基于CiteSpace 水體曝氣分析

楊繼翔

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

0 引言

在社會飛速發(fā)展的21 世紀(jì)，人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展取得了輝煌成就，現(xiàn)在由數(shù)字信息化時(shí)代逐步邁進(jìn)大數(shù)據(jù)信息化時(shí)代[1]。各行各業(yè)都有序?qū)τ诒拘袠I(yè)專業(yè)進(jìn)行大數(shù)據(jù)信息化改革，水體凈化[2]行業(yè)也迎來新的發(fā)展機(jī)遇。依照我國國情以及時(shí)代的發(fā)展，綠色發(fā)展[3]已經(jīng)成為必然趨勢，生態(tài)環(huán)境保護(hù)各項(xiàng)措施的實(shí)施有助于實(shí)現(xiàn)我國水體凈化行業(yè)向現(xiàn)代化邁進(jìn)。近些年，在信息建設(shè)的發(fā)展的帶動(dòng)下，水體凈化行業(yè)與其他行業(yè)取長補(bǔ)短、相互融合，信息化水體凈化更是取得了卓越的成就，依托互聯(lián)網(wǎng)＋模式、云服務(wù)計(jì)算平臺、大數(shù)據(jù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，逐步實(shí)現(xiàn)了我國水體凈化信息的采集、儲存、分析、處理、共享。

而在水體凈化行業(yè)中，水體曝氣是至關(guān)重要的一環(huán)，影響著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，把握水體曝氣的大眾話題和前沿方向顯得尤為重要。本文將基于CiteSpace 對水體曝氣進(jìn)行分析[4]，結(jié)合相關(guān)學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和政策，對其原因進(jìn)行研究。

1 可視化分析軟件CiteSpace

CiteSpace 是陳超美博士[5]依托于Java 計(jì)算機(jī)編程語言開發(fā)的實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)計(jì)量分析、文獻(xiàn)關(guān)聯(lián)性分析、前沿展現(xiàn)、熱點(diǎn)展現(xiàn)等可視化分析軟件，其中包括聚類分析、突顯點(diǎn)分析、關(guān)聯(lián)點(diǎn)數(shù)量分析等多種方法[6]。CiteSpace軟件是目前國內(nèi)為人說熟知的文獻(xiàn)分析軟件，因?yàn)槠鋸?qiáng)大的關(guān)鍵詞分析技術(shù)對擬定課題有著極大的幫助，受到廣大學(xué)術(shù)研究者喜愛。此軟件支持從中國知網(wǎng)（CNKI）、中文社會科學(xué)引文索引（CSSCI）等網(wǎng)站直接下載原數(shù)據(jù)文件，將每個(gè)文獻(xiàn)與文獻(xiàn)之間的關(guān)系以更加立體可視化的知識圖譜的方式呈現(xiàn)，使使用者能夠一眼看出所研究的熱點(diǎn)與前沿點(diǎn)[7]。此軟件還能幫助使用者理清搜索關(guān)鍵詞過去的研究軌跡。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究以“水體曝氣”作為主題詞進(jìn)行檢索，統(tǒng)計(jì)了2011 年1 月1 日—2022 年1 月1 日收錄在中國知網(wǎng)（CNKI）上的所有中文期刊、學(xué)位論文、會議和成果，最終得到了246 篇文獻(xiàn)，包含學(xué)術(shù)期刊88 篇、學(xué)位論文150 篇、會議2 篇、成果5 個(gè)。借助CiteSpace5.8.R3軟件，生成知識圖譜[8]，用以研究中國水體曝氣的發(fā)展歷程和前沿發(fā)展。

3 水體曝氣相關(guān)分析

3.1 數(shù)量分析

從CiteSpace 得出2011 年1 月1 日—2022 年1 月1 日水體曝氣的發(fā)文數(shù)量。我國水體曝氣發(fā)文數(shù)量總體處于上升趨勢，但相較于2019 年最大值39 篇逐漸回落，2011—2019 年，我國水體曝氣發(fā)文數(shù)量呈爆發(fā)趨勢，在2020—2021 年水體曝氣熱度回落。2019 年生態(tài)環(huán)境部公布統(tǒng)籌強(qiáng)化監(jiān)督，將黑臭水體[9]專項(xiàng)摸排放到第一階段，注重強(qiáng)調(diào)黑臭水體專項(xiàng)清治。在整個(gè)專項(xiàng)行動(dòng)公布數(shù)據(jù)中，南方黑臭水體明顯多于北方，原因是南方雨水充足，雨水落到地面后，由于地形起伏不定，水流匯集到坑洼地方形成水坑，再加上腐殖質(zhì)和其他微生物的共同作用下，發(fā)生厭氧反應(yīng)，發(fā)出惡臭氣體。

3.2 關(guān)系詞聚類分析

通過關(guān)鍵詞聚類可以研究水體曝氣在2011 年1月1 日—2022 年1 月1 日的研究共性，利用CiteSpace 軟件按照聚類大小提取前9 項(xiàng)聚類關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如表1 所示。聚類分析指出前9 項(xiàng)分別是城市河道、微孔曝氣[10]、黑臭河道、原位恢復(fù)[11]、揚(yáng)水曝氣、黑臭水體、生態(tài)浮床、曝氣深度、溫度梯度，此外還有微曝氣、遷移轉(zhuǎn)化、硝化作用、內(nèi)源氮[12]。

表1 聚類分析時(shí)間線

從聚類分析不難看出，水體曝氣與黑臭水體關(guān)系密切。曝氣主要是由曝氣機(jī)將水和空氣同時(shí)注入水體中，使空氣與水體接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，抑制厭氧反應(yīng)，從而達(dá)到凈化水體的目的。黑臭水體污染部分來自化學(xué)肥料的大量使用，環(huán)保高效的曝氣方式成為水體凈化方面急需尋找的方法。對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，水體曝氣目前只能起到一定的作用，只有人們對水體溫度和濕度的控制做到實(shí)時(shí)的對水體環(huán)境做出改變，曝氣也隨之改變，才能更好的反應(yīng)出水體曝氣與黑臭水體關(guān)系密切。

3.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

通過關(guān)鍵詞可以反映該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問題及演進(jìn)方向。利用CiteSpace 軟件生成的關(guān)鍵詞知識圖譜并列出目錄表格如表2 所示。

表2 關(guān)鍵詞知識圖譜目錄

2011 年1 月1 日—2022 年1 月1 日期間，關(guān)于水體曝氣的文獻(xiàn)和曝氣、黑臭水體、城市河道、揚(yáng)水曝氣、微孔曝氣等關(guān)鍵詞密切相關(guān)，其中曝氣和黑臭水體的頻次更是達(dá)到了20 次以上，由此可以反映出近年來曝氣和黑臭水體為研究的熱點(diǎn)問題。

由CiteSpace 分析水體曝氣得出兩個(gè)最多引用的關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床[13]和黑臭水體，可以引證近些年尤其2019 年以來，對于黑臭水體的解決問題成為重點(diǎn)，水體曝氣是解決辦法之一。

進(jìn)一步分析結(jié)合國家政策可知：現(xiàn)在“十四五”規(guī)劃綱要明確要基本消除城市黑臭水體，黑臭水體攻堅(jiān)戰(zhàn)的全面啟動(dòng)，不論南方北方，不論城市農(nóng)村，凡是涉及黑臭水體的地方都要根本性解決此類問題，杜絕黑臭水體再生。根據(jù)住建部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》中指出，使人感到厭惡或引發(fā)人體不適的水體都可納入黑臭水體的范疇，黑臭水體不僅破壞生態(tài)環(huán)境，更對人體有著重大威脅，黑臭水體中含有各種致病原、人體有害微生物甚至還有寄生蟲。

3.4 熱點(diǎn)演進(jìn)

為進(jìn)一步研究水體曝氣領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)演進(jìn)，運(yùn)用CiteSpace 軟件構(gòu)建智慧水利領(lǐng)域關(guān)鍵詞時(shí)間線視圖，2011—2022 中國水體曝氣領(lǐng)域內(nèi)前時(shí)間演進(jìn)過程河道水體研究現(xiàn)在成為研究的最前沿。

根據(jù)聚類分析時(shí)間線圖，2011—2022 年對于水體曝氣的研究進(jìn)程可分為2 個(gè)研究階段。

（1）2011—2018 年是我國生態(tài)文明建設(shè)時(shí)期[14]，中共中央辦公廳國務(wù)院辦公廳印發(fā)《生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)評價(jià)考核辦法》指出，全社會應(yīng)該建立更加對環(huán)境友好的社會，生態(tài)文明建設(shè)刻不容緩。生態(tài)文明建設(shè)是為了人類的未來，為了子子孫孫可以更好地生活在這片土地上。根據(jù)CiteSpace 顯示，在此階段關(guān)于人類與環(huán)境的關(guān)系、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施改善等話題眾多。

（2）2019 至今是我國污染防治治理時(shí)期，“十四五”時(shí)期要加快跨區(qū)域、跨流域的協(xié)同污染治理，要打破已有行業(yè)壁壘，進(jìn)行數(shù)據(jù)上的互通，逐步建立并完善污染防治數(shù)據(jù)統(tǒng)一大平臺，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，防止形成行業(yè)孤島，防止數(shù)據(jù)碎片化。

4 水體曝氣的前景和建議

隨著社會的發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人口急劇增長所帶來的污染同比增長。當(dāng)污染進(jìn)入河道的速度大于河流本身的自凈能力，就容易導(dǎo)致黑臭河道的形成。

曝氣設(shè)備行業(yè)地位表現(xiàn)在三個(gè)方面：行業(yè)的產(chǎn)值、勞動(dòng)力的數(shù)量在工業(yè)總產(chǎn)值、財(cái)務(wù)收入和就業(yè)總盤中的比例；行業(yè)的現(xiàn)狀和未來對整個(gè)社會經(jīng)濟(jì)以及其他行業(yè)發(fā)展影響的程度，行業(yè)在國際市場上競爭、創(chuàng)新能力。

在水體曝氣行業(yè)中，曝氣機(jī)巨大的能耗是一大問題，建立更加清潔的能源去曝氣是行業(yè)需求。本人認(rèn)為可以設(shè)計(jì)并制作的風(fēng)力曝氣水體增氧裝置，以風(fēng)能為能源，帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生有壓氣體形成曝氣，增加水體含氧量。裝置將布置在沿海地區(qū)和風(fēng)能豐富的內(nèi)陸地區(qū)，應(yīng)用范圍較廣。風(fēng)力曝氣水體增氧裝置啟動(dòng)風(fēng)速約4m/s（3 級風(fēng)速）。隨著風(fēng)速加大，可增大供氧量。同時(shí)采用時(shí)段水體含氧量監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)了解水體含氧量變化。在水體含氧量滿足的條件下，曝氣裝置自動(dòng)停止向水體通氣，將壓力氣體存儲于儲氣罐。當(dāng)水體含氧量低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，再將空氣存儲罐中氣體通入水體，實(shí)現(xiàn)水體的長時(shí)間供氧。

相較于傳統(tǒng)曝氣裝置，新型裝置由風(fēng)力傳動(dòng)，推動(dòng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生曝氣。直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣壓能，并且可以利用任何方向的風(fēng)能，能夠減少能量損失，提高能量利用率。目前市面上曝氣裝置大都采用電力驅(qū)動(dòng)，增加了能源消耗的同時(shí)，也增加了生產(chǎn)成本。裝置將直接利用清潔能源——風(fēng)能產(chǎn)生曝氣，即減低了運(yùn)營成本，又可持續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。新型曝氣裝置不需電能而利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)，在風(fēng)能滿足的條件下，可取代傳統(tǒng)曝氣裝置，極大節(jié)省能源動(dòng)力消耗。部署在城市公園可豐富城市景觀，具有美觀、節(jié)能，綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備可在一定程度上降低生態(tài)凈水運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)增收、環(huán)保雙贏。我國沿海風(fēng)能資源豐富，這種曝氣設(shè)備能很好的利用這一自然資源，將很好地適用于近海水產(chǎn)養(yǎng)殖。增加河湖或水庫水體的溶解氧，從而增強(qiáng)水體的自凈能力，或者應(yīng)用于污水處理，與傳統(tǒng)的曝氣裝置相比，將大大的節(jié)約成本。

5 結(jié)語

本研究基于CiteSpace 可視化分析軟件，對2011年1 月1 日—2022 年1 月1 日期間中國知網(wǎng)（CNKI）有關(guān)于水體曝氣的中文文獻(xiàn)進(jìn)行整理分析，并結(jié)合有關(guān)政策得出以下結(jié)論。

（1）2011—2022 年，中國水體曝氣的熱點(diǎn)從生態(tài)文明建設(shè)到污染防治治理階段，主要集中在黑臭水體、揚(yáng)水曝氣、微孔曝氣、微曝氣、遷移轉(zhuǎn)化等方面，反映了中國政府環(huán)境保護(hù)管理人員和公眾的環(huán)境保護(hù)意識逐漸增強(qiáng)，已經(jīng)落實(shí)到行動(dòng)階段，對于污染問題零容忍的態(tài)度、對于污染問題追查到底的決心和對于防治污染都做出了自己的貢獻(xiàn)。

（2）2011—2022 年，水體曝氣的研究進(jìn)程可分為2 個(gè)研究階段，未來隨著智慧化水平的不斷提高，對于污染管理要求不斷嚴(yán)格，各大高校、職業(yè)院校也正在培養(yǎng)基本具備污染防治專業(yè)素養(yǎng)的專業(yè)人才，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，使得云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，不斷培養(yǎng)掌握大數(shù)據(jù)等新技術(shù)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的污染防治科技創(chuàng)新人才隊(duì)伍。

污染防治治理道路任重而道遠(yuǎn)，不僅僅在水體曝氣要做到與時(shí)俱進(jìn)，更要在其他方面跟隨時(shí)代腳步。水體曝氣建設(shè)更是擔(dān)任著水體凈化工作的第一線，在做好上層建筑的同時(shí)，也有兼顧基層建設(shè)，強(qiáng)化水體凈化行業(yè)監(jiān)管，打好黑臭水體攻堅(jiān)戰(zhàn)，維護(hù)水生態(tài)文明，實(shí)現(xiàn)水資源高質(zhì)量發(fā)展。