紊動對黏性泥沙絮凝沉降影響的實(shí)驗(yàn)研究

喬光全，張金鳳，張慶河，肖金龍，夏 波

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.國家海洋局南海工程勘察中心，廣州510300；3.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004)

紊動對黏性泥沙絮凝沉降影響的實(shí)驗(yàn)研究

喬光全1,2，張金鳳1，張慶河1，肖金龍1，夏 波3

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.國家海洋局南海工程勘察中心，廣州510300；3.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004)

在圓柱形沉降筒中利用多層格柵產(chǎn)生近似各向同性紊流場，研究鹽水和淡水中紊動對黏性泥沙絮凝沉降的影響，分析絮團(tuán)粒徑、體積含量和泥沙濃度變化．研究結(jié)果表明：在相同剪切率條件下，和在淡水中相比，鹽水中黏性泥沙絮凝時間縮短，絮團(tuán)粒徑增加，然而鹽度對絮團(tuán)體積含量影響并不明顯；最大絮團(tuán)粒徑隨著紊動剪切率的增加先增大后減少，最大絮團(tuán)粒徑對應(yīng)的紊動剪切率在鹽水中為 20.8,s-1，淡水中為 15.6,s-1；隨著紊動剪切率的增加，水體中泥沙平衡濃度增大，達(dá)到平衡所需要的時間縮短．

振動格柵；紊動剪切；鹽度；黏性泥沙；絮凝沉降；泥沙濃度

黏性泥沙的絮凝沉降對細(xì)顆粒泥沙構(gòu)成的淤泥質(zhì)河口海岸地形及環(huán)境演化有重要影響，而絮凝沉降本身又受到顆粒大小、泥沙濃度、水體鹽度、水體紊動以及有機(jī)物等多種因素的影響．對于處于不斷運(yùn)動狀態(tài)的河口海岸水體而言，水體紊動是影響泥沙絮凝沉降的重要影響因素．

不少學(xué)者利用現(xiàn)場觀測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了紊動對黏性泥沙絮凝的影響規(guī)律. Winterwerp等[1]對 Scheldt河口黏性泥沙絮團(tuán)進(jìn)行現(xiàn)場測量，提出了包含水體紊動參數(shù)的黏性泥沙沉速公式并應(yīng)用于計(jì)算模型中．唐建華等[2]、Liu等[3]和楊揚(yáng)等[4]分別通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測等方法研究了水體紊動、鹽度和腐殖酸含量等因素對長江口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響，認(rèn)為水流動力條件會直接導(dǎo)致絮凝體的破碎，而鹽度和腐殖酸的增加則促進(jìn)絮凝體的形成．張金鳳等[5]建立均勻各向同性紊流中黏性泥沙絮凝沉降的格子玻耳茲曼數(shù)學(xué)模型，模擬了不同紊動剪切率對黏性泥沙絮凝沉降的過程，認(rèn)為低強(qiáng)度紊動水體促進(jìn)絮凝，而高強(qiáng)度紊動抑制絮凝．Gratiot等[6]利用單層格柵振動實(shí)驗(yàn)研究了紊動和有機(jī)物對河口泥沙絮凝特性的影響，認(rèn)為紊動剪切率在 3～19,s-1范圍內(nèi)時，水體紊動促進(jìn)黏性泥沙的絮凝．吳榮榮等[7]通過環(huán)形水槽研究了錢塘江口泥沙的動水絮凝沉降現(xiàn)象，認(rèn)為流速是影響泥沙動水沉降的主要因素，錢塘江河口細(xì)顆粒泥沙的絮凝臨界流速為 60,cm/s．Mietta等[8]用燒杯和沉降筒兩種尺度的實(shí)驗(yàn)容器研究了紊動引起的黏性泥沙絮凝特性，認(rèn)為紊動水體中絮團(tuán)粒徑受水體環(huán)境(包括pH值、鹽度和有機(jī)物含量等)影響，紊動剪切率為20,s-1左右時，絮團(tuán)粒徑最大．Cuthbertson等[9]在多層格柵振動產(chǎn)生的均勻紊流場中研究了黏性泥沙以及混合沙的絮凝沉降特點(diǎn)，認(rèn)為高紊動水體中，泥沙絮凝時間與絮團(tuán)粒徑及泥沙初始濃度有關(guān)；而低紊動水體中，其關(guān)系不明顯.

上述研究結(jié)果從多種角度揭示了紊動對黏性泥沙絮凝的影響規(guī)律，然而，現(xiàn)有的振蕩格柵實(shí)驗(yàn)研究并未考慮海水和淡水不同環(huán)境中紊動對絮凝過程的影響．為此，筆者在沉降筒中采用多層振動格柵產(chǎn)生均勻紊流場，研究不同紊動條件下鹽水和淡水中黏性泥沙的絮凝沉降過程，分析黏性泥沙絮凝穩(wěn)定時間、絮團(tuán)體積含量、絮團(tuán)粒徑以及實(shí)驗(yàn)過程中泥沙濃度的變化，比較鹽水和淡水中紊動對黏性泥沙絮凝沉降的影響規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

實(shí)驗(yàn)所用沉降筒系統(tǒng)主要由沉降筒、格柵和電機(jī)3個部分組成，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示．沉降筒材料為有機(jī)玻璃，高100,cm，外直徑 30.00,cm，筒壁厚1.00,cm. 為在沉降筒中產(chǎn)生較大范圍的均勻紊流[9-10]，共設(shè) 3層振動格柵，相鄰格柵間距 H=30,cm，對每個格柵，相鄰格柵孔的距離M=5.50,cm，格柵條厚度和寬度都為1.00,cm，格柵空隙率(格柵開口面積與總面積之比)為 0.67，能產(chǎn)生較穩(wěn)定的紊流場[9]．底層格柵平衡位置距離沉降筒底部15,cm，大于2.5,M，格柵邊緣和壁面的距離為0.50,cm，能有效避免二次回流的影響[11]，格柵之間通過連桿相連，格柵上部和電機(jī)相連．電機(jī)轉(zhuǎn)動速度為 0～600,r/min，對應(yīng)格柵的振動頻率 f=0～10,Hz，沖程為 S=1～10,cm，皆無級可調(diào)．實(shí)驗(yàn)中電機(jī)帶動格柵做上下振動，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同紊動強(qiáng)度的近似各向同性均勻紊流．

圖1 沉降筒及振動格柵示意(單位：cm)Fig.1 Schematic diagrams of settling column and oscillating grid(unit：cm)

在下兩層格柵對應(yīng)的沉降筒外壁上設(shè)置 5個取樣口(見圖 1)．通過取樣口對泥沙粒度分布和絮團(tuán)含量進(jìn)行測量．通過測量泥沙樣品的濁度，然后根據(jù)濁度和濃度的關(guān)系反算得到泥沙濃度[12]．本實(shí)驗(yàn)采用美國哈希 2100P型便攜式濁度儀進(jìn)行濁度測量，濁度儀測量范圍為 0～1,000,NTU，分辨率為測量精度的 1.0%，連續(xù)讀數(shù)模式的測量反應(yīng)時間為 6,s，每組測量3次取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

泥沙粒度分布采用馬爾文MasterSize 2000激光粒度儀進(jìn)行測量和分析，它由激光器、濾波擴(kuò)束系統(tǒng)、樣品窗、光電探測器和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成，測量范圍為 0.02～2,000,μm，測量準(zhǔn)確度為±1.0%．測量時將一定量待測泥沙樣品加入到蒸餾水中，在螺旋槳的作用下充分分散，對樣品顆粒進(jìn)行粒度分析，當(dāng)需要測量泥沙單顆粒粒徑分布時要開啟超聲波作用，以將泥沙懸浮液中的絮團(tuán)充分打散．每組實(shí)驗(yàn)測量 3次取平均值作為最終結(jié)果．

實(shí)驗(yàn)用沙為煅燒高嶺土，其中d50=3.93,μm，d10= 1.26,μm，d90=10.23,μm，粒徑分布較集中且都屬于黏性泥沙范疇(見圖2)．實(shí)驗(yàn)用鹽水采用人工配制的Sunbow海水[4]，組成物成分比例見表1，鹽度為0.5%．

1.2 實(shí)驗(yàn)原理和參數(shù)率定

已有研究表明，振動格柵能夠在沉降筒中產(chǎn)生穩(wěn)定的近似各向同性均勻紊流[11]．Camp和 Stein[13]提出紊動剪切率和耗散率之間的關(guān)系為

圖2 泥沙粒度頻率和累計(jì)頻率分布Fig.2 Distributions of sediment size and its cumulative percentage

表1 人工配制海水成分Tab.1 Composition of artificial sea water

式中：G為紊動剪切率；ε為紊動能量耗散率；ν為流體運(yùn)動黏滯系數(shù)．其中，紊動能量耗散率ε和紊動能量積分尺度有關(guān)[9]，其表達(dá)式為

式中：A為接近于 1的常數(shù)；u'為紊動場的均方根流速(root-mean-square velocity)；l為紊動空間積分尺度．Shy等[10]認(rèn)為當(dāng)紊流場中只有某點(diǎn)(而不是場)速度的時間序列時，紊動空間積分尺度l可以通過時間積分尺度lt求得，即

式中：lt為紊動時間尺度；t0為Rt(r，t)首次為0時的t值；Rt(r, t)為時間相關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為

式中 uτ、uτ+t分別為場中某點(diǎn)間隔時間 t的脈動速度．由于本實(shí)驗(yàn)采用 ADV測量單點(diǎn)的速度時間序列，因此紊動空間積分尺度由式(3)～(5)求得，實(shí)驗(yàn)時脈動速度由ADV測得．

均方根速度與格柵尺寸、格柵振幅、振動頻率及測量點(diǎn)有關(guān)，在多層格柵實(shí)驗(yàn)中均方根流速的求解可以看成是兩層格柵作用效果的疊加[9]．定義兩層格柵中間位置處為z=0，u'(z)的表達(dá)式為

通過以上分析可知，為得到紊動剪切率 G，需要通過實(shí)驗(yàn)對速度系數(shù) B和空間(時間)相關(guān)尺度 l(lt)進(jìn)行率定．為了得到速度系數(shù) B，利用 ADV測量不同格柵沖程、不同振動頻率產(chǎn)生的紊動場中某點(diǎn)的速度歷時，計(jì)算出均方根速度，繪制出其和 M0.5S1.5fz-1的關(guān)系，如圖3所示．

圖3 均方根速度和M0.5S1.5fz-1關(guān)系Fig.3 Relationship between root-mean-square velocity and M0.5S1.5fz-1

當(dāng)沖程 S＜10,cm時，二者呈現(xiàn)很好的正比例關(guān)系．對于本文的振動格柵裝置，擬合得到水平向速度系數(shù)為 0.31，垂向速度系數(shù)為 0.37．上述結(jié)果與其他學(xué)者得到的結(jié)果較為接近，如 Shy等[10]認(rèn)為 B= 0.445；Medina等[14]根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到B=0.30．根據(jù)所得數(shù)據(jù)和式(5)繪制出紊動場中的時間相關(guān)函數(shù)曲線，如圖4所示(沖程S=4,cm)．將時間相關(guān)曲線進(jìn)行積分計(jì)算并帶入式(3)，得到水平和垂向空間積分尺度為 1.11,cm和1.49,cm，與 Cuthbertson等[9]在雙層振蕩格柵紊動場得到的結(jié)論(S/H＜0.15時，l=1.35,cm)接近．由于本實(shí)驗(yàn)主要研究泥沙在垂向的運(yùn)動，且兩個方向上的積分尺度相差不大，因此紊動空間積分尺度采用1.49,cm．

圖4 時間相關(guān)系數(shù)曲線Fig.4 Time correlation coefficient

將上述系數(shù)依次帶入式(6)、式(2)和式(1)中，得到?jīng)_程S為4,cm時該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的紊動剪切率G和格柵振動頻率f之間的關(guān)系為

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

考慮到濁度儀等實(shí)驗(yàn)儀器的測量范圍，實(shí)驗(yàn)中泥沙質(zhì)量濃度選 0.1,g/L，水體鹽度取 0.5%[15]，紊動剪切率 G為 0、5、10、20、30、40、60、80 s-1，同時每組實(shí)驗(yàn)在淡水(鹽度為0)中重復(fù)1次，共計(jì)16組實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)之前先安裝好測量儀器并向沉降筒中注入約40,L水備用．首先稱量鹽度為0.5%鹽水的用鹽量和質(zhì)量濃度為 0.1,g/L的實(shí)驗(yàn)用沙，分別置于 5,L水中充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚍植?；然后把鹽水和泥沙懸浮液分別注入沉降筒中，整個過程一直保持格柵10,Hz振動，以使泥沙在沉降筒中混合均勻且盡量減少絮凝的發(fā)生[8]；待泥沙混合均勻后，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，將格柵振動頻率調(diào)至所需頻率并開始計(jì)時，用ADV不間斷地測量上兩層格柵中間的流速，采樣頻率 200,Hz．在下兩層格柵中間取樣口取沙洋，使用濁度儀測量樣品泥沙濃度，測量時間間隔為 2～20,min，同時每隔20,min用激光粒度儀測量樣品泥沙粒徑分布，這樣流速測量和取樣測量兩者互不干擾．實(shí)驗(yàn)水溫也通過ADV測量，每次實(shí)驗(yàn)前后溫差小于0.5,℃，全部組次的實(shí)驗(yàn)水溫在(23.5±1.5),℃范圍內(nèi)．由于溫差較小，本文暫不考慮溫度對泥沙絮凝的影響．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝結(jié)果分析

圖 5為實(shí)驗(yàn)過程中泥沙懸浮液典型的粒度體積含量分布，圖中左側(cè)峰值對應(yīng)泥沙單顆粒粒度分布，右側(cè)峰值對應(yīng)絮團(tuán)粒度分布．若以 cp表示單組分泥沙顆粒的含量，cf和df分別表示單組分泥沙絮團(tuán)含量及對應(yīng)的粒度，則圖中左側(cè)峰值下面以橫線填充的面積可以認(rèn)為是單顆粒泥沙體積含量，即單顆粒泥沙體積與泥沙總體積之比，右側(cè)峰值下面斜線填充的面積為絮團(tuán)體積含量，即泥沙絮團(tuán)體積與泥沙總體積之比．Cp與 Cf的和為100%，絮團(tuán)平均粒徑

圖 6給出了實(shí)驗(yàn)過程中絮團(tuán)粒徑和絮團(tuán)體積含量(絮團(tuán)體積占泥沙總體積的百分比)歷時變化曲線，實(shí)線和虛線分別表示鹽水(s=0.5%)和淡水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中只給出了G為5、20、60、80 s-1的情形．從圖6中可以看出，黏性泥沙在鹽水中的絮凝沉降過程表現(xiàn)為：高紊動水體中，由于顆粒碰撞頻率增加促進(jìn)絮團(tuán)形成，絮團(tuán)粒徑和體積含量先迅速增大，之后水體紊動使得大絮團(tuán)破裂形成較小絮團(tuán)，絮團(tuán)粒徑逐漸減小至趨于平衡，而絮團(tuán)含量則從開始緩慢增大至趨于平衡；低紊動水體中絮團(tuán)粒徑和含量均是逐漸增大達(dá)到平衡后基本保持不變．淡水中，絮團(tuán)粒徑和體積含量隨時間的變化規(guī)律和鹽水中低紊動剪切率的表現(xiàn)基本相同，只是達(dá)到穩(wěn)定絮凝的時間較長．在不同的紊動剪切率(G為 0、5、10、20、30、40、60、80 s-1)條件下，以絮團(tuán)體積含量達(dá)到穩(wěn)定作為絮凝穩(wěn)定的時間，鹽水和淡水絮凝穩(wěn)定時間分別為 170、150、150、130、90、70、50、30 min和 210、210、190、150、130、110、90、70 min．

圖 7給出了絮凝平衡時絮團(tuán)粒徑和紊動剪切率的關(guān)系，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線．結(jié)合圖6(b)可以看出：紊動剪切率的增加雖然會使黏性泥沙絮團(tuán)含量一直增大，但其對絮團(tuán)粒徑的影響卻表現(xiàn)為先使其增大后減小．鹽水中，絮團(tuán)粒徑最大值出現(xiàn)在紊動剪切率 G=20.8,s-1時，與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]和數(shù)值模擬結(jié)果[5]一致．如張金鳳等[5]對紊動引起的絮凝進(jìn)行數(shù)值模擬，通過剪切應(yīng)力τ求得剪切率G=τ/μ，認(rèn)為絮凝剪切率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是 200,s-1；如果剪切率按照式(1)計(jì)算，相當(dāng)于數(shù)值模擬得到的最佳絮凝對應(yīng)的紊動剪切率為17.6,s-1，與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近．

圖7 絮凝平衡時絮團(tuán)粒徑隨紊動剪切率的變化Fig.7 Relationship between the floc size and turbulence shear rate at the steady state

此外，淡水和鹽水中，最有利絮凝的紊動剪切率不同，鹽水中為20.8,s-1，而在淡水中絮團(tuán)粒徑最大值則出現(xiàn)于紊動剪切率15.6,s-1；紊動剪切率相同時，鹽水中絮團(tuán)粒徑明顯大于淡水中的粒徑，前者是后者的1.48～2.10倍，說明水體鹽度對泥沙絮凝有促進(jìn)作用.

2.2 泥沙濃度結(jié)果分析

鹽水中不同紊動條件下，泥沙相對體積濃度變化如圖8所示，圖中只給出了G為0、20、40、80 s-1的情形，縱坐標(biāo)表示泥沙相對濃度，C和C0分別是時刻t和初始時刻的泥沙濃度．

本文采用二級動力學(xué)沉降模式[15]分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其表達(dá)式為

式中 a、b為無量綱擬合參數(shù)．當(dāng)絮凝沉降達(dá)到平衡時，泥沙相對濃度將減小 1/b，達(dá)到 1-1/b，b越大，穩(wěn)定濃度越大；濃度變化量達(dá)到其最大變化量一半(0.5/b)時，需要的時間 t0.5=a/b，濃度平均變化率為1/2,a，即 a越大，濃度變化越慢，達(dá)到穩(wěn)定濃度的時間越長．圖 8中，線表示采用式(8)對不同紊動剪切率實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合．從圖中可以看出：靜水中泥沙相對濃度呈線性遞減，這主要是由泥沙顆粒不斷沉降導(dǎo)致的；而在紊動水體中，由于泥沙顆粒沉降，相對濃度先有所減少，但由于紊動水體具有一定的挾沙能力，泥沙趨于沉降與懸浮的平衡，相對濃度又逐漸趨于平衡狀態(tài)．紊動剪切強(qiáng)度越大，水體挾沙能力越大，趨于平衡的相對濃度也越大．

圖8 泥沙濃度歷時曲線Fig.8 Time series of sediment concentration

圖9給出了鹽水和淡水環(huán)境下，擬合曲線中參數(shù)a和 b隨紊動剪切率的變化，從圖中可以看出，相同紊動剪切率條件下，鹽度增大，b增大，說明泥沙的穩(wěn)定濃度增大；a減小，說明濃度達(dá)到穩(wěn)定的時間變短．淡水條件下泥沙絮凝慢，泥沙濃度變化也慢，泥沙穩(wěn)定濃度?。?/p>

圖9 系數(shù)a、b隨紊動剪切率G的變化Fig.9 Relationship between parameters a，b and turbulence shear rate G

3 結(jié) 語

本文利用多層振動格柵產(chǎn)生近似均勻紊流場，取樣測量了中值粒徑 3.93,μm 的黏性泥沙在紊動流場中的絮凝沉降特性，包括絮團(tuán)體積含量、絮團(tuán)粒徑和泥沙濃度等，分析了紊動剪切率和鹽度對絮團(tuán)特性及泥沙濃度的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 針對本實(shí)驗(yàn)的格柵參數(shù)，紊動剪切率和格柵振動頻率的關(guān)系為G=7.30,f1.5；

(2) 絮凝平衡時，絮團(tuán)粒徑隨著紊動強(qiáng)度的增強(qiáng)呈先增加后減少的趨勢，同時紊動對黏性泥沙的絮凝沉降作用受到鹽度的影響；

(3) 相同紊動剪切率下，鹽水中(s=0.5%)黏性泥沙的絮凝特性和淡水中的相比，絮團(tuán)體積含量略有增加，絮凝時間明顯縮短，絮團(tuán)粒徑明顯增大；

(4) 相同鹽度條件下，紊動增強(qiáng)使絮團(tuán)含量增加，絮凝時間縮短，絮團(tuán)粒徑隨紊動強(qiáng)度增大先增大后減小，最大絮團(tuán)粒徑對應(yīng)的紊動剪切率在鹽水和淡水中分別為20.8,s-1和15.6,s-1；

(5) 相同紊動剪切條件下，鹽度增大了泥沙的穩(wěn)定濃度；同時在相同鹽度條件下，隨著紊動剪切率增加，泥沙穩(wěn)定濃度也隨之增大，穩(wěn)定時間變短．

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(責(zé)任編輯：趙艷靜)

Experimental Investigation of the Influence of Turbulence on the Flocculation and Settling of Cohesive Sediment

Qiao Guangquan1,2，Zhang Jinfeng1，Zhang Qinghe1，Xiao Jinlong1，Xia Bo3
(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. South China Sea Marine Engineering Surveying Center，State Oceanic Administration，Guangzhou 510300，China；3. Hunan Province Key Laboratory of Water，Sediment Sciences and Flood Hazard Prevention，Changsha 410004，China)

An array of oscillating grids was applied in the cylindrical settling column to generate quasi-isotropic turbulence flow. The experiments were carried out to clarify the influences of turbulence on cohesive sediment flocculation and settling in salt water and fresh water. The floc size distribution，volume fraction and suspended sediment concentration were analyzed based on the experimental results. The results show that the flocculation time is shorter and the floc size is larger in salt water than those in fresh water. However，the effect of salinity on the floc volume fraction is not obvious under the same shear rate conditions. The maximum floc size firstly increases，then decreases with increasing shear rate. When the maximum floc size is formed，the shear rates are 20.8,s-1and 15.6 s-1in salt water and fresh water，respectively. Furthermore，with the increase of the shear rate，the sediment equilibrium concentration increases and the time required for equilibrium decreases.

oscillating grid；turbulent shear；salinity；cohesive sediment；flocculation and settling；sediment concentration

TV142

：A

：0493-2137(2014)09-0811-06

10.11784/tdxbz201303022

2013-03-10；

2013-04-07.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50909071)；湖南省水沙科學(xué)及水災(zāi)害防止重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2010SS01).

喬光全（1986— ），男，博士研究生.

張金鳳，jfzhang@tju.edu.cn.

時間：2013-11-18.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131118.1632.002.html.