基于CiteSpace的地表水-地下水相互作用研究文献分析

刘玉玉，冯雨晴，姜欣

(1.济南大学水利与环境学院，济南 250022；2.山东省水利科学研究院，济南 250014；3.山东省农村供排水安全工程技术研究中心，济南 250014)

地表水和地下水是相互关联的水文连续体，广泛存在于山区岩层、河流系统、海岸和喀斯特等地形环境中，其多变而复杂的相互转化和相互作用影响着流域水文循环和水量收支计算[1-3]。水质方面，地表水-地下水相互作用过程影响着水化学成分的分布和演变规律，水岩作用、吸附效应等在作用过程中产生影响，干扰着流域水质[4]；水量方面，地下水是一些流域水文循环和水资源转化的主导因素，尤其对一些干旱区的生态植被状况影响显著[6-7]。近年来，许多河流水利工程的修建和运行在解决流域水资源时空分布不均、水资源供需矛盾和水资源合理配置等方面发挥着巨大作用，同时使水循环过程发生变化[8]。灌溉引水和地下水开采改变了地表水和地下水的循环[9-10]，但过度引水导致河道径流减少[11-12]，造成生态退化，地下水的过量开采引发了许多生态环境问题[13-14]。

单独的地表水与地下水研究不能满足研究需求，也难以解释水体交互作用形成的各种现象。为了进一步探明水体相互作用的形成机理，为水资源管理提供思路方法，需要对地表水-地下水相互作用开展进一步的研究。地表水与地下水之间存在着密切的联系，两者的相互作用深刻影响着流域内的水循环，最终影响生态系统的可持续性，其原理、机制及影响等是水文学中需要进一步探讨的内容，对于科学地进行水资源评价、开发利用和综合管理具有重要意义。

文献计量学是一门基于数学和统计学的交叉学科，以文献、作者和词汇数量为主要度量对象，对知识载体进行定量分析。CiteSpace统计和可视化软件是美国德雷塞尔大学陈超美博士基于Java平台研发而成的文献计量工具[15]，利用文献计量原理，在使用知识图谱达成数据可视化方面展开了广泛的应用[16-22]。本文利用CiteSpace文献计量工具对地表水-地下水相互作用相关文献进行量化分析，通过绘制知识图谱展示该领域的研究现状，通过分析文献共被引和关键词探究地表水-地下水相互作用领域研究前沿与研究热点，以期为相关研究提供参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本文以Web of Science(WoS)核心数据库为检索平台，主题词设置为：[groundwater and(river*or surface*or lake*)]and interact*，时间跨度为1985—2020年，语言选择English，文献类型选择Article进行检索，得到文献信息共5 958条。文献数据最后更新时间为2021年1月25日。

1.2 分析方法

将WoS核心合集中的5 958篇文献导出。为保证文献非重复性和关联性，利用CiteSpace对导出文献进行除重，人工筛除与该领域相关性弱的文献，得到有效文献信息2 941条。对导出文献的发文量、引文量、研究领域、发文作者、研究机构、载文期刊和关键词等进行分析，文章数据处理采用的CiteSpace软件为5.5 R2.SE的版本。

2 结果与分析

2.1 发文量分析

发文数量及增长率随时间的变化反映了该领域的发展态势。1985—2020年，该研究领域的文献发表总数为2 941篇，总被引频次达到54 645次(图1)，去除自引后的引用频次为47 954次，每篇平均被引次数为18.58，h指数为89。1985—2020年，地表水-地下水相互作用研究领域发文数量分为缓慢增长、波动增长、稳定增长3个阶段。1993年前，该领域年均发文数量在10篇以下，有关研究较少，增长缓慢；1994—2010年，该领域年发文数量为10～113篇，发文数量呈波动增长；2011—2020年，出现大量研究性文献，研究进入稳定增长阶段，年增长率为12.44%。该领域近3年的年均发文量超过250篇，受到研究学者的广泛关注。

图1 1985—2020 年地表水-地下水相互作用的年发表文献量

2.2 学科分析

地表水-地下水的相互作用是水循环过程中水资源、地质结构和人为作用等多要素共同影响的结果，涉及多门学科。设置时间切片为1 a，分析节点为Category，数据选取标准为Top 50，对文献进行学科方向分析。高占比学科(图2)展示了地表水-地下水相互作用的研究主要涉及学科，包括水资源学、地质学、工程学、地球科学、环境科学与生态学等(文献所属学科类别的划分具有一定的重复率)。研究过程中，灵活应用各领域不同技术手段将是研究取得突破的关键之一。此外，地表水-地下水相互作用与生物学、湖沼学、地球化学与地球物理学等也有一定联系，这也是该领域受到广泛关注的重要原因之一。

图2 1985—2020 年地表水-地下水相互作用相关学科文章占比

2.3 载文期刊分析

表1列出了1985—2020年该领域载文数量排名前10的期刊，发文量占总发文量的41.49%。其中，由荷兰Netherlands主办，Elsevier Science BV出版的JournalofHydrology发文数量最多。此外EnvironmentalEarthScience、HydrologicalProcesses、HydrogeologyJournal、WaterResourcesResearch等期刊发文量位居前5。可以看出，地表水-地下水相互作用研究的发文期刊所属学科以水文水资源学、环境科学及地球科学为主。

表1 1985—2020年地表水与地下水相互作用文献载文期刊

2.4 研究力量分析

不同国家(地区)和机构的发文量在一定程度上反映其对该领域的重视程度及影响力；发文作者共现图谱可以展示不同阶段该领域的前沿团队和合作密切的学者群。

2.4.1国家和地区分析

时间跨度选择时间切片为1 a，分析节点为Country，数据选取标准为Top 50。研究期内，有110个国家(地区)研究了地表水-地下水相互作用，有9个国家发文量超过100篇。由表2可知：美国发文量最多，处于该领域研究的主导地位；第二位是中国，反映出我国在该领域科研水平的提高。发文数量在100次以上的国家中，中国、美国、英国和意大利等国家具有雄厚的科研实力，基于水资源的经济与社会需求广大，在一定程度上展现了科研能力和研究领域需求对科学研究的推动作用。根据被引频次，英国、意大利和西班牙等国家的论文篇均被引频次较高,中国为14.28，文献年均被引次数较低，论文综合影响力有待提高。这与中国在该领域研究起步较晚有关，因此，我国要提高论文的质量和研究深度，扩大文献影响力。

表2 1985—2020年地表水与地下水相互作用发文数量排名前10位的国家

2.4.2发文机构分析

分析节点选择Institution，数据选取标准为Top 50，其他设置不变。统计发现:中国科学院(Chinese Acad Sci)在该领域发文量第一(147篇)；美国地质调查局(US Geol Survey)发文数量第二(96篇)；中国地质大学(China Univ Geosci)和澳大利亚弗林德斯大学(Flinders Univ S Australia)第三(70篇)。在CiteSpace中，Centrality指的是一个节点担任其他两个节点之间最短路的桥梁的次数，节点充当“中介”的次数越高，值越大，节点也就越重要。中介中心性标准化计算通常使用一个节点承担最短路桥梁的次数除以所有的路径数量，中介中心性超过0.1的节点称为关键节点。中心性较高的机构包括澳大利亚弗林德斯大学(0.31)、中国科学院(0.30)、加拿大滑铁卢大学(Univ Waterloo，0.17)、美国地质调查局(0.14)和德国亥姆霍兹联合会(UFZ Helmholtz Ctr Environm Res，0.12)。中国科学院、美国地质调查局及澳大利亚弗林德斯大学的中心度和发文量均较高，科研实力雄厚，影响深远，见图3。

图3 1985—2020年地表水与地下水相互作用机构合作共现图谱

2.4.3文献作者群体分析

分析节点选择Author，数据选取标准为Top 50，其他设置不变。由表3可知，Chunmiao Zheng(郑春苗)是1985年以来该领域发文量最多的学者(23篇)。超过10篇的作者还有：Yanxin Wang(王焰新)、Laura K Lautz、Reed M Maxwell、Martin A Briggs、Craig T Simmons和Xianfang Song(宋献方)。图4显示该领域具有多个学术合作团体，如郑春苗、田勇和郑一学术团队，王焰新和马腾学术团队，Laura K Lautz团队，Reed M Maxwell团队，Martin A Briggs团队，Craig T Simmons和Peter G Cook学术团队，宋献方和唐常源学术团队。从作者合作共现图谱可以看出，各国家地区研究机构和团队目前已基本成熟稳定，团队内部学者的联系较紧密，但团队与团队之间合作交流较弱，部分团队研究活动较为独立。

表3 1985—2020 年地表水-地下水相互作用文献发文作者

图4 1985—2020 年地表水-地下水相互作用作者合作共现图谱

2.5 知识基础识别

高频被引文献展示了领域所涉及的类似或相通研究思路和聚焦点，是后期研究者强有力的参考范本。保持CiteSpace的其它设置不变，分析节点选择Reference，数据选取标准设置为Top 50，得到引文共现图谱，并对图谱中排名前10的文献进行分析，见表4。

表4 1985—2020 年地表水-地下水相互作用文献排名前10的被引文献

Sophocleous[2]建立了一个完善的水文地质生态学框架，阐述了气候、地形、地质和生物因素间的相互作用，概述了地表水和地下水相互作用对补给-排泄过程的影响机理，并强调了这种相互作用的生态意义。Boano等[23]总结了潜流带中流体流动和输送过程的模拟研究，并概述了水文和流体动力学中提出的理论。Kalbus等[24]概述了目前用于估算地表水-地下水界面通量的方法。Keery等[25]探索了一种利用温度时间序列来计算跨河床沉积物的垂直水通量的方法。Fleckenstein等[26]探讨了表征、量化和建模地表水-地下水相互作用的新方法和模型，如自然示踪剂和集成的地表-地下数值模型等，以提高对地表水-地下水作用过程的理解。Brunner等[27]介绍了一种数值型水文模型HydroGeoSphere，用以定量分析水文循环。Kollet等[28]提出了一种用于解决大型、高度异构、可变饱和的流动问题的通用耦合模型，以更好拟合地表水-地下水界面条件。Hatch等[29]提出了一种使用时间序列热记录法确定河床渗流率，定量分析地表水与地下水相互作用的方法。Schmidt等[30]通过测量河床温度计算经由河床排放的地下水量。Anibas等[31]设计了一种以热量为示踪剂，通过热分布图确定地表水-地下水相互作用的季节性和空间格局的方法，并在比利时Aa River进行实测。

从高频被引文献分析来看，该领域关注地表水-地下水交互的定量分析，热追踪作为一种常见且有效的追踪方法，常用以探究地表水-地下水交互的水通量、渗透率、排放量等量化分析结果。此外，通过分析热分布与温度序列，可探究地表水-地下水相互作用的空间格局与时间变化。水文模型作为分析地表水-地下水交互的有效模拟手段，也是该领域重点研究方向，近年来，对数值模型进行改进或研发，用于提高模型对作用界面及不同研究区域模拟精度是较为常见的研究思路。此外，随着该领域研究的逐步深入，相应的综述性文献日益增多，逐渐建立起该领域的研究框架与知识体系。

2.6 变化趋势与研究热点

关键词是对论文研究重点和方向的提炼，是对文章核心的概括。从高频关键词分析中能够进一步了解该领域的主要研究方向、技术方法和研究热点。时间跨度及切片保持不变，选择Key word为分析节点，数据选择标准为Top 5%，合并含义相同的关键词，删除联系性较弱的关键词，生成关键词图谱见图5。

图5 1985—2020 年地表水-地下水相互作用关键词图谱

节点groundwater、flow、surface water、water和aquifer代表了地表水-地下水相互作用领域的研究基础，在对5个节点的研究分析基础之上，探究地表水-地下水相互作用(表5)。高频关键词展示了该领域主要研究涉及以下几个方面：研究对象[32-35]包括河流-地下水、湖泊-地下水、湿地-地下水、滨海-地下水、交互带、含水层、浅层地下水等区域的水体交互作用；研究内容[36-37]包含地下水流量、水质和水力传导率等；作用过程[38-42]指运输、补给、排放、交换和集水等；影响因素[43-44]，宏观上体现在气候变化和人类活动等，微观上体现在水岩相互作用、浸润和蒸发作用等；涉及学科为地球科学、水资源学、水化学、水文地球化学及生态学等；研究方法[45-48]包括数理统计、模型以及示踪剂等。目前该领域的研究方向朝多元化发展，技术也呈多元化。利用同位素探究地表水-地下水转化情况和通过数值模拟法建立地表水-地下水作用耦合模型的研究比重较大。除了同位素外，热追踪[49-50]也是一种较为常用的追踪方法。另外，砷、磷、氡、氮、有机碳以及铀等高频关键词的出现，说明该领域重视水中化学元素含量的分析，借助化学元素含量量化分析交互作用或探究交互过程。高频节点展示了该领域的基础研究，相关学者可以从中探索研究思路。

表5 1985—2020 年地表水-地下水相互作用高频关键词

突现性较高的关键词是特定时段内频次变化率高的词，反映不同时段研究趋势。为了识别元素在某时段内的突出贡献，进行Burstness排名识别，Minimum Duration参数设置为3，获取连续3年及以上突出的元素。分析发现：该领域研究内容呈现“较单一的地下水研究→地表水-地下水相互作用研究→陆地-水域生态系统的水体交互对各因素的响应研究”的变化趋势，是由单一研究对象→多目标水体相互作用→整个生态系统水文循环变化的探究过程。早期，groundwater是研究的基础，关于地表水-地下水相互作用的研究较少，有关理论尚处于起步阶段。中期，科研人员开始探究地表水-地下水相互作用的作用机理与有关作用过程，量化分析交互水量和水质问题，示踪剂与数值模型等研究方法逐渐应用于该领域的研究。现阶段，随着生物地球化学循环等理念的发展，蒸散发(evapotranspiration)、植被(vegetation)、温度(temperature)、盐渍化(salinization)和灌溉(irrigation)等关键词较为频繁出现，研究关注陆地-水域生态系统的水体交互作用对人类活动、气候变化等影响因素的生物和化学响应。此外，随着社会经济发展，工农业活动对水资源产生的影响大大增加，研究人员开始关注人类活动对地下水和地表水造成的影响。重金属(heavy metal)、污染(pollution)、饮用水(drinking water)及地下水水质(groundwater quality)等关键词突现性较高，有机物、重金属和硝酸盐等物质在水中的分布与含量及在地表水-地下水相互作用过程中的转移受到关注。

关键词聚类展示了该领域的前沿研究热点。图6关键词共现时间线图谱共生成6个聚类标签。其中：交互带(hyporheic zone)是地表水-地下水相互作用研究的焦点；水文地球化学(hydrogeochemistry)的研究最为持久；气候变化(climate change)对地表水-地下水相互作用的影响是研究的重要内容；土壤湿度(soil moisture)和河岸(riparian)是地表水-地下水相互作用的重要研究对象；海底地下水排泄(submarine groundwater discharge)与滨海区水体交换研究息息相关。分析还发现：随着科学技术的发展与生态理念的完善，生物地球化学循环等理念逐渐受到关注，探究水循环驱动下水体交互作用对人类活动及气候系统等的生物学、物理学和化学过程的响应是该领域近年来研究热点问题[51-54]。

图6 1985—2020 年地表水-地下水相互作用关键词共现时间线图谱

3 结 论

通过CiteSpace对WoS筛选除重后的地表水-地下水相互作用领域的文献进行分析，得到以下结论：该领域发文数量与被引频次呈上升趋势，相关研究受到广泛关注；发文数量最多的期刊为JournalofHydrology、EnvironmentalEarthScience、HydrologicalProcesses，研究力量主要分布在美国、中国、澳大利亚等国家，中国科学院、美国地质调查局和澳大利亚弗林德斯大学等机构贡献突出，影响力深远；郑春苗教授是该领域发文量最多的学者。研究发现：“较单一的地下水研究→地表水-地下水相互作用研究→陆地-水域生态系统的水体交互对各因素的响应研究”是该领域研究的变化趋势；探究水循环驱动下水体交互作用对人类活动及气候系统等的生物学、物理学和化学过程的响应是该领域近年来研究热点问题。

高新技术、精密测定仪器和各种计算机建模软件的快速发展为科学进行水资源评价、开发利用和综合管理提供强有力的支撑。通过梳理该领域的研究方向变化及前沿问题，发现目前尚有以下问题亟待解决：研究内容上，诸如南水北调、地下水开采等一系列人类活动对水文循环产生影响，而气候变化增加了影响的复杂度，地表水与地下水的交互作用需进行更长时空尺度的综合研究；技术方法上，地表水与地下水交互界面的确定、不同时空尺度下地表水-地下水耦合模型及模型精确度的提高是目前需要解决的技术问题；同时，未来要注重地表水-地下水交互作用的多尺度多学科交叉研究，增强团队间的合作交流。

对地表水-地下水相互作用领域的文献计量分析展示了该领域的发展状况、主要研究力量、研究方向与热点，帮助研究人员初步认识该领域的发展进程，确定研究方向，把握前沿脉络。与综述型文献比较，利用CiteSpace软件分析多重文献节点，结果更为细化、清晰和直观。