河流生态修复曝气技术研究进展及热点分析

吴佐京通 张训 潘红忠 廉晶晶 姚华明

摘要：

随着中国生态文明建设的不断推进，河流生态修复与保护日益被社会各界重视，并成为水利学和生态学等领域的研究热点。曝气技术因见效快、施工维护简便，广泛应用于国内外河流生态修复领域。以 Web of Science（WOS）数据库和中国知网（CNKI）作为文献捜索引擎，运用CiteSpace 和VOSviewer揭示该领域的科学知识图谱。结果表明：国际河流曝气研究的发文量在整个研究期内均处于稳步上升趋势，中国的发文量增速显著，尤其是近3～5 a，中国英文文献发表数量跃居世界首位。曝气技术与其他技术的耦合治理效应、实际工程应用以及曝气技术参与或者介導下相关建模研究应是当前及以后相当一段时间的研究热点。国际机构间的合作较为密切，国内研究机构之间联系程度不高，企业参与度小。未来应加强中国科研院校机构之间及其与企业的合作交流，在相互协作中推动河道曝气技术的高质量发展。

关 键 词：

河流治理； 生态修复； 曝气技术； 文献计量； CiteSpace； VOSviewer

中图法分类号： X52

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.011

0 引 言

中国地域辽阔，河流众多且类型多样。“十三五”期间，中国河流水环境质量明显改善［1］，但与建设美丽中国的目标相比，河流水生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力尚未根本缓解，改善成效并不稳固，河流水生态环境保护形势依然严峻［2］。

河流生态系统具有动态性、复杂性和非线性等特点［3］，给河流生态环境保护工作带来了极大挑战。20世纪60年代开始，欧美发达国家针对河流生态环境破坏问题，开展了河流生态修复的相关研究与实践［4］，基于多种目标研发各种修复技术，大多取得了良好的生态环境效益［5-7］。随着中国生态文明建设的不断推进，河流生态修复与保护也日益被社会各界重视［8］，成为水利学和生态学等领域的研究热点。

曝气技术因投资少、见效快、安装简单、维护便利、与其他技术耦合性强等优点，广泛应用于国内外河流生态修复领域［9］。英国泰晤士河1969年采用机械曝气，河流下游局部地区鱼群显著增加［6］。德国鲁尔河1965年安装了3种曝气设备，使该河溶解氧含量稳定在3～4 mg/L［5］。为改善河流水质，美国1988年在霍姆伍德（Homewood）运河、1989年在密西西比河安装了曝气设备［4，10］。在中国，1987年重庆桃花溪治理工程［11］、1990年北京清河治理工程［12］、1999年上海苏州河整治工程［13］等都采用了曝气技术。

关于河流生态修复技术，不少学者进行过综述与讨论［12，14-15］，但基于文献计量方法，借助知识图谱分析河流生态修复中曝气技术研究进展的文献相对较少。本文利用CiteSpace和VOSviewer分析工具，对该领域国内外文献进行可视化分析与展示。通过分析不同发展阶段的发文特征、研究热点、研究机构和主要研究者等指标，对河流曝气技术的研究概况进行定量化综述，以期为河流曝气技术的深入发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

基于专业检索规则，权衡检索结果查全率及查准率，参考张宁等［16］、胡文等［17］检索逻辑，确定本文数据获取方式。在Web of Science核心合集数据库中以“TS=（（aeration OR aerate OR aerating OR aerator） AND（river OR riverine OR watercourse OR stream OR waterway OR watercourses OR fluvial channel））”为检索式，检索结果为2 061条数据。在中国期刊全文数据库（CNKI）中以“SU=（‘河流+‘江河+‘河道） AND SU=（‘曝气+‘人工复氧+‘人工增氧）”为条件检索，得到结果646条，检索时间范围均为自建库起至2021年12月31日，检索日期为2022年6月16日。为确保文献样本的数据质量及关联性，筛除部分年份、作者信息缺失及主题不符的文献，最终获得英文数据2 041条，中文数据620条。

1.2 研究方法

CiteSpace是基于 Java 语言开发的一款可视化软件，广泛用于科学研究的领域分析、前沿分析和科研评价等［18］。VOSviewer为Nees Janvan Eck和Ludo Waltamn合作开发，常用于文献计量分析及可视化［19］。本文采用CiteSpace（5.7.R2版本）和VOSviewer（1.6.17版本）进行可视化文献计量分析和科研评价。CiteSpace 运行前的基础设置为：节点种类（Node Types）=“Keyword”、“Institution”、“Country”，阈值（Selection Criteria）选择“g-index”，其中k=25；（Node Types）=“Author”，阈值（Selection Criteria）选择“TopN”，其中 top=50。 VOSviewer运行前的基础设置为：数据类型（type of analysis）选择Co-occurence，分析类型（Unit of analysis）选择“keyword”，计数方式（Counting method）选择“Full counting”。

2 发文量统计与研究阶段划分

中文论文指用中文撰写的科技论文，在CNKI数据库检索；英文论文指用英语撰写的科技论文，在 Web of Science TM 核心合集数据库中检索。将检索到的英文论文数据导入CiteSpace 软件，生成国家合作网络知识图谱。根据各国的节点信息，分别统计出中文论文、英文论文、中国英文论文以及美国英文论文数量。

如图1所示，基于年度发文量统计数据可将国内外河流曝气技术研究划分为3个阶段。

（1） 奠基期（1975～2000年）。中文论文在1987年开始出现，但数量较少，仅有16篇，说明该阶段国内对河流曝气技术的相关研究不太重视，正处于初步摸索时期。国际论文自1975年建库便有文章刊发，年均发文量15.9篇，后期增至93.6篇。中国学者在该领域国际期刊的最早刊发时间为1996年，该阶段共发文5篇。由此可见，中国学者在河流曝气技术研究领域的起步较晚。

（2） 发展期（2001～2010年）。中文论文数量增长迅猛，呈波动上升趋势，尤其是2004～2008年間，发文量年均增长率为60.3%，表明国内开始重视曝气技术在河流生态修复中的应用研究。国际英文论文发文量平稳增长，10 a间年均增长率为11.7%。其中，中国学者国际英文论文发文量在2005年后呈明显上升趋势，并在2009年达到峰值。

（3） 完善期（2011～2021年）。该阶段中文文献数量整体保持增长态势，但增长速率有所降低，年均增长率为6.9%，并于2019年达到峰值，这可能与同时期中国学者发表的英文论文数量显著增加有关。国际英文论文数量成波动上升趋势，在2020年达到峰值124篇。同年，中国英文论文也达到峰值37篇，超过总发文量第一的美国。

综上，在河流曝气技术领域，国外整体发展趋势稳定；与国外相比，中国在该领域研究起步较晚。在2000年后，中国加强国际间的学术交流，研究成果数量显著增长，尤其在近3～5 a，中国年均英文发文量已高于美国，中文文献数量也处于稳定增长态势，表明中国学者在河流曝气技术领域科研能力已达到国际一流水平。

3 基于CNKI的国内河流曝气研究统计与述评

3.1 研究热点网络知识图谱特征

基于关键词共现图谱可分析该时期研究热点及其演变。关键词出现频率的高低通过节点大小表示，且节点间的连线粗细，直观反映关键词间联系疏密，两者呈正相关。采用Citesapce软件分别统计不同发展阶段中文论文关键词出现频次，见表1。

关键词突现图谱可以展示词频激增现象，突出关键词常被认为具有研究领域热门导向功能［20］。基于此，对国内河流曝气治理关键词进行共现和突现图谱展示：共现图谱参数设置为默认；突现图谱参数设置为：γ=0.45（突发性检测参数），默认Minimum Duration（最小持续突现年份）为2，获得35个突现词，取前25位（见图2）。二者结合获得不同时期内关键词及主题概况。

结果表明：最早发文时间为奠基期的1987年，于振君团队［21］《河流的氧平衡方程研究》一文的发表时间较晚于国际对河流曝气治理研究，奠基期期间文献数量为16篇，年均仅1.14篇，研究主题尚不明显。发展期文章数量增加显著，研究主题逐渐明显，以“底泥”“水体修复”“黑臭河道”为关键词热点，该阶段文献数量增至155篇，年均发文量为17.2篇。完善期为中国河流曝气研究成果产出最多阶段，文献量达449篇，年均发文量增至44.9篇，研究主题分布明确，以“生态修复”“黑臭河道”“原位修复”为主。其中，以“黑臭河道”为关键词的发文量从发展期的7篇增加至完善期的41篇，表明中国学者将研究重心逐渐转向“黑臭水治理”“致臭污染物去除”等相关主题，中国河流曝气领域发展脉络详见图3。

（1） 如图4所示，奠基期为中国河流曝气研究起步阶段，高频关键词较少，出现2次及以上的有“河道曝气”“曝气槽”“BOD”、“曝气器”、“DO”、“去除率”、“曝气设备”等。

由图4可以看出，奠基期内关键词节点和突现词数量均较为匮乏。有关河道曝气领域的早期溶氧模型——氧平衡方程的相关研究正逐渐被重视［21-22］，这也为后续河道曝气的节能化、智能化研究奠定了基础。

（2） 如图5所示，经过前期的研究和技术积累，该阶段关键词节点和研究主题种类明显增多，且类别更为清晰，研究更注重河流水环境的改善，主要集中于曝气介导下城市河流水体环境中污染物质转化［23-24］、沉降等机理［25-26］以及曝气与其他技术的深度耦合研究［27-28］。

（3） 如图6所示，完善期突现词数量明显增多且出现新高频关键词，如“黑臭水体”“黑臭河道”“曝气”“生物接触氧化”等，研究更加关注于河流生境生态的整体修复效果［29-30］。该阶段学者对河流曝气治理领域研究方向逐渐多元化［29-31］，治理对象更为系统化［32-33］，治理技术耦合研究进一步加深［30，34-35］。

3.2 作者合作网络知识图谱特征

作者合作网络图谱可以展现研究者的合作程度、科研影响力和活跃度。如图7所示：生成的作者合作知识图谱共1 248个节点，1 911条连线，密度为0.002 5，形成较为明显团队。借鉴普赖斯的论文计数公式：N1=0.8（Nmax）1/2，确定该领域核心作者发表论文数量［36］。其中，Nmax为发表文献最多的作者论文数，N1为核心作者最低发文量。黄民生团队单人发文量最多，为10篇。核心作者下限数为3篇，作者43人，占作者总数3.44%，另有1 205位作者只参与发表1～2篇。表明研究领域作者来源较为广泛，但缺乏深度合作［37］。

3.3 机构合作网络知识图谱特征

如图8所示，机构合作网络知识图谱可大致反映各机构的科研水平和合作强度。生成的机构合作知识图谱共359个节点，175 条连线，密度为0.002 7（图8），节点大小代表各机构的发文量，连线粗细表示机构之间的合作强度（连线越粗合作程度越高），颜色代表不同的年份。由图8可知，发文量前10的分别是：华东师范大学生态与环境科学学院（9篇），南通大学地理科学学院（9篇）、南京师范大学地理科学学院（7篇）、环境保护部华南环境科学研究所（7篇）、东华大学环境科学与工程学院（6篇）、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（6篇）、中国环境科学研究院（5篇）、上海汀滢环保科技有限公司（4篇）和苏州科技学院环境科学与工程学院（4篇）。

从图谱节点与连线的相对数量看，大多数研究机构仅点状分布，形成机构合作网络的较少，表示交流合作程度较低。从地域上来看，排名前10的发文机构中，上海地区的发文数量最多，这可能与苏州河在20世纪90年代便进行河流治理有关［38］。从机构性质来看，大部分是高校及研究所，企业占比较少，应考虑加强校企合作，缩短科研成果的落地时间。

4 基于WOS的国外河流曝气研究统计与述评

4.1 研究热点网络知识图谱特征

国际河流曝气治理研究整体呈稳定发展趋势，奠基期发文量占总发文量的 23.63%，发展期发文量占总发文量的 22.94%，完善期发文量占总发文量的 53.42%。高频关键词由“biodegradation（生物降解）”“heavy metal（重金属）”等逐渐转变为“constructed wetland（湿地建设）”、“energy dissipation（能量耗散）”等，说明研究内容更加注重河流水体环境的长效治理以及河流治理过程对当地生态的影响。国际河流曝气关键词突现图参数设置：γ=1.0，默认 Minimum Duration为2，获得50个突现词，取前25位，详见图9。结合关键词共现图谱，得到不同时期内关键词及主题概况。国际河流曝气治理研究脉络图谱见图10。

如图11所示，奠基期期间，国际河流曝气治理研究领域热点关键词以“activated sludge（活性污泥）”“硝化作用（nitrification）”“biodegradation（生物降解）”“heavy metal（重金属）”为主。研究主题热点可分成曝气技术耦合应用［39-40］、土壤沉积物曝气［41-42］、经验方程构建［43］3个类别。

如图12所示，发展期研究领域出现的热点关键词如“dissolved oxygen（溶解氧）”、“oxygen transfer（氧传递）” “waterquality（水质）”、“activated sludge（活性污泥）”、“nitrification（硝化反应）”“model（模型）”等，研究内容可分成曝气性能优化研究［44-47］、模型建构研究［47-48］、曝气技术耦合［7，49-50］等3个类别。

（1） 主要包括不同通气量［44］、曝气位置［45］、不同形状堰［46-47］对曝气充氧效能影响研究，如Baylar等对三角形尖顶堰的自由溢流及其对曝气效率影响进行研究［47］。

（2） 根据数据类型可分为2方面：① 物理指标，如基于水流落差、高度、流量、角度与曝气量建立回归方程［47-48］，拟合效果良好；② 涵盖水质理化数据，如Lopes等［51］应用水质模型预测了葡萄牙阿威罗泻湖的无机营养盐、叶绿素a和溶解氧（DO）浓度的关系，已较深入解释了氧平衡与初级生产力之间的关系。

（3） 该阶段集中于研究曝气在耦合技术中的影响权重［49］以及相互作用机理研究［7，50］，尤其是曝气在污水处理工艺中的作用机理研究。Kampschreur等探究尾气中NO和N2O水平与曝气技术参数的关系［52］；Sears等研究有无曝气条件下，好氧反应器的污水处理性能的变化［49］；Huang等发现微泡曝气技术可节约氧化状态反应器中的催化剂，提升水体治理效率［50］。

如图13所示，完善期出现了“constructed wetland（人工湿地）”“performance（性能）”“energy dissipation（能量耗散）”“ climate change（气候变化）”等新热点关键词。表明该阶段河流曝气领域更注重河流治理过程对当地生态以及气候的影响，研究的空间尺度更广。研究主题大体可分为河流污染物研究［53-54］、曝气技术耦合［55-58］、溶氧模型应用［49，59-62］等。

完善期对河流新型污染物逐渐重视，未来可对其进行生态毒理性评价研究。在技术耦合研究方面，进一步拓宽研究深度广度，生态友好型技术及与清洁能源耦合应用研究方兴未艾，将大数据和机器学习等新技术应用于河湖生态治理领域是大势所趋。

4.2 国家合作网络知识图谱特征

如图14所示，国家合作网络知识图谱共174个节点，460 条连线，密度为0.030 6，节点大小代表各国的发文量，连线粗细表示各国间的合作密切程度（连线越粗合作程度越高），颜色代表不同的年份。图14中，国家合作网络较密集，表明各国间学术交流与合作程度较高。从表2中可知：美国发文量最多，共發表411篇论文，中心性为0.57，说明美国重视河道曝气技术研究，科研能力最强。中国发文量位居第二，发表文献310篇，中心性为0.11，表示中国在该研究领域已具有一定的科研影响力。加拿大和英国早在1975年便有文章发表，中心性分别为0.20和0.13，表明两国与其他国家交流合作程度较高，活跃度显著。

4.3 机构合作网络知识图谱特征

如图15所示，机构合作网络知识图谱共2 168个节点，2 576条连线，密度为0.001 1。从表3得知，中国科学院发文量最多（40篇），表明该研究机构具有强大科研影响力，机构隶属于中国。其次是昆士兰大学（26篇），机构隶属于澳大利亚。随后是土耳其的菲亚特大学（18篇）。从研究机构共现网络图谱的连线数量看，各研究机构学术交流与合作较为广泛。

5 结论与展望

本文基于文献计量学，运用CiteSpace和VOSviewer软件对1975～2021年国内外河流曝气领域的文献进行了发文量分析、合作分析、关键词共现及突现分析，同时绘制出可视化知识图谱。研究结果表明：

（1） 国际有关河流曝气技术研究的发文量在整个研究期内均处于稳步上升趋势，且增幅持续走高，尽管中国首篇英文文献发表年份较晚，但在后面两个阶段的发文量增速显著，尤其是近3～5 a，中国英文文献发表数量跃居世界首位，表明中国学者在河流曝气技术领域科研能力已达到国际一流水平。

（2） 各阶段关键词聚类热点分析表明，河道曝气领域较为关注曝气技术与其他技术的耦合治理效应、实际工程应用以及曝气技术参与或者介导下相关建模研究等。研究范围由早期关注河流水质指标的变化逐渐转为河流整体生态环境的改善，诸如微生物群落生态响应，系统内部食物链结构改善等。治理理念由污染物、污染指标的去除转向协助共建生态系统。国际上更加注重模型建构及工程应用研究，国内较为关注人工智能、互联网技术与控制策略的融合应用。

（3） 利用Citespace对发文作者、机构以及国家进行合作交流分析，可明显看出，国际机构间的合作较为密切，交流较为广泛。国内机构的合作则具有一定局限性，倾向于特定地域内部合作，机构团体间合作较为匮乏，需进一步加强。发文量最多的机构是中国科学院，且排名前十的机构接近一半隶属于中国，再次表明中国在该领域的科研实力已处于国际领先。

通过梳理国内外河流曝气文献发现：目前国内外研究热点集中于河流曝气耦合技术治理河流生态环境及曝气技术智能化。其中，中国在曝气技术与微生物技术耦合治理领域科研成果较为丰富，但与国际相比，人工智能、算法等“软件”技术耦合开发则较为欠缺，建议今后加大“曝气系统智能化”领域研究力度，如算法参数、控制规则的进一步优化，同时，增进软件平台与硬件设备的结合。此外，中国还需加强研究机构之间联系，促进研究团队之间合作，提倡产学研结合，增进与水体治理领域企业的合作，在相互协作中推动河道曝气技术的高质量发展。

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（編辑：李 慧）

Abstract：

With the continuous promotion of ecological civilization in China，ecological restoration and protection of rivers are increasingly valued by all walks of life and have been becoming a research hot spot in the fields of hydrology and ecology.Among them，aeration technology is widely used in ecological restoration of rivers at home and abroad because of its fast effect and easy construction and maintenance.The Web of Science （WOS） database was used as the literature search engine，and CiteSpace and VOSviewer were used to reveal the scientific knowledge map of this field.The results showed that the number of international river aeration research publications had been steadily increasing throughout the research period，and the number of publications in China had increased significantly，especially in the last 3 to 5 years，the number of Chinese English-language publications had jumped to the first place in the world.The coupled governance effects of aeration technology and other technologies，practical engineering applications，and related modeling studies with the participation or mediation of aeration technology should be the current and future research hot spots for quite some time.The cooperation between international institutions was relatively close，but the degree of connection between domestic research institutions was not high，and the participation of enterprises was small.In the future，the cooperation and communication between research institutions and enterprises should be strengthened to promote the high-quality development of river aeration technology in mutual collaboration.

Key words：

river regulation；ecological restoration；aeration；bibliometrics；CiteSpace；VOSviewer