我国洪水模拟研究的可视化分析

尧小婷，濮 凡

(1.上海海事大学 海洋科学与工程学院 水利工程系 上海 201306 2.上海海事大学 海洋科学与工程学院 安全科学与工程系 上海 201306)

洪水是一种短时间内流量、水位陡增的水流运动，具有很强的破坏力，我国国土广袤，由于特殊地形及气候条件，某些地区洪水频发，给社会和人民财产带来巨大损失。据《中国水旱灾害公报》相关数据统计，2011年至2017年，我国年均30省(自治区、直辖市)2013县(市、区)19193乡(镇)遭受洪涝灾害，受灾人口9130.87万人，因灾死亡人数539人、失踪153人，紧急转移917.24万人，倒塌房屋39.86万间，165座城市进水受淹或发生内涝、直接经济损失2307.49亿元。2018年7月7日至12日，受暴雨洪涝灾害影响，四川省13市93.2万人受灾，[1]600余间房屋倒塌，近8800间不同程度损坏，农作物受灾面积36.9千公顷，其中绝收5.2千公顷，直接经济损失24亿元。

在我国早期的洪水模拟研究中，主要借鉴并应用国外研究方法，1963年，张恭肃[2]介绍了国外电子模拟法在水文研究中的应用,以河道洪水演算为最多。1973年河海大学首次被提了国内第一个完整的流域水文模型——新安江流域水文模型；1981年黄崇佑[3]首次将天然不规则河道的实际溃坝洪水波作为一维流考虑,借助计算机进行数学模拟，获得结果与现场调查资料吻合较好，说明了利用数学模型研究溃坝波是可行的办法；1983年，丁晶[4]论述了如何通过解集模型来随机模拟洪水序列，1987，芮孝芳[5]论述了应用运动波数值扩散探求洪水演算方法的新途径，这些数学模型的求解均用到了计算机辅助计算。此后在20世纪末用户开始提出了在互联网上查看GIS数据的概念，此后的实践表明，GIS在洪水防治上大有作为，1994年赵荣[6]等在GIS支持下建立了曹娥江上游洪泛区洪水演进模型，此后GIS在洪水研究的应用愈发广泛；随着计算机的发展与普及，越来越多的水文模型被集成于计算机软件之中，计算机模拟方法在洪水研究中的应用也更加广泛；2004年，严敏[7]等应用TASE/SWAN软件对意大利的Toce河进行了洪水模拟预测；而随着洪水模拟研究的发展，学者开始注重模型的适用性与优化，2012年，安晨歌[8]等对唐家山堰塞湖进行溃决过程模拟，对比分析了几种溃坝模型在溃决洪水模拟中的适用性，范辉[9]等采用单位线法和Maskingum-Cunge法对VIC模型的汇流方案进行了改进，并在对西江南宁以上流域的场次洪水过程模拟中表现出了较好的描述能力。

为进一步研究模拟方法在我国洪水研究中的应用情况，本文将基于Cite Space软件时我国洪水模拟主题核心期刊文献进行可视化分析。

1 数据与方法

CNKI数据库是世界上全文信息量规模最大的“数字图书馆”，“以误水”与“模拟”为关键词进行文献检索，得到1992年至2019年4月中文核心期刊洪水模拟文献共1148篇。

CiteSpace是一款用于可视化和分析科学文献中的趋势和模式的应用程序，侧重于寻找领域或领域发展的关键点，尤其是知识转折点和关键点[10]，分析得到的可视化图形也被称为 “科学知识图谱”[11]。近些年可视化分析方法逐渐普及，CiteSpace也被学者广泛应用于各类学科综述中。2019年，李杰[12]等对社会科学领域知识图谱的应用趋势进行分析发现,自知识图谱方法被引入到我国以来,在社会科学领域的应用增长迅速。水利研究中，伍新木[13]等曾利用CiteSpace进行了国内水资源管理研究论文的可视化综述。

2 研究结果

2.1 产出趋势分析

图1为1992-2019年中文核心期刊洪水模拟文献数量与时间分布。

图1 1992-2019年洪水模拟文献数量与时间分布

由图1可见1992年至2001的10年间我国洪水模拟研究发展缓慢，年发文量均不足15篇，研究方向以各类模型的理论分析为主，较多文献是基于随机模拟方法；由于当时数据采集手段匮乏，10年间总计94篇洪水模拟文献中，以实际流域为背景的应用性研究不足10篇，研究对象也是长江、三峡大坝、太湖等采集数据相对容易的场景；2003年之后，随着计算机在国内的普及以及相关软件的开发及优化，洪水模拟研究进入高速发展阶段，年度文献数量逐年攀升，2015年达到90篇，研究方向不断丰富，原有的水文模型被不断优化，新的水文模型不断产生，并被应用于各个地区的流域中进行实践研究；2017年，洪水模拟主题年度论文量突破100篇，并在2018年达到115篇，可见洪水研究在经历十多年的高速发展之后，因洪水破坏力强、灾害后果严重等特点，仍然受到高度重视并被不断深入。

2.2 机构合作网络

分析各研究机构的发文情况有助于了解我国洪水模拟研究的力量分布，明确各机构具体的研究方向以及方法[14]，利用CiteSpace对CNKI数据库中1992年-2019年的1148篇以“洪水模拟”为主题的期刊论文进行机构合作网络分析。如图2所示，以河海大学水文水资源学院为核心的合作网络发文数量最多，达到157篇，研究内容以各类模型的优化及应用为主，并且与河海大学水利水电学院以及依托河海大学、南京水利科学研究院的水文水资源与水利工程科学国家重点实验室合作密切，河海大学水利工程专业是世界一流学科建设学科，水灾害与水安全也是其研究的重点方向之一；以武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室为核心的合作网络发文72篇，多为以我国具体的流域为研究对象的应用性研究；中国水利水电科学研究院隶属中华人民共和国水利部，是从事水利水电科学研究的国家级社会公益性科研机构，其以洪水模拟为主题的文献主要发表于2010年以后，研究方向以水文模型的适用性研究以及优化为主。

2.3 作者合作网络

图3为洪水模拟研究作者合作网络。自河海大学水文水资源学院的李致家为核心的作者合作网络发表文献数量最多，达到71篇，其早期研究以模型的优化为主，并多次提出新安江模型的优化方案，此后研究方向转变为各类水文模型在具体流域洪水模拟中的比较，如Hec、Topmodel和新安江三个水文模型在沂河洪水模拟中的分析，新安江模型、Topmodel模型和SWAT模型在淮河息县流域洪水模拟中的比较等，并且其与文献发表数量排名第二的学者姚成合作紧密；以学者孙东坡为核心的合作网络研究方向主要为流域码头、生产堤等对洪水模拟的影响，并在多条流域应用二维水沙模拟数学模型；以学者陈洋波为核心的合作网络主要以流溪河模型在各流域的应用为主要研究方向。

由图3可见，各个作者合作网络内部合作相对紧密，并且大都来自相同单位，这也与洪水模拟研究的特殊性相关，模拟方法以计算机模拟为主，各个合作网络的研究方向如前文所述不尽相同，因此合作相对较少。

图2 洪水数值模拟研究机构合作网络

图3 洪水模拟研究作者合作网络

2.4 关键词共现网络

关键词是文献作者提炼出能够反应文章研究方向的指标，对一个领域的文献关键词出现频次进行分析可迅速掌握该领域的研究热点与发展方向，这种方法也被称作词频分析法[11]。利用CiteSpace对1148篇洪水模拟核心期刊文献进行关键词共现网络分析，选择每个时间切片top100的关键词，并对结果中近似关键词进行合并处理，如“HEC-HMS模型”与“HEC-HMS”，得到关键词共现网络如图4所示，图中关键词出现频次越高则标签文字越大。

由图4可见，“洪水模拟”与“数值模拟”作为数据文献的主题，出现频率最高；其它高频关键词主要可以分为三类，首先是水文模型，如分布式“水文模型”、“随机模拟”、“新安江模型”、“HEC-HMS模型”、“浅水方程”、“流溪河模型”等，都是在洪水模拟中常用的水文模型；而“风暴潮”、“溃坝”、“洪水”则是研究的水文现象；此外如“淮河流域”、“黄河下游”、“长江中游”等则是研究中涉及的具体流域，这三类关键词组合即可确定一篇文献的具体研究方向，即以某流域为对象，应用某种水文模型对某水文现象进行研究。此外“GIS”出现频率也较高，其在洪水模拟研究中也发挥了重要作用。

3 结论

洪水模拟研究可对洪水预报预防提供帮助，对保护人民生命财产安全意义重大，本文应用科学知识图谱方法对CNKI数据库中1992年至2019年4月的1148篇洪水模拟核心期刊文献的年度产量、科研机构，作者，关键词进行了可视化分析，得到结论如下：

图4 洪水模拟研究关键词共现网络

1992年至2001的10年间我国洪水模拟研究发展缓慢，年发文量均不足15篇，以实际流域为背景的应用性研究较少，2003年之后，洪水模拟研究进入高速发展阶段，研究方向不断丰富，原有的水文模型被不断优化，新的水文模型不断产生，并被应用于各个地区的流域中进行实践研究；近两年年度文献数量超过100篇，洪水模拟研究仍在不断深入。

河海大学水文水资源学院以及水文水资源与水利工程科学国家重点实验室是我国洪水模拟研究的核心力量，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室研究方向主要为以我国具体的流域为研究对象的应用性研究。

河海大学水文水资源学院的李致家为核心的作者合作网络发表文献数量最多，达到71篇，其早期研究以模型的优化为主，此后研究方向转变为各类水文模型在具体流域洪水模拟中的比较，并且其与文献发表数量排名第二的学者姚成合作紧密；各个作者合作网络内部合作相对紧密，且均来自相同单位，跨单位合作较少。