基于文獻計量的河道底泥修復技術研究可視化分析

陳東風，薛明明，晏 語，郭仁書，張 波

(1.鎮江市防汛防旱搶險中心，江蘇 鎮江 212002；2.江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇 鎮江 212013)

近些年來，隨著我國國民經濟以及工業的快速發展，在取得長足進步的同時，隨之而來環境污染問題愈發嚴重，尤其是水環境污染問題[1]。但水環境的內源污染常常被人們忽視，河道底泥是水體環境氮、磷、重金屬等污染物的蓄積地[2]，污染物質會通過底泥的“源”“匯”特性發生遷移、擴散和轉化，對水體造成二次污染，對水生生態環境造成一定的威脅[3]。現行多種如填埋、焚燒、原位掩蔽[4]、生物，化學[5]等修復方法各有其優缺點，難以達到安全環保標準。因此，針對上述現狀，急需提出底泥處理有效方式，去更快速化，無害化地處理更大量的污染底泥，從而善河道水環境健康，達到持續健康發展的目標[6]。

為了更好地跟蹤國內外河道底泥修復技術的研究趨勢，本研究對2000—2021年以來Web of Science核心數據庫中相關刊物進行回顧與分析。繪制了關鍵詞共現關系圖譜，梳理了河道底泥修復技術的研究熱點及未來發展趨勢，總結了現行不同修復方法的優劣所在，提出了對未來相關研究發展的建議，以期為今后的相關研究提供有建設性意義的參考。

1 數據來源與統計方法

所有數據來源于Web of Science核心合集，數據檢索策略為：TS=(“River sediment restoration” OR “Sediment restoration” OR “River silt repair” OR “River sludge remediation” OR “Restoratin Technology of river sediment”)，所有的搜索截至2021年12月31日，以避免數據庫每日更新導致文獻數量偏差。限制文獻類型為Article(論文)和Review(綜述)，對語言和數據類別沒有限制，并在檢索結果中篩選與河道底泥修復研究有關的文章，共得到文獻3404篇(系統時間范圍為2000—2021年)。使用Microsoft Excel 2010分析出版數量的趨勢，采用多項式模型預測下一年發表量的增長趨勢。同時，使用VOSviewer(1.6.13版)進行文獻、關鍵詞共現頻次和可視化分析，揭示目前全球范圍內對于河道底泥修復研究的熱點以及趨勢。網絡圖中每個節點代表一個關鍵詞，節點的大小表示關鍵詞出現的頻次，節點之間連線的粗細表示關鍵詞共現強度的高低，彼此鄰近的關鍵詞表示他們通常出現在相似的文獻中。VOSviewer的計數方法采用分數計數，限制每篇文章最大作者數量為25個。

2 結果與討論

2.1 發表文獻數量及增長趨勢

圖1為2000—2021年全球每年發表河道底泥修復技術研究文獻的數量和增長趨勢。結果顯示，在2004年前文獻數量增長緩慢。這一階段是國內外對于河道底泥修復處理的研究還處于初級階段，不夠深入。但從2009年開始，關于河道底泥修復的研究開始階段性的快速增長，2009年一年便達到142篇。此后保持均勻上升的趨勢。2013年文獻發表數量超過200篇，且增長趨勢仍在繼續。值得關注的是，2019—2021年3年間發表文章數量均超過300篇。用多項式趨勢線模型模擬了22年中發表年份與發表文獻數量之間的關系。發文量伴隨著年份持續增多，且增加幅度越來越大。根據目前的線性趨勢，預測2022年發表文獻數量將會接近400篇，表明對于河道底泥修復技術的研究仍然在持續發展中。趨勢線方程如下：

圖1 底泥修復技術研究文獻數量變化趨勢圖

y=0.4702x2+4.9321+16.896

(1)

式中，y—發文數量，篇；x—第幾年；決定系數R2=0.978，且其趨勢線模型擬合結果良好。

2.2 研究機構

全球范圍內有2839家機構在河道底泥修復技術的研究中做出貢獻。在前10的研究機構中，Us geol survey(美國地質調查局)發表相關文獻199篇位居第一，占總發文數量的5.85%；排名第二的機構是Chinese acad sci(中國科學院)發文192篇，占比5.64%；第三是Louisiana state univ(路易斯桑那州立大學)發文數量為161，占比4.73。其他機構包括Univ chinese acad sci(中國科學大學)、Beijing normal univ(北京師范大學)、Colorado state univ(科羅拉多州立大學)等，見表2。結果顯示，對本領域的研究主要集中在中美國家專業機構及高校。在綜合總被引次數以及篇均被引次數方面，Univ maryland(馬里蘭大學)、Univ calif berkeley(加州大學伯克利分校)和Colorado state univ(科羅拉多州立大學)在河道底泥修復技術的研究及應用方面具備較強實力。

表1 河道底泥修復技術研究機構(top10)

表2 底泥修復技術研究作者(top10)

2.3 核心作者分析

對文章作者的統計可以籠統地了解該行業作者發文的大體情況，而研究該領域的核心作者更便于對該領域的研究前沿進行追蹤[7]。對于本文檢索范圍內全部的3404篇河道底泥修復技術的研究涉及10748名作者，發文數量20篇及以上的作者4名，10篇及以上的作者35名，發文僅1篇的作者有8934名，平均合作度為3.15。發文數量前十的作者名錄見表2。可以清楚的看到在發表文章前十名的作者中有6名來自美國，說明關于河道底泥修復技術的研究美國仍處于領先地位。同時，十分值得關注的是來自北京師范大學環境學院的崔保山教授發表了14篇文章，文章共被引288次，篇均被引20.57次，為國內相關領域的研究做出了突出貢獻，影響力突出。

一般來說，某領域的主要研究者往往是該領域文獻的核心作者，根據普賴斯理論，核心作者中最多發文量(Nmax)與最少發文量(Nmin)之間關系如下[8]：

Nmin=0.749×(Nmax)1/2

(2)

式中，Nmax—單作者最高發文量；Nmin—核心作者最低發文量。

利用式(2)計算﹐該領域核心作者最低發文量應為Nmin=3.96篇﹐據此可判定發表4篇及以上的作者方可成為核心作者。從檢索結果可知，核心作者共330名﹐占作者總人數的3.07%，根據統計核心作者發表的文章有1935篇，占文章發表總數的56.8%，略高于賴普斯理論中50%的理論值。這說明該領域的核心作者群已經形成，他們發揮著導向作用，不斷將研究推向新的水平，對該領域的發展和進步起著重要作用。

2.4 文獻被引頻次分析

由表3中統計的前10篇被引文獻和被引量可以看出，來自劍橋大學的Klement Tockner在2002年發的文章《Riverine flood plains：present state and futuretrends》被引次數最多，達到1147次，遠超出其余被引的文獻。該文章主要介紹了全球范圍內泛濫平原河漫灘退化與淡水生物多樣性急劇退化之間的密切關系，道明了未來水文循環加劇，污染物排放增加，河岸退化的必然危害，提出了進行污染修復處理的必要之舉[9]，為后來的研究者們提供了方向。被引數量第二名和第三名同為543次，分別是來自富蘭克林·馬歇爾學院的Robertc.walter于2008年發表在Science上的《Natural Streams and the Legacy of Water-Powered Mills》，和路易斯安那州立大學的Michael D.Blum在2009年發表的《Drowning of the Mississippi Delta due to insufficient sediment supply and globalsea-level rise》。其余前10名的文獻被引數量也均超過了350次。這說明底泥修復技術的應用研究已經成為當前的研究熱點問題。

表3 被引文獻及其被引量(top10)

排名前10的被引文獻分布在8種期刊上，其中被引次數最高的前3篇文章分別刊登在《Environmental conservation》《Science》《Nature Geoscience》上，其中《Nature Geoscience》有2篇文章同時上榜。同時，有2篇文章上榜的期刊還有《NorthAmerican Journal of Fisheries Management》。這4個期刊可以作為該領域的核心重點期刊，為研究者們提供重要的學習途徑。

2.5 關鍵詞分析

2.5.1關鍵詞可視化分析

對檢索出的3404篇文章中出現的6448個關鍵詞進行可視化分析，關鍵詞出現頻率大于100次的共有29個。常見關鍵詞有修復、水質、影響、沉積物、河道、管道、沉積物運移、下游區、腐蝕、植物、生態系統、土地利用、動力學、氣候變化、環境影響、氮氣等，可為分析河道底泥修復技術的研究方向提供參考。

2.5.2關鍵詞聚類分析

出現頻率大于50的關鍵詞聚類分析的結果將72個關鍵詞被分為4個聚類。聚類1的主要關注點在于污泥影響、氣候變化、水土流失、土地利用、可變性以及腐蝕作用等。這一部分學者們主要研究了底泥污染造成的影響和危害，并根據現實情況深研了底泥污染影響因子。聚類2中的常見關鍵詞主要是河流修復、生態系統、生物圈、生物多樣性、魚類和植物等。這一部分主要描述了底泥污染對于河道生態環境的影響，不僅包括水生動植物，而且延伸至河道影響范圍內的整個生物圈。聚類3中常見的關鍵詞主要為底泥修復、底泥轉運、順流、漂流、管道、形態學、動力學。該部分主要歸納了對于底泥修復的可行性技術，主流方法仍是通過轉運等異位處理技術處理。同時對運行處理過程中所涉及的形態學及動力學知識進行了闡述。聚類4中常見的關鍵詞為水質、底泥、碳、磷、氮、脫氮、有機質、重金屬等。此部分則主要從化學和機理方面對底泥污染進行了詳細論述。關鍵詞熱點現象的出現也將代表河道底泥修復技術未來研究趨勢和發展方向。

2.5.3共現關鍵詞出現時間分析

對共現關鍵詞出現時間進行分析發現，2014年之后，關鍵詞為河流、生態系統、生物圈，生物多樣性、魚等，結果顯示底泥修復技術研究領域還在著重于研究其污染對周邊環境的影響階段。隨著時間的推移，研究人員開始轉向針對于底泥污染的修復技術，并從機理層面探討修復技術的創新與改革。此階段中，碳、氮、有機質、重金屬成為底泥修復技術的研究熱點。在底泥污染的機理層面被廣大研究者了解后，眾多研究者在此基礎上開始集中研究新的污泥轉運等新型處理技術。在2017年后，研究者們意識到不能停留在先污染后治理的舊階段，而是需要從源頭減輕污染的可能。眾多的研究開始集中于水土流失，氣候變化，腐殖作用等因素對底泥淤積的影響，以求從源頭處減少底泥的淤積問題，從而達到以提前預防代替處理修復的目的。

3 基于關鍵詞分析的研究熱點與發展趨勢

3.1 現行底泥處理方法對比評價

自底泥修復問題被人們認識到的幾十年間，歷經眾多行業研究者的共同努力，探索出多種多樣的底泥修復技術。然而這些技術各有其優缺點，見表4。異位處理技術效率高但會造成嚴重的二次污染[10]，原位修復技術環保無害的同時卻難以保證效率[11，14]。

表4 現行不同底泥修復技術對比

3.2 底泥修復技術發展趨勢

在綜合各種底泥修復技術的優缺點后，眾多研究指向于結合多種技術優勢特點的聯合修復方法以及深入探討如何由源頭方向減少底泥的堆積[15]。

3.2.1化學-生物聯合修復技術

表4所提到化學修復技術和生物修復技術都有其各自優缺點，但將二者聯合使用就能達到相輔相成的效果。化學修復技術可以提高水中污染物的溶解度，為生物修復技術提供良好的作用環境[14，16]。例如臭氧和生物聯合修復能夠促進微生物的分解作用。此技術的關鍵點在于對底泥狀況精確的檢測分析，調配合適的化學試劑與微生物投加量。防止過度使用化學藥品對河道造成的二次污染。

3.2.2微生物-植物聯合修復技術

此技術利用某些微生物與植物的共生關系，利用植物根系為微生物提供生長載體。同時，以根系產生的分泌物及氧氣為微生物生長提供適宜的環境。反過來，微生物降解底泥污染物的過程中富集重金屬，為植物的生長提供必要養分達到相輔相成的效果。

此項技術目前多應用于黑臭水體的治理當中，在河道底泥修復方面的應用還存在一定欠缺。其應用的關鍵點在于需挑選合適共生關系的植物與微生物，同時植物也需要定期修理，以免死亡的根系過多對河道底泥產生污染。

4 結論

(1)從2000—2021年相關領域文章發表數量趨勢得出，每年文章數量偶有波動，但總體呈上升趨勢。隨著河道底泥修復問題不斷得到重視，近年該領域文章發表增長趨勢明顯。同時，根據趨勢線預測未來該領域研究將持續高漲。

(2)就全球范圍內相關研究機構而言，中美兩國處于此領域研究的領先地位。美國國家地質調查局、中國科學院、美國路易斯安那州立大學、中國科學大學和北京師范大學是此研究領域內排名前五的研究機構。

(3)就此研究領域內核心作者與文獻被引數量而言。根據普賴斯理論計算，該領域核心作者共330名﹐占作者總人數的3.07%，核心作者發文章1935篇，占文章發表總數的56.8%，超過本領域文章數量的一半，已形成該領域的核心作者群。同時，北京師范大學環境學院的崔保山教授是國內本領域研究的代表人物之一。

(4)關鍵詞聚類分析將72個熱點關鍵詞分為4類。第1類主要研究底泥造成的污染危害以及底泥形成的機理。第2類主要描述底泥對周邊整個生態圈的影響。第3類主要講述底泥修復的可行性辦法。第4類則主要從化學和機理方面對底泥污染進行了詳細論述。

(5)從關鍵詞出現頻次及時間節點分析，當下研究的熱點主要集中于聯合修復技術的新型底泥處理方法，以及從機理層面分析底泥形成的原因，探究如何由源頭減少底泥污染。