水利學(xué)報、資源科學(xué)和水土保持研究，由此表明這三個期刊發(fā)表文章的篇數(shù)和被引用次數(shù)都比較高。就影響因子而言，不同刊物的影響力差別明顯，資源科學(xué)影響因子最高，達(dá)到3.541，而水資源與水工程學(xué)報的影響因子只有0.544。從載刊的期刊類型來看，SWAT模型研究主要依托水土保持學(xué)（如《水土保持研究》、《水資源與水工程學(xué)報》）、水電學(xué)（如《水利學(xué)報》、《水電能源科學(xué)》）、資源環(huán)境科學(xué)（如《資源科學(xué)》）和其他學(xué)科（如《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》、《北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》）等學(xué)科刊物發(fā)展。

較之早期SWAT模型文獻(xiàn)集中于水土保持與水電學(xué)刊物，如今的文獻(xiàn)分布刊物涉及學(xué)科廣泛。這一現(xiàn)象表明SWAT模型作為一項綜合性流域水文模型，深深根植于水土保持學(xué)和水電學(xué)的同時，逐漸在農(nóng)業(yè)[28-29]、氣象[30]、環(huán)境[31]、生態(tài)文明[32]等資源與環(huán)境和農(nóng)業(yè)管理方面表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

表2 國內(nèi)涉及SWAT模型的研究文獻(xiàn)主要載刊（排名前10）Table 2 Domestic studies involving SWATmodels are mainly published(top 10)

2.4 研究機(jī)構(gòu)及其合作網(wǎng)絡(luò)

基于研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜，實現(xiàn)對某技術(shù)研究領(lǐng)域中研究機(jī)構(gòu)合作情況的可視化分析可以為學(xué)術(shù)資源的引進(jìn)、開展合作以及學(xué)術(shù)成果評估提供參考[33]。在圖中，彩色圓環(huán)節(jié)點表示機(jī)構(gòu)名稱，節(jié)點越大，表示該機(jī)構(gòu)發(fā)文量越大。 每一層圓環(huán)的厚度越大，表示當(dāng)年發(fā)文數(shù)越多。任意兩個節(jié)點之間有連線表示兩者存在合作關(guān)系，連線越粗，表明合作越頻繁[34]。從表3可以看出，在這些研究機(jī)構(gòu)中，無論是單篇文獻(xiàn)引用次數(shù)還是文獻(xiàn)引用總次數(shù)，排名前3位的依次是中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、北京師范大學(xué)和武漢大學(xué)。不同機(jī)構(gòu)單篇文獻(xiàn)引用次數(shù)差異較明顯，最高的是中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所達(dá)到42.79，較低的是西北農(nóng)林科技大學(xué)僅3.63。從研究合作網(wǎng)絡(luò)（圖3）來看，中國對SWAT模型應(yīng)用研究主要形成2大合作機(jī)構(gòu)（見圖3黑色方框）。分別在研究機(jī)構(gòu)聚類合作圖譜中形成了以中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所為核心的區(qū)域合作網(wǎng)絡(luò)和以武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室以及河海大學(xué)水文水資源學(xué)院為主的合作網(wǎng)絡(luò)，這兩個聚類在整個網(wǎng)絡(luò)中非常突出。

表3 SWAT模型主要研究機(jī)構(gòu)簡況（排名前10）Table3 The SWATmodel focuses on institutional profiles(top10)

2.5 文獻(xiàn)作者合作網(wǎng)絡(luò)分析

發(fā)文作者是科學(xué)研究的主體，通過對發(fā)文作者合作網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征分析，可以反映出該領(lǐng)域的核心作者群之間的合作關(guān)系[35]。將1 710篇有效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入Citespace軟件，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后生成作者共引聚類知識圖譜（圖4）。圖4中的節(jié)點數(shù)量與大小代表了核心作者群體共現(xiàn)頻次，線條數(shù)量與粗細(xì)反映了作者合作關(guān)系與合作強(qiáng)度[34]，它們共同組成了作者群與合作網(wǎng)絡(luò)的知識圖譜。從合作網(wǎng)絡(luò)來看，SWAT模型應(yīng)用研究形成了4個主要的核心研究團(tuán)隊（見圖4黑色方框），各團(tuán)隊之間聯(lián)系強(qiáng)度比較強(qiáng)。

圖4 中國1990—2017 SWAT模型研究高產(chǎn)作者合作網(wǎng)絡(luò)Figure 4 China's 1990 to 2017 SWATmodel research cooperation network for high yield authors

3 結(jié)論與討論

基于中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，以信息可視化軟件Citespace和文獻(xiàn)計量為研究手段，對我國涉及SWAT模型應(yīng)用研究的文獻(xiàn)數(shù)量與研究趨勢、文獻(xiàn)關(guān)鍵詞、文獻(xiàn)期刊分布、文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)與合作網(wǎng)絡(luò)及文獻(xiàn)研究作者合作網(wǎng)絡(luò)5個方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理。研究結(jié)果顯示：

（1）從文獻(xiàn)數(shù)量與研究趨勢分析來看，中國SWAT模型應(yīng)用研究發(fā)文數(shù)量總體趨勢明顯增加，相對于國外，國內(nèi)對SWAT模型的研究時間較短，并主要側(cè)重于水文模擬方面和非點源污染研究方面，對城市化進(jìn)程的水文響應(yīng)模擬和在水土保持、非點源污染的控制管理工作方面尚不完善。

（2）從關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖譜來看，“敏感性分析”、“徑流模擬”、“土地利用”、“氣候變化”、“非點源污染”等是近年來SWAT模型研究中的高頻關(guān)鍵詞。該模型研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜基本沿著這5個方向發(fā)展的同時，研究視角趨于多元化且呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特點。在人類活動下導(dǎo)致的土地利用/覆被變化和環(huán)境變化日趨強(qiáng)烈的背景下，SWAT模型在土地利用方式和氣候變化條件下對徑流產(chǎn)生的水文響應(yīng)研究是新熱點。

（3）從文獻(xiàn)所在期刊來看，《水利學(xué)報》《資源科學(xué)》和《水土保持研究》3個期刊從單篇文獻(xiàn)引用次數(shù)、文獻(xiàn)引用總次數(shù)，載文比例上均位列前三。

（4）從研究機(jī)構(gòu)分布與機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)的可視化分析來看，無論是單篇文獻(xiàn)引用次數(shù)還是文獻(xiàn)引用總次數(shù)，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和武漢大學(xué)的文獻(xiàn)引用次數(shù)都比較高，而且都形成了以其為主的2大合作機(jī)構(gòu)。從發(fā)文作者合作網(wǎng)絡(luò)分析來看，SWAT模型應(yīng)用研究形成了4個主要的核心研究團(tuán)隊，各團(tuán)隊之間聯(lián)系強(qiáng)度比較強(qiáng)。

近年來，國內(nèi)外均對水資源評價和水文學(xué)研究逐漸被重視。國外應(yīng)用SWAT模型研究內(nèi)容涉及河流預(yù)測、水質(zhì)評價、非點源污染控制等諸多方面。由上文可知，徑流模擬和非點源污染模擬是我國研究的重點，涉及了水文循環(huán)中各要素的分析和不同氣候、不同土地利用的水文響應(yīng)。與國外相比，我國在管理措施、水資源利用和作物產(chǎn)量關(guān)系、模型的比較與聯(lián)用方面的研究還比較欠缺。并且，Coffey等[36]應(yīng)用SWAT模型模擬大腸桿菌在愛爾蘭集水區(qū)的運輸過程，得到比較理想的結(jié)果。而國內(nèi)應(yīng)用SWAT模擬細(xì)菌傳輸?shù)难芯可婕拜^少。此外，隨著水資源越來越緊缺，我國又是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家，因此有必要借鑒國外在水資源管理領(lǐng)域、環(huán)境變化及農(nóng)業(yè)管理措施對水文水質(zhì)的影響、氣候變化對作物生長的影響等多方面的先進(jìn)經(jīng)驗，以期為水土保持、資源的合理規(guī)劃、環(huán)境影響預(yù)測等工作提供比較有效、便捷的研究手段。

由于有些文獻(xiàn)存在內(nèi)容相近或相似的現(xiàn)象，根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)量分析SWAT模型發(fā)展歷程存在一定的偏差。此外，Citespace分析工具對關(guān)鍵詞共現(xiàn)率有門檻值要求[8]，這可能會導(dǎo)致最新發(fā)表的重要文獻(xiàn)無法在分析中體現(xiàn)出來。盡管Citespace分析軟件擁有先進(jìn)的圖譜繪制功能，但解讀圖譜仍然是一項有難度的工作，容易出現(xiàn)諸如誤讀、漏讀和選擇性解讀等問題[8]，這些情況會在一定程度上影響結(jié)果分析，后續(xù)研究需要在Citespace方法應(yīng)用上強(qiáng)化圖譜解讀的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)。