饮用水源研究进展

李洋 李霞

Research Progress of Drinking Water Sources

LI Yang LI Xia

摘要：饮用水源与城市供水的安全性和可靠性直接相关，对人类生存和发展至关重要。因此，系统、全面地梳理饮用水源相关文献、深入探讨其研究进展，具有重要意义。文章基于文献计量学理论，借助VOSviewer等科学计量软件，对1998-2018年间Science Citation Index-Expand核心数据库中饮用水源的全部文献进行统计分析，详细阐述了该领域的研究进展、研究力量及当前热门主题，并分析了天津市饮用水源于桥水库的研究现状及差距，为饮用水源的进一步研究和保护提供理论依据与信息支撑。

Abstract： Drinking water sources are directly related to the safety and reliability of urban water supply， and are essential for human survival and development. Therefore， it is of great significance to systematically and comprehensively analyze the literature on drinking water sources and to explore the research progress in depth. Based on the theory of bibliometrics， this paper analyzed the publications from the core database of Science Citation Index-Expand between 1998 and 2018 with the help of scientific visualization software such as VOSviewer， and explained the research progress， research driving forces and current hot topics in this field， and analyzed the research status and gaps of Yu-qiao Reservoir， drinking water source in Tianjin， which will provide theoretical basis and information support for further research and protection of drinking water sources.

关键词：饮用水源;研究进展;于桥水库;文献计量分析;Web of Science

Key words： drinking water sources;research progress;Yu-qiao Reservoir;bibliometric analysis;Web of Science

中图分类号：TU991.2                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0284-05

0  引言

饮水安全是保障人民群众身体健康、促进社会经济健康发展的最基本、最重要的条件之一，而水源地保护是确保饮水安全的首要任务。然而，由于城市化进程的发展，饮用水水源地存在着诸多的污染问题[1]，气候变化带来的不确定性风险更加剧了城市供水危机[2]。因此，饮用水源保护的深入研究引起國内外学者的广泛关注。目前，由于我国饮用水水源地污染的严峻性与紧迫性，2018年4月3日，生态环境部召开部党组（扩大）会议，传达学习习近平总书记关于打好污染防治攻坚战的重要讲话精神，将水源地保护列入七大标志性的重大攻坚战役中。中央和各级地方政府高度重视，并相继制定并发布了一系列相关的管理、规划文件，大量研究人员也相继开展针对于饮用水水源地保护的研究。天津市也制定了针对于桥水库等集中式饮用水水源地的环境保护专项行动方案，以保障城市饮用水水质安全。文献计量分析是一种科学、客观且非常有效的知识领域研究方法[3]，已被应用于各种环境领域，如对湿地[4]、富营养化[5]、沉积物[6]等问题的研究，但还未应用于饮用水源。为了能够较为全面地了解国内外饮用水源研究现状及进展，本文借助文献计量分析及科学知识图谱可视化的方法，总结了二十年来饮用水源研究的研究力量、研究进展及当前热点话题。

1  数据来源

本文的文献数据基于Web of Science-Science Citation Index Expanded（SCI-E）核心数据库，选取“drinking* water* source*”作为检索词，进行主题检索，获取1998-2018年间饮用水源研究领域的所有文献记录。检索时间为2019年9月18日，最终得到1644条文献记录。

2  研究方法

文献计量分析是基于数学和统计学理论，定量地分析某一知识领域的关键词、研究作者、发文国家及机构、发文期刊等，从而系统地梳理该领域的研究进展情况，并预测可能的未来研究热点[7]。此外，科学知识图谱分析近年来也受到极大的欢迎，即，将数据可视化的技术手段应用于对科学文献的分析中，从而呈现出科学知识的结构、规律和分布情况，并识别出科学发展的新趋势和新动态[8]。本文借助文献计量分析及科学知识图谱方法，梳理了SCI-E数据库中20年来的饮用水源相关文献，分析了该领域的研究进展情况。

3  结果分析

3.1 出版情况

为了概述饮用水源的研究进展，我们将检索到的1644篇相关文献的年度出版数量及变化趋势展示在图1中。可以看出，年度文献数量从1998年的14篇稳步增长到2018年的183篇，由此可以看出對于饮用水源的研究文章数量虽然较少，但却正在变得愈发重要，在未来也将有更大的研究需求。全部出版物涉及多种文献类型，其中，Article是最主要的文件类型，占92.03%（共1513条记录），其次是Review和Proceedings Paper。全部文章涉及10种语言，其中1617篇文章（98.36%）以英文出版。

对于饮用水源的研究共涉及484个出版期刊，且各期刊发文量比例均不高，说明该领域的研究论文在期刊分布方面相对分散。发表论文总数最多的15个期刊如图2所示，其中“Water Research”共发表79篇文章，占总数的4.81%，居于第一位。其次是“Science of The Total Environment”（72篇，4.4%），这两本期刊在该研究领域中占据重要地位。此外，通过节点颜色的深浅可以看出，“Water Research”和“Environmental Science & Technology”是较早开始关注饮用水源研究的期刊。一些较晚才开始关注饮用水源的期刊，如“Water”，也发展较快，近年来发文数量大幅增加。节点之间的连线粗细表明两本期刊之间的引用强度。

3.2 研究领域

根据计量分析可得，1644篇相关文章共涉及102个学科类别，其中10个最具影响力的学科（TP>50）如图3所示，其中“环境科学”是最重要的学科，共发表826篇论文，占总数的50.24%，不仅每年发表论文的数量一直高于其他学科，而且近年来文章数量增长也最快。而“水资源”共发表427篇论文，占总数的25.97%，排位第二。饮用水源研究涉及环境科学、水资源、环境工程、公共环境和职业健康、微生物学、毒理学、土木工程、地球科学、化学工程、化学等多个领域，表明对饮用水源的研究具有多学科交叉的性质，这些学科是研究饮用水源领域的核心学科，而这些领域的学者、专家、研究人员也是饮用水源研究的重要力量。

3.3 研究力量

在统计范围内，剔除没有作者地址信息的12篇论文，本文基于1632篇论文的作者信息进行国家、机构和作者的分析。其中，72.98%的论文是由单一国家或地区完成，说明该领域国际间的合作开展并不紧密，对于饮用水源研究的国际合作与交流还有很大的提升空间。

图4揭示了各国的发文情况。其中，左图是国家发文总数和合作率（该国合作发文总数/该国发文总数）的变化情况，可以看出，美国在饮用水源研究领域占据领先地位，有着总数最多的出版物。而中国是发文量增长最快的国家，对于饮用水源的研究仅次于美国，位居第二。从合作率上看，英国、德国、日本、澳大利亚、韩国等合作发文量较多，美国、中国的国际间合作发文率虽然在直线上升，但仍较低，表明美国、中国在饮用水源研究领域仍需进一步加强国际交流。

而右图是总发文量前10位的国家每年以第一作者国家参与发表论文的数量变化情况以及各国以第一作者国家发文数占该国发文总数的比率变化情况。可以看出，美国在第一时间阶段里遥遥领先，占据主导地位，说明美国是最早开始关注饮用水源研究的国家，在接下来的两个时间阶段里，美国发文数量稳步上升。而中国虽然起步较晚，但发文数量增长非常快，在第二阶段已位居第二，近年来甚至已超过美国，排位第一，这表明近些年中国对于饮用水源研究的关注度极大升高，也可看出中国对于饮用水源的研究有着很大的研究需求。

表1总结了美国和中国各自作为第一作者国家发表的文章的前25个高频关键词，可以看出，重金属、消毒副产物、蓝藻以及对人类健康的影响问题是两个国家都在关注的研究课题。此外，美国还尤其关注饮用水源水体的水化学过程的研究，而中国则对富营养化、N、P及非点源污染更感兴趣。

图5描述了饮用水源研究领域的国内外重要研究机构。从机构的来源看，这些机构主要来自于美国和中国。其中，中国科学院发表论文达99篇，占总发文量的6.07%，位居第一;美国环保局发表48篇，位居第二。根据计量结果，25%的论文来自单一机构，75%的论文是由机构间合作完成，表明在饮用水源研究领域的机构间的合作与交流较为广泛。而美国的研究机构主要以政府部门（美国环保局、美国疾病控制预防中心、美国地质调查局、国家癌症研究所）和公立研究型大学（伊利诺伊大学、密歇根大学、加利福尼亚大学、北卡罗莱纳大学、亚利桑那州立大学、爱荷华大学、亚利桑那大学、科罗拉多大学）为主，中国则主要以拥有雄厚的教育资源和科研力量的教育类研究院（中国科学院、中国环境科学研究院）和高校（南京大学、中国科学院大学、北京师范大学、同济大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学）为主。

我们总结了我国在该领域研究内最重要的机构的关键词，发现各个机构的研究关注点略有侧重。中国科学院及中国科学院大学研究范围较广泛，包括有机氯农药、风险评估、土地利用、磷、废水处理、富营养化、蓝藻、叶绿素a等。而南京大学则主要针对于太湖进行研究，最高频的关键词包括多环芳香族碳氢化合物、彗星试验等。北京师范大学以密云水库为主要研究对象，对水体中的重金属问题和水库周边土地利用变化似乎更感兴趣。通过氯化、消毒副产物、臭氧化等词，可看出同济大学和清华大学对饮用水源的消毒问题研究得更多。而浙江大学研究的高频词包括风险评估、沉积物、地理信息系统等。（图6）

3.4 关键词分析

借助VOSviewer软件对饮用水源研究的重要关键词进行统计分析和可视化（图7），每个节点代表一个关键词，每种颜色代表一个聚类，而两个关键词之间的共现连接线表明了这两个词之间的相关性，连接线越粗，表明二者之间的相关性越强。结果发现，该研究的关键词大体上被聚类成三个组别，说明当前该领域的研究主要有三个研究主题。第一聚类（绿色）主要是关于饮用水对人类健康的影响研究，包括“硝酸盐”、“砷”、“地下水”、“污染”、“毒性”、“卫生”“疾病”、“健康”、“流行病学”、“流行”、“儿童”及“风险”等词，“美国”一词也出现在这一聚类中，可见美国对饮用水的健康风险方面的研究更感兴趣。第二聚类（蓝色）则主要相关于河流、湖泊的水质污染问题，一方面是沉积问题（重金属、沉积物、土壤），另一方面是富营养化问题。“中国”一词出现在这一聚类中，说明中国的水质污染问题比较严峻、且迫切需要被解决。此外，我们发现“气候变化”一词也出现在该聚类中，说明气候变化会影响水质，尤其是湖泊的水质，而且在气候变化的影响下，更要加强对水质的管理，这从“气候变化”与“水质”、“湖泊”、“管理”等词的共现连接线便可看出。而正是水源污染的严峻性，加之气候变化对其影响的深度不确定性，使得“风险评估”变得十分重要。而第三聚类（红色）则是关于水处理过程的研究，主要涉及三个方面，一是对大肠杆菌等细菌及蓝藻的识别和去除的研究，二是对药品、个人护理品的处理的探讨，三是氯化过程及消毒副产物的潜在危害的讨论。

3.5 天津市饮用水源地于桥水库研究现状分析

于桥水库是天津市重要的饮用水源。对于桥水库展开研究的主要机构包括天津大学（15篇研究论文）、中国科学院（11篇研究论文）及南开大学（10篇研究論文）。具体来说，天津大学对其的主要研究关注重点涉及消毒副产物的形成过程、大型植被的模拟和管理、总氮及总磷的模拟和预测等，此外，还对气候变化对水质的潜在影响很感兴趣，主要是借助非参数回归的方法探索气候驱动因素（如风速、降雨量或太阳辐射）对悬浮固体、总溶解固体、养分或氧气含量的影响。中科院则更多地探索有关有害蓝藻的研究、土地利用与氮浓度的关系，以及内陆水域的遥感监测过程。南开大学的研究包括水库潜在污染源的调查、消毒副产物前体的分析及诸如磷的控制方法、磷的外部来源、外源P和内源P的相对贡献等水体富营养化问题的相关研究。图8揭示了于桥水库研究的高频关键词，也可看出，富营养化相关问题、卤乙酸等消毒副产物问题、水质恢复研究、模型的进一步优化等都是近年来于桥水库较热门的研究话题。但对于桥水库的研究内容中缺乏对人类健康风险的评估，也鲜有对药品、个人护理品等的研究。

4  结语

本文借助文献计量方法，基于科学知识图谱及数学模型分析，借助Excel统计软件、VOSviewer、Wordle等数据可视化软件对SCI-E数据库中1998-2018年间饮用水源研究的相关论文从论文的发表数量、期刊、领域、国家、机构以及重要关键词等方面进行了统计分析。结果表明，饮用水源相关文章年度发表数量稳步上升，各国发文量均在增长，其中美国发文量最多。中国科学院是发文量最多的研究机构。“Water Research”是发文量最多的期刊，环境科学是该研究中最重要的学科领域。饮用水源研究目前的研究主题主要包括对人类健康风险的评估、水质污染管理及水处理过程的研究。对天津市饮用水源地于桥水库的富营养化问题和消毒副产物形成过程的研究较多，但缺乏对人类健康风险的评估和对水体内药品、个人护理品等的研究。

参考文献：

[1]Qu， X.L.， P.J.J. Alvarez， and Q.L. Li. Applications of nanotechnology in water and wastewater treatment [J]. Water Research， 2013， 47（12）： 3931-3946.

[2]Abbaspour， K.C.， et al. A continental-scale hydrology and water quality model for Europe： Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model [J]. Journal of Hydrology， 2015， 524： 733-752.

[3]Li， C.， K. Wu， and J. Wu. A bibliometric analysis of research on haze during 2000-2016 [J]. Environmental Science and Pollution Research， 2017， 24（32）： 24733-24742.

[4]Zhi， W.， & Ji， G. D. Constructed wetlands， 1991–2011： A review of research development， current trends， and future directions [J]. Science of the Total Environment， 2012， 441， 19-27.

[5]Li， X. and R. Nan. A bibliometric analysis of eutrophication literatures： an expanding and shifting focus [J]. Environmental Science and Pollution Research， 2017， 24（20）： 17103-17115.

[6]Niu， B. B.， Hong， S.， Yuan， J. F.， Peng， S.， Wang， Z.， & Zhang， X. Global trends in sediment-related research in earth science during 1992-2011： A bibliometric analysis [J]. Scientometrics， 2014， 98（1）： 511-529.

[7]Mao， G.， et al. Research on biomass energy and environment from the past to the future： A bibliometric analysis [J]. Science of the Total Environment， 2018， 635： 1081-1090.

[8]Chen CM， Hu ZG， Liu SB et al. Emerging trends in regenerative medicine： a scientometric analysis in CiteSpace [J]. Expert Opinion on Biological Therapy， 2012， 12（5）：593-608.

基金项目：国家自然科学基金（No.51178303）;天津高等学校创新研究团队培训项目（TD13-5021）;天津市危险废物安全处置与回收利用重点实验室。

作者简介：李洋（1993-），女，回族，吉林长春人，天津理工大学，硕士研究生，研究方向为环境污染控制与资源化;李霞（通讯作者）（1979-），女，山东烟台人，天津理工大学，博士，副教授，研究方向为受污染水体修复与模拟。