尤麗萍，林雪兒，林美嬌，劉君成，何東進，游巍斌

（福建農(nóng)林大學 林學院，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）是一種具有很強的物理基礎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，在國外已廣泛應用于水質(zhì)和水量的模擬評估、非點源污染負荷估算及形成機制探討、情景分析與預測、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)學者發(fā)表的相關文獻進行計量分析，從文獻數(shù)量與研究趨勢、文獻關鍵詞、文獻期刊分布、文獻研究機構(gòu)與合作網(wǎng)絡及文獻研究作者合作網(wǎng)絡這五方面進行簡要梳理國內(nèi)對SWAT模型應用研究的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，以期服務于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，文獻類型選擇期刊和學位論文兩類；最終以主題=“SWAT模型”or摘要=“SWAT”進行檢索，獲得文獻1 726篇；在文獻所屬學科基礎上，剔除不符合本研究要求文獻16篇；最終確定1 710篇文獻作為分析數(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、信息技術和網(wǎng)絡技術等的發(fā)展，對數(shù)據(jù)進行單純的計量統(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)關系，從而對數(shù)據(jù)信息進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（Drexel）信息科學與技術學院的陳超美博士開發(fā)，他是國際上信息可視化領域的權(quán)威專家，多年致力于信息可視化方法及相關算法的研究。通過對文獻信息的可視化，我們能夠較為直觀地識別學科前沿的演進路徑及學科領域的經(jīng)典基礎文獻[8]。本文通過運用信息可視化方法、文獻計量統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)挖掘算法等，對引文進行相應數(shù)據(jù)挖掘和計量分析，以可視化的形式展現(xiàn)有關國內(nèi)SWAT模型應用研究的發(fā)展進程和結(jié)構(gòu)關系，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]。關鍵詞的中心度能較準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)關鍵詞聚類圖譜（圖2），整理出中心度較高的關鍵詞進行分析（表1），以期更全面地了解不同時期的SWAT模型應用研究的進展。

從每年發(fā)表文獻數(shù)量和研究主題演變趨勢來看（圖1和表1），我國應用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)大學水土保持學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用及發(fā)展動態(tài)》[11]。這說明在這段期間對于SWAT模型的關注度較少，在此階段的研究主題主要集中于國外SWAT模型的基礎認識和相關理論的引入，以及對國內(nèi)SWAT模型應用案例的評價。因此SWAT，分布式水文模型，SWAT模型等三個關鍵詞的中心度較強，并且是整個研究領域的核心節(jié)點。（2）從2006—2015年開始，對SWAT模型的關注度開始提高，文獻數(shù)量迅速增加，在2015年最高達216篇。隨著“3S”技術的發(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行探討以及土地利用變化產(chǎn)生的水文響應進行模擬預測[14]，表明SWAT模型在面源污染和覆被變化下的水文效應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)表文獻與2015年的峰值相比，文獻略有下降，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模型文獻數(shù)量與研究趨勢

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

表1 中國1990-2017 SWAT模型關鍵詞中心度信息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 文獻關鍵詞聚類分析

學科領域較長時期大量學術研究成果的關鍵詞集合，可以揭示該學科總體內(nèi)容特征、研究內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系、學術研究的發(fā)展脈絡與發(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)絡具有較強的集中性。從關鍵詞的連線分布可以看出，研究圍繞關鍵節(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。該群組的文獻數(shù)量多。通過原文獻追蹤發(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行敏感性分析以進行參數(shù)率定和利用不同算法進行流域的參數(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用SWAT模型時得到更準確的結(jié)果提供參考。

（2）“徑流模擬”聚類群。該群組文獻數(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”等關鍵詞出現(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、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”等關鍵詞存在一定的共生關系。表明了在人類活動響應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者的重視。通過原文獻研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化與徑流量之間的關系備受關注，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)問題上政策效應分析的重要手段。

（4）“空間分布”聚類群。該群組文獻數(shù)量較多。“水文模型”、“空間適用性”和“流域污染控制”等相關關鍵詞不斷出現(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，還能促進當?shù)亟?jīng)濟經(jīng)濟和社會的發(fā)展。

（5）“非點源污染”聚類群。該群組文獻數(shù)量較多。通過原文獻研究發(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荷的時間分布規(guī)律對地表徑流非點源污染進行定量分析和評價，以期為模擬流域非點源污染的動態(tài)變化奠定基礎。

圖2 中國1990—2017 SWAT模型研究文獻關鍵詞聚類圖譜Figure2 KeywordsclusteringofChinese1990 to2017SWATmodels

2.3 載刊的期刊分布

學術期刊是反映學科發(fā)展動態(tài)、方向和水平的重要媒介[27]。從表2來看，無論是單篇文獻引用次數(shù)、文獻引用總次數(shù)，還是載文比例，排在前三的都是水利學報、資源科學和水土保持研究，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，資源科學影響因子最高，達到3.541，而水資源與水工程學報的影響因子只有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（如《水土保持研究》、《水資源與水工程學報》）、水電學（如《水利學報》、《水電能源科學》）、資源環(huán)境科學（如《資源科學》）和其他學科（如《農(nóng)業(yè)工程學報》、《北京師范大學學報（自然科學版）》）等學科刊物發(fā)展。

較之早期SWAT模型文獻集中于水土保持與水電學刊物，如今的文獻分布刊物涉及學科廣泛。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和水電學的同時，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)出廣泛的應用前景。

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

2.4 研究機構(gòu)及其合作網(wǎng)絡

基于研究機構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡的機構(gòu)合作網(wǎng)絡圖譜，實現(xiàn)對某技術研究領域中研究機構(gòu)合作情況的可視化分析可以為學術資源的引進、開展合作以及學術成果評估提供參考[33]。在圖中，彩色圓環(huán)節(jié)點表示機構(gòu)名稱，節(jié)點越大，表示該機構(gòu)發(fā)文量越大。 每一層圓環(huán)的厚度越大，表示當年發(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，在這些研究機構(gòu)中，無論是單篇文獻引用次數(shù)還是文獻引用總次數(shù)，排名前3位的依次是中國科學院地理科學與資源研究所、北京師范大學和武漢大學。不同機構(gòu)單篇文獻引用次數(shù)差異較明顯，最高的是中國科學院地理科學與資源研究所達到42.79，較低的是西北農(nóng)林科技大學僅3.63。從研究合作網(wǎng)絡（圖3）來看，中國對SWAT模型應用研究主要形成2大合作機構(gòu)（見圖3黑色方框）。分別在研究機構(gòu)聚類合作圖譜中形成了以中國科學院地理科學與資源研究所為核心的區(qū)域合作網(wǎng)絡和以武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室以及河海大學水文水資源學院為主的合作網(wǎng)絡，這兩個聚類在整個網(wǎng)絡中非常突出。

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

2.5 文獻作者合作網(wǎng)絡分析

發(fā)文作者是科學研究的主體，通過對發(fā)文作者合作網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)特征分析，可以反映出該領域的核心作者群之間的合作關系[35]。將1 710篇有效文獻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后導入Citespace軟件，并進行相關設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)量與粗細反映了作者合作關系與合作強度[34]，它們共同組成了作者群與合作網(wǎng)絡的知識圖譜。從合作網(wǎng)絡來看，SWAT模型應用研究形成了4個主要的核心研究團隊（見圖4黑色方框），各團隊之間聯(lián)系強度比較強。

圖4 中國1990—2017 SWAT模型研究高產(chǎn)作者合作網(wǎng)絡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和文獻計量為研究手段，對我國涉及SWAT模型應用研究的文獻數(shù)量與研究趨勢、文獻關鍵詞、文獻期刊分布、文獻研究機構(gòu)與合作網(wǎng)絡及文獻研究作者合作網(wǎng)絡5個方面進行系統(tǒng)梳理。研究結(jié)果顯示：

（1）從文獻數(shù)量與研究趨勢分析來看，中國SWAT模型應用研究發(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，對城市化進程的水文響應模擬和在水土保持、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鍵詞。該模型研究關鍵詞共現(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)多學科交叉的特點。在人類活動下導致的土地利用/覆被變化和環(huán)境變化日趨強烈的背景下，SWAT模型在土地利用方式和氣候變化條件下對徑流產(chǎn)生的水文響應研究是新熱點。

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

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

近年來，國內(nèi)外均對水資源評價和水文學研究逐漸被重視。國外應用SWAT模型研究內(nèi)容涉及河流預測、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。與國外相比，我國在管理措施、水資源利用和作物產(chǎn)量關系、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)應用SWAT模擬細菌傳輸?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重的國家，因此有必要借鑒國外在水資源管理領域、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經(jīng)驗，以期為水土保持、資源的合理規(guī)劃、環(huán)境影響預測等工作提供比較有效、便捷的研究手段。

由于有些文獻存在內(nèi)容相近或相似的現(xiàn)象，根據(jù)文獻數(shù)量分析SWAT模型發(fā)展歷程存在一定的偏差。此外，Citespace分析工具對關鍵詞共現(xiàn)率有門檻值要求[8]，這可能會導致最新發(fā)表的重要文獻無法在分析中體現(xiàn)出來。盡管Citespace分析軟件擁有先進的圖譜繪制功能，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方法應用上強化圖譜解讀的規(guī)范性和嚴謹。