基于知识图谱的北运河流域水环境研究进展分析

樊平，王军，宋芸，韩莉莉，单保强，刘振霞，董波涛

1.山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018；2.山东省滨州市农业农村局，山东 滨州 256600

河流在人类社会的形成和发展过程中扮演着不可替代的角色，其充沛的水资源与生物资源为人类的生产生活提供了最基本的条件。同时，随着人类社会的进步，河流的功能性日趋增加，包括交通运输、休闲娱乐等（李国英，2005）。Parsons et al.（2017）也指出：河流是社会生态系统，河流生态系统能够提供有价值的生态系统服务，同时人类对河流生态系统的了解永远是不完整的。由此可见对河流的研究至关重要，并需要与时俱进。

北运河流域属海河水系，先后流经北京市海淀、昌平、顺义、通州各区、河北省廊坊地区和天津市武清区、北辰区和红桥区（杨超等，2012），是维持北京、廊坊、天津的重要生态廊道。同时，为了落实国家和地方《水污染防治行动计划》，改善北运河流域水环境质量，以建设国际一流的和谐宜居之都，并提升首都副中心城市品质，对已有北运河流域水环境研究进展分析尤为必要。本文采用文献计量学的方法，以CiteSpace文献可视化软件为研究手段，实现基于知识图谱的北运河流域水环境研究分析。从整体上把握研究动态，厘定研究前沿热点，把握研究的新动向，旨在为北运河流域水环境研究和污染防治的精细化管理提供支持。

1 数据与方法

本文以 CNKI中国期刊全文数据库作为中文相关文献检索的数据源，以“SU=北运河+温榆河AND SU=水环境+水污染+富营养化+COD+氨氮+磷+水质 AND发表时间：从 2000-01-01到2019-12-31”为检索条件进行专业检索，检索到研究论文273篇。通过CiteSpace软件对上述检索文献进行去重后，再进行可视化的计量统计与分析，最后对已有研究结果进行总结，并为未来北运河流域水环境研究提供参考依据。

2 结果与分析

2.1 阶段性分析

基于273篇检索文献，研究北运河流域水环境领域年发文数量的变化，分析其发展历程。本文尝试将北运河流域水环境研究分为3个阶段：初期萌芽阶段、中期井喷阶段、后期稳定阶段，如图1所示。

图1 2000—2019年北运河流域水环境研究CNKI数据库来源发文量Fig.1 Annual publication amount of water environment of Beiyunhe River Basin in CNKI from 2000 to 2019

（1）初期萌芽阶段（2008年以前）。该阶段的发文量较少，年发文量均在5篇左右，表明北运河流域水环境的研究并未受到科研工作者的重视。从这一阶段的研究成果分析，主要是对温榆河的水环境容量及水污染的研究，例如刘明宇等（2008）分析了温榆河水环境容量，发现CODCr、氨氮水质指标严重超出水环境容量；石红梅（2008）对昌平区温榆河水污染进行了研究，发现CODCr、氨氮水质指标远超出河流纳污能力。

（2）中期井喷阶段（2009—2012年）。该阶段的发文量呈现突增情况，年发文量保持在25篇左右，表明北运河流域水环境研究突然受到科研工作者的重视。从这一阶段的研究成果分析，此阶段开始对北运河流域水环境质量影响因素进行分析。例如于洋（2012）对北运河水体中氨氮的氧化过程及微生物响应特征进行研究，杨振东等（2012）研究了北运河沉积物/水界面上重金属迁移转化规律。

（3）后期稳定阶段（2013—2019年）。该阶段的发文量较为稳定，均保持在20篇左右，表明北运河流域水环境研究已进入稳定阶段。这一阶段的研究成果呈现多样化、深入化的趋势，对北运河流域的污染物通量特征、污染来源和治理方案等均有研究（陈永娟等，2015；荆红卫等，2013；王刚等，2016；潘涛等，2019）。

同时，根据中国有关北运河流域水环境研究文献的稳定发表量可以预见，在未来一段时间内，北运河流域水环境研究仍将被科研工作者关注。

2.2 高发文作者与机构分析

发文量是衡量一个作者和机构在某领域贡献的重要指标，依据发文量可分析作者和机构在该领域的贡献地位。通过CiteSpace软件，时间设定为2000—2019年，设置“Node Types”为“Author and Institution”，将阈值“TOPN”、“TOPN%”取默认值 50与 10%，进行作者与机构的共现分析（Chen，2004）。共生成 322个节点，837条连线的作者与机构共现知识图谱，如图2所示。

图2 2000—2019年北运河流域水环境研究作者与机构共现谱图Fig.2 Co-occurrence of authors and institutions researching on the water environment of Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

由共现谱图所示，高发文量的作者为：魏源送、王亚炜、刘静、王晓燕和张育新等；高发文量的机构为：中国科学院生态环境研究中心、北京市北运河管理处、中国矿业大学、中国科学院大学和首都师范大学等。进一步研读相关文献发现，魏源送、王亚炜、刘静和张育新为同机构作者（中国科学院生态环境研究中心），主要研究分析温榆河的微生物和浮游动物，并对温榆河水质进行评价（朱利英等，2020；陈晨等，2017；刘静等，2015；曾阳等，2012）；王晓燕（首都师范大学）主要研究分析水体中CODCr降解系数、微生物的群落特征等（张培培等，2019；刘洋等，2018；王晓燕，2016）。

2.3 高被引分析

论文的被引次数在一定程度上可以反映该论文在某研究领域影响力，因此，被引次数是评价论文影响力的关键指标之一。根据2000—2019年的检索文献，确定被引次数≥5次的论文为高被引论文，共108篇，具体分布情况如表1和表2所示。

由表可知，被引频次前十论文均为期刊，高被引论文期刊占比达 68.8%，表明期刊对北运河水环境相关研究的影响力较大。从来源分布情况可知环境科学学报的影响力较大，但没有显著优势。高被引论文的前三甲作者分别为魏源送、王亚炜与王晓燕，其中魏源送与王亚炜为同一机构作者，总发文量较多，影响力也较大，佐证上节分析。

3 研究热点与前沿

3.1 研究热点

关键词能够高度概括论文的具体研究内容，反应文章的核心思想，传递作者表达的重点（赵晶晶等，2019）。因此，通过关键词共现分析可以科学、清晰地把握北运河流域水质研究的重点。将 CiteSpace软件的“Node Type”设置为“keyword”，“Time Slicing”为“2000—2019”，“Pruning”为“Pathfinder”，生成共358个节点，700条连线的关键词共现谱图，如图3所示。

依据图谱可以看出：“北运河”与“温榆河”的共现节点最大，为科研工作者关注的焦点。综合共现关键词可知：研究范围主要为“北运河”和“温榆河”，研究对象主要为“地表水”、“地下水”和“再生水”，研究指标主要为“水质”和“水质评价”，治理方法主要为“吸附”。

3.2 研究前沿

可利用CiteSpace软件绘制时间轴知识图谱，分析某领域的前沿与发展趋势，为科研工作者提供最新的研究动态与方向（赵晶晶等，2019）。鉴于此，利用CiteSpace软件调整“Graph Views”为“Timeline View”，生成北运河流域水环境研究的时间轴知识图谱，如图4所示。并在此基础上，使用“Brustness”功能绘制北运河流域水环境研究的关键词突显图，如图5所示。

时间轴谱图中的 Modularity Q和 Mean Silhouette代表该图的模块值和平均轮廓值，可反应聚类边界清晰度和聚类规模（曹文杰等，2019）。其中，模块值高达0.7545，表明北运河流域水环境各研究主题间界限清晰，领域分化鲜明；同时，平均轮廓值也较高为0.5785，因为对于北运河流域水环境研究角度较少，研究方式相对单一，从而导致小聚类较少。

结合共现时间轴谱图和突显图进行分析，2000年以来，北运河流域水环境研究关键词主要集中在“浮游植物”、“水质评价”、“水污染”、“氨氮”和“北运河”等方面。其中“水质评价”的突显性最高，“氨氮”、“水环境”等次之。进一步研读相关文献发现，北运河流域水环境情况不容乐观，水质质量在中-重污染之间，特别在春、冬两季，污染更为严重，以氨氮、COD和粪源微生物为主（杨振东等，2012；刘灿均等，2019；李学军等，2014；杨柳等，2015；徐袈檬等，2019；谭送琴等，2019；郭婧等，2019；张家铭，2019）。可以预见，未来北运河流域水环境研究将会基于多种水质评价方法得出的水质变化规律和污染物的来源与特征，进行有针对性的治理研究，以改善目前恶劣的水质情况。

表1 2000—2019年北运河流域水环境研究高被引论文统计结果Table 1 Statistical results of highly cited papers of the water environment in Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

表2 2000—2019年北运河流域水环境研究被引频次前10论文Table 2 Top 10 cited papers on water environment research in Beiyunhe River Basin from 2000 to 2019

图3 北运河流域水环境研究的关键词共现图Fig.3 Co-occurrence of keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin

图4 北运河流域水环境研究的关键词共现时间轴谱图Fig.4 Co-occurrence timeline of keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin quality

图5 北运河流域水环境研究的关键词突显谱图Fig.5 The burst keywords in researching on the water environment of Beiyunhe River Basin quality

4 结论

本研究利用 CiteSpace可视化软件，检索CNKI中国期刊全文数据库中北运河流域水环境研究文献为样本，梳理了其研究现状与发展阶段，归纳了研究热点与前沿，得到如下结论：

（1）从发展历程分析，北运河流域研究分为初期萌芽阶段、中期井喷阶段和后期稳定阶段。阶段不同研究的重点也不尽相同，但整体呈现研究深入化与多样化的趋势。

（2）从高发文作者和机构分析，高发文量的作者为：魏源送、王亚炜、刘静、王晓燕和张育新等；高发文量的机构为：中国科学院生态环境研究中心、北京市北运河管理处、中国矿业大学、中国科学院大学和首都师范大学等，推动了北运河流域水环境研究的深入开展。

（3）从高被引文献分析，资源类型主要为期刊；来源类型多元，没有突出来源；高被引论文的前三甲作者分别为魏源送、王亚炜与王晓燕。

（4）北运河流域水环境研究范围主要为“北运河”和“温榆河”，研究对象主要为“地表水”、“地下水”和“再生水”，研究指标主要为“水质”和“水质评价”，治理方法主要为“吸附”。

（5）北运河流域水环境各研究主题间界限清晰，领域分化鲜明，研究角度较少，研究方式相对单一。“水质评价”的突显性最高，“氨氮”、“水环境”等次之，未来北运河流域水环境研究将会基于多种水质评价方法得出的水质变化规律和污染物的来源与特征，进行有针对性的治理研究，以改善目前恶劣的水质情况。