蔡旺煒,夏繼紅,祖加翼,劉則雯

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 211100;2.江蘇省農(nóng)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(guān)乎人民健康、經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至國家安危。飲用水源地評(píng)價(jià)對(duì)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(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。飲用水源地評(píng)價(jià)內(nèi)涵豐富,涉及的理論技術(shù)體系持續(xù)演化,應(yīng)及時(shí)追蹤該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[5-6]。近些年來,國內(nèi)外陸續(xù)有學(xué)者從不同角度開展了相關(guān)工作。鄭金秀等[5]總結(jié)了20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)前10年的我國飲用水源地生態(tài)評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展,指出生態(tài)健康評(píng)價(jià)和完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是研究趨勢(shì)。Ford等[7]通過對(duì)飲用水源地健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)研究進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析,發(fā)現(xiàn)針對(duì)監(jiān)管較弱的農(nóng)村地區(qū)飲用水源地的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理還非常匱乏。羅軍華等[8]使用CiteSpace軟件構(gòu)建并比較了國內(nèi)外飲用水源地研究的知識(shí)圖譜,指出亟須新理論和新技術(shù)的創(chuàng)造和運(yùn)用。Gupta等[9]基于Scopus數(shù)據(jù)庫,對(duì)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(shì)進(jìn)行了文獻(xiàn)計(jì)量分析。此外,還有針對(duì)單個(gè)重要飲用水源地(如三峽水庫[10])風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)研究的歸納總結(jié),為建立具體水源地的長效監(jiān)測(cè)評(píng)估機(jī)制提供了依據(jù)。然而,在飲用水源地評(píng)價(jià)研究多學(xué)科交叉特征不斷增強(qiáng)[11]的背景下,相關(guān)理論技術(shù)體系的融合與創(chuàng)新需要以領(lǐng)域整體知識(shí)結(jié)構(gòu)、演化特征和發(fā)展態(tài)勢(shì)為指引,而現(xiàn)有研究尚不能很好提供這一支撐。知識(shí)圖譜是一種描述知識(shí)資源及其載體的組成、結(jié)構(gòu)和聯(lián)系的可視化技術(shù),在知識(shí)爆炸的背景下,建立知識(shí)圖譜對(duì)很多領(lǐng)域的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用[12-13]。Web of Science數(shù)據(jù)庫(WOS)廣泛收錄了世界各地學(xué)者數(shù)十年來關(guān)于飲用水源地評(píng)價(jià)的研究報(bào)道,對(duì)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(guān)文獻(xiàn),綜合運(yùn)用知識(shí)圖譜構(gòu)建工具和傳統(tǒng)文獻(xiàn)研究方法,梳理建立飲用水源地評(píng)價(jià)知識(shí)圖譜,分析其年代發(fā)展演化過程,進(jìn)而研判未來發(fā)展趨勢(shì),以期能為飲用水源地保護(hù)理論技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供支撐。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)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(biāo)題、摘要或關(guān)鍵詞中出現(xiàn)“drinking-water source”和“evaluation”及相近詞匯的文獻(xiàn),保留論文、綜述論文和會(huì)議錄論文三類文獻(xiàn)。批量導(dǎo)出這些文獻(xiàn)的全記錄數(shù)據(jù)信息,存儲(chǔ)為.txt格式。

1.2 知識(shí)圖譜分析

飲用水源地評(píng)價(jià)研究的知識(shí)圖譜主要涉及主題分布、學(xué)科基礎(chǔ)及交叉特征、主要學(xué)術(shù)力量和渠道等3個(gè)方面的內(nèi)容。①標(biāo)題和摘要濃縮了論文的核心內(nèi)容,故提取標(biāo)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(shí)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(wǎng)絡(luò)。VOSviewer由荷蘭學(xué)者于2010提出,該軟件采用了分層標(biāo)簽展示技術(shù),使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)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(diào)節(jié)功能,是一款較新的知識(shí)圖譜繪制軟件[15]。②WOS數(shù)據(jù)庫中的論文都被標(biāo)記了所屬學(xué)科標(biāo)簽,基于這些標(biāo)簽信息使用VOSviewer軟件繪制學(xué)科基礎(chǔ)及交叉網(wǎng)絡(luò)。③主要學(xué)術(shù)力量以國家或地區(qū)為單位,給定國家或地區(qū)對(duì)某篇論文的參與次數(shù)最多計(jì)1次,進(jìn)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(xué)術(shù)力量越強(qiáng)。學(xué)術(shù)渠道主要指期刊和系列會(huì)議。

基于知識(shí)圖譜進(jìn)一步追蹤重要研究熱點(diǎn)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(píng)價(jià)研究的特色。根據(jù)主題分布網(wǎng)絡(luò)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(jìn)一步運(yùn)用突發(fā)高被引論文探測(cè)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(diǎn)是否屬于當(dāng)前研究前沿或新興熱點(diǎn)。針對(duì)飲用水源地評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域的主要參與國家或地區(qū),根據(jù)主題分布網(wǎng)絡(luò)中各國名詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及各國綜述性文獻(xiàn)的主要內(nèi)容來比較研究特色。

2 結(jié)果與分析

2.1 學(xué)術(shù)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(píng)價(jià)相關(guān)學(xué)術(shù)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(dòng)增長至50篇,而在21世紀(jì)前10年里則持續(xù)增長超過200篇,進(jìn)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(xiàn)數(shù)量增長和老化的一般規(guī)律[18],可將飲用水源地評(píng)價(jià)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(lǐng)域主要的學(xué)術(shù)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(guān)論文主要發(fā)表在10本主流學(xué)術(shù)期刊和5項(xiàng)系列學(xué)術(shù)會(huì)議上(表1)。

表1 飲用水源地評(píng)價(jià)相關(guān)學(xué)術(shù)論文主要發(fā)表渠道

圖1 WOS數(shù)據(jù)庫中飲用水源地評(píng)價(jià)相關(guān)文獻(xiàn)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(wǎng)絡(luò)

從研究性論文中提取的常見主題詞683個(gè)(不含檢索詞),經(jīng)共現(xiàn)聚類分析將它們分為5類,如圖2所示(圖標(biāo)間連線粗細(xì)代表共現(xiàn)次數(shù),圖標(biāo)距離越近表明彼此共現(xiàn)性越強(qiáng))。第一類由紅色圖標(biāo)組成,包含175個(gè)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(gè)),該類主題可命名為“河流型飲用水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)”。第二類由綠色圖標(biāo)組成,包含139個(gè)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(duì)“湖庫型飲用水源地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”。第三類為藍(lán)色圖標(biāo),包含132個(gè)常見主題詞,中心詞為groundwater、case study、area、river basin和region,表明主要針對(duì)“地下飲用水源地評(píng)價(jià)”。第四類由黃色圖標(biāo)組成,包含131個(gè)常見主題詞,中心詞為effect和removal,該類主題主要關(guān)于“水中污染物去除工藝及效果評(píng)估”。第五類是紫色圖標(biāo),包含106個(gè)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(cè)分析方法效率評(píng)價(jià)”。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(guān)系,第二類則主要與第一類和第五類主題聯(lián)系相對(duì)緊密;第三類主要與第一類關(guān)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(guān)系都較強(qiáng)。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(gè)時(shí)期里飲用水源地評(píng)價(jià)研究主題數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)展態(tài)勢(shì),與此同時(shí),中心主題的研究熱度愈加集中。

圖2 飲用水源地評(píng)價(jià)常見主題詞共現(xiàn)聚類網(wǎng)絡(luò)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(píng)價(jià)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(guān)鍵詞中的高頻詞共有20個(gè),它們?cè)诓煌瑫r(shí)期的出現(xiàn)頻率如表2所示。總體上,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(píng)價(jià)研究內(nèi)容的拓展性和聚焦性同步增強(qiáng)。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?yàn)樗|(zhì)已不僅是環(huán)境問題、生態(tài)問題或水科學(xué)問題,還是社會(huì)學(xué)和管理學(xué)所關(guān)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(shí)在綜述性論文里出現(xiàn)頻率最高,說明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(dá)到峰值,主要是因?yàn)檫@一時(shí)期針對(duì)污染物去除提出了很多新工藝[20],以及世界上多個(gè)重要湖庫出現(xiàn)了較為嚴(yán)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(xué)和化學(xué)分析等研究手段的進(jìn)步使得人們能夠?qū)α饔虺叨冗^程、重金屬污染和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等因素對(duì)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(píng)價(jià)研究高頻詞出現(xiàn)頻率分布及其演變

2.3 學(xué)科基礎(chǔ)及交叉特征

從學(xué)術(shù)論文學(xué)科標(biāo)簽共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖(圖4)可知,飲用水源地評(píng)價(jià)涉及的學(xué)科主要有環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程和水資源學(xué),而公共衛(wèi)生、毒理學(xué)、微生物學(xué)和地球科學(xué)等學(xué)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(xué)、生態(tài)學(xué)、林學(xué)、植物學(xué)等學(xué)科對(duì)飲用水源地評(píng)價(jià)研究的影響明顯增強(qiáng)。學(xué)科交叉特征的計(jì)量分析顯示飲用水源地評(píng)價(jià)研究呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的發(fā)展態(tài)勢(shì)。隨著研究主題的不斷拓展,特別是一些跨學(xué)科問題的提出,如飲用水源地可持續(xù)性對(duì)氣候變化的適應(yīng)性評(píng)價(jià)[25],非常有必要引入更多其他學(xué)科理論技術(shù)及開展跨學(xué)科理論技術(shù)的融合創(chuàng)新。

圖4 飲用水源地評(píng)價(jià)研究所涉學(xué)科交叉網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Interdisciplinary network of the research field of drinking-water source evaluation

2.4 重要研究前沿?zé)狳c(diǎn)

基于研究主題分布網(wǎng)絡(luò)及熱度圖(圖2),結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析中的研究前沿探測(cè)方法[16],發(fā)現(xiàn)當(dāng)前飲用水源地評(píng)價(jià)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(zhì)評(píng)價(jià)方法、水污染的人類健康風(fēng)險(xiǎn)、污染物檢測(cè)新技術(shù)、氣候變化對(duì)飲用水源地的影響、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與飲用水安全、水生態(tài)系統(tǒng)健康等9個(gè)方面。新興污染物的危害有代表性的前沿?zé)狳c(diǎn)包括新興污染物的界定[26]、藥物的危害及其環(huán)境基準(zhǔn)[27]、頁巖氣開采副產(chǎn)物對(duì)地下飲用水的影響[28]、氟化物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與來源識(shí)別[29]、發(fā)展中國家飲用水源地的重金屬污染[30]。關(guān)于污染物去除工藝效果的前沿?zé)狳c(diǎn)則主要有基于鋁鹽的化學(xué)混凝法去除有機(jī)污染的潛力[31]、電化學(xué)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(chǎn)中的應(yīng)用[35]。涉及湖庫水源地富營養(yǎng)化的前沿?zé)狳c(diǎn)主要有超富營養(yǎng)化湖雙重營養(yǎng)調(diào)控策略的有效性[36]、富營養(yǎng)化水體微囊藻毒素風(fēng)險(xiǎn)[37]、有害藍(lán)藻繁殖臨界養(yǎng)分閾值的確定[38]。而對(duì)于水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,前沿?zé)狳c(diǎn)主要圍繞新指標(biāo)的開發(fā),如藥物和咖啡因用于評(píng)估糞便污染[39]、水質(zhì)指數(shù)法與GIS技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)目前廣受關(guān)注的熱點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)[42-44]。針對(duì)污染物監(jiān)測(cè)新技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)主要有液相色譜質(zhì)譜法同時(shí)測(cè)定水中多種藥物[45]、面向水質(zhì)評(píng)估的下一代微生物測(cè)序[46]、飲用水納米顆粒物的表征[47]。氣候變化對(duì)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(qiáng)降雨、寒潮、臺(tái)風(fēng)、野火等強(qiáng)烈氣象事件的影響是重要的前沿?zé)狳c(diǎn)[25,48]。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與飲用水安全的重要研究前沿?zé)狳c(diǎn)體現(xiàn)在人類活動(dòng)對(duì)天然抗性基因分布的影響[49]。針對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究前沿?zé)狳c(diǎn)則主要涉及紫外輻射對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響[50]和淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(píng)價(jià)研究成果的主要來源,遠(yuǎn)超其他國家或地區(qū),印度、德國和加拿大產(chǎn)出的成果也較多?；谡撐臉?biāo)題和摘要的研究主題分布聚類網(wǎng)絡(luò)顯示上述國家或地區(qū)相關(guān)研究所涉及的主題都較為豐富,但各有所側(cè)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(píng)估,美國的研究性論文更注重污染的防控,印度的相關(guān)研究主要針對(duì)地下水型飲用水源地的水質(zhì)評(píng)估,德國的相關(guān)研究則以有害病原菌污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估見長,加拿大的飲用水源地評(píng)價(jià)研究拓展了飲用水污染物人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論技術(shù)。從綜述論文的角度看,當(dāng)前來自不同國家或地區(qū)的學(xué)者普遍都較為關(guān)心各類新興污染物的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展。各國學(xué)者興趣點(diǎn)的不同主要體現(xiàn)在,美國學(xué)者的綜述論文系統(tǒng)總結(jié)了水源地水質(zhì)與水處理成本的影響[52];中國學(xué)者的綜述論文則指出新的發(fā)展形勢(shì)下精確調(diào)整水質(zhì)評(píng)估國家標(biāo)準(zhǔn)十分迫切[53];而在印度,民眾對(duì)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(guān)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(duì)飲用水源地評(píng)價(jià)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(jié)論與展望

3.1 主要結(jié)論

a.飲用水源地評(píng)價(jià)研究已經(jīng)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(xué)、環(huán)境工程和水資源學(xué)為核心,多學(xué)科交叉融合的發(fā)展態(tài)勢(shì),中美兩國對(duì)該領(lǐng)域的參與度最高。

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

c.當(dāng)前,研究前沿?zé)狳c(diǎn)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(zhì)評(píng)價(jià)方法、水污染的人類健康風(fēng)險(xiǎn)、污染物檢測(cè)新技術(shù)、氣候變化對(duì)飲用水的影響、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與飲用水安全、水生態(tài)系統(tǒng)健康等9個(gè)方面。

3.2 研究展望

從1990年至今,國內(nèi)外學(xué)者已從不同角度開展了飲用水源地評(píng)價(jià)相關(guān)研究,取得了不少可喜的進(jìn)展,整個(gè)研究理論技術(shù)體系也仍在不斷發(fā)展之中,但作者認(rèn)為還需在以下方面進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)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(píng)價(jià)理論方法,飲用水源地是一類具有法律實(shí)體地位[55]的動(dòng)態(tài)開放系統(tǒng),應(yīng)充分歸納各類飲用水源地的系統(tǒng)特征及其對(duì)評(píng)價(jià)主題的約束作用;②飲用水源地評(píng)價(jià)方法在自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化和集成化方面仍存在不足,難以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速研判的需求,在遙感技術(shù)、傳感器技術(shù)、云技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速通信技術(shù)快速迭代的背景下,建立智慧的飲用水源地監(jiān)測(cè)-評(píng)估-預(yù)測(cè)-預(yù)警-響應(yīng)集成技術(shù)體系勢(shì)在必行;③針對(duì)飲用水源地系統(tǒng)整體健康定量評(píng)價(jià)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(duì)飲用水源地保護(hù)的交流和共同參與[56],因此亟須加強(qiáng)飲用水源地系統(tǒng)健康定量表征、演化模式和驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。