基于文献计量学的中国流域SCS模型研究现状分析

唐中楠　杨国丽　李军　蓝芙宁　王春雁

摘要：为了揭示SCS模型在中国流域研究的现状与重点，为后续研究提供参考，对该领域2000～2019年国内284篇期刊论文和168篇硕博论文进行了梳理，借助于CiteSpace5.7 R1软件及CNKI可视化分析模块，对该领域的发文量、关键词、发文作者和研究机构进行了文献计量学统计分析。结果表明：SCS模型研究领域发文量总体呈增长趋势，研究重点主要集中在2个方面，一方面是SCS模型与其他模型的耦合应用研究，可为洪水灾害预警响应提供理论支撑;另一方面是利用遥感技术进行小流域CN值率定研究，以建立适合中国各地区的CN值数据库，为中、大尺度流域径流量模拟奠定基础。研究团队的分布随时间呈集中向分散过度的趋势，其中，河海大学梁忠民教授团队、西安理工大学宋孝玉教授团队、西北农林科技大学梁菊平教授团队、北京师范大学史培军教授团队和中国科学院刘昌明院士团队等是不同发展阶段的核心团队，这些学者团队为该研究领域的发展做出了重要贡献。由此可见，在中国暴雨及雨洪灾害频发的情况下，SCS模型在今后对小中大尺度流域径流产流模拟研究可能会成为将来的研究热点。

关键词：SCS模型; CN值; 文献计量学; 雨洪灾害; 研究现状

中图法分类号： P333

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.014

0引 言

在水资源短缺、水环境日趋恶化的背景下，水资源危机逐渐成为全球密切关注的热点话题[1-2]。地表径流作为水循环的基础过程之一，是水文模型模拟的重点[3]。SCS（Soil Conservation Service）模型又称径流曲线数法模型，由美国农业水土保持局于1954年开发，是目前应用最为广泛的产流模型之一[4]。该模型结构简单，仅用径流曲线数CN（Curve Number）就能反应流域特征。中国SCS模型相关文献最早出现于20世纪90年代，南京大学是最早利用SCS模型开展模拟流域研究的机构[5-6]，此后的十几年中该领域发展较缓慢。进入21世纪后，随著遥感技术的不断发展，给SCS模型带来了新一轮的发展机遇及挑战[7-8]。

文献计量法是集数学、统计学、文献学为一体的交叉科学[9]，其可视化图谱不仅能够直观揭示某一研究领域的发展历程及研究现状，而且还可以识别出当前的研究重点与发展趋势[10]。CiteSpace软件是由美国德雷塞尔大学陈美超教授开发的信息可视化文献计量软件。该软件通过共引分析法及结构洞理论，对某一研究领域文献的主题、关键词、摘要、作者及其机构进行时间尺度聚类分析[11-12]，其结果以可视化图谱形式呈现，已在众多科学研究领域得以应用[13-14]。鉴于对SCS模型的研究近些年发展较迅速，且呈现出大量的科研成果，有少量学者对该研究领域进行了综述。由于传统的综述多是依据个人研究经验和文献积累进行归类、总结和分析，因而缺乏对整个研究领域的总体把握和科学统计。基于此，本文以2000年以来中国知网（CNKI）收录的该领域相关论文学术成果为基础数据，利用CiteSpace5.7R1软件和CNKI可视化模块，对中国流域SCS模型的研究现状进行文献计量分析，以期为后期水文模型探索应用与创新突破提供基础参考。

1材料与方法

1.1数据来源

CNKI 1996年由清华大学发起建立，是国内最大的文献资源总库。使用CNKI论文资源库检索高质量期刊论文，应用文献计量学进行可视化分析，能够准确判断国内某一研究领域的发展现状和趋势以及研究重点。本文将主题设定为检索类型，检索关键词为“SCS模型”或含“径流曲线法”，检索时间为2000～2019年，选择“期刊”选项，将期刊论文来源设定为EI期刊、核心期刊、CSSCI和CSCD收录的，经人工逐一剔除相关性较小的论文后，共获取284篇有效论文;选择“硕博士”选项，筛选后获取硕博士论文168篇。

1.2分析方法

利用Excel 2018统计2000～2019年发表的期刊论文和硕博论文，在此基础上，利用CNKI可视化模块，分析168篇硕博论文的关键词和研究机构。利用CiteSpace5.7 R1，对284篇期刊论文的关键词、发文作者和研究机构进行可视化分析。在建立的共现图谱中，Q值大于0.3，S值大于0.5，说明图谱结果可信。共现图谱中，节点和文字大小代表着要素出现频率的高低，节点的不同颜色代表要素出现的年份及所占比例，节点间连接线的粗细代表着各要素关联的紧密程度。

2结果与分析

统计多年期刊论文和硕博论文发文量，可以直观地揭示中国SCS模型研究领域的活跃程度。由图1可知：国内SCS模型期刊论文可划分为缓慢增长、平稳增长和波动3个阶段。2000～2004年，国内SCS模型发文量平均在3篇/a，期刊发文量处于缓慢增长阶段;2005年发文量增长至11篇，2006～2015年期间发文量为14篇/a左右，期刊发文量进入平稳增长阶段;2016年发文量突增至38篇，但此后呈现减少趋势，平均每年减少3篇，2016～2019年发文量为28篇/a，期刊发文量进入波动阶段。硕博论文发文量中，博士论文为24篇，占14.3%。硕博论文发文量总体趋势与期刊论文类似，可划分为发展停滞阶段、平稳上升阶段和波动增长阶段。2000～2004年硕博论文发文量仅为1篇/a，处于发展停滞阶段;2005～2008年硕博论文发文量为10篇/a，平均每年增长3篇，硕博论文进入平稳上升阶段;2009～2019年硕博论文发文量呈先降后升趋势，年均发文量为12篇/a，于2018年达到历史最高值21篇，处于波动增长阶段。从期刊论文和硕博论文发文量统计结果可知，2005年后，国内SCS模型研究领域进入相对活跃的时期，分析原因有2个方面：一方面，近些年国内快速城市化的同时带来了更加严峻的洪涝灾害风险挑战，促使国内学者广泛地运用SCS模型;另一方面，随着地理信息系统、遥感信息技术发展的日益成熟，SCS模型的相关数据处理更便捷更精确，极大地推动了SCS模型与其他模型的集成、耦合与运用的快速发展[15]。

2.1研究重点

关键词代表文献的主要研究内容与核心观点。通过对2000～2019年SCS模型研究论文关键词可视化分析，揭示了国内SCS模型研究的现状与趋势。图谱结果图2（a）共得到322个节点和576条连接线，Q值为0.736 1，S值为0.726 3，均大于0.500 0，表明图谱可信。

2.1.1期刊论文关键词揭示的研究重点

由图2（a）与表1可知：在期刊论文中，SCS模型出现频率最高且节点最大，大部分关键词紧密围绕SCS模型节点，可分为CN值率定研究和SCS与其他模型耦合的研究。强引突显结果与关键词密集区所体现的两大方向与主题相吻合。关键词“暴雨预警响应”连续11 a突出，关键词“SCS-CN模型”连续8 a突出，主要涉及无资料地区径流模拟、山丘小流域径流模拟和多情形下流域尺度径流模拟方面研究[16-19]。黄土高原水土保持模型研究[20-21]、土地利用变化对地表径流影响[22-23]、改进径流曲线模型运用研究[24-26]、遥感水文的耦合模型[27-29]也是多年重点研究的方向之一。SCS模型是一種结构简单且实用性强的产流模型，通常被应用到小流域的研究区域，比如丘陵区和无水文资料地区。这是因为丘陵区在复合地貌类型、复杂地质特征、气象因素和人类活动的影响下极易发生洪涝灾害，SCS模型可在该类地区建立分布式山洪灾害模型，为山洪灾害的预警响应提供基础[30]。

从径流过程分析来看，利用SCS模型和Nash汇流模型耦合，可揭示降雨时空分布与洪量和径流量变化之间的相关性，提高径流量模拟精确度[31]。基于地貌参数的Nash汇流模型，根据线性水库个数和蓄量常数可较好地模拟洪峰。栾承梅等将SCS-Nash耦合模型运用于江苏省北部小流域，将8场完整洪水资料验证模型误差控制在20%以内，为小流域洪水预报提供依据[32]。从下垫面入渗量分析，SCS模型与CA-Markov土地利用模型耦合，可揭示土地利用类型与土壤类型是洪峰径流量模拟的重要指标[33]。权瑞松等通过SCS模型深入探究了土地利用结构变化所造成的地表径流量增幅效应，为洪水风险管理提供参考[34]。从水文水动力分析，通过SCS模型与MIKE11水动力模型耦合，可揭示区域降雨径流与河网湖泊水动力间的线性关系，为防洪排涝提供技术支撑[35-36]。

SCS模型中CN值的选择决定了模型的效率，CN值相差仅±10%，可导致模拟径流结果值相差45%～55%[37]。由于美国和中国土壤水文条件与土地利用特征的差异，若使用美国土壤保持局提供的CN表，将会导致计算径流量结果与实测值差距较大。国内部分学者尝试利用实测径流资料反推CN值。李伯騛以天山北坡13个径流小区70场降雨与实测径流资料为基础，率定得到了干旱区山林地区的CN值[38]。张钰娴以黄土丘陵区62场实测降雨资料计算得到了不同坡度下的径流曲线数，将模型效率系数E从0.69提高至0.94[39]。另一部分学者从率定方法着手，提出了优化率定方法，常用的方法有S数对数频率法[40]、渐近线法[41]、CN值系统偏差系数法[42]。学者们通过对小流域CN值率定研究建立了适合中国各地区的CN值数据库，有效提高了SCS模型计算的精度。但是中国仍然缺乏对中、大尺度流域的模型应用研究。今后随着遥感技术的快速发展，中、大尺度流域水文数据获取难度的降低，其径流产流模拟将是今后SCS模型研究的热点问题之一。

2.1.2硕博论文关键词揭示的研究重点

由图2（b）与表1可知：在硕博论文中，SCS模型研究的重点为径流量模拟研究和径流非点源污染负荷研究，遥感和地理信息系统的径流量模拟研究是国内学者研究的重点方向，主要是土地利用变化对径流量的影响和分布式水文模型的应用，这与期刊论文研究的重点是一致的。余冰等以洛河流域遥感影像为基础，从多角度刻画土地利用类型特征，利用GIS（Geographic Information System）计算每个象元内CN值，并结合水文资料对流域内日洪水的径流进行模拟，可以得到较好效果[43]。刘兰岚将SCS模型应用到苏州河两岸28个排水区径流量模拟中，并在分析近10 a的土地利用变化的基础上，获得了城市化过程中下垫面持续产水能力的显著变化差异数据[44]。占玉林以滨江流域为例提出了神经网络日降雨-径流耦合模型，并结合GIS建立分布式水文模型，提高了在流域土地利用情况发生较大变化时的模型精度[45]。夏祎梅通过分布式水文模型，分析了芷湖流域地表径流污染物入湖量，并与静态纳污能力进行对比分析，更精确地预测了芷湖在不同水文条件年内纳污能力的变化[46]。班伟采用GIS二次开发方式编程，构建了以SCS模型为基础的太湖流域非点源污染模型，这对增强水文与非点源污染耦合模型的实用性具有重要的意义[47]。

2.2研究作者

期刊作者共现图谱相对硕博论文更能体现中国SCS模型研究领域学术团队与合作的情况。由图3可知：自2000年以来，西安理工大学的宋孝玉教授是发文量最多的学者，发文量达20篇;其次是栾承梅研究员、崔彦萍研究员、梁忠民教授、李丽教授、丁建丽教授、刘昌明院士。从学者团队分布情况可知：研究团队主要为河海大学梁忠民与江苏省水文勘测局栾承梅团队、西安理工大学宋孝玉团队、河海大学李丽团队、北京师范大学史培军团队、中国科学院刘昌明团队、西北农林科技大学穆兴民团队、新疆大学丁建丽团队和武汉大学夏军团队。由强引突显功能可知：宋孝玉教授在2000～2006年呈强引突显，梁忠民教授在2000年～2007年呈强引突显，史培军教授在2001～2005年呈强引突显，上述3位学者在2000～2007年推动了SCS模型的理论研究及应用发展，为模型后续在国内广泛开展研究奠定了坚实的基础[48-49];2008～2019年，国内团队分布情况从集中向分散发展，该领域的研究队伍不断壮大。其中，刘昌明院士在2014～2015年呈强引突显，该团队主要涉及不同产流模型间比较优化研究[50]，丁建丽教授在2015～2017年呈强引突显，主要将产流模型应用于新疆地区[51]。同时，河海大学李丽教授和王加虎教授、中国水利水电科学研究院于颖多教授、西北农林科技大学穆兴民教授和南京林业大学张金池教授也是该时期的重要贡献学者。

2.3研究机构

研究机构是推动学科发展与人才培养的重要平台。由图4（a）可以看出：期刊论文发文情况自2000年以来，河海大学水文水资源学院是发文量最多的研究机构，发文量高达36篇;其次是江苏省水文水资源勘测局、浙江省水利河口研究院、西安理工大学西北干旱区生态水利国家重点实验室和中国科学院大学，发文量分别为20，18，14篇和10篇。其中，河海大学水文水资源学院与其他研究机构合作最为广泛，比如在水文水资源及水利工程学科相关研究领域与中国科学院合作关系密切。总发文量前10名的研究机构如表2所列。河海大学在SCS模型研究领域发文最高达49篇，其二级机构河海大学水文水资源学院、河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室和河海大学地球科学与工程学院发文量优势明显。发文量其次的是江苏省水文水资源勘测局和浙江省水利河口研究院，这与河海大学合作关系密切。从地域角度看，发文量前10的机构中北京市占比最高，共计4所，其次是江苏省，为2所，浙江省、陕西省、湖北省、新疆维吾尔族自治区各1所。从各单位发文量情况可知：前10名的研究机构总计发文145篇，占总发文量的51%，说明这些研究机构对国内SCS模型研究起到了主导作用，且主要集中在北京市和江苏省。国内SCS模型研究机构最初由水文学、水利学相关学者组成，随着时间的推移，逐步涉及到气象学和环境科学等多专业多学科，研究机构数量明显增加，但多数研究团队较为独立，合作关系有待加强，同时缺乏长期专门从事SCS模型研究的核心机构与学术团队。

图4（b）为硕博论文发文情况贡献图谱。图中显示：西北农林科技大学是国内硕博论文发文量最多的机构，发文量达到了19篇;其次为北京林业大学、重庆大学、西安理工大学、兰州大学和河海大学。发文量前10的研究机构总发文量占比为58%。硕博论文发文量较期刊论文集中，这说明上述研究机构在该研究领域的学科发展和人才培养方面均取得了显著的成果。

3结 论

（1） SCS模型研究在我国起步较晚，前期发展较为缓慢，自2004年开始，发文量呈现快速增长的趋势，大量文献的收录有利于国内研究水平的提升，今后极有可能产出更多高质量水平学术论文。

（2） SCS模型研究主要围绕提高模型效率展开，一方面，通过与其他模型耦合，比如与Nash汇流模型、与CA-Markov土地利用模型和水动力模型耦合，可以实现对无资料地区雨洪灾害的精准化模拟与预测，为防洪排涝提供技术支撑。另一方面，通过利用遥感技术监测土地利用变化、土壤变化、植被覆盖变化和土壤含水率变化等，结合实测水文资料来率定全国各地区小流域CN值，建立国内各地区CN值数据库，为后续学者进一步提高模型模拟精度，扩大模型应用范围奠定基础。在可预见的未来，随着遥感技术不断发展，该模型的中大尺度流域应用研究可能是今后的热点。

（3） 河海大学、西北农林科技大学、西安理工大学、武汉大学、中国科学院大学和北京师范大学等是国内SCS模型研究领域的重要代表性机构。宋孝玉教授团队、梁忠民教授团队、梁菊平教授团队、史培军教授团队、刘昌明院士团队和夏军院士团队是国内SCS模型研究领域各阶段的核心团队。

自2000年以来，涉及SCS模型研究领域的科研人员与研究机构显著增加，主要集中在高校和科研院所，这有利于国内该领域研究水平的提高。團队分布随着时间呈现从密集到分散的状况，各学者、研究机构之间的学术交流合作仍需加强，同时缺乏长期专门从事SCS模型研究的核心机构与学术团队。

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（编辑：赵秋云）

Abstract：In order to reveal the research progress and key points of SCS hydrology model in watershed research in China，and provide a reference for the future research，284 journal papers and 168 master and doctor papers in this field from 2000 to 2019 were sort out.Citespace5.7 R1 software and CNKI visual analysis module were used to conduct bibliometric statistical analysis on the paper volume，keywords，authors and research institutions in this field.The results show that the total amount of scientific research papers in the field of SCS hydrology model research is increasing.The research focuses on two aspects：on one hand，the coupling application research of SCS hydrology model and other models can provide theoretical support for flood disaster early warning and response;on the other hand，remote sensing technology is used to calibrate the CN value at small-scale basin，so as to establish the CN value database suitable for various regions in China，providing a foundation for runoff simulation in medium and large scale basin.Research team has developed decentralized and diversified over time，including the team of Professor LIANG Zhongmin of Hohai University，Professor SONG Xiaoyu of Xi′an University of Technology，Professor LIANG Juping of Northwest A & F University，Professor SHI Peijun of Beijing Normal University and Academician LIU Changming of University of Chinese Academy of Sciences，which were core research teams at different stages of development and have made important contributions to the development of SCS hydrology model.It can be seen that in the case of frequent heavy rain and flood disasters in China，the SCS model will be a hot research topic to simulate runoff in small，medium and large scale basins in the future.

Key words：SCS hydrology model;CN value;bibliometrics;rainfall and flood disaster;research status