杨志宏，黄鹏飞，汪程鹏，田 林，张尊良，王晓丽，单 科，蒋立东

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

在全球人类水危机的大背景下，海水淡化作为一种“开源节流”的重要技术，已经成为世界各国争相研究的重要课题，特别是21世纪以来，海水淡化产业得益于新材料、新能源科技的革命，发展更为迅速。以我国为例，从2000年～2020年的20 a间，我国海水淡化规模已经从2000年的不到1.65万t/d发展到2019年的157.38万t/d，规模增长了90多倍(《2019年全国海水利用报告》)[1]。这20 a间，越来越多的机构和科研工作者投入到海水淡化技术研究的领域当中，从微观材料到宏观工程，取得了一项又一项突破，奠定了我国海水淡化产业发展的坚实基础。为系统性研究我国海水淡化产业的发展历程及有目标地预测未来海水淡化技术的发展趋势，本研究尝试利用文献计量的分析方法，从海水淡化产业的发展阶段、研究机构和作者、产业互耦领域、研究前沿与热点等方面出发，对我国海水淡化行业发展进行科学的归纳与分析，以期为今后海水淡化技术发展方向提供预测和参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

研究数据来源于CNKI(China national knowledge infrastructure)中国学术期刊网络出版总库，在CNKI中检索关键词为“海水淡化”相关内容，时间限定在2000年～2020年，共出现3 975条检索结果，为增加数据来源的有效性及权威性，合理展现该领域的核心研究，在已经检索的结果中，筛除报纸、会议、标准、报道、年鉴等期刊内容，只保留SCI来源期刊、EI来源期刊、北大核心期刊、CSCD数据库的文献，得到1 045条检索结果，在硕博士论文库中，检索关键词为“海水淡化”内容，得到508条检索结果，对期刊文献和硕博士论文进行累加，累计得到1 553条检索结果。研究数据丰富有效，具有明显的统计学意义，可以为文献计量研究提供有力的数据支持。

1.2 研究方法

研究以数理统计方法为依托，基于CNKI科学文献数据库，通过提取有效的样本数据，借助CiteSpace软件，定量分析海水淡化技术研究的发展历程。从研究阶段、研究机构和作者、研究关键词等不同角度，对所筛选的数据库文献进行归纳总结及图谱聚类，从图谱中客观解析海水淡化技术的关联领域、研究重点、研究热点以及发展趋势。CiteSpace是一款知识图谱分析软件，通过可视化的手段来呈现相关科学领域知识的结构、脉络、规律以及分布情况，为科学研究的发展提供充分的预测及参考依据[2]。

2 结果与分析

2.1 海水淡化技术研究的阶段性

年度文献分布状况是衡量科研成果的一项重要指标[3]，利用文献计量软件对检索到的1 553条文献进行统计分析，并对统计结果利用三次多项式进行趋势拟合(图1)，根据趋势分析结果，海水淡化技术在近20 a的研究中呈现明显的阶段性特征，主要分为3个阶段。

图1 海水淡化研究成果数量年代分布图Fig.1 Chronological distribution of seawater desalination research results

(1)从2000年～2010年，属于海水淡化研究的快速发展期，发文总量499篇，年均发文量约45篇。此阶段，从宏观政策角度解析，中国经济总量逐渐达到一个新的历史高度，经济运行的稳定性提高、发展的协调性改善、重要领域和关键环节的改革不断取得突破，在体制的创新下，国家层面每年投入到海洋科研专项的经费不断增长，所以科学领域不断取得新的成果。从国家研究生招生的角度，1999年本科高校扩招，对应6 a后的研究生规模相应扩大，所以从2005年开始，论文数量增长显著。

(2)从2011年～2015年，属于海水淡化研究的平稳发展期，发文总量599篇，年均发文量约120篇，2015年，出现历史高点155篇。在此阶段，海水淡化研究成果达到新的历史高度，主要原因一方面是国内各大海洋专项处于密集结题的时期，成果产出较为集中，另一方面是国家在逐年加大海水淡化工程的投入(图2)，国内海水淡化工程规模逐年增长，所以成果产出随之上升。此阶段也是国内外学者在技术交流的繁荣期，交流引入了更多的新理论新技术，推动了整个学科的发展。

图2 全国海水淡化工程规模增长图(来源于2019年全国海水利用报告)Fig.2 Growth chart of national seawater desalination project scale(National report on seawater utilization in 2019)

(3)从2016年～2020年，属于海水淡化研究的平稳下降期，发文总量498篇，年均发文量约100篇。对比国内海水淡化规模(图2)可以看出，这个时期虽然我国海水淡化规模在快速增长，但是发文数量反而在缓慢下降，尤其是2019年，国内海水淡化规模较2018年增长了约33%，但是发文数量反而下降，主要原因是海水淡化工艺及理论日趋成熟，宏观层面研究方向及规模渐趋饱和状态，研究逐渐渗透到更加细微的领域，如新材料、新能源等方面，且此阶段属于海水淡化技术的应用期，所以发文数量处于缓慢下降趋势。

2.2 海水淡化研究领域的机构与作者分析

机构及作者分析可以发掘一个行业的标杆，根据CNKI检索结果，提取发文量前20的机构进行统计如图3所示。

由图3可以看出，发表文章量第一的是的是天津大学，文献数量达到122篇，并列第二的是海水淡化研究所(现自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所)与大连理工大学，文献数量都为114篇，以上三所机构的发文总数与其余所有单位发文量相当，代表了着国内海水淡化技术的主流。发文量在50篇～100篇的有三个机构，分别是中国海洋大学，华北电力大学(北京)以及杭州水处理中心，从发文量上，这三所机构在海水淡化研究方面同样拥有充分的实力。从地域角度分析，在排名前20的机构中(图3)，有6所机构的地点都在天津市，分别是天津大学、海水淡化研究所、天津科技大学、河北工业大学、天津工业大学、南开大学，充分说明了天津市在海水淡化产业研究上的龙头地位。

图3 海水淡化研究机构成果分布图Fig.3 Distribution of achievements of seawater desalination research institutions

作者和研究机构在一般情况下是一一对应的，因此在研究“海水淡化”研究领域的核心作者和研究机构时，文章采用了核心作者—研究机构混合网络知识图谱(图4)。

图4 研究机构及作者混合网络知识图谱Fig.4 Research institutions and authors' hybrid network knowledge map

在图谱中，节点大小表示一个单位发文量的多少，节点连线表示机构及作者之间的合作关系，连线越多表示合作次数越多。图谱验证，海水淡化研究所、中国海洋大学、天津大学、大连理工大学等机构为海水淡化领域的核心研究机构，图谱也清晰展示出该领域的核心研究成员，如高从堦、王世昌、王琪、伍联营、阮国岭、赵河立、齐春华、解利昕、沈胜强、郑宏飞、马敬环等。在机构以及作者的合作层面上，通过连线可以看出，海水淡化研究所、天津大学、中国海洋大学连线较为密集，三个机构合作紧密，杭州水处理中心与中国海洋大学合作关系紧密，天津工业大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、河海大学、清华大学等机构基本自成一体，合作面较小。从机构作者混合网络图谱中可以明确发现不同机构及作者的“学缘”关系，这种学缘合作，实现了研究单位的强强联合，对理清国内海水淡化发展的脉络具有重要的意义，但同时，在学科未来的创新发展过程中，也要警惕“学缘”合作的局限性，防止科学研究的“嫡系合作”，阻碍该领域的创新发展。

2.3 海水淡化研究的关键词分析

论文关键词代表一篇文章内容的研究导向，关键词频次越高，说明相关研究越多，热点趋势越明显，关键词频次越低，相关研究越少，受关注度也就越少[4]。为了形象的表示海水淡化行业研究涉及的深度与广度，研究利用Citespace软件中LLR(log-likelihood ratio)算法对1 553篇筛选论文通过关键词聚类分析。

LLR算法是一种假设检验方法，对于两个事件，Itemi和Itemj ，LLR计算公式如下：

S=2×(Hm-Hc-Hr)

式中：Hm表示任意两个关键词组成矩阵的矩阵熵，Hr表示每行相加计算得到的信息熵，Hc表示矩阵的每一列相加计算得到的信息熵[5]。借助Citespace软件执行LLR聚类算法，得到海水淡化研究成果关键词聚类图谱(图5)。

图谱中，圆的大小表示关键词出现频数的多寡，范围越大说明关键词出现的频数越多，关键词文字的大小代表关键词的中心性，字体越大，在网络图谱中的中心性就越强，表明对整个研究领域的影响越大，相互之间的连线代表关键词之间的相互联系，连线越多，代表耦合程度越高[6]。

从图5中可以看到，海水淡化、反渗透、太阳能、数值模拟、低温多效、膜蒸馏、氧化石墨烯、能量回收、多级闪蒸等关键词的圈层呈现明显的由大到小的关系。聚类结果大致反映了海水淡化研究聚焦的领域，剔除海水淡化主题词，反渗透、太阳能、低温多效、多级闪蒸、膜蒸馏基本都代表着一类海水淡化的方法。

图5 海水淡化研究成果关键词分析图谱Fig.5 Key words analysis atlas of seawater desalination research results

其中，反渗透所覆盖的圈层最大，代表了海水淡化研究的主流方向，反渗透在图谱中产生的耦合关系最多，其辐射的领域也最广，包罗了氧化石墨烯、碳纳米管、能量回收、回收率、风光互补等重要的关键词，其中石墨烯、碳纳米管作为一种新材料技术，研究一直处于反渗透膜研究的前沿热点；能量利用效率也是反渗透研究中的重要一环，所以图谱中能量回收、回收率圈层也比较明显；风光互补则代表新能源技术在反渗透研究中所参与的程度。

太阳能海水淡化是热法海水淡化的重要研究领域，尤其近年来，利用毛细驱动结合太阳能局域热法的新型海水淡化技术，凭借其高效产水速率和超低的投入成本已成为科学家研究热点，从图谱中也能看到，太阳能海水淡化主要聚焦于光热转换以及界面技术研究领域。

低温多效是三大商业海水淡化技术的一种，另外两种为多级闪蒸和反渗透[7]。低温多效技术具有操作温度低、可利用低温废热、预处理要求低等优点[8]，在海水淡化领域具有重要的地位，从图谱中可以解析，其涉及的核心技术领域包括传热学、材料腐蚀与防护、阻垢和清洗、海水预处理、两相流体力学等，是多项技术集成创新的一种海水处理技术。

膜蒸馏是以疏水多孔膜两侧存在的蒸汽分压差来实现对混合物分离的新型膜分离技术，具有截留率高、操作温度与压力低、占地面积小、可利用工业低温余热等优点[9]，目前膜蒸馏技术的相关研究还停留在实验阶段，限制其工业化应用的主要原因是过程渗透通量较小，但是膜蒸馏的研究在科学界一直没有停止。从图谱中也能看到，膜蒸馏技术与两相流及气体分离等的研究有重要关联。

从图谱中看，多级闪蒸相比其他几种海水淡化方法，圈层较小，主要原因是多级闪蒸在中东地区占有较多份额，但是在我国由于投资和能耗等方面原因，应用较少，所以相应的研究也比较少[10]。

图谱显示，数值模拟圈层较大，数值模拟在海水淡化中的利用，一是对热法海水淡化中热质传递的数值模拟，二是对浓海水扩散的数值模拟。近年来，随着海洋生态文明建设的逐步回归以及持续推进，在海水淡化浓海水排放中，利用数值模拟合理规避浓海水的热污染及盐度污染难题，也逐渐成为海水淡化研究的一项重要课题。为便于统计与观察，表1列举了2000年～2020年出现的关键词的频数，明确地体现了国内海水淡化技术研究的主要层面。

表1 海水淡化研究的关键词频数统计(TOP 20)Tab.1 Frequency statistics of key words in seawater desalination research(TOP 20)

2.4 海水淡化研究的时区特点

海水淡化是一门系统的科学，其研究也是一个逐步演变的过程， 根据发表论文关键词的突现强度，可以发掘海水淡化研究发展的时间脉络及热点特征。文章研究利用CiteSpace软件对1 553篇文献的关键词进行突变检测，得到突现强度较高的18个关键词(图6)。

图6 海水淡化研究关键词的时区突变图Fig.6 Study on time zone of seawater desalination based on key words

其中，2000年～2010年，主题突变关键词有：雨水、多效蒸发、海水利用、成本、核能、微滤、超滤、预处理等。雨水、海水利用两个关键词持续时间较长，雨水与海水淡化同为非常规水资源利用的方式，在缺水地区对于水资源配置的作用不可估量，2010年前非常规水资源的研究受到较多关注，具有重要的前瞻意义[11-15]。2006年～2010年，微滤、超滤、预处理等突现程度较高，微滤、超滤作为反渗透海水淡化预处理的一种方法，可以极大改善反渗透的进水水质，工程上称为“双膜法”[16-17]，而且由于双膜法工艺占地小,自动化程度高,运行维护方便，到现在已经成为一种成熟的水处理工艺，大量应用于工程实例。核能海水淡化在2010年前也受到较高的关注，核能作为新能源，既能提供电力，又能提供淡化海水所需的热能，且由于其清洁能源的属性，目前核能海水淡化这项技术已经被许多国家应用，例如韩国、俄罗斯、巴基斯坦、突尼斯等[18-24]，相信不久的将来，核能海水淡化在我国也有广阔的应用前景。浓盐水、浓海水、数值模拟可以作为一个整体看待，持续的时间从2009年一直到2018年，浓海水在化学资源提取领域具有广阔的应用前景，主要原理是是利用分离、富集等手段从浓海水中提取各种无机盐类、金属化合物以及微量元素，目前浓海水提取镁、溴等元素已经实现工业化生产[25-27]，对循环经济起到很好的示范作用。海水淡化在有效解决缺水问题的同时，浓排以及温排水的扩散问题同样引起了部分环境专家和渔业界的关注，所以探索研究浓海水对环境的影响程度,以便采取合理的技术来保护环境,这也是浓海水研究当前以及未来受关注的重要原因。2012年～2015年，海岛、传热、柱塞泵、微电网是海水淡化研究的热点[28-34]，其中，海岛关键词持续时间较长，资料显示我国面积大于500 m2的有居民海岛489个，其中一半以上海岛依靠管道引水和船舶运水保障用水，200余个海岛无本岛淡水储存及供应设施，部分海岛地下水超采严重，导致海水倒灌、水质严重恶化，所以国家也正是在这个阶段大力推行海岛海水淡化工程，用3 a～5 a的时间，在辽宁、山东、浙江、福建、海南等沿海省份重点推进100个左右海岛的海水淡化工程建设及升级改造，初步规划海水淡化能力达到60万t/d左右，目前该项工程已经取得巨大成效，为众多海岛的发展带来了生机。2017年～2018年，能量回收作为新热点出现在突现图谱中[35-36]，能量回收装置在反渗透海水淡化研究中很关键，它回收了反渗透系统浓水的压力，将其转换成反渗透进水的压力，从而降低了能量消耗与制水成本。能量回收作为一个新的热点，侧面说明我国海水淡化事业也在逐渐朝着节能型方向发展。

3 结论

文章以2000年～2020年CNKI数据库中海水淡化相关的1 553篇文献为研究对象，借助信息可视化研究方法，对我国海水淡化研究现状进行了可视化图谱分析。具体分析了该领域发文量的阶段性特征，研究机构及作者的分布特征及共耦关系，研究关键词的外延范围，并根据突现词的时区特点得出各阶段我国海水淡化不同时期的研究重点。主要研究结果显示：

1)从发文数量上来看，我国海水淡化研究的发文数量经历了快速发展期、平稳发展期、平稳下降期三个阶段，不同阶段因为政策及时代特点，成果数量存在明显差异。

2)从研究机构及作者来看，天津大学、海水淡化研究所、大连理工大学在该领域的研究中处于领先地位，从地域来看，天津市在该领域研究中处于龙头地位，作者附属于研究机构，高从堦、阮国岭、谢利昕、王世昌、沈胜强、齐春华、郑宏飞、马敬环等研究人员成果显著，在合作关系上，该领域呈现是强强联合现象，但是也要有一定的“学缘”合作关系。

3)从关键词的分析来看，海水淡化、反渗透、太阳能、数值模拟、低温多效、膜蒸馏、氧化石墨烯、能量回收、多级闪蒸等关键词出现频次较高，基本反映了海水淡化的方法与研究范围，从微观到宏观，体现了海水淡化研究的深度与广度。

4)从时区特点来看，2010年之前，海水淡化主要聚焦在非常规水资源、预处理、核能等方面的研究上；2010年～2015年，技术逐渐成熟，海岛海水淡化逐渐被广泛关注，这也是我国实行海岛百岛工程计划的一个缩影；浓海水研究从2009年之后，一直呈现热点趋势，这也是海水淡化可持续发展的重要方面；2017年之后，能量回收逐渐成为海水淡化研究领域的一个新的热点，这也是我国大力推广工业余能回收利用技术，降低单位产品能耗，倡导循环经济背景下，海水淡化领域研究的重要课题。