泥石流国际研究文献计量与可视化分析

薄家恒，杨志全*，朱颖彦，3，陈兴贵，米亚鹏，高鹏，杨溢，张杰

(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明 650093；2.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650200；3.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；4.云南省地质环境监测院，昆明 650216)

1 引言

泥石流暴发突然、频繁发生、危害范围广，仅在2010～2013年3 a间中国、韩国、印度、墨西哥等国就发生过一起或多起特大型泥石流，造成了巨大的人员伤亡与财产损失。因此，掌握泥石流的形成条件，了解泥石流的形成机理与发生机制等，对泥石流的危险性评价、预警预报和防治有着重大意义。截至目前，国内外学者对泥石流的研究已取得了丰富的成果，仅世界上最大的数据库之一Web of Science(以下简称WOS)就收录了上千篇有关泥石流研究的论文。但不同论文关注的科学问题和研究侧重点存在差异，尽快从海量的论文中了解泥石流研究领域的格局概况，掌握其研究的发展历史进程、主题脉络及前沿趋势，对于促进泥石流相关研究有着重要意义。传统的论文研究方法受多种因素的限制而存在一定局限，很难从海量数据中，全面地、精准地把握国内外泥石流研究的总体特征、前沿动态及科学知识内在的演化规律与趋势。近年来，随着计算机科学和信息可视化技术的快速发展，科学知识图谱分析已成为一种新兴的数据挖掘和海量文献分析的技术方法。该方法现已被运用在安全[1-3]、医疗[4, 5]、经济[6]等诸多领域当中。但对于地质灾害领域却鲜有学者对此开展研究。安培浚等[7]虽然在2011年对国际滑坡、泥石流展开了文献计量研究工作，但随着泥石流研究近10 a的发展，研究热点与趋势均在一定程度上发生了变化，已不能很好的满足现今需要，此外对两种地质灾害的综合分析也难以精准描绘单一领域的趋势变化与热点问题。

本文基于WOS数据库，运用VOSviewer软件绘制科学知识图谱，从文献计量学角度对泥石流研究的作者、机构、研究领域及关键词等进行分析，旨在厘清当前国际研究的知识结构，分析泥石流研究的演化发展路径与发展态势，展现研究前沿与热点，为相关科研人员开展研究提供参考。

2 数据与方法

本文数据取自WOS核心集，包括SCI-EXPANDED, SSCI, CPCI-S等数据库。检索字段选取标题(标题=TI)，创建的检索式为: TI=debris flow OR TI=mud-rock flow OR TI=mud avalanche OR TI=detritus stream；时间跨度为所有年份，检索日期为2020.3.13。由于Web of Science核心集论文库早期论文数量较少且记录并不完整，因此本文未选取1985年之前的数据。为保证所取数据的相关准确，对无关主题进行了剔除，最终得到有效数据2 684条，并以此作为本文的分析对象。

本研究使用文献计量学方法结合可视化分析工具VOSviewer对数据进行分析处理。VOSviewer因其强大的可视化功能被广泛地应用于各领域的分析。其特点是可构建论文、作者、研究机构等之间的可视化网络，同时提供了文本数据挖掘功能，可对关键词、引文等构建可视化网络图[8]。

3 结果

图1 1985～2020泥石流论文数量年度分布图

3.1 论文数量

发文量随时间增长的趋势，可反映出国内外学者对该领域的关注程度。图1表明，有关泥石流研究的论文数自1995年以来呈现出逐年增长的态势。本文以1995年、2005年为分界点，将研究时间分为3个不同的阶段。尽管对泥石流的相关研究早于1985年，但在1985～1995年之间相关论文年均较少，可见对泥石流研究重视程度的不足。然而，1995～2005年之间，论文数量呈现出波动式上升，这表明泥石流研究开始逐渐引起学者的关注。此10 a间论文数量出现了3次飞跃式的增长，一方面由于泥石流灾害频繁出现，另一方面与国际泥石流减灾大会(International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation)等会议在1997年、2000年、2003年的举办相关。自2005年之后，泥石流的研究呈现出平稳上升的趋势，笔者认为这与一些国家与地区发生的重大泥石流灾害有着密不可分的联系，这很大程度上推动了对泥石流的研究工作。

3.2 国家及地区

对作者所属国家及地区间的调查如图2所示，图中每个出现的国家及地区以圆形节点表示，节点的大小与论文数量相关联，颜色变化表示论文发表的平均年份，图形之间线段的粗细表示了作者所属国家及地区间的协作程度。

图2 主要国家及地区合作网络图

图3 主要国家及地区论文篇均被引次数

由图2可知，各国之间均存在一定的合作关系。亚洲地区发文量最多的主要有中国(776篇)和日本(217篇)；而欧洲地区，意大利以380篇的发文量位居前列，其次是瑞士(150篇)，法国(109篇)及英国(102篇)；北美洲地区则以美国(448篇)和加拿大(110篇)为首。以上国家的发文总数均超过100篇，属于第一梯队。第二梯队国家的论文数介于50～100篇之间，主要为德国(90篇)、奥地利(68篇)、西班牙(65篇)等国。第三梯队论文总数均小于50篇，约有20多个国家及地区。从论文表发的平均时间上来看，美国、日本、意大利等国对泥石流的研究工作开展较早，而中国、印度、韩国、波兰等国的学者则在近些年加强了对泥石流的研究工作。

主要国家及地区的论文篇均被引次数如图3所示，其中瑞士、美国、法国位列前三。中国虽然在发文总数上已超越美国，但篇均被引数却较低。这主要因为论文的篇均被引很大程度上取决于论文发表时间与被引总量，一篇论文被认可并积累大量被引一般需要10 a左右的时间[9]，而中国学者的论文大多发表在近10 a间，还未能完全完成这一积累的过程。这一结论也同样对作者和机构适用。因为部分论文中包含多个作者、机构及国家，因此统计数量之和可能超过2 684条。

3.3 研究机构

对主要国家发文作者的所属机构进行统计分析，可以进一步研究论文贡献的来源。图4中展示了同一机构论文发表数量总数大于25篇的22个主要机构。节点大小表示论文数目，连线粗细表示机构之间的协作强度，颜色表示机构论文平均发表时间。中国主要的研究机构有：中国科学院(334篇)，成都理工大学(86篇)，中国科学院大学(67篇)与四川大学(44篇)。中国科学院展示出了与中国其他机构强有力的科研联系。其他的主要机构有美国地质调查局(120篇)，日本京东大学(64篇)，加拿大国家铁路局(72篇)，意大利帕多瓦大学(55篇)等。中国的主要研究机构发文出现主要集中于2010年之后， 虽然同日本、美国等国家相比研究起步较晚，但中国明显加大了对泥石流的研究力度，且机构论文生产力较高，在近期的表现更为活跃。

图4 主要机构合作网络图

3.4 作者合著网络

通过绘制作者合著网络图并进行分析，有助于寻找作者间合作关系，探寻科研团体中的核心人物，并帮助研究者寻求个人或团体进行合作学习[10]。为了便于观察分析，图5选取了发表论文总数量大于等于10篇的作者。图中节点大小表示作者论文被引总量并根据作者合作强度将其用不同颜色加以区分。论文总被引较高的作者如表1所示。总被引数最高的作者为瑞士学者Stoffel，美国学者Cannon及Iverson的单篇平均被引次数均超过了60次，而中国学者崔鹏发表了70篇论文，在发文量上远超其他学者，研究表明这些学者在现阶段泥石流的相关研究中发挥着非常重要的作用。通过不同颜色的聚类可以看出，大型聚类多以同一国家为主，主要集中于中美两国，小型聚类较多且分散，说明各国虽然从事泥石流研究的学者较多，但不同国家间的高影响力学者间却没有明显的合作关系。

图5 主要作者合著关系网络图

表1 论文总被引次数前10的作者

3.5 关键词分析

关键词是论文主要内容的体现，也是研究主题的浓缩。一个关键词出现的次数越高，表示对其的相关研究越多，也越集中，对关键词的分析可反应出领域的研究热点[11,12]。

3.5.1 聚类分析

对本次2 684篇论文的关键词进行提取，对同义词清洗后选取出现次数大于10次的关键词，共获得57个关键词。关键词按不同颜色被分为10个聚类，同一颜色(聚类)的关键词联系更加紧密，在论文中同时出现的概率也越大，可在一定程度上反应泥石流研究的主题。泥石流研究的关键词网络图如图6所示，节点大小表示关键词出现的频率。图中红色表示的聚类最大，含有13个关键词，包括“碎石(debris)”、“泥石流(debris flow)”、“夹带(entrainment)”等，主要涉及泥石流运动特性研究。绿色与深蓝色聚类都拥有7个关键词，绿色聚类主要涉及阿尔卑斯山的泥石流模拟及评价。深蓝色聚类的关键词主要与引发泥石流的降雨量与流量阈值相关。完整的聚类及其主题如表2所示。

图6 关键词共现网络图

表2 关键词及所属的主题

3.5.2 时间分析

图6与图7的差别在于颜色表示关键词的平均出现年份，暖色(红色)越深代表其出现平均时间越晚。时间分析中，将关键词泥石流(debris flow)进行了忽略。平均年份最为靠前的10个关键词及出现次数如表3所示。进一步将关键词进行分类可知挡水坝(check dam)、排水渠(drainage channel)、海底泥石流(submarine debris flow)是近年来泥石流研究中的主要对象，研究的侧重点在冲击力(impact force)、降雨阈值(rainfall thresholds)两个方面。研究中，学者多采用水槽模型试验(flume experiment)、敏感性评价(susceptibility assessment)、激光雷达扫描分析(lidar)等方式。中国汶川和舟曲在2008、2010两年间发生的大规模泥石流使得两地成为了学者们研究的热点地区。

表3 平均出现年份排名前10的关键词

图7 关键词共现时间网络图

表4总结了近10 a每年出现次数前三的关键词。部分关键词因出现次数过少未能在关键词共现图中呈现。关键词“汶川地震”在2010、2014、2016、2017年4 a中均有出现，但大量发表于2010和2014年度的论文拉低了关键词的平均出现时间；而“水槽试验”、“挡水坝”等关键词则出现了相反的情况。“山洪”、“降雨强度-时间阈值”等关键词虽然是学者一直研究的对象，但由于大量论文发表在较早年度，因而未能在表3中显示。

3.6 共被引分析

论文共被引是指两篇论文共同出现在了第三篇施引论文的参考目录中，则这两篇论文形成共被引关系[13]。论文共被引分析可以在海量的被引参考论文信息中高效便捷地定位出研究领域重要的知识基础，即核心经典论文，并可对论文之间的关联性和发展脉络进行分析和挖掘[14]。共被引频次可在一定程度上量化参考论文的学术影响力。

表4 近10 a每年出现次数最多的关键词

3.6.1 参考论文共被引

参考论文共被引分析是分析研究领域结构和路径演化的重要手段。图8展示了由211篇共被引频数大于30的论文构成的共被引网络图。在图像中，高共被引频次论文被分为了5个颜色(聚类)，同一颜色(聚类)的论文在研究内容上具有较高的关联性。两个节点之间的距离越小，两篇论文的研究主题就越为相近，被同时引用的频率也越高。节点大小与论文共被引频次成正比，高共被引频次论文代表了泥石流研究领域中的经典论文，对泥石流研究有着重大的影响，共被引频次最高的10篇论文如表5所示。可以发现，泥石流研究中的经典论文主要围绕着泥石流物理特性、泥石流定量分析、泥石流模拟与防治措施展开，这与上文中关键词共现所得到的主题相一致。

图8 参考论文共被引网络图

表5 共被引频次前10的论文

3.6.2 出版物共被引

出版物共被引分析可对研究领域内的期刊进行定位与分类，能够确定研究领域中影响力较大的期刊[15]。图9显示了包含325个节点的期刊共被引网络图。这些期刊在图中按颜色被分为了4个大类，红色聚类主要为地质研究与自然灾害类期刊，包括《NaturalHazardsandEarthSystemSciences》、《Landslides》等期刊。绿色聚类为地球综合科学类期刊，以《Geomorphology》、《EarthSurfaceProcessesandLandforms》、《GeologicalSocietyofAmericaBulletin》为代表。蓝色和黄色分别为水利类期刊与生态环境类期刊，包括《WaterResourcesResearch》、《Ecology》等。《Geomorphology》共被引次数最多，共计4 340次。期刊《EngineeringGeology》排名第二，共计1 955次。这体现出期刊《Geomorphology》在泥石流研究领域中具有极强的影响力。

图9 出版物共被引网络图

4 结论

本文基于WOS核心数据库中筛选的2 684篇论文对泥石流研究开展了论文计量分析，主要结论如下：

(1) 自20世纪90年代以来泥石流研究开始逐渐受到国际学者的关注，论文数量的增长趋势表明泥石流研究仍具有较大发展空间。中国已经超越美国成为了最大的论文产出国，但学术影响力同美国仍然有一定差距。论文发表数量、总被引、篇均被引最高的作者分别是崔鹏、Stoffel和Cannon。

(2) 对关键词的整体时间分析表明挡水坝、排水渠、海底泥石流为近年来泥石流的热点研究对象，研究的侧重点主要在于泥石流冲击力、降雨阈值两个方面，水槽实验、敏感性评价等是研究的常用手段与方法。汶川与舟曲是近年的热点研究地区。

(3) 共被引分析展示了泥石流研究领域的经典论文。共被引频次最高的论文为美国学者Iverson的《泥石流物理》(《The physics of debris flows》)。泥石流研究相关论文主要分布在地质研究与自然灾害类期刊，地球综合科学类期刊，水利类期刊与生态环境类期刊。《Geomorphology》在泥石流研究领域中具有极强的影响力。

本文研究数据来源为SCI核心数据库，因而未能完全覆盖泥石流研究的所有数据。此外，SCI核心数据库中的论文多数由英文撰写，对非英语论文的统计与分析是下一步研究工作的重点。本文的研究结果有助于科研人员了解泥石流研究的整体动态与趋势，了解研究的热点方向，寻找研究领域中的关键与经典论文，也有助于科研人员寻找合适的个人、团体机构进行学习与合作。