我國(guó)洪水模擬研究的可視化分析

堯小婷，濮 凡

(1.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 水利工程系 上海 201306 2.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 安全科學(xué)與工程系 上海 201306)

洪水是一種短時(shí)間內(nèi)流量、水位陡增的水流運(yùn)動(dòng)，具有很強(qiáng)的破壞力，我國(guó)國(guó)土廣袤，由于特殊地形及氣候條件，某些地區(qū)洪水頻發(fā)，給社會(huì)和人民財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。據(jù)《中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年至2017年，我國(guó)年均30省(自治區(qū)、直轄市)2013縣(市、區(qū))19193鄉(xiāng)(鎮(zhèn))遭受洪澇災(zāi)害，受災(zāi)人口9130.87萬(wàn)人，因?yàn)?zāi)死亡人數(shù)539人、失蹤153人，緊急轉(zhuǎn)移917.24萬(wàn)人，倒塌房屋39.86萬(wàn)間，165座城市進(jìn)水受淹或發(fā)生內(nèi)澇、直接經(jīng)濟(jì)損失2307.49億元。2018年7月7日至12日，受暴雨洪澇災(zāi)害影響，四川省13市93.2萬(wàn)人受災(zāi)，[1]600余間房屋倒塌，近8800間不同程度損壞，農(nóng)作物受災(zāi)面積36.9千公頃，其中絕收5.2千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失24億元。

在我國(guó)早期的洪水模擬研究中，主要借鑒并應(yīng)用國(guó)外研究方法，1963年，張恭肅[2]介紹了國(guó)外電子模擬法在水文研究中的應(yīng)用,以河道洪水演算為最多。1973年河海大學(xué)首次被提了國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整的流域水文模型——新安江流域水文模型；1981年黃崇佑[3]首次將天然不規(guī)則河道的實(shí)際潰壩洪水波作為一維流考慮,借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，獲得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料吻合較好，說(shuō)明了利用數(shù)學(xué)模型研究潰壩波是可行的辦法；1983年，丁晶[4]論述了如何通過(guò)解集模型來(lái)隨機(jī)模擬洪水序列，1987，芮孝芳[5]論述了應(yīng)用運(yùn)動(dòng)波數(shù)值擴(kuò)散探求洪水演算方法的新途徑，這些數(shù)學(xué)模型的求解均用到了計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算。此后在20世紀(jì)末用戶(hù)開(kāi)始提出了在互聯(lián)網(wǎng)上查看GIS數(shù)據(jù)的概念，此后的實(shí)踐表明，GIS在洪水防治上大有作為，1994年趙榮[6]等在GIS支持下建立了曹娥江上游洪泛區(qū)洪水演進(jìn)模型，此后GIS在洪水研究的應(yīng)用愈發(fā)廣泛；隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，越來(lái)越多的水文模型被集成于計(jì)算機(jī)軟件之中，計(jì)算機(jī)模擬方法在洪水研究中的應(yīng)用也更加廣泛；2004年，嚴(yán)敏[7]等應(yīng)用TASE/SWAN軟件對(duì)意大利的Toce河進(jìn)行了洪水模擬預(yù)測(cè)；而隨著洪水模擬研究的發(fā)展，學(xué)者開(kāi)始注重模型的適用性與優(yōu)化，2012年，安晨歌[8]等對(duì)唐家山堰塞湖進(jìn)行潰決過(guò)程模擬，對(duì)比分析了幾種潰壩模型在潰決洪水模擬中的適用性，范輝[9]等采用單位線法和Maskingum-Cunge法對(duì)VIC模型的匯流方案進(jìn)行了改進(jìn)，并在對(duì)西江南寧以上流域的場(chǎng)次洪水過(guò)程模擬中表現(xiàn)出了較好的描述能力。

為進(jìn)一步研究模擬方法在我國(guó)洪水研究中的應(yīng)用情況，本文將基于Cite Space軟件時(shí)我國(guó)洪水模擬主題核心期刊文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)是世界上全文信息量規(guī)模最大的“數(shù)字圖書(shū)館”，“以誤水”與“模擬”為關(guān)鍵詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，得到1992年至2019年4月中文核心期刊洪水模擬文獻(xiàn)共1148篇。

CiteSpace是一款用于可視化和分析科學(xué)文獻(xiàn)中的趨勢(shì)和模式的應(yīng)用程序，側(cè)重于尋找領(lǐng)域或領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是知識(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)[10]，分析得到的可視化圖形也被稱(chēng)為 “科學(xué)知識(shí)圖譜”[11]。近些年可視化分析方法逐漸普及，CiteSpace也被學(xué)者廣泛應(yīng)用于各類(lèi)學(xué)科綜述中。2019年，李杰[12]等對(duì)社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)圖譜的應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),自知識(shí)圖譜方法被引入到我國(guó)以來(lái),在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速。水利研究中，伍新木[13]等曾利用CiteSpace進(jìn)行了國(guó)內(nèi)水資源管理研究論文的可視化綜述。

2 研究結(jié)果

2.1 產(chǎn)出趨勢(shì)分析

圖1為1992-2019年中文核心期刊洪水模擬文獻(xiàn)數(shù)量與時(shí)間分布。

圖1 1992-2019年洪水模擬文獻(xiàn)數(shù)量與時(shí)間分布

由圖1可見(jiàn)1992年至2001的10年間我國(guó)洪水模擬研究發(fā)展緩慢，年發(fā)文量均不足15篇，研究方向以各類(lèi)模型的理論分析為主，較多文獻(xiàn)是基于隨機(jī)模擬方法；由于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)采集手段匱乏，10年間總計(jì)94篇洪水模擬文獻(xiàn)中，以實(shí)際流域?yàn)楸尘暗膽?yīng)用性研究不足10篇，研究對(duì)象也是長(zhǎng)江、三峽大壩、太湖等采集數(shù)據(jù)相對(duì)容易的場(chǎng)景；2003年之后，隨著計(jì)算機(jī)在國(guó)內(nèi)的普及以及相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化，洪水模擬研究進(jìn)入高速發(fā)展階段，年度文獻(xiàn)數(shù)量逐年攀升，2015年達(dá)到90篇，研究方向不斷豐富，原有的水文模型被不斷優(yōu)化，新的水文模型不斷產(chǎn)生，并被應(yīng)用于各個(gè)地區(qū)的流域中進(jìn)行實(shí)踐研究；2017年，洪水模擬主題年度論文量突破100篇，并在2018年達(dá)到115篇，可見(jiàn)洪水研究在經(jīng)歷十多年的高速發(fā)展之后，因洪水破壞力強(qiáng)、災(zāi)害后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，仍然受到高度重視并被不斷深入。

2.2 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

分析各研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文情況有助于了解我國(guó)洪水模擬研究的力量分布，明確各機(jī)構(gòu)具體的研究方向以及方法[14]，利用CiteSpace對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中1992年-2019年的1148篇以“洪水模擬”為主題的期刊論文進(jìn)行機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析。如圖2所示，以河海大學(xué)水文水資源學(xué)院為核心的合作網(wǎng)絡(luò)發(fā)文數(shù)量最多，達(dá)到157篇，研究?jī)?nèi)容以各類(lèi)模型的優(yōu)化及應(yīng)用為主，并且與河海大學(xué)水利水電學(xué)院以及依托河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院的水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作密切，河海大學(xué)水利工程專(zhuān)業(yè)是世界一流學(xué)科建設(shè)學(xué)科，水災(zāi)害與水安全也是其研究的重點(diǎn)方向之一；以武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為核心的合作網(wǎng)絡(luò)發(fā)文72篇，多為以我國(guó)具體的流域?yàn)檠芯繉?duì)象的應(yīng)用性研究；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院隸屬中華人民共和國(guó)水利部，是從事水利水電科學(xué)研究的國(guó)家級(jí)社會(huì)公益性科研機(jī)構(gòu)，其以洪水模擬為主題的文獻(xiàn)主要發(fā)表于2010年以后，研究方向以水文模型的適用性研究以及優(yōu)化為主。

2.3 作者合作網(wǎng)絡(luò)

圖3為洪水模擬研究作者合作網(wǎng)絡(luò)。自河海大學(xué)水文水資源學(xué)院的李致家為核心的作者合作網(wǎng)絡(luò)發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多，達(dá)到71篇，其早期研究以模型的優(yōu)化為主，并多次提出新安江模型的優(yōu)化方案，此后研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)楦黝?lèi)水文模型在具體流域洪水模擬中的比較，如Hec、Topmodel和新安江三個(gè)水文模型在沂河洪水模擬中的分析，新安江模型、Topmodel模型和SWAT模型在淮河息縣流域洪水模擬中的比較等，并且其與文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量排名第二的學(xué)者姚成合作緊密；以學(xué)者孫東坡為核心的合作網(wǎng)絡(luò)研究方向主要為流域碼頭、生產(chǎn)堤等對(duì)洪水模擬的影響，并在多條流域應(yīng)用二維水沙模擬數(shù)學(xué)模型；以學(xué)者陳洋波為核心的合作網(wǎng)絡(luò)主要以流溪河模型在各流域的應(yīng)用為主要研究方向。

由圖3可見(jiàn)，各個(gè)作者合作網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部合作相對(duì)緊密，并且大都來(lái)自相同單位，這也與洪水模擬研究的特殊性相關(guān)，模擬方法以計(jì)算機(jī)模擬為主，各個(gè)合作網(wǎng)絡(luò)的研究方向如前文所述不盡相同，因此合作相對(duì)較少。

圖2 洪水?dāng)?shù)值模擬研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

圖3 洪水模擬研究作者合作網(wǎng)絡(luò)

2.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)作者提煉出能夠反應(yīng)文章研究方向的指標(biāo)，對(duì)一個(gè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次進(jìn)行分析可迅速掌握該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向，這種方法也被稱(chēng)作詞頻分析法[11]。利用CiteSpace對(duì)1148篇洪水模擬核心期刊文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，選擇每個(gè)時(shí)間切片top100的關(guān)鍵詞，并對(duì)結(jié)果中近似關(guān)鍵詞進(jìn)行合并處理，如“HEC-HMS模型”與“HEC-HMS”，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，圖中關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高則標(biāo)簽文字越大。

由圖4可見(jiàn)，“洪水模擬”與“數(shù)值模擬”作為數(shù)據(jù)文獻(xiàn)的主題，出現(xiàn)頻率最高；其它高頻關(guān)鍵詞主要可以分為三類(lèi)，首先是水文模型，如分布式“水文模型”、“隨機(jī)模擬”、“新安江模型”、“HEC-HMS模型”、“淺水方程”、“流溪河模型”等，都是在洪水模擬中常用的水文模型；而“風(fēng)暴潮”、“潰壩”、“洪水”則是研究的水文現(xiàn)象；此外如“淮河流域”、“黃河下游”、“長(zhǎng)江中游”等則是研究中涉及的具體流域，這三類(lèi)關(guān)鍵詞組合即可確定一篇文獻(xiàn)的具體研究方向，即以某流域?yàn)閷?duì)象，應(yīng)用某種水文模型對(duì)某水文現(xiàn)象進(jìn)行研究。此外“GIS”出現(xiàn)頻率也較高，其在洪水模擬研究中也發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)論

洪水模擬研究可對(duì)洪水預(yù)報(bào)預(yù)防提供幫助，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大，本文應(yīng)用科學(xué)知識(shí)圖譜方法對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中1992年至2019年4月的1148篇洪水模擬核心期刊文獻(xiàn)的年度產(chǎn)量、科研機(jī)構(gòu)，作者，關(guān)鍵詞進(jìn)行了可視化分析，得到結(jié)論如下：

圖4 洪水模擬研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

1992年至2001的10年間我國(guó)洪水模擬研究發(fā)展緩慢，年發(fā)文量均不足15篇，以實(shí)際流域?yàn)楸尘暗膽?yīng)用性研究較少，2003年之后，洪水模擬研究進(jìn)入高速發(fā)展階段，研究方向不斷豐富，原有的水文模型被不斷優(yōu)化，新的水文模型不斷產(chǎn)生，并被應(yīng)用于各個(gè)地區(qū)的流域中進(jìn)行實(shí)踐研究；近兩年年度文獻(xiàn)數(shù)量超過(guò)100篇，洪水模擬研究仍在不斷深入。

河海大學(xué)水文水資源學(xué)院以及水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)洪水模擬研究的核心力量，武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究方向主要為以我國(guó)具體的流域?yàn)檠芯繉?duì)象的應(yīng)用性研究。

河海大學(xué)水文水資源學(xué)院的李致家為核心的作者合作網(wǎng)絡(luò)發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多，達(dá)到71篇，其早期研究以模型的優(yōu)化為主，此后研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)楦黝?lèi)水文模型在具體流域洪水模擬中的比較，并且其與文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量排名第二的學(xué)者姚成合作緊密；各個(gè)作者合作網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部合作相對(duì)緊密，且均來(lái)自相同單位，跨單位合作較少。