基于文献计量的河道底泥修复技术研究可视化分析

陈东风，薛明明，晏 语，郭仁书，张 波

(1.镇江市防汛防旱抢险中心，江苏 镇江 212002；2.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013)

近些年来，随着我国国民经济以及工业的快速发展，在取得长足进步的同时，随之而来环境污染问题愈发严重，尤其是水环境污染问题[1]。但水环境的内源污染常常被人们忽视，河道底泥是水体环境氮、磷、重金属等污染物的蓄积地[2]，污染物质会通过底泥的“源”“汇”特性发生迁移、扩散和转化，对水体造成二次污染，对水生生态环境造成一定的威胁[3]。现行多种如填埋、焚烧、原位掩蔽[4]、生物，化学[5]等修复方法各有其优缺点，难以达到安全环保标准。因此，针对上述现状，急需提出底泥处理有效方式，去更快速化，无害化地处理更大量的污染底泥，从而善河道水环境健康，达到持续健康发展的目标[6]。

为了更好地跟踪国内外河道底泥修复技术的研究趋势，本研究对2000—2021年以来Web of Science核心数据库中相关刊物进行回顾与分析。绘制了关键词共现关系图谱，梳理了河道底泥修复技术的研究热点及未来发展趋势，总结了现行不同修复方法的优劣所在，提出了对未来相关研究发展的建议，以期为今后的相关研究提供有建设性意义的参考。

1 数据来源与统计方法

所有数据来源于Web of Science核心合集，数据检索策略为：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，以避免数据库每日更新导致文献数量偏差。限制文献类型为Article(论文)和Review(综述)，对语言和数据类别没有限制，并在检索结果中筛选与河道底泥修复研究有关的文章，共得到文献3404篇(系统时间范围为2000—2021年)。使用Microsoft Excel 2010分析出版数量的趋势，采用多项式模型预测下一年发表量的增长趋势。同时，使用VOSviewer(1.6.13版)进行文献、关键词共现频次和可视化分析，揭示目前全球范围内对于河道底泥修复研究的热点以及趋势。网络图中每个节点代表一个关键词，节点的大小表示关键词出现的频次，节点之间连线的粗细表示关键词共现强度的高低，彼此邻近的关键词表示他们通常出现在相似的文献中。VOSviewer的计数方法采用分数计数，限制每篇文章最大作者数量为25个。

2 结果与讨论

2.1 发表文献数量及增长趋势

图1为2000—2021年全球每年发表河道底泥修复技术研究文献的数量和增长趋势。结果显示，在2004年前文献数量增长缓慢。这一阶段是国内外对于河道底泥修复处理的研究还处于初级阶段，不够深入。但从2009年开始，关于河道底泥修复的研究开始阶段性的快速增长，2009年一年便达到142篇。此后保持均匀上升的趋势。2013年文献发表数量超过200篇，且增长趋势仍在继续。值得关注的是，2019—2021年3年间发表文章数量均超过300篇。用多项式趋势线模型模拟了22年中发表年份与发表文献数量之间的关系。发文量伴随着年份持续增多，且增加幅度越来越大。根据目前的线性趋势，预测2022年发表文献数量将会接近400篇，表明对于河道底泥修复技术的研究仍然在持续发展中。趋势线方程如下：

图1 底泥修复技术研究文献数量变化趋势图

y=0.4702x2+4.9321+16.896

(1)

式中，y—发文数量，篇；x—第几年；决定系数R2=0.978，且其趋势线模型拟合结果良好。

2.2 研究机构

全球范围内有2839家机构在河道底泥修复技术的研究中做出贡献。在前10的研究机构中，Us geol survey(美国地质调查局)发表相关文献199篇位居第一，占总发文数量的5.85%；排名第二的机构是Chinese acad sci(中国科学院)发文192篇，占比5.64%；第三是Louisiana state univ(路易斯桑那州立大学)发文数量为161，占比4.73。其他机构包括Univ chinese acad sci(中国科学大学)、Beijing normal univ(北京师范大学)、Colorado state univ(科罗拉多州立大学)等，见表2。结果显示，对本领域的研究主要集中在中美国家专业机构及高校。在综合总被引次数以及篇均被引次数方面，Univ maryland(马里兰大学)、Univ calif berkeley(加州大学伯克利分校)和Colorado state univ(科罗拉多州立大学)在河道底泥修复技术的研究及应用方面具备较强实力。

表1 河道底泥修复技术研究机构(top10)

表2 底泥修复技术研究作者(top10)

2.3 核心作者分析

对文章作者的统计可以笼统地了解该行业作者发文的大体情况，而研究该领域的核心作者更便于对该领域的研究前沿进行追踪[7]。对于本文检索范围内全部的3404篇河道底泥修复技术的研究涉及10748名作者，发文数量20篇及以上的作者4名，10篇及以上的作者35名，发文仅1篇的作者有8934名，平均合作度为3.15。发文数量前十的作者名录见表2。可以清楚的看到在发表文章前十名的作者中有6名来自美国，说明关于河道底泥修复技术的研究美国仍处于领先地位。同时，十分值得关注的是来自北京师范大学环境学院的崔保山教授发表了14篇文章，文章共被引288次，篇均被引20.57次，为国内相关领域的研究做出了突出贡献，影响力突出。

一般来说，某领域的主要研究者往往是该领域文献的核心作者，根据普赖斯理论，核心作者中最多发文量(Nmax)与最少发文量(Nmin)之间关系如下[8]：

Nmin=0.749×(Nmax)1/2

(2)

式中，Nmax—单作者最高发文量；Nmin—核心作者最低发文量。

利用式(2)计算﹐该领域核心作者最低发文量应为Nmin=3.96篇﹐据此可判定发表4篇及以上的作者方可成为核心作者。从检索结果可知，核心作者共330名﹐占作者总人数的3.07%，根据统计核心作者发表的文章有1935篇，占文章发表总数的56.8%，略高于赖普斯理论中50%的理论值。这说明该领域的核心作者群已经形成，他们发挥着导向作用，不断将研究推向新的水平，对该领域的发展和进步起着重要作用。

2.4 文献被引频次分析

由表3中统计的前10篇被引文献和被引量可以看出，来自剑桥大学的Klement Tockner在2002年发的文章《Riverine flood plains：present state and futuretrends》被引次数最多，达到1147次，远超出其余被引的文献。该文章主要介绍了全球范围内泛滥平原河漫滩退化与淡水生物多样性急剧退化之间的密切关系，道明了未来水文循环加剧，污染物排放增加，河岸退化的必然危害，提出了进行污染修复处理的必要之举[9]，为后来的研究者们提供了方向。被引数量第二名和第三名同为543次，分别是来自富兰克林·马歇尔学院的Robertc.walter于2008年发表在Science上的《Natural Streams and the Legacy of Water-Powered Mills》，和路易斯安那州立大学的Michael D.Blum在2009年发表的《Drowning of the Mississippi Delta due to insufficient sediment supply and globalsea-level rise》。其余前10名的文献被引数量也均超过了350次。这说明底泥修复技术的应用研究已经成为当前的研究热点问题。

表3 被引文献及其被引量(top10)

排名前10的被引文献分布在8种期刊上，其中被引次数最高的前3篇文章分别刊登在《Environmental conservation》《Science》《Nature Geoscience》上，其中《Nature Geoscience》有2篇文章同时上榜。同时，有2篇文章上榜的期刊还有《NorthAmerican Journal of Fisheries Management》。这4个期刊可以作为该领域的核心重点期刊，为研究者们提供重要的学习途径。

2.5 关键词分析

2.5.1关键词可视化分析

对检索出的3404篇文章中出现的6448个关键词进行可视化分析，关键词出现频率大于100次的共有29个。常见关键词有修复、水质、影响、沉积物、河道、管道、沉积物运移、下游区、腐蚀、植物、生态系统、土地利用、动力学、气候变化、环境影响、氮气等，可为分析河道底泥修复技术的研究方向提供参考。

2.5.2关键词聚类分析

出现频率大于50的关键词聚类分析的结果将72个关键词被分为4个聚类。聚类1的主要关注点在于污泥影响、气候变化、水土流失、土地利用、可变性以及腐蚀作用等。这一部分学者们主要研究了底泥污染造成的影响和危害，并根据现实情况深研了底泥污染影响因子。聚类2中的常见关键词主要是河流修复、生态系统、生物圈、生物多样性、鱼类和植物等。这一部分主要描述了底泥污染对于河道生态环境的影响，不仅包括水生动植物，而且延伸至河道影响范围内的整个生物圈。聚类3中常见的关键词主要为底泥修复、底泥转运、顺流、漂流、管道、形态学、动力学。该部分主要归纳了对于底泥修复的可行性技术，主流方法仍是通过转运等异位处理技术处理。同时对运行处理过程中所涉及的形态学及动力学知识进行了阐述。聚类4中常见的关键词为水质、底泥、碳、磷、氮、脱氮、有机质、重金属等。此部分则主要从化学和机理方面对底泥污染进行了详细论述。关键词热点现象的出现也将代表河道底泥修复技术未来研究趋势和发展方向。

2.5.3共现关键词出现时间分析

对共现关键词出现时间进行分析发现，2014年之后，关键词为河流、生态系统、生物圈，生物多样性、鱼等，结果显示底泥修复技术研究领域还在着重于研究其污染对周边环境的影响阶段。随着时间的推移，研究人员开始转向针对于底泥污染的修复技术，并从机理层面探讨修复技术的创新与改革。此阶段中，碳、氮、有机质、重金属成为底泥修复技术的研究热点。在底泥污染的机理层面被广大研究者了解后，众多研究者在此基础上开始集中研究新的污泥转运等新型处理技术。在2017年后，研究者们意识到不能停留在先污染后治理的旧阶段，而是需要从源头减轻污染的可能。众多的研究开始集中于水土流失，气候变化，腐殖作用等因素对底泥淤积的影响，以求从源头处减少底泥的淤积问题，从而达到以提前预防代替处理修复的目的。

3 基于关键词分析的研究热点与发展趋势

3.1 现行底泥处理方法对比评价

自底泥修复问题被人们认识到的几十年间，历经众多行业研究者的共同努力，探索出多种多样的底泥修复技术。然而这些技术各有其优缺点，见表4。异位处理技术效率高但会造成严重的二次污染[10]，原位修复技术环保无害的同时却难以保证效率[11，14]。

表4 现行不同底泥修复技术对比

3.2 底泥修复技术发展趋势

在综合各种底泥修复技术的优缺点后，众多研究指向于结合多种技术优势特点的联合修复方法以及深入探讨如何由源头方向减少底泥的堆积[15]。

3.2.1化学-生物联合修复技术

表4所提到化学修复技术和生物修复技术都有其各自优缺点，但将二者联合使用就能达到相辅相成的效果。化学修复技术可以提高水中污染物的溶解度，为生物修复技术提供良好的作用环境[14，16]。例如臭氧和生物联合修复能够促进微生物的分解作用。此技术的关键点在于对底泥状况精确的检测分析，调配合适的化学试剂与微生物投加量。防止过度使用化学药品对河道造成的二次污染。

3.2.2微生物-植物联合修复技术

此技术利用某些微生物与植物的共生关系，利用植物根系为微生物提供生长载体。同时，以根系产生的分泌物及氧气为微生物生长提供适宜的环境。反过来，微生物降解底泥污染物的过程中富集重金属，为植物的生长提供必要养分达到相辅相成的效果。

此项技术目前多应用于黑臭水体的治理当中，在河道底泥修复方面的应用还存在一定欠缺。其应用的关键点在于需挑选合适共生关系的植物与微生物，同时植物也需要定期修理，以免死亡的根系过多对河道底泥产生污染。

4 结论

(1)从2000—2021年相关领域文章发表数量趋势得出，每年文章数量偶有波动，但总体呈上升趋势。随着河道底泥修复问题不断得到重视，近年该领域文章发表增长趋势明显。同时，根据趋势线预测未来该领域研究将持续高涨。

(2)就全球范围内相关研究机构而言，中美两国处于此领域研究的领先地位。美国国家地质调查局、中国科学院、美国路易斯安那州立大学、中国科学大学和北京师范大学是此研究领域内排名前五的研究机构。

(3)就此研究领域内核心作者与文献被引数量而言。根据普赖斯理论计算，该领域核心作者共330名﹐占作者总人数的3.07%，核心作者发文章1935篇，占文章发表总数的56.8%，超过本领域文章数量的一半，已形成该领域的核心作者群。同时，北京师范大学环境学院的崔保山教授是国内本领域研究的代表人物之一。

(4)关键词聚类分析将72个热点关键词分为4类。第1类主要研究底泥造成的污染危害以及底泥形成的机理。第2类主要描述底泥对周边整个生态圈的影响。第3类主要讲述底泥修复的可行性办法。第4类则主要从化学和机理方面对底泥污染进行了详细论述。

(5)从关键词出现频次及时间节点分析，当下研究的热点主要集中于联合修复技术的新型底泥处理方法，以及从机理层面分析底泥形成的原因，探究如何由源头减少底泥污染。