基于知識圖譜的北運河流域水環境研究進展分析

樊平，王軍，宋蕓，韓莉莉，單保強，劉振霞，董波濤

1.山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018；2.山東省濱州市農業農村局，山東 濱州 256600

河流在人類社會的形成和發展過程中扮演著不可替代的角色，其充沛的水資源與生物資源為人類的生產生活提供了最基本的條件。同時，隨著人類社會的進步，河流的功能性日趨增加，包括交通運輸、休閑娛樂等（李國英，2005）。Parsons et al.（2017）也指出：河流是社會生態系統，河流生態系統能夠提供有價值的生態系統服務，同時人類對河流生態系統的了解永遠是不完整的。由此可見對河流的研究至關重要，并需要與時俱進。

北運河流域屬海河水系，先后流經北京市海淀、昌平、順義、通州各區、河北省廊坊地區和天津市武清區、北辰區和紅橋區（楊超等，2012），是維持北京、廊坊、天津的重要生態廊道。同時，為了落實國家和地方《水污染防治行動計劃》，改善北運河流域水環境質量，以建設國際一流的和諧宜居之都，并提升首都副中心城市品質，對已有北運河流域水環境研究進展分析尤為必要。本文采用文獻計量學的方法，以CiteSpace文獻可視化軟件為研究手段，實現基于知識圖譜的北運河流域水環境研究分析。從整體上把握研究動態，厘定研究前沿熱點，把握研究的新動向，旨在為北運河流域水環境研究和污染防治的精細化管理提供支持。

1 數據與方法

本文以 CNKI中國期刊全文數據庫作為中文相關文獻檢索的數據源，以“SU=北運河+溫榆河AND SU=水環境+水污染+富營養化+COD+氨氮+磷+水質 AND發表時間：從 2000-01-01到2019-12-31”為檢索條件進行專業檢索，檢索到研究論文273篇。通過CiteSpace軟件對上述檢索文獻進行去重后，再進行可視化的計量統計與分析，最后對已有研究結果進行總結，并為未來北運河流域水環境研究提供參考依據。

2 結果與分析

2.1 階段性分析

基于273篇檢索文獻，研究北運河流域水環境領域年發文數量的變化，分析其發展歷程。本文嘗試將北運河流域水環境研究分為3個階段：初期萌芽階段、中期井噴階段、后期穩定階段，如圖1所示。

圖1 2000—2019年北運河流域水環境研究CNKI數據庫來源發文量Fig.1 Annual publication amount of water environment of Beiyunhe River Basin in CNKI from 2000 to 2019

（1）初期萌芽階段（2008年以前）。該階段的發文量較少，年發文量均在5篇左右，表明北運河流域水環境的研究并未受到科研工作者的重視。從這一階段的研究成果分析，主要是對溫榆河的水環境容量及水污染的研究，例如劉明宇等（2008）分析了溫榆河水環境容量，發現CODCr、氨氮水質指標嚴重超出水環境容量；石紅梅（2008）對昌平區溫榆河水污染進行了研究，發現CODCr、氨氮水質指標遠超出河流納污能力。

（2）中期井噴階段（2009—2012年）。該階段的發文量呈現突增情況，年發文量保持在25篇左右，表明北運河流域水環境研究突然受到科研工作者的重視。從這一階段的研究成果分析，此階段開始對北運河流域水環境質量影響因素進行分析。例如于洋（2012）對北運河水體中氨氮的氧化過程及微生物響應特征進行研究，楊振東等（2012）研究了北運河沉積物/水界面上重金屬遷移轉化規律。

（3）后期穩定階段（2013—2019年）。該階段的發文量較為穩定，均保持在20篇左右，表明北運河流域水環境研究已進入穩定階段。這一階段的研究成果呈現多樣化、深入化的趨勢，對北運河流域的污染物通量特征、污染來源和治理方案等均有研究（陳永娟等，2015；荊紅衛等，2013；王剛等，2016；潘濤等，2019）。

同時，根據中國有關北運河流域水環境研究文獻的穩定發表量可以預見，在未來一段時間內，北運河流域水環境研究仍將被科研工作者關注。

2.2 高發文作者與機構分析

發文量是衡量一個作者和機構在某領域貢獻的重要指標，依據發文量可分析作者和機構在該領域的貢獻地位。通過CiteSpace軟件，時間設定為2000—2019年，設置“Node Types”為“Author and Institution”，將閾值“TOPN”、“TOPN%”取默認值 50與 10%，進行作者與機構的共現分析（Chen，2004）。共生成 322個節點，837條連線的作者與機構共現知識圖譜，如圖2所示。

圖2 2000—2019年北運河流域水環境研究作者與機構共現譜圖Fig.2 Co-occurrence of authors and institutions researching on the water environment of Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

由共現譜圖所示，高發文量的作者為：魏源送、王亞煒、劉靜、王曉燕和張育新等；高發文量的機構為：中國科學院生態環境研究中心、北京市北運河管理處、中國礦業大學、中國科學院大學和首都師范大學等。進一步研讀相關文獻發現，魏源送、王亞煒、劉靜和張育新為同機構作者（中國科學院生態環境研究中心），主要研究分析溫榆河的微生物和浮游動物，并對溫榆河水質進行評價（朱利英等，2020；陳晨等，2017；劉靜等，2015；曾陽等，2012）；王曉燕（首都師范大學）主要研究分析水體中CODCr降解系數、微生物的群落特征等（張培培等，2019；劉洋等，2018；王曉燕，2016）。

2.3 高被引分析

論文的被引次數在一定程度上可以反映該論文在某研究領域影響力，因此，被引次數是評價論文影響力的關鍵指標之一。根據2000—2019年的檢索文獻，確定被引次數≥5次的論文為高被引論文，共108篇，具體分布情況如表1和表2所示。

由表可知，被引頻次前十論文均為期刊，高被引論文期刊占比達 68.8%，表明期刊對北運河水環境相關研究的影響力較大。從來源分布情況可知環境科學學報的影響力較大，但沒有顯著優勢。高被引論文的前三甲作者分別為魏源送、王亞煒與王曉燕，其中魏源送與王亞煒為同一機構作者，總發文量較多，影響力也較大，佐證上節分析。

3 研究熱點與前沿

3.1 研究熱點

關鍵詞能夠高度概括論文的具體研究內容，反應文章的核心思想，傳遞作者表達的重點（趙晶晶等，2019）。因此，通過關鍵詞共現分析可以科學、清晰地把握北運河流域水質研究的重點。將 CiteSpace軟件的“Node Type”設置為“keyword”，“Time Slicing”為“2000—2019”，“Pruning”為“Pathfinder”，生成共358個節點，700條連線的關鍵詞共現譜圖，如圖3所示。

依據圖譜可以看出：“北運河”與“溫榆河”的共現節點最大，為科研工作者關注的焦點。綜合共現關鍵詞可知：研究范圍主要為“北運河”和“溫榆河”，研究對象主要為“地表水”、“地下水”和“再生水”，研究指標主要為“水質”和“水質評價”，治理方法主要為“吸附”。

3.2 研究前沿

可利用CiteSpace軟件繪制時間軸知識圖譜，分析某領域的前沿與發展趨勢，為科研工作者提供最新的研究動態與方向（趙晶晶等，2019）。鑒于此，利用CiteSpace軟件調整“Graph Views”為“Timeline View”，生成北運河流域水環境研究的時間軸知識圖譜，如圖4所示。并在此基礎上，使用“Brustness”功能繪制北運河流域水環境研究的關鍵詞突顯圖，如圖5所示。

時間軸譜圖中的 Modularity Q和 Mean Silhouette代表該圖的模塊值和平均輪廓值，可反應聚類邊界清晰度和聚類規模（曹文杰等，2019）。其中，模塊值高達0.7545，表明北運河流域水環境各研究主題間界限清晰，領域分化鮮明；同時，平均輪廓值也較高為0.5785，因為對于北運河流域水環境研究角度較少，研究方式相對單一，從而導致小聚類較少。

結合共現時間軸譜圖和突顯圖進行分析，2000年以來，北運河流域水環境研究關鍵詞主要集中在“浮游植物”、“水質評價”、“水污染”、“氨氮”和“北運河”等方面。其中“水質評價”的突顯性最高，“氨氮”、“水環境”等次之。進一步研讀相關文獻發現，北運河流域水環境情況不容樂觀，水質質量在中-重污染之間，特別在春、冬兩季，污染更為嚴重，以氨氮、COD和糞源微生物為主（楊振東等，2012；劉燦均等，2019；李學軍等，2014；楊柳等，2015；徐袈檬等，2019；譚送琴等，2019；郭婧等，2019；張家銘，2019）。可以預見，未來北運河流域水環境研究將會基于多種水質評價方法得出的水質變化規律和污染物的來源與特征，進行有針對性的治理研究，以改善目前惡劣的水質情況。

表1 2000—2019年北運河流域水環境研究高被引論文統計結果Table 1 Statistical results of highly cited papers of the water environment in Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

表2 2000—2019年北運河流域水環境研究被引頻次前10論文Table 2 Top 10 cited papers on water environment research in Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

圖3 北運河流域水環境研究的關鍵詞共現圖Fig.3 Co-occurrence of keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin

圖4 北運河流域水環境研究的關鍵詞共現時間軸譜圖Fig.4 Co-occurrence timeline of keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin quality

圖5 北運河流域水環境研究的關鍵詞突顯譜圖Fig.5 The burst keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin quality

4 結論

本研究利用 CiteSpace可視化軟件，檢索CNKI中國期刊全文數據庫中北運河流域水環境研究文獻為樣本，梳理了其研究現狀與發展階段，歸納了研究熱點與前沿，得到如下結論：

（1）從發展歷程分析，北運河流域研究分為初期萌芽階段、中期井噴階段和后期穩定階段。階段不同研究的重點也不盡相同，但整體呈現研究深入化與多樣化的趨勢。

（2）從高發文作者和機構分析，高發文量的作者為：魏源送、王亞煒、劉靜、王曉燕和張育新等；高發文量的機構為：中國科學院生態環境研究中心、北京市北運河管理處、中國礦業大學、中國科學院大學和首都師范大學等，推動了北運河流域水環境研究的深入開展。

（3）從高被引文獻分析，資源類型主要為期刊；來源類型多元，沒有突出來源；高被引論文的前三甲作者分別為魏源送、王亞煒與王曉燕。

（4）北運河流域水環境研究范圍主要為“北運河”和“溫榆河”，研究對象主要為“地表水”、“地下水”和“再生水”，研究指標主要為“水質”和“水質評價”，治理方法主要為“吸附”。

（5）北運河流域水環境各研究主題間界限清晰，領域分化鮮明，研究角度較少，研究方式相對單一。“水質評價”的突顯性最高，“氨氮”、“水環境”等次之，未來北運河流域水環境研究將會基于多種水質評價方法得出的水質變化規律和污染物的來源與特征，進行有針對性的治理研究，以改善目前惡劣的水質情況。