水文地质的研究进展与研究趋势——基于CiteSpace的可视化分析

　　水文地质的研究进展与研究趋势——基于CiteSpace的可视化分析

　　    水文地质学是20世纪中叶以来国际上地球科学发展最为迅猛的分支学科之一，白达西定律奠定水文地质学基础以来，学科研究已经有了迅猛的发展。随着全球工业化进程、社会发展、人口增长等的压力，水量不足和水质恶化在很多区域已经得到了体现，对水文地质工作提出了更高的要求。尤以黄河流域所面临的水文、地质环境问题较为突出。地下水开采程度不均衡，甘肃大部分地区地下水开发程度低，但河西地区普遍超采严重，由此引发的地质环境问题不容忽视：同时西北地区农业灌溉方式落后，也造成大量水资源浪费。伴随着人类对自然的不断探究，水文地质学科研究的发展也越来越迅猛。本文通过CiteSpace软件对2000-2021年国内水文地质研究的文献进行可视化图谱剖析，客观呈现国内水文地质研究的相关脉络，明确研究基础与热点方向，为国内相关领域提供科学、有价值、有前瞻性的研究参考。

　　    1、研究数据与方法

　　    1.1 数据来源

　　    本研究选取学术期刊，以中国知网(CNKI)数据库作为文献来源。选择高级检索，检索时间为2021年6月20日，检索条件为主题词“水文地质”、关键词“水文地质”，时间跨度设置为2000-2021年，检索结果共得到4295篇文献。为提高样本数据的准确性，对检索结果中的无关文献如访谈、书评、广告、会议记录等不符合条件的文献进行手动删除，最终共获取有效文献3370篇。

　　    1.2 研究方法

　　CiteSpace是一种能快速识别研究文献的主要内容，并对其热点和趋势进行可视化的软件。本文通过对CiteSpace软件的应用，从时间特征、网络分布特征、研究热点以及研究前沿等方面统计分析了水文地质研究的相关文献数据，绘制成了可视化图谱，以便更加清晰地梳理和把握国内水文地质的研究现状与发展方向，为相关主题的日后研究提供借鉴与指导。具体方法如下，将来源于中国知网的中文文献数据以Refworks格式导出，导出的文本以down-load_xxx.txt格式命名放入input文件夹中，将input文件夹中的文件在CiteSpaCe中转入output文件夹，再将待剖析的文献数据放入空白date文件夹中，建立空白project文件夹用于存放剖析结果。根据分析的目的选择相应的节点类型，时间切片里时间跨度设置为2000年到2021年，keywordsTopN设置为50，TopN%设置为3%，网络修剪方式选择Pathfinder和Pruningthemergednetwork，其他设置参数保持默认。

　　    2、结果分析

　　    2.1 发文量趋势

　　    水文地质研究第一阶段（2000-2006年），该阶段水文地质研究发展缓慢，年平均发表文献不超过100篇，学科研究处于萌芽阶段。第二阶段（2007-2011年）年均发表文献100―200篇，此阶段中水文地质研究有了一定的发展。第三阶段（2012-2016年）年均发表文献在200―400篇之间，此阶段发展较为稳定平缓。第四阶段（2017年至今）水文地质研究较前几年有了突发式增长（2020年受全球疫情影响，学科研究有所下滑），未来发展趋势看好。第三、四阶段的发展凸显出了水文地质研究的发展潜力，未来在国家政策扶持下该学科研究还会有着长足的进步。

　　    2.2 研究热点

　　    2.2.1 关键词共现

　　    关键词是体现一篇文章的核心概念的词语，是对论文高度的概括和归纳总结，体现论文的研究核心。关键词中心度代表与多个关键词均有联系的，起到了桥梁的作用，中心度高的关键词是本领域内的重点关键词；同时，也是这段时期内的重点关键词，在一定程度上代表着这段时期的研究热点主题，用来衡量图谱中网络节点在结构中的作用强度，中心度越高的节点，在整个图谱中的重要性和影响力越强（中心度超过0.1的节点称为关键节点），越有可能与其他节点建立共现关系。本文运用CiteSpace构建关键词共现网络，得到了水文地质研究关键词共现图谱和中心度排序前10位的关键词列表，以便更加形象具体地分析水文地质研究的热点领域。“水文地质”的中心度为1.64．在序列中排名第一位，是整个研究领域的核心节点，它与“地质灾害”“充水因素”“工程地质”“地质勘察”（中心度分别为0.14、0.14、0.13、0.1）共为此图谱的关键节点，是水文地质研究范畴的重要领域与知识根底，与其他关键词之间的联系最为紧密。此外，图谱中节点的大小取决于其呈现频次的高低，而节点圈层从偏冷蓝色到偏暖红色的颜色变化，则代表了从2000-2021年的时间过渡。本次研究中，“水文地质”作为搜索基点出现的频次最高（共2993次），影响最为深远，相应地，其在图谱中节点最大、圈层最多，而“地质灾害”“充水因素”“工程地质”“地质勘察”各成节点与“水文地质”有着密切的连线，是该领域研究的主要课题。

　　    2.2.2 关键词聚类分析

　　    为更好地对关键词进行全面探究，本文采用“LLR对数似然函数算法”对关键词进行聚类分析，生成关键词聚类知识图谱。从图谱各项数值来看，聚类模块性Q值(modularityQ)为0.4812（数值>0.3意味着划分出来的社团结构是显著的），聚类平均轮廓值S值(weightedmeansilhouetteS)为0.8522（当S值>0.5，聚类一般认为是合理的，值在0.7时，聚类是高效率令人信服的，两者数值均在合理的范围内，说明本研究聚类效果显著，是具有一定参考价值的。本次研究中共分析得出包括“水文地质”“危害”“岩土工程勘察”“环境地质”“地质灾害”等5个聚类标签，这些聚类折射出我国国内水文地质研究领域相关文献中涉及的热点动态，聚类号越小，所包含关键词数量越大。

　　    通过对CiteSpace操作，得到关键词聚类表。表中各个聚类S值（平均轮廓值）均大于0.75，有比较好的代表性，可以看出各个聚类标签下所用的研究方法和研究内容。水文地质的研究内容主要体现在水文地质和岩土工程方向，主要内容为分析地质问题，地质危害等；在危害研究内容里，主要是工程勘察，地质勘察，与其带来的问题与影响：含水层方面的研究主要运用在煤矿和工程地质方面，分析隔水层、充水因素，进行防治水；岩土工程研究中，主要涉及方面为勘察设计、环境地质中关于地下水的施工；工程地质研究方面，水文地质研究主要运用在环境地质的勘察过程中，具体表现为重要性和危害性的评价，以及开采技术条件的确定；在地质灾害研究方面，主要研究内容为矿山水文地质因素以及灾害防治措施等。

　　    张人权等认为当代水文地质学核心课题转移趋势经历3个阶段：找水水文地质学―资源水文地质学―生态环境水文地质学，通过水文地质研究关键词的网络聚类分析，可以将水文地质研究内容大致归纳为3个相似的研究主题，具体内容如下：

　　    一是水文地质学科基础性理论的讨论（找水水文地质学）。经统计分析后发现，理论概念性方向研究在水文地质学科研究中依然占有一定比重，在研究中采用“地下水”“含水层”“隔水层”“充水因素”“水文地质条件”等关键词。只有扎实的基础理论研究才可以避免高屋建瓴，为后续具体实践的进行提供愈加有力的理论支撑。研究中苏锐等分析了斯拉格试验技术在估算含水层（岩体）的渗透参数方面的优劣性，为地下水参数研究提供可行性方法；束龙仓等通过对地下水资源评价中存在的各种不确定性因素的分析以及参数的不确定性的定量研究，为进行地下水开采决策的风险分析奠定了基础：牛建立等从水文地球化学的角度，研究目标区不同含水层的水化学特征，进一步分析相互间水力联系方式与联系程度，依据这些数据指标，判断各含水层地下水的径流条件以及水文地质条件。黄勇等用化学动力学、化学热力学和地下水动力学表示的矿物吸附、溶解动力学方程，明确了使用地下水动力学方法确定水文地质参数的有效性，深入比较了水文地质参数之间的不同计算方法。此方向中大部分的文献从水文地质参数、水文地球化学、地下水动力学等不同角度出发，多方面、多角度的研究了水文地质科学基础性的理论知识。

　　    二是水文地质学科的技术应用性讨论（资源水文地质学）。水文地质作为实用性学科，在技术应用上是必不可少的。技术应用的讨论可以让研究者在理论知识的基础上将学科应用于实际生活，将知识转化为成果，这一部分的研究讨论较多，经统计，研究者多采用“分析”“问题”“应用”“施工”“开采技术条件”“工程地质”“工程勘察”等关键词，表明在水文地质应用上主要的讨论内容与讨论方向多伴随着技术应用的实例进行。徐海洋等通过设计、试验释水引起的地面沉降，得出了释水所引起的地面沉降的规律；胡卸文等结合京沪高铁某段存在沉降异常的实例，运用VisualModflow软件进行数值模拟等方法，详细分析了地下水开采对实际施工工程的影响，并做出评价与预测，为工程实例提供可供参考的具体数据；李俊业等通过有限元分析，结合实例计算，在饱和―非饱和渗流场下针对鹤峰乡场镇滑坡进行了瞬态稳定性分析，研究了水分在坡体内的运移对边坡稳定性的时间影响效应。此方向中的研究多佐证着具体的工程实例，同时也为工程实例提供了一定的参考，具有一定的实用价值。

　　    三是水文地质学科在环境与地质灾害方向的讨论（生态环境水文地质学）。在这一方向多使用“环境地质”“水文地质灾害”“防治”“矿山”等关键词，这一部分的出现体现了学科交叉性逐渐增强，水文地质学科研究与其他学科研究相关性日益增加。在研究中，孟晖、李春燕等通过构建差异化评价指标体系将全国地质环境承载力分为高、较高、中等、较低、低五个等级，得出“地质环境承载能力是地质环境安全和生态地质环境质量的反映”等结论，李文鹏在肯定国内地质灾害隐患和水文地质环境调查成果的同时，提出“离生态文明建设、区域发展战略、国家创新战略等国家重大需求还存在一定差距”，强调了地质灾害隐患和水文地质环境地质调查今后的必要性。黄长生等通过中国地质调查局组织实施的“泛珠三角地区地质环境综合调查工程”总结出该地区的地下水、地热、矿产、工程地质条件等优势，分析研究了泛珠三角地区地下水与各个地质条件之间的问题影响以及城市社会经济与各个资源优势间的协调程度，为该地区国土空间规划打下基础。此方向从理论到实践，都将水文地质学科与其他学科紧密联系起来，从生态环境大方向作为切入点，以水文地质科学为脉络，勾勒新时代的生态蓝图。

　　    2.3 文献研究内容趋势与前沿热点分析

　　    2.3.1 文献研究内容趋势分析

　　    为研究主题的演化过程，由CiteSpace生成关键词聚类的时间线图谱(Timelineview)来展示关键词演化脉络。关键词聚类时间线图谱可以展现各个聚类（即子领域）发展演变的时间跨度和研究进程。图中聚类#0、聚类#3、聚类#4中关键词最早出现于2005年，聚类#1、聚类#2、聚类#5中，关键词最早出现于2006年。聚类#4工程地质始终贯穿于水文地质整个研究过程中，聚类#5地质灾害紧随其后。由此，水文地质研究中工程地质和地质灾害方向在整个领域中具有重要的领导作用。由时间线可以看出，聚类#0―#5这6组聚类的关键词彼此之间存在着时间维度的耦合，说明水文地质研究中各个关键词的研究热度存在一定的延续性，是贯穿连续的，研究演化过程始终围绕着水文地质、工程地质等研究方向，并向地质灾害方向过渡。

　　    2.3.2 文献研究前沿热点分析

　　    通过关键词突现，来探测不同时期的研究热点和热度。直观的反映水文地质学科研究前沿热点趋势。

　　    (1)突现时间最早的关键词是涌水量和地质构造，突现时间为2006年，由此可以发现，在水文地质学科研究进程中，最先进行的依然是学科基础理论性的研究（找水水文地质）。突现时间段最长的关键词是涌水量，工程勘察紧随其后，分别为6年和5年时间，代表了有关这两个关键词的研究方向持续时间最长。

　　    (2)突现强度最高的关键词是地质灾害，突现强度为12.69，关键词突现起始时间为2017年，其强度变化较为剧烈，表明该关键词在某段时间内学科研究中的重视程度，凸显了近年来地质灾害在水文地质领域是最受关注的研究方向，该现象的出现也反映了在自然资源部中国地质调查局于2016年提出的九大计划之一的地质灾害隐患和水文地质环境地质调查后，地质灾害方面研究已然成为热点话题。

　　    (3)环境地质作为最后一个突现的关键词，突现年份为2019年，持续时间为2019年至2021年，已成为新的趋势。

　　    (4)突现持续到2021年的关键词共有五个，分别是环境地质、勘察设计、重要性、岩土工程勘察、地质灾害，这几个关键词体现出了不同学科的内容，由此反映出水文地质科研的学科交叉性（生态环境水文地质学）在近3年尤为凸显。现阶段对于水文地质学科的研究已经不再是仅仅局限于水文地质的理论基础研究和工程技术应用，而是多学科联动，将环境地质、地质灾害、岩土工程勘察、工程设计等融入水文地质的研究中去，并运用到实际。在国家发展的大背景下，环境地质、地质灾害、岩土工程勘察等关键词所体现的研究内容与方向已经成为当今学者们关注的焦点，是现阶段及未来一段时期内的研究前沿。

　　    3、结果讨论

　　    (1)水文地质研究在2000年至2021年中经历四个阶段：第一阶段（2000-2006年）为萌芽阶段，第二阶段（2007-2011年）为较稳定发展阶段，第三阶段（2012-2016年）为学科研究稳定阶段。第四阶段（2017年至今）为水文地质研究爆发式增长阶段。

　　    (2)水文地质研究方向可概括为基础性理论讨论（找水水文地质学），技术应用性讨论（资源水文地质学）和多学科交叉讨论（生态环境水文地质学）。

　　    (3)多学科交叉讨论已成为新的热点研究方向，尤以地质灾害、环境地质作为研究的热点话题。综合性研究已成为水文地质研究发展的必然趋势。

　　    十四五规划纲要提出“坚持生态优先、绿色发展，推进资源总量管理、科学配置、全面节约、循环利用，协同推进经济高质量发展和生态环境高水平保护”，明确指出制定实施生态保护补偿条例，建立水资源刚性约束制度，发展绿色矿业，建设绿色矿山的背景下，水文地质研究也将发挥其基础研究的作用，通过多学科交叉，紧贴国家政策，积极扩展工作领域和服务方向。将现阶段水文地质研究的工作以基础理论性研究为圆心，技术应用为半径，逐渐突破多学科交叉研究。作为生产单位，应以国内研究大方向为依托，找准研究热点，紧跟研究方向，加速产业升级转型，在重视基础人才的培养上拓展眼界，立足于基础，制胜于前沿。

　　                                              摘自《甘肃地质》2022年3期