基于WOS數(shù)據(jù)庫的飲用水源地評價知識圖譜分析

蔡旺煒,夏繼紅,祖加翼,劉則雯

(1.河海大學農業(yè)科學與工程學院, 江蘇 南京 211100;2.江蘇省農業(yè)水土資源高效利用與固碳減排工程研究中心, 江蘇 南京 211100)

飲用水安全關乎人民健康、經濟發(fā)展乃至國家安危。飲用水源地評價對飲用水安全保障及區(qū)域生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護具有重要現(xiàn)實意義[1-4]。飲用水源地評價內涵豐富,涉及的理論技術體系持續(xù)演化,應及時追蹤該領域的研究熱點和發(fā)展趨勢[5-6]。近些年來,國內外陸續(xù)有學者從不同角度開展了相關工作。鄭金秀等[5]總結了20世紀50年代至21世紀前10年的我國飲用水源地生態(tài)評價的研究進展,指出生態(tài)健康評價和完善評價指標體系是研究趨勢。Ford等[7]通過對飲用水源地健康風險評估的相關研究進行文獻計量分析,發(fā)現(xiàn)針對監(jiān)管較弱的農村地區(qū)飲用水源地的健康風險評估和管理還非常匱乏。羅軍華等[8]使用CiteSpace軟件構建并比較了國內外飲用水源地研究的知識圖譜,指出亟須新理論和新技術的創(chuàng)造和運用。Gupta等[9]基于Scopus數(shù)據(jù)庫,對1970—2020年間東南亞地區(qū)地下飲用水源地的研究發(fā)展趨勢進行了文獻計量分析。此外,還有針對單個重要飲用水源地(如三峽水庫[10])風險評估相關研究的歸納總結,為建立具體水源地的長效監(jiān)測評估機制提供了依據(jù)。然而,在飲用水源地評價研究多學科交叉特征不斷增強[11]的背景下,相關理論技術體系的融合與創(chuàng)新需要以領域整體知識結構、演化特征和發(fā)展態(tài)勢為指引,而現(xiàn)有研究尚不能很好提供這一支撐。知識圖譜是一種描述知識資源及其載體的組成、結構和聯(lián)系的可視化技術,在知識爆炸的背景下,建立知識圖譜對很多領域的發(fā)展具有巨大的推動作用[12-13]。Web of Science數(shù)據(jù)庫(WOS)廣泛收錄了世界各地學者數(shù)十年來關于飲用水源地評價的研究報道,對其分析挖掘有助于獲得不同國家間的橫向差異和縱向演化特征。因此,本文嘗試基于WOS數(shù)據(jù)庫中的相關文獻,綜合運用知識圖譜構建工具和傳統(tǒng)文獻研究方法,梳理建立飲用水源地評價知識圖譜,分析其年代發(fā)展演化過程,進而研判未來發(fā)展趨勢,以期能為飲用水源地保護理論技術的創(chuàng)新發(fā)展提供支撐。

1 材料與方法

1.1 文獻收集

使用布爾邏輯代數(shù)式在WOS核心合集中檢索1986—2021年發(fā)表的在標題、摘要或關鍵詞中出現(xiàn)“drinking-water source”和“evaluation”及相近詞匯的文獻,保留論文、綜述論文和會議錄論文三類文獻。批量導出這些文獻的全記錄數(shù)據(jù)信息,存儲為.txt格式。

1.2 知識圖譜分析

飲用水源地評價研究的知識圖譜主要涉及主題分布、學科基礎及交叉特征、主要學術力量和渠道等3個方面的內容。①標題和摘要濃縮了論文的核心內容,故提取標題和摘要中的常見主題(定義為至少在5篇論文中出現(xiàn)過的實詞,不包含檢索詞[14])通過VOSviewer軟件的共現(xiàn)聚類分析和可視化功能繪制主題分類分布網絡。VOSviewer由荷蘭學者于2010提出,該軟件采用了分層標簽展示技術,使得復雜網絡的節(jié)點標識可以通過交互清晰地展示出來,具備多種可視化模式和參數(shù)調節(jié)功能,是一款較新的知識圖譜繪制軟件[15]。②WOS數(shù)據(jù)庫中的論文都被標記了所屬學科標簽,基于這些標簽信息使用VOSviewer軟件繪制學科基礎及交叉網絡。③主要學術力量以國家或地區(qū)為單位,給定國家或地區(qū)對某篇論文的參與次數(shù)最多計1次,進而將該國家或地區(qū)所參與的論文數(shù)量與論文總數(shù)的比值定義為其參與度(%),參與度越高說明該國或地區(qū)學術力量越強。學術渠道主要指期刊和系列會議。

基于知識圖譜進一步追蹤重要研究熱點的起源與發(fā)展過程,比較不同國家或地區(qū)飲用水源地評價研究的特色。根據(jù)主題分布網絡圖譜提取高頻主題詞(在至少2%研究性論文出現(xiàn)的主題詞,不含檢索詞),進一步運用突發(fā)高被引論文探測策略[16]和主題詞的被引頻次、中心性和突現(xiàn)性[17]綜合判定某些熱點是否屬于當前研究前沿或新興熱點。針對飲用水源地評價研究領域的主要參與國家或地區(qū),根據(jù)主題分布網絡中各國名詞共現(xiàn)網絡及各國綜述性文獻的主要內容來比較研究特色。

2 結果與分析

2.1 學術資源分布概況

在WOS數(shù)據(jù)庫中檢索和篩選后得到飲用水源地評價相關學術論文7701篇,其中研究性論文占97%,綜述性論文占3%,兩類論文數(shù)量的逐年變化如圖1所示。1995年以前每年發(fā)表的研究性論文不超過5篇,此后5年里波動增長至50篇,而在21世紀前10年里則持續(xù)增長超過200篇,進入2010年后則從200多篇快速增長至600多篇。2000年以前,綜述性論文發(fā)表數(shù)量很少,而目前每年的發(fā)表數(shù)量基本在10篇以上。根據(jù)科研文獻數(shù)量增長和老化的一般規(guī)律[18],可將飲用水源地評價研究的發(fā)展大致劃分為早期積累階段(1999年以前)、持續(xù)發(fā)展階段(2000—2009年)和快速發(fā)展階段(2010年以后)。中美兩國是該研究領域主要的學術力量來源,參與度分別為19.9%和17.4%,其他參與度較高的國家或地區(qū)還有印度、德國和加拿大,參與度均超過5%。相關論文主要發(fā)表在10本主流學術期刊和5項系列學術會議上(表1)。

表1 飲用水源地評價相關學術論文主要發(fā)表渠道

圖1 WOS數(shù)據(jù)庫中飲用水源地評價相關文獻的數(shù)量變化Fig.1 Change in the number of literatures for drinking-water source evaluation in Web of Science

2.2 研究主題分布網絡

從研究性論文中提取的常見主題詞683個(不含檢索詞),經共現(xiàn)聚類分析將它們分為5類,如圖2所示(圖標間連線粗細代表共現(xiàn)次數(shù),圖標距離越近表明彼此共現(xiàn)性越強)。第一類由紅色圖標組成,包含175個常見主題詞,以river、impact、water quality、system和concentration等為中心詞(與其共現(xiàn)的主題詞超過200個),該類主題可命名為“河流型飲用水源地水質評價”。第二類由綠色圖標組成,包含139個常見主題詞,中心詞主要有surface water、occurrence、lake、reservoir、distribution、sediment、risk assessment等,故該類主題主要針對“湖庫型飲用水源地污染風險評估”。第三類為藍色圖標,包含132個常見主題詞,中心詞為groundwater、case study、area、river basin和region,表明主要針對“地下飲用水源地評價”。第四類由黃色圖標組成,包含131個常見主題詞,中心詞為effect和removal,該類主題主要關于“水中污染物去除工藝及效果評估”。第五類是紫色圖標,包含106個常見主題詞,中心詞為water、analysis、determination、method和application,該類主題主要面向“水中污染物檢測分析方法效率評價”。上述5類主題之間存在不同程度的聯(lián)系,第一類與其他4類主題均存在密切關系,第二類則主要與第一類和第五類主題聯(lián)系相對緊密;第三類主要與第一類關系密切;第四類與第一類和第五類聯(lián)系較緊密;第五類與第一類、第二類和第四類的關系都較強。而由圖3可知,早期積累階段(1990—1999年)、持續(xù)發(fā)展階段(2000—2009年)和快速發(fā)展階段(2010年以來)3個時期里飲用水源地評價研究主題數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)擴展態(tài)勢,與此同時,中心主題的研究熱度愈加集中。

圖2 飲用水源地評價常見主題詞共現(xiàn)聚類網絡Fig.2 Co-occurrence clustering network of common keywords in drinking-water source evaluation

圖3 不同發(fā)展階段飲用水源地評價研究常見主題詞熱度分布Fig.3 Heat maps of common keywords in drinking-water source evaluation at different development stages

關鍵詞中的高頻詞共有20個,它們在不同時期的出現(xiàn)頻率如表2所示?？傮w上,高頻詞的數(shù)量越來越多且出現(xiàn)頻率越來越高,表明飲用水源地評價研究內容的拓展性和聚焦性同步增強。排在首位的高頻詞water quality出現(xiàn)頻率從8.5%增長至23.8%,這是因為水質已不僅是環(huán)境問題、生態(tài)問題或水科學問題,還是社會學和管理學所關心的問題[19]。值得注意的是,risk在研究性論文中的出現(xiàn)頻率在2015—2019年期間的大幅增長,同時在綜述性論文里出現(xiàn)頻率最高,說明風險評估的重要性日益突出。與其他多數(shù)高頻詞不同,removal、toxicity和cyanobacteria等少數(shù)高頻詞的出現(xiàn)頻率呈先升后降變化模式,在2005—2009年期間達到峰值,主要是因為這一時期針對污染物去除提出了很多新工藝[20],以及世界上多個重要湖庫出現(xiàn)了較為嚴重的藻華爆發(fā)事件[21-22]。另外,basin、heavy-metals和personal care products等高頻詞在近10年或15年里出現(xiàn)頻率增長比較迅猛,說明由于遙感、地學和化學分析等研究手段的進步使得人們能夠對流域尺度過程、重金屬污染和個人護理產品等因素對飲用水源地的影響開展更深入研究[10,23-24]。

表2 飲用水源地評價研究高頻詞出現(xiàn)頻率分布及其演變

2.3 學科基礎及交叉特征

從學術論文學科標簽共現(xiàn)網絡圖(圖4)可知,飲用水源地評價涉及的學科主要有環(huán)境科學、環(huán)境工程和水資源學,而公共衛(wèi)生、毒理學、微生物學和地球科學等學科也起到非常重要的支撐作用。值得注意的是,近些年來,綠色科學、生態(tài)學、林學、植物學等學科對飲用水源地評價研究的影響明顯增強。學科交叉特征的計量分析顯示飲用水源地評價研究呈現(xiàn)出多學科交叉融合的發(fā)展態(tài)勢。隨著研究主題的不斷拓展,特別是一些跨學科問題的提出,如飲用水源地可持續(xù)性對氣候變化的適應性評價[25],非常有必要引入更多其他學科理論技術及開展跨學科理論技術的融合創(chuàng)新。

圖4 飲用水源地評價研究所涉學科交叉網絡Fig.4 Interdisciplinary network of the research field of drinking-water source evaluation

2.4 重要研究前沿熱點

基于研究主題分布網絡及熱度圖(圖2),結合文獻計量學分析中的研究前沿探測方法[16],發(fā)現(xiàn)當前飲用水源地評價研究前沿主要體現(xiàn)在新興污染物的危害、污染物去除工藝效果、湖庫水源地富營養(yǎng)化、水質評價方法、水污染的人類健康風險、污染物檢測新技術、氣候變化對飲用水源地的影響、工農業(yè)生產與飲用水安全、水生態(tài)系統(tǒng)健康等9個方面。新興污染物的危害有代表性的前沿熱點包括新興污染物的界定[26]、藥物的危害及其環(huán)境基準[27]、頁巖氣開采副產物對地下飲用水的影響[28]、氟化物的風險評估與來源識別[29]、發(fā)展中國家飲用水源地的重金屬污染[30]。關于污染物去除工藝效果的前沿熱點則主要有基于鋁鹽的化學混凝法去除有機污染的潛力[31]、電化學碳納米管去除病毒的性能[32]、等離子體去除水中腐殖酸的潛力[33]、氟化物的去除工藝[34]、太陽能消毒在飲用水生產中的應用[35]。涉及湖庫水源地富營養(yǎng)化的前沿熱點主要有超富營養(yǎng)化湖雙重營養(yǎng)調控策略的有效性[36]、富營養(yǎng)化水體微囊藻毒素風險[37]、有害藍藻繁殖臨界養(yǎng)分閾值的確定[38]。而對于水質評價方法,前沿熱點主要圍繞新指標的開發(fā),如藥物和咖啡因用于評估糞便污染[39]、水質指數(shù)法與GIS技術的融合[40]、重金屬污染的指示方法[41]等。水污染的人體健康風險目前廣受關注的熱點問題主要為各類工業(yè)重金屬及微塑料污染的人體健康風險[42-44]。針對污染物監(jiān)測新技術的前沿熱點主要有液相色譜質譜法同時測定水中多種藥物[45]、面向水質評估的下一代微生物測序[46]、飲用水納米顆粒物的表征[47]。氣候變化對飲用水源地的影響是一類受到廣泛研究的問題,尤其是高溫、干旱、強降雨、寒潮、臺風、野火等強烈氣象事件的影響是重要的前沿熱點[25,48]。工農業(yè)生產與飲用水安全的重要研究前沿熱點體現(xiàn)在人類活動對天然抗性基因分布的影響[49]。針對水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究前沿熱點則主要涉及紫外輻射對淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響[50]和淡水生態(tài)系統(tǒng)服務價值[51]。

2.5 不同國家或地區(qū)研究特色比較

美國和中國大陸是飲用水源地評價研究成果的主要來源,遠超其他國家或地區(qū),印度、德國和加拿大產出的成果也較多?；谡撐臉祟}和摘要的研究主題分布聚類網絡顯示上述國家或地區(qū)相關研究所涉及的主題都較為豐富,但各有所側重。來自中國大陸的研究性論文多為河流型飲用水源地污染狀況評估,美國的研究性論文更注重污染的防控,印度的相關研究主要針對地下水型飲用水源地的水質評估,德國的相關研究則以有害病原菌污染風險評估見長,加拿大的飲用水源地評價研究拓展了飲用水污染物人體暴露風險評估的理論技術。從綜述論文的角度看,當前來自不同國家或地區(qū)的學者普遍都較為關心各類新興污染物的水質風險研究進展。各國學者興趣點的不同主要體現(xiàn)在,美國學者的綜述論文系統(tǒng)總結了水源地水質與水處理成本的影響[52];中國學者的綜述論文則指出新的發(fā)展形勢下精確調整水質評估國家標準十分迫切[53];而在印度,民眾對恒河的狂熱與恒河廣泛存在的污染之間的矛盾是極具代表性的議題[54];來自德國和加拿大的相關綜述性論文則沒有體現(xiàn)出明顯的地方特色。不同國家或地區(qū)對飲用水源地評價研究的偏好主要由本地區(qū)主要飲用水源地類型及其面臨的污染脅迫類型所決定。

3 結論與展望

3.1 主要結論

a.飲用水源地評價研究已經歷早期積累(1999年以前)、持續(xù)發(fā)展(2000—2009年)和快速發(fā)展(2010年之后)三大階段,呈現(xiàn)以環(huán)境科學、環(huán)境工程和水資源學為核心,多學科交叉融合的發(fā)展態(tài)勢,中美兩國對該領域的參與度最高。

b.飲用水源地評價研究主題豐富,可分為“河流型飲用水源地的水質評價”“湖庫型飲用水源地污染風險評估”“地下水型飲用水源地評價”“水中各類污染物去除工藝及效果評估”和“水中污染物的檢測分析方法效率評價”五大類,研究主題數(shù)量和熱度分布總體上呈現(xiàn)不斷擴展和持續(xù)集中并存的發(fā)展態(tài)勢。

c.當前,研究前沿熱點主要涉及新興污染物的危害、污染物去除工藝效果、湖庫水源地富營養(yǎng)化、水質評價方法、水污染的人類健康風險、污染物檢測新技術、氣候變化對飲用水的影響、工農業(yè)生產與飲用水安全、水生態(tài)系統(tǒng)健康等9個方面。

3.2 研究展望

從1990年至今,國內外學者已從不同角度開展了飲用水源地評價相關研究,取得了不少可喜的進展,整個研究理論技術體系也仍在不斷發(fā)展之中,但作者認為還需在以下方面進一步推動該領域的研究:①更清晰地歸納各類飲用水源地的系統(tǒng)特征,據(jù)此優(yōu)化評價理論方法,飲用水源地是一類具有法律實體地位[55]的動態(tài)開放系統(tǒng),應充分歸納各類飲用水源地的系統(tǒng)特征及其對評價主題的約束作用;②飲用水源地評價方法在自動化、數(shù)字化、智能化和集成化方面仍存在不足,難以滿足實時監(jiān)控和快速研判的需求,在遙感技術、傳感器技術、云技術、計算機技術和高速通信技術快速迭代的背景下,建立智慧的飲用水源地監(jiān)測-評估-預測-預警-響應集成技術體系勢在必行;③針對飲用水源地系統(tǒng)整體健康定量評價和演化規(guī)律的研究還較少,不利于科技工作者、管理者和公眾之間對飲用水源地保護的交流和共同參與[56],因此亟須加強飲用水源地系統(tǒng)健康定量表征、演化模式和驅動機制研究。