劉玲花,吳雷祥,吳佳鵬,劉來(lái)勝,霍煒潔

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所,北京　100038)

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國(guó)外地表水水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法綜述

劉玲花,吳雷祥,吳佳鵬,劉來(lái)勝,霍煒潔

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所,北京100038)

摘要：討論了水質(zhì)指數(shù)的發(fā)展歷程,介紹了國(guó)外幾種比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的水質(zhì)指數(shù),包括它們的背景和應(yīng)用領(lǐng)域,以期為我國(guó)的地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。綜合評(píng)價(jià)已有的水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)及其應(yīng)用情況,認(rèn)為加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)法是一種值得推薦使用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,建議以此方法為基礎(chǔ),建立適合我國(guó)的水源地水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：地表水水質(zhì);水質(zhì)指數(shù);水質(zhì)評(píng)價(jià);水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是合理利用和保護(hù)水資源的一項(xiàng)基本工作,是水環(huán)境管理與決策的依據(jù)。地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要考慮大量樣本和多種水質(zhì)參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有很多,包括最差因子判別法[1]、灰關(guān)聯(lián)分析法[2]、主成分分析法[3]、水質(zhì)指數(shù)法[4-8]、層次分析法[9]等,每種方法都有自己的特點(diǎn)和使用條件。最差因子判別法是在所有因子中選最差的那個(gè)類別作為總體類別,是偏于悲觀的方法。水質(zhì)指數(shù)法是將大量的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用簡(jiǎn)單公式進(jìn)行計(jì)算,將水質(zhì)分為非常好、好、較好、差等幾種類別。水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法使用簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、精確度較高,能較為完整地反映地表水的污染程度,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,如,美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)水質(zhì)指數(shù)(National Sanitation Foundation Water Quality Index, NSFWQI)[10],加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù) (Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index, CCMEWQI)[11],俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)[12]。筆者對(duì)國(guó)外常用的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行比較分析,以期為我國(guó)的地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1水質(zhì)指數(shù)的概念及水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法的發(fā)展歷程

1.1　水質(zhì)指數(shù)的概念

水質(zhì)指數(shù)(water quality index,WQI)是綜合了多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的歸一化無(wú)量綱數(shù)。水質(zhì)指數(shù)里需要考慮的參數(shù)取決于水的用途。?？紤]的水質(zhì)參數(shù)包括BOD、COD、pH值、總大腸菌群、溫度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮和磷)等。WQI將這些參數(shù)的復(fù)雜的科學(xué)信息綜合成一個(gè)單一的數(shù)。

建立水質(zhì)指數(shù)包括如下的步驟:

步驟1:根據(jù)水體的用途,確定水質(zhì)參數(shù)以及可接受的標(biāo)準(zhǔn)濃度值;

步驟2:將每個(gè)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,得到單個(gè)水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)值;

步驟3:確定每個(gè)參數(shù)的權(quán)重,以便計(jì)算綜合水質(zhì)指數(shù);

步驟4:選擇一種算法計(jì)算水質(zhì)指數(shù)值;

步驟5:按照水質(zhì)指數(shù)的取值范圍將水劃分為不同的等級(jí),如優(yōu)、良、中、差等。

1.2　水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法的發(fā)展歷程

最早見(jiàn)諸文獻(xiàn)的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法可以追溯到1965年,由美國(guó)俄亥俄河流域水衛(wèi)生管理委員會(huì)的Horton[13]提出。Horton選擇10個(gè)最常用的水質(zhì)參數(shù)(DO、pH值、糞大腸菌群、電導(dǎo)率、碳-氯仿提取物(CCE)、堿度、氯化物、溫度、污水處理)計(jì)算水質(zhì)指數(shù),指標(biāo)權(quán)重的賦值為1~4,用線性聚合函數(shù)計(jì)算水質(zhì)指數(shù)值。Horton擬定了水質(zhì)評(píng)分尺度,0代表最差水質(zhì),100代表最佳水質(zhì)。

隨著Horton的開(kāi)創(chuàng)性研究,很多學(xué)者又提出了幾種不同的水質(zhì)指數(shù),這些水質(zhì)指數(shù)被一些供水和水污染控制機(jī)構(gòu)大力提倡使用[12,14]。

Brown等[15]于1972年提出的水質(zhì)指數(shù)與Horton水質(zhì)指數(shù)類似,他們選用9項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)(DO、糞大腸菌群、pH、BOD5、硝酸鹽、磷酸鹽、濁度、總?cè)芙庑怨腆w、溫度)來(lái)計(jì)算水質(zhì)指數(shù),水質(zhì)參數(shù)的權(quán)重由142位專家進(jìn)行打分確定,參數(shù)的權(quán)重決定了該參數(shù)對(duì)水質(zhì)用途的重要性。Brown水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算方法為

(1)

式中:WQI為水質(zhì)指數(shù);qi為第i項(xiàng)參數(shù)的水質(zhì)評(píng)分;ωi為第i項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重。

其他研究人員根據(jù)水的用途不同選用不同的水質(zhì)參數(shù),提出了類似的水質(zhì)指數(shù)法。意大利的Prati等[16]在1971年提出的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)考慮了13項(xiàng)參數(shù)(pH、DO、BOD5、COD、高錳酸鹽指數(shù)、懸浮固體、氨氮、硝酸鹽、氯離子、鐵、錳、吸光值),把水體水質(zhì)劃分為優(yōu)良、可允許、輕污染、污染、嚴(yán)重污染5個(gè)等級(jí)。

Nemerow[17]1974年提出了污染指數(shù)法(內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)),選擇14項(xiàng)參數(shù):溫度、色度、濁度、pH、糞大腸菌群數(shù)、溶解固體、懸浮固體、總氮、堿度、硬度、氯化物、錳、鐵、硫酸鹽和溶解氧,根據(jù)水體用途按下式計(jì)算水質(zhì)指數(shù):

(2)

Nemerow將水體用途分成人體接觸的用途(飲用、游泳、制造飲料等)、人體間接接觸的用途(工業(yè)制備食品、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、釣魚(yú)等)、人體不接觸的用途(工業(yè)冷卻、旅游等)。不同用途的水其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同。內(nèi)梅羅指數(shù)特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子,是目前仍然應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

Steinhart等[18]于1982年應(yīng)用一種新的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)大型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代中期,加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)的水質(zhì)指南工作組將水質(zhì)指數(shù)法引入加拿大[19]。最近,加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù) (Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index, CCMEWQI)在加拿大不同省份及各種生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中得到了廣泛應(yīng)用[11，20-21]。

幾乎所有的水質(zhì)指數(shù)都需要對(duì)參數(shù)檢測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化,根據(jù)需要將預(yù)期濃度解釋為水質(zhì)“好”或“壞”,然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)水質(zhì)影響的重要性分別對(duì)它們賦予權(quán)重,加權(quán)計(jì)算得到水質(zhì)指數(shù)。

2幾個(gè)重要的地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)

2.1　加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)

加拿大水質(zhì)指數(shù)(Canadian Water Quality Index, CWQI)是在1995年英國(guó)哥倫比亞大學(xué)公布的水質(zhì)指數(shù)基礎(chǔ)上確定的[19],目前該方法在加拿大很多省份均已得到應(yīng)用[22-23],該指數(shù)從范圍(Scope)、頻率(Frequency)和振幅(Amplitude)3個(gè)方面計(jì)算水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否超過(guò)了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值[23]。加拿大水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

其中

(7)

式中:F1為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù)占總監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)量的百分比(代表范圍);F2為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的百分比(代表頻率);F3為振幅;P為超標(biāo)的水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù);N為水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)總數(shù);q為所有水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);M為水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù);S為不達(dá)標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)。

對(duì)于規(guī)定了上限值的一般水質(zhì)指標(biāo),則

(8)

對(duì)于不能低于某一限值的指標(biāo)(如溶解氧、pH等),則

(9)

式中:ci為指標(biāo)實(shí)測(cè)值,cs為對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值。

表1　加拿大飲用水源水體總體等級(jí)分值及其相對(duì)應(yīng)的適宜性說(shuō)明

水質(zhì)綜合指數(shù)(WQI)的取值在0～100之間,0表示水質(zhì)非常差,100表示水質(zhì)很好。根據(jù)WQI值將水體劃分為5個(gè)級(jí)別:很好(95～100),好(80～94),中等(60～79),及格(45～59),差(0～44),見(jiàn)表1。對(duì)不同級(jí)別的水體可以采取不同的水處理工藝,以達(dá)到飲用水安全的目標(biāo)[20]。加拿大水質(zhì)指數(shù)值對(duì)于水質(zhì)級(jí)別的分類有一定的主觀性,需要結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和群眾對(duì)水質(zhì)的期望對(duì)WQI值劃分區(qū)間以確定水質(zhì)級(jí)別。

2.2　加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)

加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(British Columbia Water Quality Index, BCWQI)是由加拿大環(huán)境部在1995年增加的一種水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)。該指數(shù)類似于2.1節(jié)介紹的CCMEWQI。將水樣的水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)限值比較,確定該參數(shù)是否超標(biāo),然后利用下面的公式計(jì)算水質(zhì)指數(shù)值:

(10)

數(shù)字1.453是為了保證指數(shù)值在0～100之間。F1、F2、F3的計(jì)算方法見(jiàn)式(4)~(6)。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是,重復(fù)采集水樣和增加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量可以提高不列顛哥倫比亞省水質(zhì)指數(shù)的準(zhǔn)確性。

2.3　美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)水質(zhì)指數(shù)

為了比較不同地區(qū)的河流和湖泊水質(zhì)狀況,Brown等[15]在調(diào)查142個(gè)水質(zhì)科學(xué)家基礎(chǔ)上建立了美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)水質(zhì)指數(shù)(National Sanitation Foundation Water Quality Index，NSFWQI),該水質(zhì)指數(shù)考慮了9個(gè)水質(zhì)參數(shù),分別為DO、糞大腸菌群、pH、BOD5、硝酸鹽、總磷、溫度、濁度、總固體。建立了9個(gè)水質(zhì)參數(shù)的Q值曲線,如糞大腸菌群和溶解氧的Q值曲線見(jiàn)圖1和圖2。

注：糞大腸菌落數(shù)大于100 000時(shí),Q值為2。圖1　糞大腸菌群的Q值曲線

圖2　pH的Q值曲線

根據(jù)9個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)值,確定其Q值,然后乘以Q值得出水質(zhì)指數(shù)。NSFWQI值的計(jì)算公式如下:

(11)

式中:ωi為第i項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重,Qi為第i項(xiàng)參數(shù)的水質(zhì)評(píng)分。

表2是水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算實(shí)例。水質(zhì)指數(shù)取值范圍為0～100,根據(jù)水質(zhì)指數(shù)的取值范圍將水分為5類:0～25為非常差的水,25～50為差的水,50～70為中等質(zhì)量的水,70～90為質(zhì)量好的水,90～100為非常好的水。

表2　水質(zhì)指數(shù)計(jì)算實(shí)例

2.4　俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)

俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(Oregon Water Quality Index,OWQI)選擇8個(gè)水質(zhì)參數(shù)(溫度、DO、BOD、pH、總固體、氨氮和硝酸鹽氮的加和、TP、糞大腸菌群)表征水質(zhì)狀況[24]。每個(gè)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果按照水的用途轉(zhuǎn)換成無(wú)量綱指數(shù)值,指數(shù)值10為最差,100為最好。計(jì)算公式為

(12)

式中:n為參數(shù)的數(shù)量；Si為第i個(gè)參數(shù)的指數(shù)值。

WQI小于60表示水質(zhì)極差,60～79表示水質(zhì)較差,80～84表示水質(zhì)一般,85～89表示水質(zhì)良好,95～100表示水質(zhì)特別好。

2.5　綜合污染指數(shù)

Sargaonkar等[25]在對(duì)印度河流指標(biāo)監(jiān)測(cè)和隨后的分類基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了綜合污染指數(shù)(Overall Index of Pollution,OIP),監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、濁度、溶解氧、生化需氧量、硬度、總?cè)芙庑怨腆w、總大腸桿菌群、砷和氟化物。根據(jù)印度的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或者其他公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)如世界衛(wèi)生組織或歐盟的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),將水樣的水質(zhì)級(jí)別分為5個(gè)等級(jí):非常好、可接受、輕微污染、污染、嚴(yán)重污染。綜合污染指數(shù)計(jì)算公式為

(13)

式中:OIP為綜合污染指數(shù),pi為第i個(gè)參數(shù)的污染指數(shù),n為參數(shù)個(gè)數(shù)。

2.6　Bhargava水質(zhì)指數(shù)

為了開(kāi)發(fā)這種指數(shù),Bhargava[26]將水質(zhì)參數(shù)劃分為4組,每組都包含同一類型的幾個(gè)參數(shù)。第1組包括了表示飲用水細(xì)菌污染狀況的大腸桿菌;第2組包括了有毒物質(zhì)、重金屬等;第3組包括了感官類參數(shù),如氣味、顏色和濁度;第4組包括了無(wú)機(jī)和有機(jī)無(wú)毒物質(zhì),如氯化物、硫酸鹽等。確定了分類指數(shù),可以采用下面的簡(jiǎn)化模型計(jì)算水質(zhì)指數(shù)值:

(14)

式中:n為水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù);fi(pi)為第i個(gè)參數(shù)的靈敏度函數(shù),包括第i個(gè)變量的權(quán)重影響。

2.7　幾種水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的對(duì)比分析

表3對(duì)上述介紹的不同國(guó)家的6種水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比。從表3可以看出,水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算方法多種多樣,包括了加權(quán)算術(shù)平均法如美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)水質(zhì)指數(shù)(NSFWQI),算術(shù)平均法如綜合污染指數(shù)(OIP),調(diào)和平方的不加權(quán)算術(shù)平均法如俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)、加權(quán)幾何平均(如Bhargava)水質(zhì)指數(shù)以及調(diào)和平方加和法,如加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)和加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(BCWQI)等。

表3　6種水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算方法對(duì)比

Lumb等[27]采用加拿大安大略湖的30個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)連續(xù)7年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用美國(guó)NSF水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)法、俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)和加拿大水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),并將兩國(guó)的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:①在水的使用方面利用水質(zhì)指數(shù)進(jìn)行評(píng)分和分類,加拿大水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法比美國(guó)的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)法嚴(yán)格；②俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)與加拿大水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果較接近；③美國(guó)的NSF水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)法在對(duì)水質(zhì)分級(jí)方面顯得較寬松,該方法對(duì)安大略湖水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果在大多數(shù)情況下都是“好”和“極好”,即使是對(duì)一些穿過(guò)工業(yè)區(qū)、人口密集區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)的監(jiān)測(cè)斷面的評(píng)價(jià)結(jié)果也是如此。

加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)和加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(BCWQI)利用調(diào)和平方和法計(jì)算水質(zhì)指數(shù),這是一種比較好的水質(zhì)指數(shù)計(jì)算法,該方法不僅在加拿大得到廣泛應(yīng)用,聯(lián)合國(guó)環(huán)境署(UNEP)也應(yīng)用加拿大水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)世界不同國(guó)家的飲用水水質(zhì)[24]。

3結(jié)語(yǔ)

水質(zhì)指數(shù)法是評(píng)價(jià)不同時(shí)空的水體水質(zhì)優(yōu)劣的一種較好的工具,能把一系列水質(zhì)數(shù)據(jù)用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式綜合成一個(gè)數(shù),用來(lái)評(píng)價(jià)某一時(shí)間和地點(diǎn)的水質(zhì)好壞,可以回答“水可以飲用嗎?水可以作為飲用水源嗎?水可以游泳嗎?”等諸如此類的問(wèn)題。水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的簡(jiǎn)化表達(dá)更容易被公眾、政策制定者所接受。

各國(guó)的水質(zhì)指數(shù)計(jì)算方法各不相同,常用的水質(zhì)指數(shù)計(jì)算方法包括加權(quán)算術(shù)平均法,算術(shù)平均法,調(diào)和平方的不加權(quán)算術(shù)平均法、加權(quán)幾何平均法、調(diào)和平方加和法等。加權(quán)平均或修正的加權(quán)平均應(yīng)用比較廣泛。

綜合評(píng)價(jià)已有的水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)及其應(yīng)用情況,加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)法是一種值得推薦使用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,建議以此方法為基礎(chǔ),建立適合我國(guó)的水源地水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法。

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Review on surface water quality index assessment method in foreign countries

LIU Linghua, WU Leixiang, WU Jiapeng, LIU Laisheng, HUO Weijie

(DepartmentofWaterEnvironmentResearch,ChinaInstituteofWaterResourcesand

HydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract：The development history of water quality index was discussed. Several mature and widely used water quality indexes in western countries, including their background and application fields, were introduced, aiming to offerring reference for surface water quality assessment in our country. Comprehensively evaluation of water quality index and its application showed that the Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index (CCMEWQI) is a recommended water quality evaluation method. It is recommended that proper water quality index assessment method for headwater areas in China should be developed based on CCMEWQI.

Key words：surface water quality; water quality index; water quality assessment; water quality index assessment

(收稿日期：2015-02-28編輯：彭桃英)

中圖分類號(hào)：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0086-05

作者簡(jiǎn)介:劉玲花(1965—),女,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,主要從事水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),水污染控制及水處理技術(shù)研究。E-mail: lhliu@iwhr.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題 (2011BAC12B02)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.015