涂剛琴,劉鴻雁, 2,趙志鵬,吳 攀,劉 沛,吳 斌,安 勇

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學(xué)環(huán)境工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所,貴州 貴陽 550025; 3.六盤水市環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測站,貴州 六盤水 553000)

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黔中平寨水庫保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染風(fēng)險評價與敏感區(qū)域識別

涂剛琴1,劉鴻雁1, 2,趙志鵬1,吳 攀1,劉 沛1,吳 斌3,安 勇3

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學(xué)環(huán)境工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所,貴州 貴陽 550025; 3.六盤水市環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測站,貴州 六盤水 553000)

以黔中平寨水庫保護(hù)區(qū)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)為研究對象,采集了干流斷面水樣59個,支流斷面水樣41個,和88個土壤樣品,分析評價流域的非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀,并用GIS進(jìn)行空間解析。結(jié)果表明,枯水期時,流域水質(zhì)以Ⅰ類居多, 占觀測點(diǎn)個數(shù)的59.62%,Ⅱ～Ⅲ類占15.38%,Ⅳ類占5.77%,Ⅴ類占9.62%;豐水期時,水質(zhì)以Ⅳ類居多,占72.92%,Ⅰ～Ⅲ類只占22.91%,Ⅴ類占4.17%,主要超標(biāo)指標(biāo)為TN、NH3-N、TP,流域呈現(xiàn)出非點(diǎn)源污染的典型特征。通過評價土地利用因子(L)、徑流因子(Q)、距離因子(D),利用改進(jìn)的理想解法(TOPSIS)確定各因子所占的權(quán)重,得到流域非點(diǎn)源污染風(fēng)險評價指數(shù),并將流域劃分為4類敏感控制區(qū)域。其中,中度敏感區(qū)分布較為均勻,主要是靠近水系的坡耕地區(qū)域,應(yīng)對坡耕地進(jìn)行種植區(qū)劃調(diào)整,并加強(qiáng)對肥料等農(nóng)用化學(xué)品的管理;而高度敏感區(qū)域主要分布在準(zhǔn)保護(hù)區(qū),其污染源主要是城鎮(zhèn)生活污水和煤礦開采廢水,應(yīng)加快該區(qū)域城鎮(zhèn)生活污水集中處置和煤礦廢水治理工程的建設(shè)力度。

非點(diǎn)源污染;水質(zhì);土地利用因子;徑流因子;距離因子;TOPSIS法

隨著點(diǎn)源污染控制能力的提高,非點(diǎn)源污染成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要來源。非點(diǎn)源污染以農(nóng)業(yè)面源污染為主[1-2]。由于非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、隱蔽性和滯后性,使得非點(diǎn)源污染控制難度大。對區(qū)域內(nèi)土壤和水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價,實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染敏感區(qū)域的識別,對保護(hù)和合理利用區(qū)域內(nèi)水土資源至關(guān)重要。評價土壤和水質(zhì)現(xiàn)狀的方法很多,可以將其分為兩類,一類為定量分析[3],一類為定性分析[4-5]。定性評價可以很好地反應(yīng)土壤和水質(zhì)所處的質(zhì)量級別水平。其中,灰色關(guān)聯(lián)度法由于其評價步驟簡潔實(shí)用,并且所需參數(shù)較少,從而被廣泛運(yùn)用[6-8]。賴?yán)と莸萚6]采用灰色關(guān)聯(lián)法對延安市寶塔區(qū)境內(nèi)的流域水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了評價,得到各河段的水質(zhì)評價等級,便于研究區(qū)內(nèi)水資源的合理利用與重點(diǎn)防治。非點(diǎn)源污染識別和評價的方法,根據(jù)建立機(jī)理和模擬過程的不同,主要分為兩種,即機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]。機(jī)理模型通過定量描述整個流域內(nèi)的復(fù)雜污染過程,識別非點(diǎn)源污染的主要來源和遷移路徑,并評估其對水質(zhì)的影響,如AnnAGNPS模型[10]，SWAT模型[11]，HSPF模型[12]。但機(jī)理模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)龐大,在數(shù)據(jù)信息缺乏的地區(qū)使用困難。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^建立污染負(fù)荷與土地利用類型或徑流量間的關(guān)系,反映非點(diǎn)源污染的輸出強(qiáng)度,如潛在污染指數(shù)(PNPI)法[13]、輸出系數(shù)法[14]。這類模型所需參數(shù)少,并能保證一定的精度,可滿足數(shù)據(jù)缺乏地區(qū)進(jìn)行非點(diǎn)源污染評價的要求。

黔中水利樞紐工程是貴州省首個大型跨地區(qū)、跨流域長距離水利調(diào)水工程,總庫容 10.8億m3,覆蓋面積達(dá)4 711 km2,干渠總長為156.5 km,總灌溉面積4.348萬hm2,建成后可以解決39.5萬人畜飲水問題。黔中水利樞紐工程平寨水庫集水流域溶解態(tài)重金屬質(zhì)量濃度均低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值,這與周圍匯入水體水質(zhì)密切相關(guān)[15]。劉鴻雁等[16]的研究表明,烏江流域水質(zhì)有逐漸惡化的趨勢,主要污染的區(qū)域在烏江上、中游地區(qū)的支流河段。為了降低由于非點(diǎn)源污染導(dǎo)致水體受到的影響,有必要研究該區(qū)域內(nèi)土壤的養(yǎng)分分布特征及水質(zhì)現(xiàn)狀,并對研究區(qū)進(jìn)行非點(diǎn)源污染敏感性分區(qū)。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏,需要一個數(shù)據(jù)輸入少,但又精度高,且操作簡單,能全面評價非點(diǎn)源污染的模型。筆者利用潛在污染指數(shù)(PNPI)的機(jī)理,通過適當(dāng)?shù)膮?shù)指標(biāo)改進(jìn)后,對研究區(qū)進(jìn)行了非點(diǎn)源污染評價,以期為制定合理的監(jiān)管措施提供理論依據(jù),促進(jìn)區(qū)域內(nèi)非點(diǎn)源污染狀況的監(jiān)測和農(nóng)業(yè)管理措施的研究。

1 研究區(qū)域概況

平寨水庫上游流域見圖1。研究區(qū)范圍主要設(shè)在保護(hù)區(qū)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi),其地理坐標(biāo)為:北緯26°25′～26°40′、東經(jīng)105°10′～105°30′，涉及納雍、織金、六枝和水城4個縣共 7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(新房鄉(xiāng)、陽長鎮(zhèn)、曙光鄉(xiāng)、比德鄉(xiāng)、化樂鄉(xiāng)、百興鎮(zhèn)和雞場鄉(xiāng)),總面積約375.52 km2。流域內(nèi)地形復(fù)雜,地勢高低懸殊,冷暖氣流常被海拔高的山脈阻擋,局部地區(qū)形成較強(qiáng)對流天氣,年平均氣溫10.4～15.1℃。水量季節(jié)性變化明顯,冬季主要受到北方西伯利亞氣流影響,多為陰雨天氣,雨量較少;夏季受到印度孟加拉灣西南暖濕氣流和西太平洋海洋氣候影響,5—10月雨量較多,尤其集中在6—7月,區(qū)域水資源豐富,多年平均降雨量為1 089.6 mm。流域?yàn)闉踅嫌稳砗恿饔?屬于長江流域。

圖1 平寨水庫上游流域

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

2014年3月進(jìn)行土壤樣品的采集,運(yùn)用GPS定位功能,取0～20 cm表層土樣,每個樣點(diǎn)周圍進(jìn)行5次重復(fù)采樣,按4分法混合組成待測土樣約1kg,共采集土壤樣品88個,見圖1。土樣經(jīng)風(fēng)干處理后過1 mm篩,部分樣品過0.25 mm篩備用。pH值用電極法測定,其他測定方法為:土壤TP用NaoH熔融-鉬銻抗比色法,TN用半微量開氏法,有機(jī)質(zhì)用油浴加熱重鉻酸鉀容量法,土壤中有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,堿解氮用擴(kuò)散吸收法[17]。水樣的采集分枯水期(4月)和豐水期(9月)進(jìn)行,采樣點(diǎn)布設(shè)涉及平寨水庫整個集水流域,包括主干斷面和主要的支流,在每一個主要支流匯入主干斷面前50～100 m、主干斷面匯入點(diǎn)上游200～500 m及支流匯入主干斷面完全混合處設(shè)置監(jiān)測斷面,采樣點(diǎn)分布見圖1。共采集水樣100個,其中枯水期水樣52個,豐水期水樣48個。DO質(zhì)量濃度采用便攜式水質(zhì)參數(shù)儀(Multi340i,德國)現(xiàn)場測定;NH3-N質(zhì)量濃度的測定使用納氏試劑比色法;TN質(zhì)量濃度采用分光光度法測定;TP質(zhì)量濃度的測定采用鉬酸銨分光光度法;CODMn質(zhì)量濃度參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8467—1986《水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測定》進(jìn)行測定。

2.2 評價和分區(qū)方法

由于本研究中有限的水質(zhì)時空監(jiān)測數(shù)據(jù)所提供的信息是不完全的,并且水環(huán)境中污染物質(zhì)與周圍環(huán)境存在著復(fù)雜的聯(lián)系[18],水環(huán)境是一個典型的具有灰色性的系統(tǒng)[19],所以,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)法將水質(zhì)狀態(tài)看作灰色變量,水質(zhì)級別看作灰類,以避免分級臨界值附近的實(shí)測濃度值的微小變化可能導(dǎo)致的評價結(jié)果級別歸屬的改變[20]。筆者在IP等[21]所采用的鄧聚龍灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分析方法的基礎(chǔ)上,提出采用正弦函數(shù)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。進(jìn)行土壤養(yǎng)分評價時,將評價對象的實(shí)測值作為待比序列,將全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)作為參比序列。進(jìn)行水質(zhì)評價時,將評價對象的實(shí)測值作為待比序列,GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》作為參比序列。根據(jù)評價結(jié)果,判斷研究區(qū)是否具有非點(diǎn)源的污染特征。

潛在非點(diǎn)源污染指數(shù)(potential non-point population index,PNPI)法在2005年成功運(yùn)用在意大利Tiber河流評價中,它的計(jì)算基于GIS,且能在流域尺度上反映每個土地單元對河流造成污染的可能性[13]。筆者借鑒PNPI指標(biāo)參數(shù)的選擇原則,在確保評價結(jié)果客觀的基礎(chǔ)上,對指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,計(jì)算公式為

(1)

式中:LI為非點(diǎn)源污染風(fēng)險評價指數(shù);D為距離影響因子;Q為徑流影響因子;L為土地利用影響因子。w1、w2、w3分別為D、Q、L的評價權(quán)重。

2.2.1 徑流影響因子的確定

(2)

式中，θ為土地坡度。

表1 不同土地類別CN值與L值

注：A為厚層黃土；B為薄層黃土或沙壤土；C為黏壤土；D為粉砂壤土。

2.2.2 土地利用影響因子的確定

非點(diǎn)源污染物的輸出主要通過地表徑流,其質(zhì)量濃度受土地利用類型的影響很大[28],土地利用影響因子反映的是不同下墊面對污染物流失的影響。本文中L值由不同土地利用類型土壤降雨徑流中N、P的質(zhì)量濃度確定,為兩者之和。具體的數(shù)值,參照呂喚春等[29-30]的研究所得,結(jié)果見表1。

2.2.3 距離影響因子的確定

距離影響因子反映了土地單元到河網(wǎng)間的距離,距離越近,則進(jìn)入河流的潛在污染物就越多。本文采用核密度函數(shù)(Kernel Density)來確定距離影響因子。核密度函數(shù)在分析產(chǎn)業(yè)聚集和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系[31],以及分析路網(wǎng)密度對交通事故的影響[32]中有大量運(yùn)用。核密度函數(shù)不僅考慮了幾何距離,也考慮了河網(wǎng)密度的作用,而且它已經(jīng)被整合到ArcGIS10.0中,應(yīng)用非常方便。

2.2.4 權(quán)重的確定

權(quán)重對最后的評價結(jié)果至關(guān)重要。PNPI指標(biāo)參數(shù)中對權(quán)重的確定,采用的是專家打分法[33],但各區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)、自然等條件是不同的,一個區(qū)域內(nèi)的打分不一定適合另一個區(qū)域。本研究中采用改進(jìn)的理想解法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)來確定權(quán)重,但首先要對L、D、Q3個因子進(jìn)行歸一化處理[9]。

表2 土壤養(yǎng)分及水質(zhì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

表3 水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)評價結(jié)果

最后根據(jù)公式(1)得到非點(diǎn)源污染風(fēng)險評價指數(shù)LI,LI數(shù)值的范圍為0～1,值越大,則污染物流失風(fēng)險越大,故按照研究區(qū)的實(shí)際情況,將流域進(jìn)行非點(diǎn)源污染敏感區(qū)劃分:當(dāng)風(fēng)險評價指數(shù)LI為0.00～0.35時,劃分為不敏感區(qū);LI為0.35～0.45時,劃分為輕度敏感區(qū);LI為0.45～0.65及0.65～1.00時,分別劃分為中度敏感區(qū)和重度敏感區(qū)。

3 結(jié)果與討論

3.1 非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀評價

研究區(qū)水質(zhì)參數(shù)和土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征見表2。從平均值來看,區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分質(zhì)量都在Ⅰ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)之間,說明區(qū)域內(nèi)的土壤養(yǎng)分狀況良好。水質(zhì)中TN質(zhì)量濃度超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);NH3-N質(zhì)量濃度在豐水期達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),為枯水期的2.53倍;TP質(zhì)量濃度在豐水期達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),為0.36 mg/L,而枯水期TP質(zhì)量濃度為0.02 mg/L,屬于Ⅰ類水質(zhì)?？梢?流域中污染物超標(biāo)物質(zhì)為TN、NH3-N、TP,而且豐水期NH3-N、TP的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于枯水期。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,采用灰色關(guān)聯(lián)評價法進(jìn)行污染現(xiàn)狀評價,得到灰色關(guān)聯(lián)等級(j0)和綜合評分值(J*)。土壤的綜合評分值(J*)符合正態(tài)分布,對其進(jìn)行克里金插值,得到流域內(nèi)土壤質(zhì)量的分布情況,見圖2。水質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)評價結(jié)果見表3?？菟跇狱c(diǎn)個數(shù)中,水質(zhì)在Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(即j0=1)的觀測點(diǎn)占59.62%,Ⅱ～Ⅲ類占15.38%,Ⅳ類占5.77%,Ⅴ類占9.62%。豐水期時,水質(zhì)以Ⅳ類居多,Ⅳ類占72.92%,Ⅰ～Ⅲ類只占22.91%,Ⅴ類占4.17%。這說明流域中水質(zhì)質(zhì)量的空間差異性大,在豐水期時隨徑流流失的污染物質(zhì)量濃度高,流域非點(diǎn)源污染較大,結(jié)合前面對水質(zhì)參數(shù)平均值的分析,可知流域內(nèi)非點(diǎn)源污染主要對NH3-N、TP的貢獻(xiàn)大,所以有必要對流域進(jìn)行非點(diǎn)源污染敏感區(qū)域的劃分,使非點(diǎn)源污染得到有效的控制。

圖2 土壤質(zhì)量評價克里金插值結(jié)果

圖3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2 非點(diǎn)源污染風(fēng)險評價與敏感分區(qū)

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為研究區(qū)的土地利用類型、土壤類型和坡度數(shù)據(jù)。要確定研究區(qū)的徑流影響影響因子(Q),首先要確定流域內(nèi)石灰土的CN參數(shù)選C類,黃壤和紫色土的CN參數(shù)選B類,石灰土和水稻土為D類[35],對土壤類型進(jìn)行SCS水文土壤劃分,得到校正前的CN值。然后根據(jù)公式(2)和坡度數(shù)據(jù)(圖3(c)),通過ArcGIS中 Spatial Analysis 模塊的Raster Calculator進(jìn)行CN值的校正,得到校正后的CN值圖,最后得到徑流量Q,歸一化計(jì)算后生成Q因子分布圖,見圖4(a)。

圖4 評價因子Q、L、D的空間分布

計(jì)算土地利用影響因子(L),根據(jù)表1中的值在GIS中對不同土地利用類型進(jìn)行賦值,歸一化后得到L因子圖,見圖4(b)。距離影響因子(D)需要水系數(shù)據(jù),見圖1。打開水系圖后,利用ArcGIS中的Kernel Density 模塊,創(chuàng)建一個光滑且每個柵格網(wǎng)格都有相應(yīng)數(shù)值的密度分布圖,歸一化后得到距離影響因子圖,見圖4(c)。距離影響因子隨著距河道距離的增加而減小,隨河網(wǎng)密度的增加而增大。

權(quán)重的計(jì)算需要?dú)w一化后的D、L、Q值的數(shù)據(jù),計(jì)算后得到LI=0.55L+0.32Q+0.13D。通過ArcGIS中 Spatial Analysis 模塊的Raster Calculator,生成相應(yīng)的流域非點(diǎn)源分析評價結(jié)果,結(jié)果的范圍在(0,1)之間,然后根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分流域非點(diǎn)源污染敏感區(qū),見圖5。

圖5 流域非點(diǎn)源污染敏感區(qū)劃分結(jié)果

從圖5可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)非點(diǎn)源污染敏感區(qū)分布的特征:①中度和高度敏感區(qū)分布在距離水系近的地方,不敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)距離水系遠(yuǎn);②不敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)分布地人為干擾少,多為林地、灌木林、草地等;③中度和高度敏感區(qū)分布的地方人為干擾大,主要包括耕地和居民區(qū)聚集地。人類活動的集中,使得下墊面產(chǎn)生了變動,導(dǎo)致徑流量和污染物質(zhì)的輸出發(fā)生改變,使水體受到污染。這與實(shí)際情況相符。

4 結(jié) 論

a.黔中水利樞紐工程水源地平寨水庫保護(hù)區(qū)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)水污染較為嚴(yán)重。水質(zhì)的評價結(jié)果顯示,枯水期時Ⅰ類水居多,占觀測點(diǎn)的59.62%;豐水期時水質(zhì)以Ⅳ類居多,占觀測點(diǎn)的72.92%。從時間變化上看,豐水期水質(zhì)要劣于枯水期,超標(biāo)指標(biāo)主要為TN、NH3-N、TP,流域水體表現(xiàn)出非點(diǎn)源污染的顯著特征。土壤灰色關(guān)聯(lián)評價的結(jié)果表明,流域內(nèi)土壤質(zhì)量狀況良好,都在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

b.在借鑒PNPI法計(jì)算機(jī)理的基礎(chǔ)上,對參評指標(biāo)進(jìn)行了適合研究區(qū)的適當(dāng)改進(jìn),計(jì)算了研究區(qū)非點(diǎn)源污染風(fēng)險指數(shù),并劃分為了4類非點(diǎn)源污染敏感區(qū)域。整體上,距離河道越近且人為活動越集中的區(qū)域,非點(diǎn)源污染風(fēng)險指數(shù)越大,區(qū)域非點(diǎn)源污染越敏感。敏感區(qū)域的劃分便于對研究區(qū)進(jìn)行有針對性的分區(qū)治理和合理的污染防控。

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Risk assessment of non-point source pollution and sensitive region recognition to Pingzhai Reservoir protection areas in central Guizhou

TU Gangqin1, LIU Hongyan1, 2, ZHAO Zhipeng1, WU Pan1, LIU Pei1, WU Bin3, AN Yong3

(1.CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;2.InstituteofEnvironmentalEngineeringPlanningandDesign,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;3.MonitoringStationofLiupanshuiEnvironmentalProtectionBureau,Liupanshui553000,China)

Taking Pingzhai Reservoir Protection Area and Quasi-protection Area as the study object, we collected 59 water samples from the trunk stream section and 41 ones from the branch stream section, and 88 soil samples to analyze and evaluate the situation of non-point source pollution in the basin, and made a space analysis by GIS.The results show that, in the low water period, the water quality of class I accounted for 59.62% in all water samples, class Ⅱ～Ⅲ accounted for 15.38%, class Ⅳ accounted for 5.77%, class V accounted for 9.62%; In the high water period, the ratio of class IV water was as much as 72.92%, classⅠ～Ⅲ accounted for 22.91%, class V accounted for 4.17%, and the main index exceeding standards are TN、NH3-N and TP, showing a typical characteristics of non-point source pollution.The weights of land utilization factor(L)、runoff factor(Q)and distance factor (D) were determined by the modified TOPSIS, getting the risk assessment index of non-point source pollution.The research areas were divided into 4 categories of sensitive control areas according to the risk assessment index.Among them, moderately sensitive areas was mainly distributed in the slope farmland near the river, so we should adjustment planting structure and strengthen the management of fertilizer and other agricultural chemicals in these areas.Highly sensitive regions were mainly distributed in urban residential areas, the main source of pollution were the urban sewage and coal mining wastewater, so we should promote the construction of urban sewage and coal mine wastewater disposal system.

non-point source pollution; water quality; land utilization factor; runoff factor; distance factor; TOPSIS

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.016

貴州省科技廳黔科合重大專項(xiàng)(〔2012〕6009-7)

涂剛琴(1990—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗h(huán)境模擬。E-mail:tugangqin11@163.com

劉鴻雁,教授。E-mail: re.hyliu@gzu.edu.cn

X820.4,X522

A

1004-6933(2015)04-0087-07