基于CiteSpace 分析的突發性環境污染應急技術研究進展

謝曉琳，向洋，錢鋒*，孫晨，宋永會

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室,中國環境科學研究院

2.中國環境科學研究院水環境治理研究室

3.清華大學數學科學系

突發性環境污染事故是指在非正常的不可抗拒的時間、地點/場合，排污方式、排污途徑、排放種類、排放量、污染物濃度等均難以預料的環境污染事故。不同于一般的環境污染，它沒有固定的排放方式和排放途徑，瞬間污染物排放量大，對環境影響較大且對生命與生產安全構成巨大威脅[1]。因此，突發性環境污染事故的應急處理工作受到了世界各國政府的高度重視。

應急處理工作主要是指將突發事故對外環境造成的影響降低到最小的相關工作，事故爆發后最初一段時間內的處置措施得力與否，往往能決定整個事故全過程處置的成敗。近年來，我國環境應急管理工作取得積極進展[2]，突發性環境污染事故發生次數總體呈下降趨勢[3-4]，環境污染應急處理技術也受到了關注，學者們針對應急處理技術開展了一系列的相關研究。但目前關于環境污染應急處理技術方面的綜述報道不多[5]，相關量化分析更是鮮見。

筆者利用文獻計量學的方法，應用CiteSpace 軟件對我國1995—2020 年環境污染應急處理技術領域相關文獻進行量化分析，從宏觀上展示該領域的研究現狀，揭示研究熱點及未來發展態勢，以期為今后我國突發性環境污染事故的處理提供有效的科學支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

利用中國知網（CNKI）數據庫對我國環境污染事故應急處理技術的發展狀況進行分析。CNKI 專業檢索式為SU=（“處理”+“工藝”+“處置”+“技術”）AND SU=“應急”AND SU=“污染”，時間跨度為1995 年1 月1 日—2020 年12 月31 日（實際數據為1996 年開始，1995 年無相關文獻數據），來源類別選擇全部期刊，共檢索文獻397 篇，手動刪除驗收報告、指南等相關性較小的文獻后篩選出331 篇研究型論文。

1.2 研究方法

采用CiteSpace（5.5R2）軟件對上述篩選的文獻進行計量研究。CiteSpace 軟件[6]主要基于共引分析理論和尋徑網絡算法等對研究領域的相關文獻進行計量建模，通過一系列可視化圖譜探尋出研究領域的演化路徑和發展前沿[7]。

繪制作者共現圖譜時，選擇作者為網絡節點，閾值選擇g-index，k=25，時間切片設置為1 年，其余選擇默認設置；繪制關鍵詞共現和聚類時間線圖譜時，選擇關鍵詞作為網絡節點，節點閾值選擇Top50，時間切片設置為1 年，其余選擇默認設置。在軟件輸出的圖譜中，節點與字體標簽的大小表示分析對象所出現的頻次；節點間的連線粗細與其合作或共現的強度呈正比，連線的多少則表明其合作或共現關系的密切程度[8]。

2 結果與分析

2.1 研究現狀

2.1.1發文量

為了系統分析我國環境污染應急處理技術領域的研究歷程，對歷年的發文量進行了歸納分析，結果如圖1 所示。由圖1 可以看出，我國在環境污染應急處理技術領域的研究起步較晚，具體可以劃分為3 個階段：1）1995—2005 年是緩慢起步階段，該階段發文量極少，國內學者對該領域關注度不高。這可能與我國環境應急管理工作的開展不足有關，該階段我國每年突發性環境污染事件發生的次數均在1 400 次以上[4]，相關應急處理技術的研究也較少。2）2006—2016 年是快速增長階段，該階段的研究熱度相對較高。2006 年我國出臺了《國家突發環境事件應急預案》，標志著國家對突發環境事件的管控開始加強，相關污染治理投入逐漸增加，應急處理技術的研究也開始增多。3）2017—2020 年為平穩發展階段，該階段發文量趨于平穩，表明該領域研究處于大體均衡的穩定發展狀態，該階段年均發文量約15 篇，這也表明我國在該領域的研究較薄弱。

圖1 我國環境污染應急處理技術領域發文量年度分布Fig.1 Statistics of papers published in the field of emergency treatment technologies for environmental emergencies in China

2.1.2發文期刊

對發文期刊的分析，有助于了解相關領域的核心期刊群，為學者論文發表、資料收集等提供參考[9]。我國環境污染應急技術發文量排名前10 的期刊分布見圖2。過去25 年，我國環境污染應急處理技術領域的331 篇文獻來自175 種期刊，表明國內還沒有該領域的專門期刊，相關研究的載文期刊比較分散。其中《中國給水排水》以19 篇的發文量排名第一，占總發文量的5.7%。排名比較靠前的期刊均以水環境研究為主體，這與我國突發性環境事件的受體主要為水體密切有關[3-4,10-11]。

圖2 環境污染應急技術發文量排名前10 的期刊名稱Fig.2 Top 10 journals of publications in the field of emergency treatment technologies for environmental emergencies

2.1.3研究作者

對高產作者及其合作團隊的分析有助于了解關于環境污染應急處理技術領域的研究人員狀況，還可以挖掘該領域有影響力的學者[12]。我國環境污染應急處理技術作者網絡合作圖譜見圖3。圖中顯示的是發文量大于2 篇的作者，且每個節點代表1 名學者，節點的大小代表其發文量多少，節點間的連線反映出作者之間的合作情況。由圖3 可以看出，國內環境污染應急處理技術領域研究者相對較多，但個人發文量較少，發文量較高的幾位作者為高乃云（9 篇）、劉學卿（9 篇）、陳蓓蓓（7 篇）、崔福義（6 篇）、張曉健（6 篇），其具體研究機構見表1。高產作者間主要形成了3 個研究團隊，團隊內部網絡連線較為緊密，但團隊與團隊之間基本沒有連線鏈接，說明科研團隊之間的學術交流相對較少，故圖譜網絡密度并不高，僅為0.005 6，這也表明目前我國環境污染應急技術的研究仍缺乏較強的領軍人物和核心研究團隊。

圖3 我國環境污染應急處理技術作者網絡合作圖譜Fig.3 Author’s cooperation map of emergency treatment technologies for environmental emergencies in China

表1 發文量排名前10 的作者及其研究機構Table 1 Top 10 authors and their research institutions with largest number of publications

2.1.4研究機構

各研究機構發文量排名如表2 所示。由表2可見，研究機構主要由高校組成，排名前3 位的分別為哈爾濱工業大學、華南理工大學和同濟大學。其中哈爾濱工業大學的崔福義、同濟大學的高乃云、清華大學的張曉健等發文量也排在前10 位，這在一定程度表明以上研究機構在環境污染應急處理技術領域具備較強的科研基礎，培養了一批專業的人才。

表2 排名前10 的研究機構發文數量Table 2 Top 10 institutions with largest number of publications

2.2 研究熱點

關鍵詞是一篇論文的核心觀點，是論文主題的高度概括，因此，對某一領域相關文獻關鍵詞的分析，有助于挖掘該領域的研究熱點[13]。選擇關鍵詞（Keyword）為網絡節點運行CiteSpace 軟件。對應急處理、應急處置、活性炭、活性炭吸附等相似關鍵詞進行合并處理，得到關鍵詞共現圖譜（圖4）。由圖4 可以看出，在我國環境污染應急處理技術領域，除了“應急處理”“污染”為檢索的關鍵詞外，其余的關鍵詞主要代表了環境污染應急處理的對象和方法。如“突發性水污染”“飲用水”“松花江”等關鍵詞顯示出環境污染應急技術主要集中在水環境領域，這是因為我國突發性環境污染事件的主要受體為水環境[10-11]，總體的受關注度較高；“活性炭”“粉末活性炭”“投加量”“吸附”“混凝”“高錳酸鉀”等關鍵詞揭示了環境污染應急的主要技術手段；“鎘污染”“苯酚”“危險化學品”“揮發酚”等關鍵詞顯示了環境污染事故主要的污染物種類。

圖4 關鍵詞共現圖譜Fig.4 Co-occurrence analysis of keywords

突現詞（Brust Terms）是指短時間內使用頻率驟增的關鍵詞，強度越高代表短時間內出現的頻次越高[12]。突現詞側面也反映了當時該領域研究的熱點。從突現詞列表（表3）可以看出：“應急監測”是最早出現的突現詞，持續時間為7 年，表明應急監測最早受到關注且保持了較長時間的研究熱度；2006 年間的突現詞有2 個，分別為“松花江”和“硝基苯”，這主要與2005 年發生的松花江污染事件有關；2007—2008 年的突現詞為“預氧化”和“活性炭”，表明這一階段研究的熱點開始轉移到具體技術層面上。“預氧化”的強度最高，表明這一階段預氧化技術受到了廣泛的關注；2011 年的突現詞為“鎘污染”，表明該時間段對鎘污染關注較多。

表3 突現詞信息表Table 3 Information Table of Brust Terms

2.3 研究趨勢分析

為更好地在時間序列上勾勒聚類主題的歷史跨度及聚類成員間的關聯，直觀地表征知識演進[6]，繪制了關鍵詞聚類時間線圖，選擇前7 個聚類結果進行展示，結果如圖5 所示。

一般認為圖譜模塊值（modularity,Q）大于0.3時，聚類是顯著的；平均輪廓值（mean silhouette,S）大于0.5 認為聚類是合理的，S為0.7 時，聚類是令人信服的[7]。圖5 中Q為0.695 8，表明聚類效果良好；S為0.916 6，表明聚類主題明確。

圖5 關鍵詞聚類時間線視圖Fig.5 Timeline view of keywords clustering

我國環境污染應急處理技術的各聚類持續期各不相同。應急監測、技術方法和活性炭吸附3 個聚類中的相關研究從1996 年一直持續到2020 年。其余聚類主要在2006 年以后研究比較集中。篩選、應急監測、活性炭吸附在2020 年均有新的點出現，說明這可能是其今后發展的研究對象。圖譜中混凝聚類的相關研究停留在了2018 年，說明在我國環境污染應急處理領域混凝可能不再是研究熱點。

根據聚類分析的結果，將環境污染應急處理技術的研究熱點進一步總結為以下3 個研究方向。

2.3.1應急監測

突發性環境污染事故處理建立在準確的應急監測結果基礎之上，只有準確判斷出突發性環境污染事故的污染狀況、污染類型，才能夠提高處理效率，應急監測在突發性環境污染事故處理中具有極為重要的作用[14]。圖5 顯示應急監測這個聚類研究熱度持續時間從1996 年延續到2020 年，足以看出研究人員對應急監測技術的重視。

該聚類下的研究主要基于突發環境污染的特點，對如何實現快速檢測的應急檢測技術與設備的內容及方法進行分析和探討。如曲茉莉等[15]介紹了無人遙感檢測技術、無人船監測等新型的監測手段；徐亮等[16]以移動監測車為載體集成了VOCs 在線質譜儀、GPS 信息記錄儀和氣象參數儀等設備的VOCs 走航觀測系統，實現了VOCs 污染物的高時空分辨率的走航觀測，并在“3·21”響水特大爆炸事故中開展了探索性的應用；王有家等[17-18]對常規性應急監測技術與裝備、便攜式儀器監測技術、生物監測技術以及定性和定量監測技術等進行了闡述。

在該聚類主題下的研究主要基于現有監測手段的梳理總結，但是由于事故處置現場情況復雜、時間緊迫，如何實現快速準確的監測尚缺乏統一的技術指導。

2.3.2技術篩選

應急處理技術的選擇對于整個事故處置具有重要的影響，應急處理技術應該具有處理效果顯著、實施快速，易于操作、費用成本適宜等特點[19]。對突發環境污染事件進行應急處理時，適宜的應急處理技術或技術組合至關重要[20]。精準的應急處理措施一般要根據事故的具體情景態勢來確定，通常采用“情景—應對”模式來解決事故中的應急處理問題[21]。圖5 顯示，環境污染應急處理技術的篩選雖起步較晚，但受到的關注度較高，且研究熱度一直持續到2020 年，表明該方向是應急處理技術領域研究的重點，也是未來重要的研究對象。

劉仁濤等[20]基于推理技術（CBR）和模糊多屬性群決策模型（MADM）的優勢，建立了環境污染應急處理技術的CBR-MADM 兩步篩選法模型。張江石等[21]以天津港“8·12”事故為例，結合動態貝葉斯網絡構建情景推演模型，來實現危險化學品事故中關鍵情景的推演。羅玉蘭等[22]針對突發化學品污染事故建立了基于Dempster-Shafer 證據理論和改進層次分析法的應急處理技術動態優選體系。Shi 等[23]使用事件樹方法創建54 種不同的化學品污染事故場景，建立了基于群體決策改進層次分析法（AHP）的技術評價指標體系，并用于山西長治濁漳河苯胺污染事件的應急處理技術篩選中，取得了一定的效果。Liu 等[24]針對化學品泄漏應急技術篩選，建立了基于動態模糊GRA 方法的評價框架，提出了應急技術篩選的優化方案。Liu 等[25]針對應急材料的篩選，建立了基于差異驅動修正策略的多案例推理模型方法（DDRS-MCBR），并以2012 年的實際環境污染事故為案例，對材料庫、案例庫、篩選模型進行了驗證。張茉莉等[26]通過基于案例推理的結構化層次存儲和搜索技術，構建應用管理案例庫，為決策者提供相對優化的解決方案工具。

目前對于技術篩選的研究主要是基于模型的推演和案例庫的設計，在實際的應用過程中對于應急技術庫、案例庫等的建設仍需進一步豐富推演情景，提高技術篩選的速度。

2.3.3技術方法

該聚類主要對應急處理的具體技術進行了歸納。目前，環境污染應急處理技術主要有吸附法、混凝沉淀法、氧化分解法等[5]。

（1）吸附法

吸附法主要是利用活性炭等吸附材料去除水體中的污染物。活性炭吸附具有廣譜性[27]，幾乎能吸附去除水中大部分的污染物，適宜處理污染變化大的廢水，特別適用于突發性污染事件[28]。活性炭對水體中的有機污染物[29]、重金屬[30]等均有較好的吸附效果。于吉亭[31]比較了粉末活性炭和水廠常規處理工藝在去除石油類有機污染處理能力上的差別，發現粉末活性炭對石油類有機污染物的處理能力（2.1～2.3 mg/L）遠大于常規混凝工藝的處理能力（0.15 mg/L），適合在突發污染時使用。劉韻達等[32]研究表明，粉末活性炭投加量為20 mg/L，可使超標15 倍的酚污染原水沉淀后達標，酚去除率為20.5%～44%。劉成等[33]研究發現，活性炭對太湖藻類爆發的污染事件中的致臭物質，包括1-甲醛基-2，6，6 三甲基-1-環己烯、辛醛、環己硫、環己酮等均有良好的去除效果。在2005 年松花江水污染事故應急處理中，采用粉末活性炭吸附水源水硝基苯及凈水廠砂濾池新增顆粒活性炭濾層雙重安全屏障的應急處理工藝，處理后硝基苯濃度滿足水質標準[34]。2019 年響水“3·21”特別重大爆炸事故中，科研人員采用活性炭好氧強曝氣工藝對爆炸大坑廢水進行了預處理，保證了后續工藝處理的效果。

吸附法可快速清除水體中的污染物，但該方法面臨著諸多問題，如吸附材料多為顆粒狀或者粉末狀，直接投放于污染水域存在不易回收的問題，已吸附飽和的活性炭增加了污泥的處理成本和難度，如不妥善處理，易引起二次污染[28]。吸附材料一般要固定在編織網袋中，但是固定使得吸附材料緊密堆積，導致吸附材料與水體接觸的比表面積減小，降低了其去污效能，另外該種方式會阻礙水體的流動[5]。

（2）化學混凝

化學混凝沉淀是通過調整pH、投加沉淀劑或是改變污染物離子的價態，使重金屬離子污染物或非金屬離子污染物生成金屬氫氧化物或碳酸鹽等沉淀形式，再通過鋁鹽、鐵鹽等絮凝及沉淀去除的工藝[5]。根據具體工藝又可分為堿性化學沉淀法、硫化物沉淀法和其他化學沉淀法[29]。張曉健等[35]研究了弱堿性化學沉淀法去除鎘離子的原理，明確了飲用水中鎘離子去除的要點，并在龍江河鎘污染事件進行了成功應用。姚娟娟等[36]研究表明，在原水中的砷離子濃度超標50 倍時，可以通過增加聚合硫酸鐵的投加量實現出水達標，當砷離子濃度超標100 倍時，需要進一步結合膨潤土吸附來實現水質的達標。劉學卿等[37]研究發現投加聚合氯化鋁可以實現飲用水中鉛離子的去除。

在實際應急處理的過程中，混凝沉淀法需要將污染水域隔離開，以便于進行pH 調節，混凝沉淀物的回收及混凝沉淀后水體的后續處理等都十分繁瑣，對于流動水體，該方法的使用更加有局限性。化學混凝沉淀法主要適合水中重金屬的應急去除。

（3）氧化分解

氧化分解法是采用高錳酸鉀、臭氧等氧化劑將水中有機污染物氧化去除的方法[29]。劉韻達等[32]研究發現，高錳酸鉀和臭氧具有很好的應急除酚效果，3 mg/L 的臭氧可使0.2 mg/L 的苯酚原水沉淀后達標，0.5 mg/L 的高錳酸鉀可去除50%的苯酚。王新剛等[38]研究發現，粉末活性炭吸附-KMnO4氧化聯用技術可大大提高除酚效能，投加50 mg/L 粉末活性炭，2 mg/L 的KMnO4可將初始濃度為250 和500μg/L 的含酚原水分別處理至18 和66 μg/L。Xu等[39]認為高鐵酸鉀氧化沉淀工藝更適合水環境中鉈離子應急處理。韓瑾等[40]采用高錳酸鹽復合藥劑(PPC)預氧化/混凝沉淀工藝對飲用水中的鎘進行去除，結果表明該技術對鎘離子的去除率為95.2%。

氧化分解法向水體中投加化學藥劑，容易造成水體二次污染，且殘留的化學藥劑需要進行后處理，使得該方法工藝復雜，操作繁瑣，因此其用于自然水體污染的應急處理還有待于進一步研究。

3 結論

（1）我國環境污染應急處理技術研究起步較晚，在2005 年之前，相關研究的論文極少；2006—2016 年是發文量快速增長階段，表明我國對應急管理工作不斷加強；2017 年后趨于平穩，表明國內該領域研究處于大體均衡的穩定發展狀態。總體而言我國在該領域發文量不足，研究基礎相對薄弱。

（2）我國環境污染應急處理技術研究領域相關學者較多，主要團隊的內部聯系較為緊密，但是各團隊之間尚未建立廣泛的合作關系，應進一步加強學術交流。

（3）我國環境污染應急處理技術主要圍繞水環境領域，研究熱點主要是技術篩選、應急監測以及活性炭吸附和混凝等。這也反映出適宜的應急技術和快速的監測手段是該領域內亟需解決的問題。