徐洪文, 蔡 琦

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

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基于可持續(xù)發(fā)展的淮安市水資源承力評(píng)價(jià)研究

徐洪文, 蔡 琦

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

為探索淮安市水資源的相關(guān)情況從其承載力方面入手,搜集了2004～2013年有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),運(yùn)用主成分分析法對(duì)淮安市水資源承載力進(jìn)行研究．結(jié)果表明:主成分分析法是一種較適宜方法;淮安市的人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、水資源總量是影響其水資源承載力的主要因素;2004～2013年的水資源承載力大致成上升趨勢(shì)．該評(píng)價(jià)成果能為淮安市未來水資源的可持續(xù)發(fā)展提供合理建議．

水資源承載力; 主成分分析法; 淮安市

0 引言

水是生命之源,不僅如此水還是一種重要的地球資源,它哺育了眾多古老的文明,孕育了一代代的人類,它是創(chuàng)造世界、建立現(xiàn)代工業(yè)文明不可缺少的血液,可以說水資源的利用貫穿整個(gè)人類的歷史．早期,水資源這一詞語就已經(jīng)存在,隨著時(shí)間的推移,世界在不斷發(fā)展,水資源的含義也隨著世界的變化而不斷地豐富和發(fā)展,它的概念既簡(jiǎn)單又復(fù)雜,它的內(nèi)涵也比較復(fù)雜,通常會(huì)表現(xiàn)在水的多樣性,水的運(yùn)動(dòng)性,水的相互轉(zhuǎn)化性,水的多用途性,對(duì)水質(zhì)水量要求的差異性,在一定條件下水質(zhì)水量變化的多樣性這些方面,更重要的是,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境條件下對(duì)水資源的開發(fā)和利用有制約性[1]．

水資源是世界上分布最廣、數(shù)量最大的資源,水資源覆蓋了地球表面70%以上的面積,然而地球上的人口與水資源分布極不平衡,它是地球上最廣泛開發(fā)利用的資源,也是人類當(dāng)前消耗最多的資源,對(duì)于水資源的利用早就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界各地其他資源的利用．世界上有許多地方嚴(yán)重缺水,加上水資源又遭到不同程度的污染,更是讓水資源的情況雪上加霜．現(xiàn)在全球干旱少雨的地區(qū)大約有三分之一,但同時(shí)又有不少地區(qū)在多雨時(shí)節(jié)時(shí)容易發(fā)生洪澇災(zāi)害,全球降水的不均勻分布不僅會(huì)致使天災(zāi)的發(fā)生,更多表現(xiàn)在水資源與其他資源匹配利用的不調(diào)和．就中國(guó)而言,水資源占長(zhǎng)江流域以南地區(qū)有82%,耕地面積卻只占36%,呈現(xiàn)出水多地少的狀態(tài),耕地面積在長(zhǎng)江以北地區(qū)占64%,水資源卻只占18%不到,呈現(xiàn)地多水少的狀態(tài)．隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展,各地水資源也遭受了不同程度的壓力,水資源承載力也涉及到很多領(lǐng)域,如生態(tài)、草地、土地等承載力[2].

本文以淮安市為例,研究淮安市水資源承載力的影響因素,以期為淮安市水資源的分配及其他用途提供借鑒．

1 研究方法

1.1 淮安市水資源數(shù)據(jù)概況

淮安位于淮河中下游,境內(nèi)有淮河水系和沂沭泗水系兩大水系．以廢黃河為界,廢黃河以南為淮河水系,以北為沂沭泗水系．淮安從南至北被一條京杭大運(yùn)河橫穿,淮安市西南部有洪澤湖,此湖是我國(guó)五大淡水湖之一．河上游近15.8萬 km2的來水進(jìn)入洪澤湖后由淮河進(jìn)入蘇北灌溉總渠、江水道、淮河入海水道、二河和淮沭河,最后經(jīng)淮安向東流入大海[3],且淮安素有“洪水走廊”之稱．

淮安市總面積達(dá)10 072 km2．其中山丘面積有1 764 km2,平原面積有5 707 km2,水面面積有2 601 km2,淮河水系面積為7 439 km2,主要水體有:淮河、洪澤湖(水面面積807 km2)、蘇北灌溉總渠、二河等;沭泗水系面積為2 633 km2,主要水體有:鹽河、廢黃河、淮沭河、中運(yùn)河等．由于自然因素和水利工程,除了有淮河承接上游來水再下泄洪澤湖和洪澤湖承接上中游的其它來水外,其他各水體的補(bǔ)給都來自洪澤湖,若淮河水資源不足則會(huì)通過江水北調(diào)或者引進(jìn)沂濟(jì)淮水進(jìn)行補(bǔ)給．

本文數(shù)據(jù)均來源于淮安市水資源公報(bào)(2004～2013)[4]和淮安市統(tǒng)計(jì)年鑒(2004～2013)[5],并經(jīng)過計(jì)算整理得到．前期還通過對(duì)淮安市的水源地進(jìn)行考察調(diào)研,對(duì)淮安市水資源現(xiàn)狀大致了解．

1.2 淮安市水資源承載力指標(biāo)體系的建立

淮安市位于江蘇省中北部，地處江淮平原東部，緊鄰南京都市圈，淮安市內(nèi)有被評(píng)為全國(guó)五大淡水湖之一的洪澤湖．

目前,水資源承載力的研究大部分還是基于定性評(píng)價(jià),比定量評(píng)價(jià)更客觀,所以本文采用定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法[6]．影響水資源承載力的原因多種多樣,如水資源的水質(zhì)質(zhì)量、水資源的開發(fā)利用度、污染狀況、人類消費(fèi)結(jié)構(gòu)等等,從多方面影響著水資源的承載力,指標(biāo)的選取應(yīng)避免重復(fù),應(yīng)選取代表性強(qiáng)綜合性強(qiáng)的指標(biāo),所選取的這些指標(biāo)要符合區(qū)域特性和區(qū)域之間的差異性[7],而且還應(yīng)選取能獲得較準(zhǔn)確的數(shù)值的指標(biāo),而不是為了統(tǒng)計(jì)便利任意選取計(jì)算方便的指標(biāo)．基于淮安市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),并且為了更加貼合淮安市的水資源現(xiàn)狀,本文從4個(gè)方面入手,即可操作性、全面性、層次性、主導(dǎo)性,一共選取了四大類12項(xiàng)具體指標(biāo): 人口類(X1總?cè)丝?X2城鎮(zhèn)人口比重)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)類(X3固定資產(chǎn)投資,X4地區(qū)生產(chǎn)總值); 水資源利用類(X5萬元GDP耗水量,X6工業(yè)生產(chǎn)用水,X7城鎮(zhèn)居民生活用水,X8農(nóng)村居民生活用水,X9農(nóng)田灌溉用水);水資源量類(X10地表水資源量,X11供水總量,X12水資源總量).

1.3 主成分分析法及步驟

對(duì)于水資源承載力的研究方法有很多,比如常規(guī)趨勢(shì)法,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法,模糊綜合評(píng)價(jià)法等等．其中常規(guī)趨勢(shì)法雖然直觀簡(jiǎn)便,但是該方法會(huì)忽略各指標(biāo)間的關(guān)系,不能全面反映水資源承載力的影響因素;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法則結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量很多,對(duì)數(shù)據(jù)要求高,不簡(jiǎn)便;模糊綜合評(píng)價(jià)法關(guān)鍵在于建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo),然而其指標(biāo)確定卻來源于專家的經(jīng)驗(yàn),具有很大的主觀性,因此本文采用主成分分析法來研究水資源承載力問題,該方法較科學(xué)且過程沒有系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)那么復(fù)雜,結(jié)果也如常規(guī)趨勢(shì)法般直觀[8]．

主成分分析法從數(shù)學(xué)角度來看實(shí)質(zhì)上是一種降維的分析方法,它把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)指標(biāo),大大簡(jiǎn)化了繁瑣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),并且很有針對(duì)性的展現(xiàn)出主成分分析法特有的優(yōu)點(diǎn),它將單項(xiàng)指標(biāo)記為X1,X2,…,Xm,則經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)閆1,Z2,…,Zx,其中m小于x．

主成分分析法的一般步驟[9]如下:

1) 將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

利用式(1),對(duì)原統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,

(1)

式中Q為已標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù),Xij為原始數(shù)據(jù),Xi為第i個(gè)指標(biāo)的樣本均值,Si為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差．

2) 求出相關(guān)系數(shù)矩陣

R=(Sij)n*n

(2)

(3)

3) 計(jì)算特征值和特征向量

根據(jù)|R-λ=0|計(jì)算特征值,對(duì)所求得的λ1,λ2,…,λn進(jìn)行排序,求出特征向量A1,A2,…,An．

4) 計(jì)算貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

5) 根據(jù)式(4)得出主成分載荷

(4)

主成分載荷是指各個(gè)主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù)．

6) 求出主成分權(quán)重及綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

(5)

(6)

即本文中最后的計(jì)算式為

z1=F11*zX1+F12*zX2+…+F1i*zXi

(7)

Z=r1*z1+r2*z2

(8)

由以上方法步驟求出主成分以及綜合得分．

2 結(jié)果與分析

利用SPSS17.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果見表1～表5. 以下結(jié)果都展現(xiàn)了淮安市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)信息．

2.1 主成分結(jié)果與分析

表1 主因子分析貢獻(xiàn)率

表2 因子載荷矩陣表

由表1得知,第一主成分F1和第二主成分F2的累積貢獻(xiàn)率達(dá)89%,達(dá)到了累積貢獻(xiàn)率85%以上的原則,所以只需選取這兩個(gè)主成分進(jìn)行分析即可．

由表2可以看出指標(biāo)總?cè)丝凇⒊擎?zhèn)人口比重、固定資產(chǎn)投資的相關(guān)系數(shù)分別為0.983,0.963和0.956,這些指標(biāo)之間存在相關(guān)性,也證明了用主成分分析法的正確性．表2中第一主成分F1與總?cè)丝赬1、城鎮(zhèn)人口比重X2、固定資產(chǎn)投資X3、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值X4、城鎮(zhèn)居民生活用水X7這幾個(gè)指標(biāo)間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性,與萬元GDP耗水量X5、工業(yè)生產(chǎn)用水X6、農(nóng)村居民生活用水X8、農(nóng)田灌溉用水X9呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),因此可以把第一主成分F1歸為人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展．第二主成分F2與地表水資源量X10、水資源總量X12呈較強(qiáng)的正相關(guān),與城鎮(zhèn)人口比重X2、固定資產(chǎn)投資X3、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值X4、萬元GDP耗水量X5、工業(yè)生產(chǎn)用水X6、農(nóng)村灌溉用水X9、供水總量X11呈負(fù)相關(guān),因此可以把第二主成分F2歸為水資源總量．這兩個(gè)主成分反映了淮安市水資源承載力的狀況．

2.2 綜合計(jì)算與分析

用表1中的因子方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重,通過式(7)計(jì)算各因子的單因子得分z1和z2,i屬于1～12,其中F1i代表前面計(jì)算得到的第一主成分的第i個(gè)特征向量,zXi代表第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù),這樣得出單因子得分z1和z2后再計(jì)算綜合得分Z,見式(8)．

其中Z表示綜合得分,r1表示第一主成分貢獻(xiàn)率r2代表主第二主成分貢獻(xiàn)率,z1代表第一主成分的得分,z2代表第二主成分的得分,r1=0.6901,r2=0.1997,帶入數(shù)值計(jì)算得出淮安市2004年到2013年水資源承載力的綜合得分,并對(duì)得分進(jìn)行排序,據(jù)此對(duì)比分析各年的數(shù)據(jù),見表3．

表3 綜合得分表

從表3可以看出,主成分得分有正有負(fù),但是這里的正值和負(fù)值并不代表水資源承載力的真實(shí)水平,而僅僅只是代表水資源承載力和平均水平的相對(duì)位置．綜合得分值越大意味著水資源承載力越大,反之越小[10]．其中2009年與2007年分?jǐn)?shù)一樣,由于2007年梅雨期為37天,較常年梅雨期多15天,所以淮安市梅雨期的雨量較多,平均降雨量達(dá)到了611.2 mm,是多年平均梅雨期降雨量的2.2倍,2007年的降雨量?jī)H次于2003年643.2 mm的降雨量,超過了1991年579 mm和1954年441.0 mm的降雨量,成為建國(guó)以來第二個(gè)最大值．入梅后,又先后遭遇4次大到暴雨過程,導(dǎo)致2007年屬于豐水年,水資源總量比2009年大,然而隨著淮安逐步的發(fā)展,2009年淮安市人口增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況逐漸變好,而2009年梅雨期偏短偏遲,雨量偏少,所以導(dǎo)致最終得分相同．從排序情況來看,綜合得分大致是呈上升趨勢(shì),這也說明淮安市水資源承載力也是逐漸上升的趨勢(shì)．

從表3中能夠看出,主成分1是呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì),而綜合得分也為上升趨勢(shì),這表明,隨著淮安市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加,淮安市的用水力度加大,人們用水需求加強(qiáng),然而經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然會(huì)伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類對(duì)于掌握處理水污染、水安全、水資源分配等方面的技術(shù)能力越來越強(qiáng),因此水資源承載力會(huì)越來越強(qiáng)．但是從表3中的變化趨勢(shì)可以看出人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快,而水資源承載力發(fā)展速度稍遜一籌,所以在水資源保護(hù)與水資源處理方面的技術(shù)還需有進(jìn)一步的加強(qiáng),技術(shù)的進(jìn)步?jīng)]有跟上人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐．

2.3 結(jié)果檢驗(yàn)與分析

通過上述分析已得出2個(gè)主成分,現(xiàn)在利用SPSS17.0對(duì)這兩個(gè)主成分與最終得分進(jìn)行比較分析,得出影響最大的一個(gè)主成分為F1即人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)是影響淮安市水資源承載力的最主要因素,現(xiàn)在對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)．現(xiàn)將F1的值與Z的值輸入SPSS軟件,利用相關(guān)分析對(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行分析,得到表4和表5．

表4 描述性統(tǒng)計(jì)量

表5 相關(guān)性檢驗(yàn)

從表4和表5的數(shù)據(jù)來看,表5表明F1與Z屬于高度正相關(guān),相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.989,在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),證明第一主成分人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是影響淮安市水資源承載力的最主要因素．把第二主成分也與最終得分進(jìn)行分析,得出的結(jié)果雖然不如第一主成分與最終得分的相關(guān)性大,但是第二主成分水資源總量也是影響淮安市水資源承載力的因素之一,不能因?yàn)橄嚓P(guān)性不大而忽視這一因素造成的影響．

3 淮安市水資源可持續(xù)利用對(duì)策與建議

水資源在可持續(xù)發(fā)展的3個(gè)方面,人類福利、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境健康方面都可以發(fā)揮重要作用．現(xiàn)實(shí)中,水資源及相關(guān)服務(wù)如飲用水和衛(wèi)生設(shè)施在過去30多年中是取得突出進(jìn)展的關(guān)鍵,水資源在改善生理健康、社會(huì)公平、糧食產(chǎn)出、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面做出了貢獻(xiàn),因此,水資源在億萬人民想通過自身努力改變生活狀態(tài)方面發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用．水資源與上述這些問題相互關(guān)聯(lián)錯(cuò)綜復(fù)雜,其中有些問題,例如,水資源與糧食以及農(nóng)業(yè)之間的關(guān)系,比較直接、簡(jiǎn)單,而另一些問題,例如,水資源在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮的作用,及其在能源生產(chǎn)方面的作用,人們更容易忽視,對(duì)于水的需求主要來自農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)和消費(fèi)4個(gè)方面[11]．

淮安市這幾年來,經(jīng)濟(jì)建設(shè)和各項(xiàng)社會(huì)事業(yè)都在穩(wěn)步上升發(fā)展,人民生活水平不斷上升,人口的增加使得用水需求增加,然而近幾年的淮安工業(yè)發(fā)展迅速,許多化工業(yè)等重污染企業(yè)遷址淮安,給淮安的環(huán)境保護(hù)污染整治雪上加霜,通過淮安幾個(gè)水源地的走訪發(fā)現(xiàn),大多數(shù)河流都存在濫排濫放現(xiàn)象,河流水源污染嚴(yán)重,氣味難聞,在河流兩岸旁時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)暗溝暗孔在隨意排放污水的現(xiàn)象,對(duì)淮安人民的生產(chǎn)生活存在嚴(yán)重影響,淮安市水資源的保護(hù)工作迫在眉睫．要想淮安市的水資源能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,現(xiàn)有如下幾個(gè)建議.

3.1 重視水源安全,加快污染治理

高度重視水源安全工作,加快進(jìn)行水資源污染防治工作．重點(diǎn)注意水源安全和流域治理,強(qiáng)化水污染防治與控制,水源保護(hù)區(qū)的調(diào)整與規(guī)劃要符合科學(xué)性、可行性、實(shí)踐性原則,加強(qiáng)水資源保護(hù)工作并解決好城市與農(nóng)村飲水安全問題．堅(jiān)決整治對(duì)水源保護(hù)區(qū)排放的排污口,防止養(yǎng)殖業(yè)污染水源,毒害飲用水水源保護(hù)區(qū),要強(qiáng)化水污染事故的預(yù)防和應(yīng)急處理等相關(guān)工作,保證大家的飲水安全．

3.2 監(jiān)督治理并行,嚴(yán)懲違法排放

水資源總量每年的情況不一樣,一年的降水量對(duì)水資源總量有一定影響,我們要以預(yù)防為主,防治結(jié)合,要進(jìn)一步對(duì)水源地的環(huán)境狀況給予關(guān)注,增強(qiáng)用水水源地污染治理能力,建立和完善水源保護(hù)相關(guān)技術(shù)方法和法律法規(guī),處理好水體污染相關(guān)的重大問題,切實(shí)開展水資源保護(hù)工作,派人周期性巡查各個(gè)水源地狀況,并建立好水資源污染監(jiān)督制度,對(duì)肆意排放污水等行為進(jìn)行嚴(yán)厲懲治．

3.3 發(fā)展保護(hù)并重,增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)

隨著時(shí)代的進(jìn)步發(fā)展,人口增長(zhǎng)迅速,人口需求越來越大,對(duì)水資源的利用要求也越來越高,用水處越來越多,而水資源量是固定的,人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶來水體污染問題,這就要求呼吁公眾保護(hù)水資源,加強(qiáng)水資源保護(hù)宣傳,經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源保護(hù)要同時(shí)進(jìn)行,開源與節(jié)流并重,合理利用水資源,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也要注意資源的保護(hù),不能只顧經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不顧環(huán)境的保護(hù),水資源的可持續(xù)發(fā)展不僅靠技術(shù)治理,更要靠公眾來保護(hù),現(xiàn)今,大多數(shù)人都還沒有節(jié)水意識(shí),經(jīng)常能看到很多浪費(fèi)水的現(xiàn)象,只有公眾一起增強(qiáng)水資源保護(hù)意識(shí),節(jié)約用水,水資源才能得以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展．水是生命之源,是人類的延續(xù),保護(hù)好水資源就是保護(hù)人類自己．

4 結(jié)論

利用主成分分析法對(duì)2004～2013年的淮安市水資源承載力進(jìn)行了研究,通過數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論:

1) 主成分分析法是研究淮安市水資源承載力影響因素較好的方法．

2) 淮安市水資源承載力2004年綜合得分為-3.45, 2013年得分為2.9,呈上升的趨勢(shì),表明淮安市的水資源承載力越來越強(qiáng)．

3) 淮安市水資源承載力影響因素有兩個(gè)方面,分別為人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源總量,其中人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是最主要的影響因子,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.989．

4) 淮安市水資源的可持續(xù)發(fā)展要求全民重視,防治結(jié)合,治理技術(shù)的發(fā)展要跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐．要想實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展必須依靠公眾的共同努力,只有大家提高節(jié)水護(hù)水意識(shí)才能更好的實(shí)現(xiàn)水資源的保護(hù)．

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[責(zé)任編輯：蔣海龍]

Evaluation of Water Resources Carrying Capacity of Huaian City based on Sustainable Development

XU Hong-wen, CAI Qi

(School of Urban and Environmental Science, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

In order to explore the water resources in Huai'an City, this paper from the aspects of bearing capacity used the statistical data from 2004 to 2013 and principal component analysis to research on the water resources carrying capacity. The results show that the principal component analysis is a good way and the main factors affecting the water resources carrying capacity are the degree of population and social economic development and water resources. The last shows that the water resources carrying capacity from 2004 to 2013 roughly into a rising trend. The evaluation results are reasonable, it can provide Huaian reasonable suggestions for the sustainable development of water resources in the future.

water resources carrying capacity; principal component analysis; Huaian city

2016-05-15

淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)(社會(huì)發(fā)展)計(jì)劃項(xiàng)目(HAS2014022-1)

徐洪文(1979-),男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士,主要從事資源環(huán)境科學(xué)方面的研究． E-mail: hongwen-xu@163.com

S158

A

1671-6876(2016)04-0327-06