基于文献计量学的城市雨水管理发展研究

余 宇，陈 磊，张 普，肖月晨，沈珍瑶

(北京师范大学环境学院，北京 100875)

随着城市化进程的深入，城市不透水地表面积日益增加，城市雨水问题逐渐凸显。雨水污染方面，雨水径流污染(非点源污染)带来的污染负荷在雨季内甚至会超过点源污染，从而对城市的地表水环境造成极为不良的影响[1]。雨水利用方面，中国虽为缺水国家，但对于雨水的利用率却仅为10%左右，据预测，相对于20世纪末，21世纪中叶城市的新增供水量为990亿m3，如果能将雨水利用率提升至40%，则可以解决14.2%的新增供水量，从而大大缓解水资源短缺问题[2]。内涝灾害方面，气候变化、城市化建设、不合理的排水系统规划等因素都导致了近年来城市中内涝灾害频发，这为城市安全带来了很大威胁[3]。因此合理管理城市雨水对于城市的发展与建设有着重要的意义，若能解决好雨水资源的收集利用、水质水量控制等问题，便可以有效地缓解城市的水资源短缺、非点源污染、旱涝灾害等问题。

中外学者对于城市雨水管理已经进行了长期的研究，从20世纪60年代便有了相关文献[4]，国内则在20世纪90年代出现了相关文献[5-7]。关于雨水管理已涌现出了丰富的研究主题，研究其间的变化与规律对于今后的城市雨水管理研究具有启示作用，而文献计量学方法正是研究此类问题的可靠手段。本文采用目前较为领先的文献计量学分析软件CiteSpace对近50 a城市雨水管理相关文献进行综合分析，旨在总结出该领域研究的发展历程与规律、核心研究团体、核心期刊以及未来发展的方向与趋势等内容。

1 数据来源与分析方法

本文在收集文献数据时，使用的数据库为Web of Science核心合集，在其中以搜索式TS=((“urban stormwater” OR “urban runoff” OR “urban nonpoint source” OR “urban non-point source” OR “urban diffuse source” OR “low impact development” OR “green infrastructure” OR “sponge city”) NOT (“water supply” OR “law” OR “air pollution” OR “light pollution”))进行检索，设置的检索时间跨度为1990—2018年，有检索记录的时间跨度为1966—2018年，文章类型为所有类型，共检索到4 992篇文献。本文在分析文献共被引网络、国家以及机构合作图谱时采用的分析工具为陈超美博士团队开发的CiteSpace引文空间可视化分析软件，版本为5.3.R8.12.30.2018，选择的节点类型分别为reference、country与institution，设置的修剪方式均为最小生成树法则中的局部修剪方式，其余设置均为软件默认值。

2 结果与讨论

2.1 总体分析

统计Web of Science数据库中城市雨水管理相关文献的逐年发文量，结果见图1，可以看出随着时间的推移发文量呈现明显上升。最早的相关文献出现在20世纪60年代，主题包括城市化对于降雨以及径流产生的具体影响、城市径流污染情况以及处理技术等[4, 8-9]，但就发文数量而言，1966—1990年都处于较低水平，说明这一期间城市雨水管理相关研究还未受到充分的关注；1991—2006年，发文量开始缓慢增加，并且出现了大量的高被引文献，至今被引次数最多的文章便是该时间段内Carpenter SR等人发表的关于地表水磷氮非点源污染的研究，总被引频次近3 000[10]，这说明该领域在此间开始逐渐发展，出现了大量极具意义的基础性研究；2007—2018年，发文量出现激增，尤其在近5 a每年都以100篇以上的速度增长，说明相关研究开始已进入了快速发展阶段，预计2019年后会出现更大量、更丰富的研究。

图1 不同年份相关研究发文量变化

2.2 文献共被引图谱

文献共被引图谱的分析对象为收集到的施引文献中的参考文献，每一个节点代表一篇被引的参考文献，节点越大表明其被引次数越多，当2篇文章同时被一篇文章引用时会用线条连起来，线条越粗代表文章同时被引的次数越多。由于近年来相关主题的文章急剧增长，而之前的文章数量较少，为了图谱简洁直观便于分析，本文在作图分析时每个时间段采用了不同的时间长度，2013—2018年为3 a，1995—2012年为6 a，1966—1994年整体作为1个时间段，并在图谱中运用自动聚类，聚类标签通过CiteSpace内置算法从各节点的题目术语中提取。图谱中带有紫色圆圈的节点具有高度中心性，红色节点具有较高突显性，即在某时间段内该节点的引用频次突然大量增加。每个时间段的聚类结果都通过silhouette值进行衡量，silhouette值反映了聚类内部成员的同质性，当其大于0.5时表明聚类结果是合理的，大于0.7时表明结果是可信的，本文图谱中所有聚类的silhouette值都在0.7以上。此外，参考被引频次以及中心性2个指标，导出其中的关键文献进行阅读分析总结每一时间段主要关注的研究问题。最终的图谱见图2—4。由于被引文献通常会晚于施引文献的年份，因此图谱中被引文献对应的时间段会向前推移。

a)2001—2006年 b)2007—2012年图3 城市雨水管理相关研究在不同时间阶段的文献共被引图谱

a)2013—2015年 b)2016—2018年图4 城市雨水管理相关研究在不同时间阶段的文献共被引图谱

1966—1994年的被引文献年份集中在1977—1981年，主要呈现为2个聚类，聚类的标签词分别为可萃取有机物(extractable organic-matter)和下水道溢流(sewer overflow)，由此可见在这一时间段内研究较为关注影响雨水水质的可萃取有机污染物，同时还关注雨水管网设计问题，但总体而言关注的主题较为单一，被引文献的数量也较少，不存在高中心性节点和明显高被引节点，相关研究都还处于初级阶段。

1995—2000年的被引文献年份集中在1990—1996年，经过自动聚类分为8类，聚类标签词分别为城市雨水水质(urban stormwater quality)、各种金属(various metal)、评估雨水(assessing stormwater)、使用SWMM模型(using SWMM)、城市潮湿天气污染(urban wet weather pollution)、城市化区域(urbanizing area)、探索性研究(exploratory study)、影响多环芳烃分布 (influencing polycyclic aromatic hydrocarbon distribution)。可以看出此时研究重点关注城市雨水的水质问题，重点关注的污染物有各种金属元素与多环芳烃，此时SWMM模型的使用开始兴起，对于城市化等问题也开始有了关注。阅读分析节点网络中的高被引以及高中心性文献，总结主要关注问题如下：雨水径流中的烃类、有毒物质的浓度、来源分析及处理工艺分析[11-12]；建立城市试验集水区，分析潮湿天气中径流的污染特征[13]；分析屋顶径流污染模式、公路径流污染特征[14-15]；应用SWMM、GIS等模型和辅助工具进行雨水径流特征的研究[16-17]。

2001—2006年的被引文献年份集中在1997—2002年，通过聚类主要分为14类，其中有2个聚类节点联系紧密且标签词相同，在分析时将其归为一类，聚类标签词分别为巴黎城市群(Paris agglomeration)、雨水管理(stormwater management)、颗粒大小分布(particle size distribution)、城市河流综合征(urban stream syndrome)、大型无脊椎动物(macro invertebrate)、城市潮湿天气水流(urban wet-weather flow)、后续景观城市化(subsequent landscape urbanization)、前期冲刷污染负荷(first flush pollution load)、路盐(road salt)、河流生态系统(stream ecosystem)、各种下水道沉积物(different sewer deposit)、南部加利福利亚流域(southern California watershed)。可以看出此阶段法国巴黎、美国加利福利亚等地区进行了较多的城市雨水管理研究，研究较为关注的污染物为悬浮颗粒污染物，对于河流生态系统情况也较为重视。分析该阶段节点网络中的高被引与高中心性文献，总结重要问题如下：城市道路与公路的雨水径流污染特征[18-20]；评估城市径流的毒性、污染物组成，设计相关设施进行处理[21-22]；探讨雨水对于污染物的首次冲刷效应[19, 23-24]；探讨城市化对于雨水径流产生及污染过程的影响[23, 25-27]；初步探究生物滞留设施对于城市雨水管理的影响[28]。

2007—2012年的被引文献年份集中在2001—2007年，主要分为14类，标签词分别为生物滞留系统研究(bioretention system research)、干燥天气(dry weather)、优先控制污染物(priority pollutant)、污染物相关性(contaminant correlation)、生物评价工具(bioassessment tool)、城市雨水(urban stormwater)、排泄物标记物(fecal marker)、城市雨水径流(urban stormwater runoff)、基于事件的尺度分布(event-based size distribution)、城市雨水水质模型(urban stormwater quality modelling)、金属源(metal source)、水泥路面(previous concrete pavement)、雨水收集器(stormwater trap)。其中最大的3个聚类的标签词分别为生物滞留系统研究(bioretention system research)、干燥天气(dry weather)与优先控制污染物(priority pollutant)，由此可以看出该时间段已开始研究生物滞留设施，但还未兴起新型的雨水管理综合方法，此外影响雨水水质的各种污染物也受到极大关注，优先控制污染物、生物评价方法等兴起；此外可以看出此时雨水水质模型属于较为边缘化的一个类别，说明此时的模型研究还未能很充分地与其他研究相结合。分析该阶段网络中的高被引以及高中心性文献，发现此时的研究热点为生物滞留设施，总结关注的主要问题如下：生物滞留设施具体效用以及优化设计研究[29-35]；对城市雨水径流的氮、重金属、多环芳烃、悬浮颗粒物等污染物进行模拟并进行源解析[36-40]；阐述城市雨水径流排水系统对城市小河流以及土地排水河流生态退化的影响并提出恢复对策[41- 42]；关注雨水中微生物的环境行为，并对雨水中微生物浓度测量中的不确定性因素进行分析[43-44]；利用模拟降雨来寻找污染物之间的相互作用与联系[45]；分析城市排水管道水质模型的不确定性[46]。

2013—2015年的被引文献年份集中在2007—2010年，聚类分为8类，聚类标签词分别为收集系统(harvesting system)、生物滞留系统(bioretention system)、绿色基础设施规划(green infrastructure planning)、城市径流污染(urban runoff pollutant)、源头控制雨水管理措施(source-control stormwater management)、大面积绿色屋顶(extensive green roof)、城市雨水径流氮成分(urban stormwater runoff nitrogen composition)、健康(health)。其中最大的3个类别的标签词分别为收集系统(harvesting system)、生物滞留系统(bioretention system)与绿色基础设施规划(green infrastructure planning)，而且高被引节点与高中心性节点都处于这3类之中，这表明该时间段内的研究重点关注雨水的收集问题以及绿色基础设施的建设问题，但同时对于雨水径流的水质情况以及雨水水质带来的健康问题也有一定关注。该时间段存在突现性节点，突现文献的出版年份为2006年，其主要探讨了绿色屋顶是否是解决21世纪城市化雨水径流问题的有效工具这一问题，结果表明其在减少城市降雨径流方面具有明显效果[47]，该文献的突现表明绿色屋顶在这一时间段内成为了一个研究的热点，开始受到大量的关注。阅读分析该时间段内的网络中显示的高被引以及高中心性文献，发现绿色基础设施如绿色屋顶以及雨水花园等生物滞留设施已成为热点主题，总结主要关注问题如下：开始涌现绿色基础设施如生物滞留设施、绿色屋顶等在具体降雨情况下以及实验室情况下模型模拟的使用效果数据，包括对各种类型污染物的去除效果及对洪峰量的削减效果数据，从而优化设施的关键设计点[31-32, 48-51]；建立城市空间系统概念框架，量化城市绿色基础设施中的生物地球化学过程，从而真实评估城市绿色基础设施对于人类健康以及生态系统健康的贡献[52-53]；构建城市雨水处理和分析集成系统(SUNSTAIN)模型，帮助规划者在满足水量水质要求的情形下找到布置BMPs的最佳位置、最佳组合和最低成本[54]；总结过去雨水管理方法的不足，提出“水文情势管理方法”(flow-regime management)，即识别出地区自然水文过程中的关键地形和生态要素，进行保护与恢复，从而使雨水径流更多地通过蒸发以及渗透等方式减少[55]；通过文献调研构建不同城市地表类型下径流中各种典型污染物的代表性浓度矩阵，从而为今后雨水设施评估以及模型模拟提供数据[56]；对比分析各种低影响开发模拟模型，并提出未来模型发展方向[57]；总结发达国家在实施低影响开发过程中所出现的问题并提出相应解决对策和成功经验[58]。

2016—2018年的被引文献年份集中在2010—2013年，聚类后分为6类，其中第一类与第三类筛选出的标签词相同且两类之间的节点联系紧密，在分析时可以将其归并为一类，因此主要的5个类别的标签词为流域尺度(watershed scale)、绿色基础设施(green infrastructure)、量化水量减少(quantifying volume reduction)、事件尺度水文学(event flow hydrology)、氮元素滞留(nitrogen retention)。其中最大的2个类别的标签词为流域尺度(watershed scale)与绿色基础设施(green infrastructure)，由此可以看出这一时间段内研究侧重于从流域尺度进行，并且十分关注绿色基础设施在城市雨水管理中起到的作用；其中第五类氮元素滞留(nitrogen retention)将绿色基础设施研究与其他几类主题研究连接起来，说明其在城市雨水管理领域是起到过渡和启发作用的核心研究主题。

阅读节点网络中显示的这一时间段内的高被引及高中心性文献，发现文献主题集中在低影响开发以及绿色基础设施建设上，且大部分为对现有研究进行总结以及对未来研究提出建议的综述类文章，他们主要关注的问题如下：辨析领域发展过程中出现的各种术语在尺度及具体关注点上的异同，从而提高今后研究合作及交流的有效性，如最佳管理措施(BMPs)、雨水控制措施(SCMs)属于城市雨水管理，着眼于具体的措施，而水敏感城市设计(WSUD)、城市水综合水管理(IUWM)属于城市整体水循环尺度，是一种广义的设计原则，低影响开发(LID)、可持续城市排水系统(SUDS)则处于2种尺度之间[59]；继续探究绿色基础设施如绿色屋顶、生物滞留系统在实际降雨或者模型应用中对水量水质的控制效果及存在问题，为今后的设施设计提供数据及经验[48, 60-65]；在城市加剧扩张及气候变化等背景下，建立评估整个城市生态系统服务功能以及绿色基础设施效用的方法体系，如从社会-生态角度进行多功能多尺度的评估，从而辨析重要环节与因素，为未来的规划决策提供依据[66-69]；梳理城市水文环境在城市雨水径流管理方面所产生的各种影响，如降雨时空规律变化导致模型更加困难[70]。

2.3 国家与机构合作图谱

运用CiteSpace对Web of Science中城市雨水管理相关文献的发表国家及机构进行分析，出现频次排位前十的国家与机构见表1。

表1 城市雨水管理相关研究中出现频次排位前十的国家与机构

在相关研究国家方面，从整体来看，发达国家占据绝对优势，仅中国属于发展中国家，说明发展中国家还需要加强对于城市雨水管理研究的关注；具体而言，美国的研究在数量以及中心度上都占据明显优势；德国在中心度上占据绝对优势，这与德国城市雨水管理研究起步早、发展快有很大的关系；中国在发文量上排于第二位，可见中国学者对于城市雨水管理方面的研究十分重视，在英文期刊上发表了大量的相关文献，但可以看出中国文献的中心度不够高，在前十位国家中仅排名第六位。通过 CiteSpace对Web of Science中的检索结果做国家合作图谱，结果见图5a，图中节点大小代表发文量，紫色外圈代表具有高中心度，结果同样显现出中国发表的文献中心度低，而美国、澳大利亚、德国、英国、奥地利、加拿大等中心性高，这说明中国虽然发表的文章数目多，但是与各国的合作相对较少，对于整个领域的影响力不足，因此在今后中国需要增加与各国的合作，提高文献在相关研究中的影响力。

在相关研究机构方面，结果见表1、图5b，可以看出，重要研究机构分别为莫纳什大学、美国环保局、中国科学院等，中心研究机构为美国环保局、莫纳什大学、美国地质调查局、北卡罗莱纳州立大学、佛罗里达大学。其中美国环保局具有最高中心度，说明其在城市雨水管理研究领域具有重要影响力；莫纳什大学具有最高出现频次，说明其为最高产最活跃的研究机构。中国机构中只有中国科学院进入前十排名，说明中国研究机构还需要进一步提升在该领域的研究数量与质量。

a)国家合作图谱 b)机构合作图谱图5 城市雨水管理相关研究的国家与机构合作图谱

2.4 出版物来源分析

通过Web of Science数据库自带分析功能，对检索结果的来源杂志以及被引频次进行排序，见表2。参考发文量数据，得出对城市雨水管理主题研究报道较多的杂志为Water Science and Technology、Science of the Total Environment、Water Research，参考被引频次数据，得出在城市雨水管理主题内Web of Science中质量较好的杂志为Water Research、Landscape and Urban Planning、Science of the Total Environment、Journal of Hydrology。可以看出Web of Science中的杂志来源发文量分布较为均匀，仅Water Science and Technology稍占优势，这说明各杂志对于该主题的关注程度相近，不存在明显的领头杂志，但随着城市雨水管理相关研究的逐渐发展，相信未来会出现更多以该主题为重点的高质量杂志。

3 结论

根据上文的分析结果，可以得出如下结论。

a) 通过文献共被引分析，可以看出随着时间的推移，城市雨水管理领域的研究主题从单一到丰富，从分散到综合。在1966—1994年，被引文献主要关注雨水中的污染物和下水道溢流的问题；在1995—2000年，被引文献大量关注城市环境下雨水径流污染特征，并开始出现将SWMM模型以及GIS等辅助工具运用到雨水管理中的研究；在2001—2006年，被引文献仍然关注城市雨水径流污染特征总结，同时更多地考虑了城市化带来的影响，并开始出现探究生物滞留设施在城市雨水管理中具体运用的研究；在2007—2012年，被引文献开始关注城市雨水径流中污染物的源解析，同时生物滞留设施的相关研究进一步兴起，并且模型的运用和研究也开始增加但还并没有与整个领域充分地结合起来；在2013—2015年，被引文献中的低影响开发理念与绿色基础设施研究成为主要热点，其中绿色屋顶的研究开始大量出现，同时评估生态系统以及绿色基础设施效用的方法体系和系统也开始涌现；在2016—2018年，被引文献中关于低影响开发与绿色基础设施的研究进一步成熟，众多相关概念的辨析受到关注，研究中开始更多地加入城市化加剧以及气候变化的考虑，对于城市水文规律的研究也开始受到重视。

表2 城市雨水管理相关文献前十来源杂志

b) 通过国家与机构合作图谱可以看出，美国、德国、澳大利亚等发达国家在城市雨水管理研究方面做得最好，处于领先地位；中国也有着优异表现，但是在影响力方面还有待提升，建议加强与发达国家的合作。

c) 在出版物来源杂志分析中，可以看出在城市雨水管理研究方面，存在着许多高质量高产的优秀权威杂志，但是目前还没有出现在这一方面有明显优势的杂志，相信在未来会出现更多重点关注城市雨水管理研究的优异杂志。

4 展望

通过分析CiteSpace筛选出的近10 a的重要施引文献以及被引文献，得出城市雨水管理相关研究在未来应该重点关注的问题及方向如下。

a) 机理层面。应结合水文学、生态学等学科原理，进一步探明城市降雨径流过程、城市非点源污染发生机制以及低影响设施的作用机理；特别是在如今城市化加剧和气候变化的背景下，城市降雨、蒸发、产汇流等水文过程都发生着极大的改变，如何结合城市水文学准确解析变化环境下的降雨-径流-污染物响应过程，都将成为城市雨水管理过程中亟待解决的机理问题。

b) 工具层面。应更多借助先进的机理模型，并结合产汇流特征对模型进行改进，如模拟降雨事件时应考虑前期土壤含水量以及前后场次降雨间的影响等，目前尚缺乏基于物理机制、符合中国国情、考虑分布式运算的可靠模型工具；且普遍面临着基础数据缺失、模拟结果不确定性大等问题；同时需要更多辅助决策系统来计算低影响开发设施最优布局组合方式，从而用最低的成本实现最大的环境效益。

c) 设计层面。需要更多的研究来深入了解绿色基础设施的性能并优化或改进其具体设计参数，如绿色屋顶使用早期和后期的性能研究还不充分，如何选择植被种类、施肥灌溉方式、土壤基质等问题都还未得到较好解决；另外如生物滞留设施的混合设计以及氮削减机理方面仍然不够成熟，其作为铜的源汇问题也仍然有待研究；需要结合绿色基础设施的机理研究对其参数进行优化、改进、提升。

d) 评价层面，仍然有很多需要继续完善的方面。以中国海绵城市建设为例，虽然目前《海绵城市建设评价标准》已经出台，但中国幅员辽阔、各地方差异显著，还需要更多的生态系统服务功能评估方法以及能反映地方产汇流特征的区域化指标，并将海绵城市建设和流域管理相结合，以及更全面细致的实际应用研究来评估检验绿色设施所带来的具体效益。

e) 管理层面。雨水管理涉及到水文学、环境学、土壤学、生态学、建筑学等多个学科，需要实现多学科多部门人员的交融与合作，从而改变传统市政管理布局，实现更加科学有效的雨水管理。