葉婷陳康丁永康黃靖宇

(1.河北地質(zhì)大學城市地質(zhì)與工程學院，河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學水資源與環(huán)境學院，河北 石家莊 050031；3.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

地下水作為人類生產(chǎn)活動的重要供水水源，科學有效的評價水體質(zhì)量等級是不同地區(qū)地下水進行規(guī)劃管理、開發(fā)利用中極為關(guān)鍵的評判標準[1]。在我國現(xiàn)行規(guī)范《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)中提出單因子評價法的確定地下水質(zhì)量等級[2]，在長期的實踐中表明該方法有一定的局限性，即由于其施行的單項否決而忽視其他污染程度較低或者無污染的指標，夸大了地下水惡劣程度，從而不利于表征地下水的整體狀況[3]。為此，眾多學者嘗試引入理論數(shù)學、統(tǒng)計模型和機器學習等技術(shù)手段針對于不同環(huán)境條件、污染類型及功能價值等方面的地下水水質(zhì)評價方法進行適宜性優(yōu)化[4-8]，研究成果在不同程度上豐富了地下水水質(zhì)評價體系，使得水體質(zhì)量狀況得到更為全面客觀的反應(yīng)。

國內(nèi)對地下水水質(zhì)評價的相關(guān)研究迄今已有40余年[9]，在學術(shù)研究日益深入的同時，迫切需要對國內(nèi)地下水水質(zhì)評價研究成果進行歸納總結(jié)，梳理其發(fā)展脈絡(luò)，并對比國外在該領(lǐng)域研究的異同并尋求差距，識別領(lǐng)域熱點前沿，為后續(xù)研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。近年來文獻計量學的蓬勃發(fā)展為地下水水質(zhì)評價的系統(tǒng)分析總結(jié)提供了新的定量化角度[10,11]，其通過數(shù)學與統(tǒng)計學思維的交叉融合，對一定時間內(nèi)的知識載體進行聚類描述，將知識圖譜可視化并揭示其內(nèi)部聯(lián)系，從而探析各學科領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)與研究趨勢。文獻計量法在生態(tài)環(huán)境、生物修復(fù)、地球科學[12-15]等多個研究領(lǐng)域方向發(fā)展歷程的系統(tǒng)分析總結(jié)中得到廣泛應(yīng)用且取得了極為顯著的效果。

鑒于針對國內(nèi)外地下水水質(zhì)評價發(fā)展歷程系統(tǒng)性總結(jié)的迫切性與必要性，本文基于文獻計量學理論，在CNKI(中國知網(wǎng))和WoS(Web of Science)中檢索2000—2020年地下水水質(zhì)評價研究領(lǐng)域的主題文章作為數(shù)據(jù)源，采用CiteSpace文獻可視化分析工具，構(gòu)建地下水質(zhì)量評價研究的知識圖譜，對該領(lǐng)域研究熱點的演化軌跡進行刻畫并識別未來研究的發(fā)展趨勢，以期為地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的發(fā)展提供有益參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(簡稱CNKI)文獻庫和Web of Science(簡稱WoS)核心數(shù)據(jù)庫。中文文獻數(shù)據(jù)樣本來源于CNKI數(shù)據(jù)庫，在高級檢索中以“地下水”并“水質(zhì)評價”為主題詞進行檢索，檢索時間跨度為2001年1月1日—2020年12月31日，經(jīng)人工剔除重復(fù)記錄、會議論文和科技成果后，共得到1128篇中文文獻。外文文獻數(shù)據(jù)樣本來源于WoS核心數(shù)據(jù)庫，檢索主題為“groundwater quality evaluation”或“groundwater quality assessment”，文獻類型選擇“Article”或“Review”，時間跨度同樣為2001年1月1日—2020年12月31日，在CiteSpace軟件中進行除重操作后，得到4986篇英文文獻。最終收集國內(nèi)外文獻共6114篇，以此作為研究分析的主體數(shù)據(jù)源。

1.2 研究方法

文獻計量分析利用CiteSpace5.8.R3軟件，其是由陳超美教授的團隊基于Java平臺所開發(fā)的用于探測某研究領(lǐng)域中發(fā)展前沿與新興趨勢的文獻計量軟件[16，17]。導入原始數(shù)據(jù)源后選擇相應(yīng)的節(jié)點類型(Node types)分別運行出Country、Author、Institution、Keyword和Reference網(wǎng)絡(luò)知識圖譜，進而對國內(nèi)外地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的相關(guān)研究進行可視化對比分析。軟件參數(shù)設(shè)置：時間分段(Time slicing)為2001年1月—2020年12月，時間切片為1a。閾值G-index、TopN和TopN%分別為25、50和100，網(wǎng)絡(luò)裁剪方式選擇Pathfinder、Pruning the Merged network和Pruning sliced networks，其他參數(shù)均為系統(tǒng)默認值。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻數(shù)量

歷年發(fā)文量的變化特征可以在一定程度上反映該領(lǐng)域的研究熱點及其更替情況。總體來看，在2001—2020年CNKI和WoS在該領(lǐng)域的發(fā)文量基本呈波動上升趨勢，見圖1，但二者發(fā)文量的年均增長速度存在顯著的差異：前者為4篇·a-1，后者為34.85篇·a-1，相差約為8倍。根據(jù)近20a CNKI中地下水水質(zhì)評價相關(guān)文獻的數(shù)量變化趨勢，大致可將其分2個階段：2001—2013年為地下水水質(zhì)評價方法發(fā)文數(shù)量的緩慢上升期，發(fā)文量逐年遞增，2013—2020年發(fā)文數(shù)量雖有波動，但是整體呈平穩(wěn)趨勢，說明國內(nèi)該領(lǐng)域的研究進入了穩(wěn)定發(fā)展階段。WoS年發(fā)文量的增長速度在2005年后開始加快，并在15a內(nèi)由從71篇增至742篇，整體呈持續(xù)上升趨勢，特別是2017年后，增長速度急速上升，2020年發(fā)文量較2017年增長了94.75%，反映出近4a國際學者對地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的相關(guān)研究持有較高的關(guān)注度。我國在WoS中發(fā)文量在2017年后的2a出現(xiàn)快速增長，表明自2017年修訂《地下水質(zhì)量標準》后，地下水水質(zhì)評價在我國進入成熟期，在一定程度上引起國內(nèi)學術(shù)界的探究與實踐的熱潮，同時更注重學術(shù)成果的國際傳播與影響。此外，2021年國務(wù)院印發(fā)《地下水管理條例》并于當年12月實施，表明黨中央、國務(wù)院充分關(guān)注地下水資源管理工作。在該政策背景下，預(yù)計地下水水質(zhì)評價方法領(lǐng)域在中英文文獻發(fā)文量仍會呈持續(xù)增長趨勢。

圖1 2001—2020年地下水水質(zhì)評價研究發(fā)文量

2.2 發(fā)文國家與機構(gòu)

運用CiteSpace軟件生成地下水水質(zhì)評價研究的國家合作圖譜，見圖2，其中N=141，E=199(N為節(jié)點數(shù)；E為連線數(shù))，連線的密度與粗細代表各國家之間的關(guān)聯(lián)程度與強度[18]，由此可見該領(lǐng)域我國在國際上的活躍程度較好，且與德國合作關(guān)系最為密切。在地下水水質(zhì)評價方法研究中發(fā)文量排名前3的國家分別為美國、中國、印度，見表1。中心性是判斷文章影響力與重要性的指標[19]，如美國(0.03)這一節(jié)點的中心值低于中國(0.21)，表明盡管美國發(fā)文量較大但其文章的影響力與重要性相較于中國偏弱；綜合來看，目前我國地下水水質(zhì)評價有關(guān)的研究成果影響力處于世界領(lǐng)先地位。

表1 地下水水質(zhì)評價英文文獻發(fā)文量前10的國家

圖2 WoS地下水水質(zhì)評價研究國家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

通過在節(jié)點類型中選擇institution，對發(fā)文機構(gòu)進行發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計，見表2。WoS中發(fā)文量排首位的機構(gòu)為中國科學院(Chinese Academy of Sciences)，其次分別為長安大學(Changan University)、美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所(United States Department of Agriculture-Agriculture Research Service)、美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey)、中國地質(zhì)大學(China University of Geosciences)，其中3所機構(gòu)來自于中國，表明地下水水質(zhì)評價的相關(guān)研究引起我國學者較高的關(guān)注度。中國科學院在地下水水質(zhì)評價研究領(lǐng)域中發(fā)展快、研究成果多、實力較雄厚。在CNKI中發(fā)文量較多的研究機構(gòu)有吉林大學、中國地質(zhì)大學、長安大學。其中吉林大學以發(fā)文量51篇的數(shù)量位居首位，占總量的4.52%。長安大學和中國地質(zhì)大學在國內(nèi)和國際發(fā)文量排名都位列前5，說明二者在地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域活躍程度較高。

表2 中、英文文獻發(fā)文量前5的機構(gòu)

2.3 代表作者群體

在節(jié)點類型區(qū)域選擇Author，運行出作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜并分析地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域研究的核心團隊及其間合作關(guān)系。WoS中作者合作網(wǎng)絡(luò)大致呈現(xiàn)出局部聚集但整體分散的布局，見圖3，體現(xiàn)該領(lǐng)域中的學者基本以獨立團隊的形式進行研究，團隊間協(xié)作關(guān)系較弱。該領(lǐng)域主要研究團隊有中國長安大學環(huán)境科學與工程學院的錢會團隊，印度中央礦業(yè)和燃料研究所的Ashwani Kumar Tiwari和Abhay Kumar Singh的團隊，中國北京師范大學的滕彥國團隊。其中，發(fā)文量最多的3位作者均來自長安大學，為錢會教授、吳健華副教授、李培月教授，說明長安大學在地下水水質(zhì)評價中取得較為豐碩的成果。

圖3 WoS英文文章作者合作圖譜

CNKI中作者合作關(guān)系同樣具有獨立而分散的特點，見圖4。目前，此領(lǐng)域的核心研究團隊主要有5個：北京工業(yè)大學建筑工程學院張永祥團隊、成都信息工程大學資源環(huán)境學院李祚泳團隊、吉林大學新能源與環(huán)境學院肖長來團隊、吉林大學環(huán)境與資源學院盧文喜團隊、長安大學環(huán)境科學與工程學院的錢會團隊。其中，吉林大學盧文喜教授發(fā)文量達13篇，是該領(lǐng)域CNKI中發(fā)文最多的學者，其近年在該領(lǐng)域主要研究方向是地表水地下水水質(zhì)耦合模擬?？傮w來看，國內(nèi)研究機構(gòu)和團隊目前已基本成熟穩(wěn)定，團隊內(nèi)部學者的聯(lián)系較緊密，但團隊之間合作交流較弱，部分團隊研究活動較為獨立。

圖4 CNKI中文文章作者合作圖譜

2.4 研究方向與熱點識別

關(guān)鍵詞是文章主題及內(nèi)容的提煉，能直接體現(xiàn)文章的核心內(nèi)容，對高頻關(guān)鍵詞的分析能夠進一步挖掘研究領(lǐng)域的方向與熱點[20]。通過CiteSpace軟件中的關(guān)鍵詞共現(xiàn)功能，得到近20a來CNKI和WoS數(shù)據(jù)庫中關(guān)于地下水水質(zhì)評價研究中的高頻關(guān)鍵詞，見表3。由于“地下水水質(zhì)評價”為檢索主題，CNKI和WoS中“地下水”和“質(zhì)量”都是頻次最高的關(guān)鍵詞。除檢索主題之外，在CNKI中關(guān)鍵詞頻數(shù)較高的有“熵權(quán)”、“模糊數(shù)學”、“GIS”等，說明國內(nèi)學者重視各類方法在地下水質(zhì)量評價中的優(yōu)化與應(yīng)用。WoS中高頻關(guān)鍵詞則包括污染(contamination)、含水層(aquifer)、盆地(basin)、飲用水(drinkingwater)等，反映國際上更傾向于對地下水污染引起的水質(zhì)成分變化對地區(qū)環(huán)境以及人類活動影響的研究主題。

表3 CNKI&WoS高頻關(guān)鍵詞

利用CiteSpace聚類功能可生成CNKI和WoS數(shù)據(jù)庫中有關(guān)地下水水質(zhì)評價研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞聚類圖譜，軟件根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類的清晰度，引出模塊值(Q值)和平均輪廓值(S值)2個指標并將其作為量化圖譜繪制效果的主要尺度。通常情況下，Q值一般介于[0，1)區(qū)間內(nèi)，Q>0.3就意味著劃分出來的聚類結(jié)構(gòu)是顯著的，當S值>0.7時，聚類是高效有說服力的[21]。并且不同顏色代表不同聚類，聚類序號越小表示該聚類包含的成員越多，是該研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點。

在國內(nèi)關(guān)鍵詞聚類圖中Q=0.8572、S=0.9848，見圖5，表示該聚類結(jié)構(gòu)顯著且聚類效果有意義。國內(nèi)地下水質(zhì)量評價主要研究內(nèi)容可分為10類，包括#0“地下水”、#1“水質(zhì)評價”、#2“GIS”、#3“數(shù)值模擬”、#4“水源地”、#5“綜合評價”、#6“水質(zhì)分析”、#7“模糊數(shù)學”、#8“權(quán)重”、#9“污染”。其中，#0“地下水”和#1“水質(zhì)評價”與其他相關(guān)研究有著密集的連結(jié)線，展現(xiàn)出較高的聚類中心性。聚類#5、#7、#8是水質(zhì)評價的主要方法聚類，分別為“綜合評價”、“模糊數(shù)學”、“權(quán)重”，其中水質(zhì)指標、遺傳算法、正態(tài)云模型、熵權(quán)法、層次分析法等為高頻關(guān)鍵詞。#2“GIS”和#3“數(shù)值模擬”是進行水質(zhì)預(yù)測的主要方法聚類，關(guān)鍵詞包括水質(zhì)預(yù)測、污染風險、模型、地下水環(huán)境、咸水入侵等，反映出隨著現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展不斷推進，各種數(shù)據(jù)處理工具在地下水的模型研究、水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。#4“水源地”和#9“污染”中高頻關(guān)鍵詞包含農(nóng)村、城市供水、供水安全、過量開采、防治措施等，展現(xiàn)出學者們通過構(gòu)建研究區(qū)地下水水質(zhì)評價體系評估城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖5 CNKI關(guān)鍵詞聚類圖譜

從圖6關(guān)鍵詞的聚類分析看，國外地下水水質(zhì)評價的主要研究可以歸納為10類，分別是“風險(#0 risk)”、“磷(#1 phosphorus)”、“盆地(#2 basin)”、“河流流域(#3 riverbasin)”、“土壤(#4 soil)”、“不確定性(#5 uncertainty)”、“統(tǒng)計分析(#6 statistical analyses)”、“美國(#7 unitedstates)”、“海水入侵(#8 seawater intrusion)”、“水質(zhì)指數(shù)法(#9 WQI)”。其中最大的聚類為風險(risk)，關(guān)鍵年份出現(xiàn)在2011年，該聚類中主要文獻主題為地下水健康風險評價，反映出國際學者較為重視地下水中某些組分對人體健康的影響并進行風險定量評價[22]?！芭璧?basin)”、“河流流域(river basin)”、“海水入侵(seawater intrusion)”表明了進行地下水水質(zhì)評價的主要集中地區(qū)。不確定性(uncertainty)、統(tǒng)計分析(statistical analyses)和水質(zhì)指數(shù)法(WQI)3個類群是進行地下水水質(zhì)評價的主要研究方法。磷(phosphorus)和土壤(soil)是近年來重點關(guān)注的地下水污染對象。美國(United States)是地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的典型研究區(qū)。

圖6 WoS關(guān)鍵詞聚類圖譜

時間線圖主要側(cè)重于刻畫各個聚類在同一時間線上的研究脈絡(luò)，能夠較為直觀地觀察到該聚類的演化路徑[23]，見圖7、圖8。在CNKI中，地下水水質(zhì)評價的研究在近20a一直保持較高的熱度，如圖7所示，其中“GIS”和“數(shù)值模擬”中聚類成員較多，且研究時間持續(xù)較長，說明在地下水質(zhì)量評價研究領(lǐng)域中重視對地下水水質(zhì)的預(yù)測及其可視化，并且未來將會持續(xù)研究下去。“水源地”的相關(guān)研究自2008年后開始頻繁起來并長期保持較高的研究熱度。在水質(zhì)評價方法中，“模糊數(shù)學”在地下水水質(zhì)評價中的運用較為廣泛且持續(xù)時間較長，目前關(guān)注度有所降低但仍在水質(zhì)評價方法研究中發(fā)揮一定的作用?！拔廴尽边@一研究主題在2010年前具有較多的文獻產(chǎn)出但在2010年后其討論熱度逐漸下降，表明經(jīng)過地下水超采綜合治理后地下水污染問題得到了緩解。由WoS關(guān)鍵詞時間線圖譜，如圖8所示，可以觀察到各個聚類的研究都持續(xù)較長時間，但是研究熱度卻有所變化。如2008年左右學者們進行了較多關(guān)于盆地(basin)的研究，而在2014年左右盆地(basin)的討論熱度有所下降，相反河流流域(riverbasin)和海水入侵(seawaterintrusion)的相關(guān)研究在2014年左右大幅增加且十分密集，這表明了在2014年地下水水質(zhì)評價的重點關(guān)注地區(qū)由盆地轉(zhuǎn)移到河流平原和海岸線。

圖7 CNKI關(guān)鍵詞時間線圖譜

圖8 WoS關(guān)鍵詞時間線圖譜

2.5 研究主題演變與核心文獻分析

通過對比研究主題的變化可以反映出該領(lǐng)域研究方法、熱點及分析角度隨時間演變的規(guī)律[24]。在CiteSpace中的節(jié)點類型區(qū)域選擇Reference，生成共被引文獻共現(xiàn)圖譜后，在Layout中選擇Timeline View，得到文獻共被引時間線圖，見圖9。圖9展示了地下水水質(zhì)評價研究領(lǐng)域中共被引文獻的15個聚類主題的演化動態(tài)與其間引證關(guān)系，反映出研究前沿的方向性變化及研究主題間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。Q值為0.9105，遠大于0.3；S值為0.9616，大于0.7，表明該聚類結(jié)構(gòu)顯著且高效。被引頻次較高的成果主要集中在聚類#8健康風險(health risk)中，該主題出現(xiàn)時間較晚且目前仍處于熱度較高的狀態(tài)。各聚類持續(xù)時長截然不同，其中聚類#0地下水適宜性(groundwater suitability)和聚類#3水化學研究(hydrochemical studies)相關(guān)研究持續(xù)時間最長，長達11a。聚類#1水文地球化學特征(hydrogeochemical characterization)和#2地下水脆弱性評價(groundwater vulnerability assessment)持續(xù)時間也較長，均為9a，并且目前還保持。#14重金屬污染(heavymetal pollution)出現(xiàn)時間較晚，但是在近期活躍程度較高并處于快速發(fā)展階段，反映出地下水重金屬污染問題已引起國際學者的高度關(guān)注，可能成為未來地下水水質(zhì)評價的研究熱點。

圖9 文獻共被引時間線圖譜

3 結(jié)論與展望

本文通過CiteSpace文獻可視化分析工具，對CNKI和Web of Science核心數(shù)據(jù)庫2001—2020年地下水水質(zhì)評價相關(guān)領(lǐng)域的文獻進行統(tǒng)計分析，研究結(jié)果從文獻數(shù)量、發(fā)文國家與機構(gòu)、代表作者群體、研究方向與熱點及研究主題演變與核心文獻分析5個方面進行論述。主要結(jié)論如下。

近20a該領(lǐng)域在國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫的發(fā)文量均處于增長趨勢；我國在該領(lǐng)域研究的處于世界領(lǐng)先地位，其主要代表機構(gòu)有長安大學、中國地質(zhì)大學、中國科學院，我國優(yōu)良的科研環(huán)境與資金支持和廣大學者不懈的探索努力奠定了我國在地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的國際地位。

該領(lǐng)域研究方向分別為以國內(nèi)期刊為代表的對地下水水質(zhì)評價方法的優(yōu)化與應(yīng)用；以國際期刊為代表的對地下水污染引起的水質(zhì)成分變化對地區(qū)環(huán)境以及人類活動的影響研究；理論數(shù)學與水質(zhì)指數(shù)法是該領(lǐng)域主要的研究方法；盆地、河流流域、沿海帶是該領(lǐng)域主要的研究地區(qū)。

地下水適宜性與水化學研究在近20a該領(lǐng)域中均保持較高的研究熱度，地下水水質(zhì)的預(yù)測及其可視化、河流與沿海地區(qū)水質(zhì)評價及重金屬污染與健康風險評價是該領(lǐng)域潛在的發(fā)展方向與突破點。

縱觀地下水水質(zhì)評價國內(nèi)在近20a的發(fā)展史，從引入數(shù)學方法對地下水水質(zhì)評價進行優(yōu)化應(yīng)用的初期探索，到針對復(fù)雜自然條件采用特定的技術(shù)手段進行定性與定量的分析評價，我國在該領(lǐng)域研究的日益成熟，代表性研究團隊呈分散式多元化的發(fā)展。在信息時代科學研究愈發(fā)傾向于廣泛合作，我國研究學者和團隊在既有研究基礎(chǔ)上，應(yīng)加強與不同院校、不同國家與地區(qū)的交流合作，引入更多學科、方法的交叉融合與更多新技術(shù)的相互印證，共同推進地下水水質(zhì)評價領(lǐng)域的研究發(fā)展。