陳東風(fēng)，薛明明，晏 語，郭仁書，張 波

(1.鎮(zhèn)江市防汛防旱搶險中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

近些年來，隨著我國國民經(jīng)濟以及工業(yè)的快速發(fā)展，在取得長足進步的同時，隨之而來環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴重，尤其是水環(huán)境污染問題[1]。但水環(huán)境的內(nèi)源污染常常被人們忽視，河道底泥是水體環(huán)境氮、磷、重金屬等污染物的蓄積地[2]，污染物質(zhì)會通過底泥的“源”“匯”特性發(fā)生遷移、擴散和轉(zhuǎn)化，對水體造成二次污染，對水生生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅[3]?，F(xiàn)行多種如填埋、焚燒、原位掩蔽[4]、生物，化學(xué)[5]等修復(fù)方法各有其優(yōu)缺點，難以達到安全環(huán)保標準。因此，針對上述現(xiàn)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(huán)境健康，達到持續(xù)健康發(fā)展的目標[6]。

為了更好地跟蹤國內(nèi)外河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究趨勢，本研究對2000—2021年以來Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中相關(guān)刊物進行回顧與分析。繪制了關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系圖譜，梳理了河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究熱點及未來發(fā)展趨勢，總結(jié)了現(xiàn)行不同修復(fù)方法的優(yōu)劣所在，提出了對未來相關(guān)研究發(fā)展的建議，以期為今后的相關(guān)研究提供有建設(shè)性意義的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計方法

所有數(shù)據(jù)來源于Web of Science核心合集，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫每日更新導(dǎo)致文獻數(shù)量偏差。限制文獻類型為Article(論文)和Review(綜述)，對語言和數(shù)據(jù)類別沒有限制，并在檢索結(jié)果中篩選與河道底泥修復(fù)研究有關(guān)的文章，共得到文獻3404篇(系統(tǒng)時間范圍為2000—2021年)。使用Microsoft Excel 2010分析出版數(shù)量的趨勢，采用多項式模型預(yù)測下一年發(fā)表量的增長趨勢。同時，使用VOSviewer(1.6.13版)進行文獻、關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次和可視化分析，揭示目前全球范圍內(nèi)對于河道底泥修復(fù)研究的熱點以及趨勢。網(wǎng)絡(luò)圖中每個節(jié)點代表一個關(guān)鍵詞，節(jié)點的大小表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點之間連線的粗細表示關(guān)鍵詞共現(xiàn)強度的高低，彼此鄰近的關(guān)鍵詞表示他們通常出現(xiàn)在相似的文獻中。VOSviewer的計數(shù)方法采用分數(shù)計數(shù)，限制每篇文章最大作者數(shù)量為25個。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)表文獻數(shù)量及增長趨勢

圖1為2000—2021年全球每年發(fā)表河道底泥修復(fù)技術(shù)研究文獻的數(shù)量和增長趨勢。結(jié)果顯示，在2004年前文獻數(shù)量增長緩慢。這一階段是國內(nèi)外對于河道底泥修復(fù)處理的研究還處于初級階段，不夠深入。但從2009年開始，關(guān)于河道底泥修復(fù)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(fā)表數(shù)量超過200篇，且增長趨勢仍在繼續(xù)。值得關(guān)注的是，2019—2021年3年間發(fā)表文章數(shù)量均超過300篇。用多項式趨勢線模型模擬了22年中發(fā)表年份與發(fā)表文獻數(shù)量之間的關(guān)系。發(fā)文量伴隨著年份持續(xù)增多，且增加幅度越來越大。根據(jù)目前的線性趨勢，預(yù)測2022年發(fā)表文獻數(shù)量將會接近400篇，表明對于河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究仍然在持續(xù)發(fā)展中。趨勢線方程如下：

圖1 底泥修復(fù)技術(shù)研究文獻數(shù)量變化趨勢圖

y=0.4702x2+4.9321+16.896

(1)

式中，y—發(fā)文數(shù)量，篇；x—第幾年；決定系數(shù)R2=0.978，且其趨勢線模型擬合結(jié)果良好。

2.2 研究機構(gòu)

全球范圍內(nèi)有2839家機構(gòu)在河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究中做出貢獻。在前10的研究機構(gòu)中，Us geol survey(美國地質(zhì)調(diào)查局)發(fā)表相關(guān)文獻199篇位居第一，占總發(fā)文數(shù)量的5.85%；排名第二的機構(gòu)是Chinese acad sci(中國科學(xué)院)發(fā)文192篇，占比5.64%；第三是Louisiana state univ(路易斯桑那州立大學(xué))發(fā)文數(shù)量為161，占比4.73。其他機構(gòu)包括Univ chinese acad sci(中國科學(xué)大學(xué))、Beijing normal univ(北京師范大學(xué))、Colorado state univ(科羅拉多州立大學(xué))等，見表2。結(jié)果顯示，對本領(lǐng)域的研究主要集中在中美國家專業(yè)機構(gòu)及高校。在綜合總被引次數(shù)以及篇均被引次數(shù)方面，Univ maryland(馬里蘭大學(xué))、Univ calif berkeley(加州大學(xué)伯克利分校)和Colorado state univ(科羅拉多州立大學(xué))在河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究及應(yīng)用方面具備較強實力。

表1 河道底泥修復(fù)技術(shù)研究機構(gòu)(top10)

表2 底泥修復(fù)技術(shù)研究作者(top10)

2.3 核心作者分析

對文章作者的統(tǒng)計可以籠統(tǒng)地了解該行業(yè)作者發(fā)文的大體情況，而研究該領(lǐng)域的核心作者更便于對該領(lǐng)域的研究前沿進行追蹤[7]。對于本文檢索范圍內(nèi)全部的3404篇河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究涉及10748名作者，發(fā)文數(shù)量20篇及以上的作者4名，10篇及以上的作者35名，發(fā)文僅1篇的作者有8934名，平均合作度為3.15。發(fā)文數(shù)量前十的作者名錄見表2?？梢郧宄目吹皆诎l(fā)表文章前十名的作者中有6名來自美國，說明關(guān)于河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究美國仍處于領(lǐng)先地位。同時，十分值得關(guān)注的是來自北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院的崔保山教授發(fā)表了14篇文章，文章共被引288次，篇均被引20.57次，為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究做出了突出貢獻，影響力突出。

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

Nmin=0.749×(Nmax)1/2

(2)

式中，Nmax—單作者最高發(fā)文量；Nmin—核心作者最低發(fā)文量。

利用式(2)計算﹐該領(lǐng)域核心作者最低發(fā)文量應(yīng)為Nmin=3.96篇﹐據(jù)此可判定發(fā)表4篇及以上的作者方可成為核心作者。從檢索結(jié)果可知，核心作者共330名﹐占作者總?cè)藬?shù)的3.07%，根據(jù)統(tǒng)計核心作者發(fā)表的文章有1935篇，占文章發(fā)表總數(shù)的56.8%，略高于賴普斯理論中50%的理論值。這說明該領(lǐng)域的核心作者群已經(jīng)形成，他們發(fā)揮著導(dǎo)向作用，不斷將研究推向新的水平，對該領(lǐng)域的發(fā)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(tǒng)計的前10篇被引文獻和被引量可以看出，來自劍橋大學(xué)的Klement Tockner在2002年發(fā)的文章《Riverine flood plains：present state and futuretrends》被引次數(shù)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(nèi)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(guān)系，道明了未來水文循環(huán)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(fù)處理的必要之舉[9]，為后來的研究者們提供了方向。被引數(shù)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(xué)院的Robertc.walter于2008年發(fā)表在Science上的《Natural Streams and the Legacy of Water-Powered Mills》，和路易斯安那州立大學(xué)的Michael D.Blum在2009年發(fā)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(shù)量也均超過了350次。這說明底泥修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)成為當(dāng)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(shù)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(lǐng)域的核心重點期刊，為研究者們提供重要的學(xué)習(xí)途徑。

2.5 關(guān)鍵詞分析

2.5.1關(guān)鍵詞可視化分析

對檢索出的3404篇文章中出現(xiàn)的6448個關(guān)鍵詞進行可視化分析，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率大于100次的共有29個。常見關(guān)鍵詞有修復(fù)、水質(zhì)、影響、沉積物、河道、管道、沉積物運移、下游區(qū)、腐蝕、植物、生態(tài)系統(tǒng)、土地利用、動力學(xué)、氣候變化、環(huán)境影響、氮氣等，可為分析河道底泥修復(fù)技術(shù)的研究方向提供參考。

2.5.2關(guān)鍵詞聚類分析

出現(xiàn)頻率大于50的關(guān)鍵詞聚類分析的結(jié)果將72個關(guān)鍵詞被分為4個聚類。聚類1的主要關(guān)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(xué)者們主要研究了底泥污染造成的影響和危害，并根據(jù)現(xiàn)實情況深研了底泥污染影響因子。聚類2中的常見關(guān)鍵詞主要是河流修復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)、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(tài)環(huán)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(nèi)的整個生物圈。聚類3中常見的關(guān)鍵詞主要為底泥修復(fù)、底泥轉(zhuǎn)運、順流、漂流、管道、形態(tài)學(xué)、動力學(xué)。該部分主要歸納了對于底泥修復(fù)的可行性技術(shù)，主流方法仍是通過轉(zhuǎn)運等異位處理技術(shù)處理。同時對運行處理過程中所涉及的形態(tài)學(xué)及動力學(xué)知識進行了闡述。聚類4中常見的關(guān)鍵詞為水質(zhì)、底泥、碳、磷、氮、脫氮、有機質(zhì)、重金屬等。此部分則主要從化學(xué)和機理方面對底泥污染進行了詳細論述。關(guān)鍵詞熱點現(xiàn)象的出現(xiàn)也將代表河道底泥修復(fù)技術(shù)未來研究趨勢和發(fā)展方向。

2.5.3共現(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)時間分析

對共現(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)時間進行分析發(fā)現(xiàn)，2014年之后，關(guān)鍵詞為河流、生態(tài)系統(tǒng)、生物圈，生物多樣性、魚等，結(jié)果顯示底泥修復(fù)技術(shù)研究領(lǐng)域還在著重于研究其污染對周邊環(huán)境的影響階段。隨著時間的推移，研究人員開始轉(zhuǎn)向針對于底泥污染的修復(fù)技術(shù)，并從機理層面探討修復(fù)技術(shù)的創(chuàng)新與改革。此階段中，碳、氮、有機質(zhì)、重金屬成為底泥修復(fù)技術(shù)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(chǔ)上開始集中研究新的污泥轉(zhuǎn)運等新型處理技術(shù)。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(yù)防代替處理修復(fù)的目的。

3 基于關(guān)鍵詞分析的研究熱點與發(fā)展趨勢

3.1 現(xiàn)行底泥處理方法對比評價

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

表4 現(xiàn)行不同底泥修復(fù)技術(shù)對比

3.2 底泥修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢

在綜合各種底泥修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點后，眾多研究指向于結(jié)合多種技術(shù)優(yōu)勢特點的聯(lián)合修復(fù)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(xué)-生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

表4所提到化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)都有其各自優(yōu)缺點，但將二者聯(lián)合使用就能達到相輔相成的效果?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)可以提高水中污染物的溶解度，為生物修復(fù)技術(shù)提供良好的作用環(huán)境[14，16]。例如臭氧和生物聯(lián)合修復(fù)能夠促進微生物的分解作用。此技術(shù)的關(guān)鍵點在于對底泥狀況精確的檢測分析，調(diào)配合適的化學(xué)試劑與微生物投加量。防止過度使用化學(xué)藥品對河道造成的二次污染。

3.2.2微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

此技術(shù)利用某些微生物與植物的共生關(guān)系，利用植物根系為微生物提供生長載體。同時，以根系產(chǎn)生的分泌物及氧氣為微生物生長提供適宜的環(huán)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(yǎng)分達到相輔相成的效果。

此項技術(shù)目前多應(yīng)用于黑臭水體的治理當(dāng)中，在河道底泥修復(fù)方面的應(yīng)用還存在一定欠缺。其應(yīng)用的關(guān)鍵點在于需挑選合適共生關(guān)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(chǎn)生污染。

4 結(jié)論

(1)從2000—2021年相關(guān)領(lǐng)域文章發(fā)表數(shù)量趨勢得出，每年文章數(shù)量偶有波動，但總體呈上升趨勢。隨著河道底泥修復(fù)問題不斷得到重視，近年該領(lǐng)域文章發(fā)表增長趨勢明顯。同時，根據(jù)趨勢線預(yù)測未來該領(lǐng)域研究將持續(xù)高漲。

(2)就全球范圍內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)而言，中美兩國處于此領(lǐng)域研究的領(lǐng)先地位。美國國家地質(zhì)調(diào)查局、中國科學(xué)院、美國路易斯安那州立大學(xué)、中國科學(xué)大學(xué)和北京師范大學(xué)是此研究領(lǐng)域內(nèi)排名前五的研究機構(gòu)。

(3)就此研究領(lǐng)域內(nèi)核心作者與文獻被引數(shù)量而言。根據(jù)普賴斯理論計算，該領(lǐng)域核心作者共330名﹐占作者總?cè)藬?shù)的3.07%，核心作者發(fā)文章1935篇，占文章發(fā)表總數(shù)的56.8%，超過本領(lǐng)域文章數(shù)量的一半，已形成該領(lǐng)域的核心作者群。同時，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院的崔保山教授是國內(nèi)本領(lǐng)域研究的代表人物之一。

(4)關(guān)鍵詞聚類分析將72個熱點關(guān)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(tài)圈的影響。第3類主要講述底泥修復(fù)的可行性辦法。第4類則主要從化學(xué)和機理方面對底泥污染進行了詳細論述。

(5)從關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次及時間節(jié)點分析，當(dāng)下研究的熱點主要集中于聯(lián)合修復(fù)技術(shù)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。