雨水利用研究進(jìn)展及熱點(diǎn)分析

侯 雷

（湖北文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖北襄陽 441053）

人口增長和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得水資源需求量不斷增加，并且伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，下墊面性質(zhì)發(fā)生明顯變化，徑流系數(shù)的增大及徑流污染問題的出現(xiàn)，使得城市防洪及水環(huán)境治理的壓力明顯增加[1]。同時由于水資源時空分布不均，降雨與作物生育期需水在時間上難以保持一致，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也造成一定影響[2]。降雨是自然界水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是淡水資源的重要來源之一，雨水的資源化利用，可為應(yīng)對水資源短缺、水環(huán)境污染、城市內(nèi)澇等問題提供有效解決辦法。

文獻(xiàn)計量學(xué)以各類文獻(xiàn)為研究對象，運(yùn)用數(shù)學(xué)和計算機(jī)統(tǒng)計方法，對學(xué)科發(fā)展歷程、研究熱點(diǎn)、前沿動態(tài)等進(jìn)行全面、客觀的定量分析[3-4]。CiteSpace軟件因其極強(qiáng)的文獻(xiàn)計量統(tǒng)計和知識圖譜可視化功能，已被廣泛應(yīng)用到諸多學(xué)科領(lǐng)域，該軟件側(cè)重于對學(xué)科研究的演變趨勢、動態(tài)發(fā)展規(guī)律及知識結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行探究[5]。雖然目前已有針對雨水利用的理論研究[6-7]，但仍缺乏從文獻(xiàn)計量分析角度對該領(lǐng)域文獻(xiàn)進(jìn)行的梳理，對該領(lǐng)域的知識演變特征及研究熱點(diǎn)的認(rèn)識有待進(jìn)一步完善。因此，本文基于文獻(xiàn)計量學(xué)對國內(nèi)雨水利用研究進(jìn)行系統(tǒng)整理和分析，從而明晰該領(lǐng)域研究的發(fā)展脈絡(luò)和熱點(diǎn)方向，為雨水利用的深入探索提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，檢索主題設(shè)置為“雨水利用”，檢索數(shù)據(jù)庫包括EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI 及CSCD 數(shù)據(jù)庫。通過對1994—2022 年的文獻(xiàn)進(jìn)行高級檢索，共檢索出885 篇文獻(xiàn)，經(jīng)進(jìn)一步的篩選和整理得到有效文獻(xiàn)共860 篇。

1.2 研究方法

CiteSpace 軟件可用于科研文獻(xiàn)的可視化分析，能夠展示特定學(xué)科領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，較為直觀地表現(xiàn)知識演化過程和研究熱點(diǎn)[8]。本文在文獻(xiàn)整理的基礎(chǔ)上，利用CiteSpace 軟件對文獻(xiàn)的關(guān)鍵信息進(jìn)行提取和分析，主要從關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析、突現(xiàn)詞及關(guān)鍵詞聚類分析3個方面探究雨水利用的知識演化路徑和研究熱點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

由于文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞具有繼承性和延展性，能夠反映出文章的研究內(nèi)容與核心主題[9]，因此本文主要對關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計和分析，繪制雨水利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜（圖1），圖譜中節(jié)點(diǎn)的大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，圖中共有607個節(jié)點(diǎn)，連接線有1 020 條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.005 5。由圖1 可知，該研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞根據(jù)出現(xiàn)的頻率由高到低依次為“雨水利用”“雨水資源”“雨水”“海綿城市”“水資源”等，反映出該領(lǐng)域研究主要集中在雨水的資源化利用方面。

圖1 雨水利用研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

節(jié)點(diǎn)中心性反映了節(jié)點(diǎn)在整體網(wǎng)絡(luò)中所起連接作用的大小，中心性越高，其影響力和重要程度越大[10]。因此可進(jìn)一步對關(guān)鍵詞的中心性進(jìn)行分析（表1），其中“雨水利用”“海綿城市”和“雨水資源”關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)的中心性較高，并與周圍節(jié)點(diǎn)的連結(jié)線較為密集，形成了較強(qiáng)凝聚力的研究網(wǎng)絡(luò)，其中心性分別為0.82、0.15 和0.13，說明這些領(lǐng)域是研究的中心與重點(diǎn)。

表1 雨水利用研究關(guān)鍵詞統(tǒng)計

2.2 研究主題演進(jìn)分析

在文獻(xiàn)分析中，關(guān)鍵詞在某個階段突然的增加反映了一定時期內(nèi)研究熱點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，即出現(xiàn)了新的熱點(diǎn)研究主題，因此可對雨水利用突現(xiàn)詞進(jìn)行分析，從時間維度探究不同時期的研究熱點(diǎn)及知識演進(jìn)過程[11]。由圖2可知，關(guān)鍵詞突現(xiàn)時間最長的是“雨水集蓄”，表明圍繞該主題的研究持續(xù)范圍較長，關(guān)鍵詞突現(xiàn)強(qiáng)度最高的是“海綿城市”，反映出與該詞有關(guān)的研究主題關(guān)注度較高。隨著研究內(nèi)容的廣度和深度不斷增強(qiáng)，更多的研究熱點(diǎn)出現(xiàn)，根據(jù)1994—2022年研究主題的時序變化特征，可將雨水利用的研究可分為3個階段。

圖2 雨水利用文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)信息

第一個階段為初期探索階段（1994—2007 年），通過對雨水利用相關(guān)理論及應(yīng)用的探索，形成了基礎(chǔ)的研究體系和框架。該階段文獻(xiàn)分析的突現(xiàn)詞包括“雨水集蓄”“黃土高原”“節(jié)水灌溉”“雨水資源”和“雨水利用”，由此可知，雨水利用研究初期關(guān)注重點(diǎn)是雨水的集蓄利用。雨水集蓄是雨水開發(fā)利用的基礎(chǔ)，即從集雨區(qū)收集雨水徑流，并將其送入蓄水設(shè)施中加以貯存[12]。而保證整個雨水集蓄利用技術(shù)體系獲得最大效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)則是高效、經(jīng)濟(jì)合理地利用雨水[13]。農(nóng)業(yè)利用是該階段雨水利用研究的主要側(cè)重點(diǎn)，從研究區(qū)域來看，前期的研究較多集中在黃土高原地區(qū)，嚴(yán)重的水土流失及干旱是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素，為滿足人口增長和社會發(fā)展的需求，實現(xiàn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，雨水集蓄利用成為黃土高原地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境和提高生產(chǎn)力的重要方式[14-15]。對于以集雨農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，可通過分析天然降水的時空分布規(guī)律及作物不同生長期需水量的差異，選擇適當(dāng)時段補(bǔ)充灌溉，從而實現(xiàn)雨水的高效利用[16]。同時，該階段的研究對象也從單一集雨工程或集雨設(shè)施向雨水集蓄利用系統(tǒng)及技術(shù)體系的研究擴(kuò)展[17]。

第二階段為快速發(fā)展階段（2008—2014 年），該時期擴(kuò)展了雨水利用研究的范圍，形成了更加豐富的研究成果。通過突現(xiàn)關(guān)鍵詞可知，該階段的研究重點(diǎn)圍繞城市雨水徑流污染、雨水利用效益、屋面雨水、綠色建筑及初期雨水等主題展開。從研究的側(cè)重點(diǎn)來看，逐漸由雨水?dāng)?shù)量的研究轉(zhuǎn)向雨水質(zhì)量的研究，而研究區(qū)域也更加趨向于城市區(qū)域，研究趨勢的轉(zhuǎn)變主要與城市化進(jìn)程的不斷加快關(guān)系密切。城市化不僅影響水文循環(huán)過程，同時還伴隨有徑流污染問題的出現(xiàn)[18]。屋面雨水和初期雨水徑流污染是該階段開展雨水徑流污染研究的主要方面[19-20]。同時為進(jìn)一步加強(qiáng)雨水利用效率，提高城市雨水利用的建設(shè)質(zhì)量和管理水平，該階段的研究也更加關(guān)注雨水利用效益的分析與評價[21]。

第三個階段為穩(wěn)定發(fā)展階段（2015—2022 年），該時期主要圍繞海綿城市建設(shè)展開研究。為更好地協(xié)調(diào)城市化建設(shè)和水生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，避免雨水資源的浪費(fèi)，有效應(yīng)對城市中的雨洪內(nèi)澇、雨水徑流污染、水資源匱乏等問題，海綿城市的建設(shè)為解決這些問題提供了新的思路[22-23]。自2014年10月起，隨著《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》發(fā)布以及海綿城市試點(diǎn)建設(shè)工作的啟動，國內(nèi)海綿城市建設(shè)受到更加廣泛關(guān)注，進(jìn)一步推動了相關(guān)研究的開展[24]。

2.3 研究熱點(diǎn)分析

通過對關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，采用時間線圖反映聚類之間的關(guān)系及不同聚類中各文獻(xiàn)的時間跨度[25]，該領(lǐng)域的研究可歸納為12 類（圖3），并根據(jù)研究主題的發(fā)展及相關(guān)性，可將國內(nèi)雨水利用的研究熱點(diǎn)總結(jié)為4 個方面，即雨水收集與利用、雨水資源利用效益與潛力、雨水徑流污染和海綿城市建設(shè)。

圖3 雨水利用研究關(guān)鍵詞時間線

2.3.1 雨水收集與利用 雨水收集與利用研究主題包括聚類#0、#1、#3、#6、#7、#10。降雨是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，雨水利用在我國有著較長的歷史[26]。早期雨水集蓄利用的研究主要圍繞干旱和半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉展開，在具體應(yīng)用方面，通過收集雨水徑流，并對作物灌溉需水量和灌溉制度進(jìn)行分析，合理選擇溝灌、噴灌、滴灌、注灌和滲灌等方式，并結(jié)合作物需水關(guān)鍵期和土壤水分嚴(yán)重缺水期進(jìn)行有效補(bǔ)灌[27]。雨水既是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要條件，也是影響城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。隨著城市化的快速推進(jìn)，建成區(qū)下墊面不透水面積顯著增加，導(dǎo)致地表徑流系數(shù)較大，加大了城市防洪排水壓力和洪澇風(fēng)險[28]。為有效應(yīng)對城市雨洪問題，在城市雨水利用中，可通過人工或自然水體，包括池塘、濕地或低洼地等對雨水徑流實施調(diào)蓄、凈化和利用[29]?；诖耍恍W(xué)者圍繞城市雨水利用工程或技術(shù)展開研究，如張書函等[30]對城市雨水利用工程的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究，主要從設(shè)計降雨、雨水池容積、溢流堰頂標(biāo)高、下滲設(shè)施規(guī)模和透水地面結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了探討。

屋面、道路和綠地是城市雨水利用的重點(diǎn)研究對象，屋頂綠化通過基質(zhì)的吸附作用、基質(zhì)空隙的阻攔和蓄積作用、植被吸收和蒸騰作用等方式對雨水進(jìn)行遲滯和蓄積，不僅具有改善生態(tài)環(huán)境、拓展綠化空間、提高屋頂隔熱效果等功能，還可以截留雨水，并將凈化后的雨水存入蓄水池循環(huán)利用[31]。已有研究表明屋頂綠化的雨水滯留率為44%～49%[32]，洪峰徑流削減可達(dá)44.2%[33]。為進(jìn)一步強(qiáng)化屋面雨水利用技術(shù)的應(yīng)用研究，戎貴文等[34]提出了重力流雨水過程自動棄流與收集、雨水智能潔凈收集、涵養(yǎng)地下水等屋面雨水源頭調(diào)控技術(shù)。道路既是城市的重要組成部分，又受到雨水徑流的直接影響，一些學(xué)者從措施布設(shè)方面對道路雨水的收集利用情況進(jìn)行了探究。已有研究表明，生物滯留帶的建設(shè)及透水磚的鋪設(shè)均能提高雨水的收集利用效率[35]。城市綠地作為城市區(qū)域綠色空間，也為雨水的集蓄利用提供條件，通過綠地進(jìn)行雨水滲透，不僅滿足綠地的生態(tài)需水，補(bǔ)給地下水，同時能起到雨水凈化的作用[36]。隨著研究的深入，城市雨水利用的研究也擴(kuò)展到對雨水利用系統(tǒng)的研究。雨水利用系統(tǒng)是由多因子構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，不同因子的相互關(guān)系及作用也反映了雨水資源利用的整體狀態(tài)[37]，降雨量時空分布的差異，也會較大程度地影響雨水利用系統(tǒng)運(yùn)行的效率[38]，因此優(yōu)化雨水利用系統(tǒng)有利于實現(xiàn)雨水的高效利用，陳如梁等[39]通過對雨水回收再利用方案的改進(jìn)，提出了適用于我國南方住宅建筑的雨水集蓄利用系統(tǒng)。

2.3.2 雨水資源利用效益與潛力 雨水資源利用效益與潛力研究主題包括聚類#4、#5、#8、#13，雨水作為重要的水資源，既能夠為社會發(fā)展帶來效益，又具有一定的利用潛力，雨水資源化利用能夠有效緩解水資源短缺問題，同時可降低城市排水系統(tǒng)負(fù)荷，減少水體污染[40]。因此，在雨水利用效益和雨水資源化潛力的分析和評價方面，一些學(xué)者結(jié)合不同的指標(biāo)和方法進(jìn)行了相關(guān)探索。李美娟等[41]對城市雨水利用效益評價指標(biāo)體系進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并通過多層次半結(jié)構(gòu)模糊決策法對雨水集蓄利用效益進(jìn)行綜合評價。舒安平等[42]從雨水措施集蓄、入滲、利用水量計算和雨水措施成本—效益分析兩方面建立了城市雨水措施評估體系。而針對雨水資源利用潛力的評價研究，主要采用評估模型和數(shù)理統(tǒng)計方法。孟凡香等[43]引入SWAT 分布式水文模型，提出了相應(yīng)的雨水資源化潛力計算模型。馬瑾瑾等[44]利用層次分析法與模糊綜合評價法對雨水資源的利用潛力進(jìn)行評價。

2.3.3 雨水徑流污染 雨水徑流污染研究主題主要為聚類#9，城市雨水徑流不僅會沖刷下墊面，同時也會使得營養(yǎng)鹽、重金屬、懸浮固體等進(jìn)入水體，形成非點(diǎn)源污染，給城市水體污染防治帶來壓力[45]。城市雨水徑流污染的防治主要圍繞屋面雨水和道路雨水徑流污染展開，例如宮永偉等[46]探究了5 種簡單式綠色屋頂對屋面雨水徑流的影響規(guī)律。馮萃敏等[47]等探究了道路雨水徑流中典型污染物質(zhì)量濃度變化規(guī)律及徑流水質(zhì)污染指標(biāo)相關(guān)性。同時，徑流污染模型的研究也得到不斷發(fā)展和應(yīng)用，王寶山等[48]探究了不透水表面雨水徑流污染物沖刷規(guī)律，通過建立徑流污染物沖刷模型對雨水徑流污染物沖刷進(jìn)行了模擬。還有學(xué)者針對不同模型的適用性進(jìn)行了評價，吳春篤等[49]基于污染物累積和沖刷過程建立的6 種雨水徑流污染模型，針對其在道路雨水徑流污染模擬方面的適用性進(jìn)行了探討。同時，在雨水徑流污染研究中，由于初期雨水徑流污染的污染物成分復(fù)雜且污染源空間分布廣泛，給污染物治理帶來巨大挑戰(zhàn)[50]，所以初期雨水也受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，并從城市下墊面特性、土壤本底條件、排水設(shè)施等影響因素方面展開了研究[51]。

2.3.4 海綿城市建設(shè) 海綿城市建設(shè)研究主題主要為聚類#2，海綿城市的建設(shè)突破了傳統(tǒng)“以排為主”的城市雨水管理理念，充分考慮城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全和城市水安全，根據(jù)水文條件和規(guī)劃指標(biāo)的差異性，綜合運(yùn)用工程與非工程措施，實現(xiàn)雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、用、排”[52]。從理論發(fā)展來看，車伍等[53]對海綿城市的基本概念、內(nèi)涵及低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)與海綿城市的關(guān)系進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，俞孔堅等[54]詳細(xì)闡述了海綿城市概念的源起、發(fā)展、內(nèi)涵和構(gòu)建方法體系，為海綿城市的建設(shè)提供了理論支撐。在應(yīng)用研究上，海綿城市的研究主要包括城市雨洪調(diào)蓄、低影響開發(fā)技術(shù)、海綿城市建設(shè)效果分析及效益評價等，例如陳秋伶等[55]基于SWMM 模型對不同尺度海綿系統(tǒng)雨洪控制措施的合理設(shè)置及綜合控制目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性實例研究。低影響開發(fā)是海綿城市核心技術(shù)體系的重要組成部分，研究表明低影響開發(fā)（LID）控制措施能有效削減洪峰及徑流總量達(dá)40%[56]。常見的低影響開發(fā)工程措施包括植草溝、透水鋪裝、綠色屋頂、生物滯留池、雨水濕地系統(tǒng)、下凹式綠地，因此最優(yōu)的LID 措施組合的雨洪控制效果也受到學(xué)者的關(guān)注[57]。同時一些學(xué)者也從海綿城市單一效益及綜合效益方面進(jìn)行了評價[58-59]，為進(jìn)一步推進(jìn)海綿城市建設(shè)提供參考。

3 結(jié)論及展望

本文通過利用CiteSpace 軟件對1994—2022 年雨水利用研究的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，并深入探究該領(lǐng)域的發(fā)展歷程、研究熱點(diǎn)及前沿動態(tài)，得到的主要結(jié)論如下。

（1）根據(jù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析可知，雨水利用研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞包括“雨水利用”“雨水資源”“雨水”“海綿城市”“水資源”等，其中“雨水利用”“雨水資源”“海綿城市”作為高頻關(guān)鍵詞，中心性分別為0.82、0.15和0.13。

（2）1994—2022 年國內(nèi)雨水利用研究主要分為3個階段，即初步探索階段、快速發(fā)展階段和穩(wěn)定發(fā)展階段，不同階段研究的側(cè)重點(diǎn)分別為農(nóng)業(yè)雨水利用、城市雨水利用和海綿城市建設(shè)。

（3）通過聚類分析，可將雨水利用研究歸納為12類，總體可總結(jié)為4個方面，分別為雨水收集與利用、雨水利用潛力及效益、雨水徑流污染和海綿城市。

今后對于雨水利用的研究可進(jìn)一步加強(qiáng)氣象學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等跨學(xué)科知識的運(yùn)用，優(yōu)化雨水收集、利用和管理方式，逐步完善雨水利用研究體系。在研究尺度上，通過探究不同尺度條件下的雨水高效利用方式，深入探索不同尺度雨水利用特征及轉(zhuǎn)換規(guī)律。在雨水利用效益及潛力評價等方面，可加強(qiáng)評價體系建立及評價模型應(yīng)用方面的研究。同時從雨水徑流污染的成因、遷移規(guī)律、污染負(fù)荷等方面探索徑流污染治理體系研究，從而實現(xiàn)雨水資源的可持續(xù)利用。