頁巖氣勘探開發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響及建議

王 丹，何 敏

(涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心，重慶 408011)

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頁巖氣勘探開發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響及建議

王 丹，何 敏

(涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心，重慶 408011)

分析了頁巖氣勘探開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的水環(huán)境問題，如大量消耗水資源、地下水污染及地表水污染等；總結(jié)了美國在水環(huán)境保護(hù)問題上的監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)國內(nèi)頁巖氣開發(fā)實(shí)際情況的水環(huán)境保護(hù)建議。

頁巖氣；開發(fā)；水環(huán)境問題；水環(huán)境保護(hù)；監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)；建議

1 頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

頁巖氣是一種以游離態(tài)、吸附態(tài)或溶解態(tài)賦存于暗色富有機(jī)質(zhì)和極低孔隙度滲透率的泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，以及砂巖夾層系統(tǒng)的孔隙、裂縫和有機(jī)質(zhì)表面中的非常規(guī)天然氣，具有自生自儲(chǔ)、連續(xù)聚集的特點(diǎn)[1]。美國能源署(EIA) 2011年4月公布的數(shù)據(jù)表明，除俄羅斯和中東國家外，全球頁巖氣可開采量為189萬億m3，中國頁巖氣儲(chǔ)量約100萬億m3，是常規(guī)天然氣儲(chǔ)量的2倍，其中可開采量為36萬億m3，約占全球可開采量的20%，比美國高約7%，位居世界第一[2]。

近年來，美國非常規(guī)天然氣工業(yè)快速發(fā)展，致使其成為頁巖氣商業(yè)開發(fā)最早的國家，開采技術(shù)也不斷創(chuàng)新，尤其是水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，成為了頁巖氣勘探開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，中國的頁巖氣勘探開發(fā)正處在探索研究階段，在技術(shù)上仍須借鑒美國先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，配套以自主研發(fā)的頁巖氣勘探開發(fā)配套技術(shù)，能為頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)提供技術(shù)保障。隨著頁巖氣產(chǎn)量的急劇上升，日益凸顯的環(huán)境問題成為頁巖氣開采國家不可忽視的問題，這些環(huán)境問題主要包括：水環(huán)境污染、大氣環(huán)境污染、土地污染和地質(zhì)災(zāi)害，尤其以水環(huán)境污染問題最為嚴(yán)重。美國麻省理工學(xué)院(MIT)在2011年發(fā)表的天然氣年度報(bào)告中指出[3]：2001—2010年的10年間完鉆的頁巖氣井發(fā)生了43起廣泛報(bào)道的水污染事故，其中48%涉及鉆井液和壓裂液污染地下水資源，33%涉及現(xiàn)場(chǎng)污水泄漏，10%涉及返排水和空氣質(zhì)量，9%涉及現(xiàn)場(chǎng)污水外排(圖1)。

2 頁巖氣勘探開發(fā)引發(fā)的水環(huán)境問題

頁巖氣是一種低滲透的非常規(guī)天然氣，需要采用水平井和水力壓裂技術(shù)提高其采收率。采用這兩種技術(shù)可能帶來的水環(huán)境問題主要有：水資源消耗、對(duì)地下水的污染及對(duì)地表水的污染。

2.1 水資源消耗

頁巖氣開采過程中的耗水量很大，尤其在水力壓裂階段用水強(qiáng)度達(dá)到最高，且隨著產(chǎn)層地質(zhì)特點(diǎn)的不同，以及水平鉆井段的深度、長度和被壓裂水平段數(shù)目的差異，用水量還可能會(huì)產(chǎn)生很大的變化。根據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)[4]，美國Marcellus頁巖氣田單井平均耗水量約為1.5萬m3，其中水力壓裂的耗水量占98%；Fayetteville頁巖氣田單井平均耗水量約為1.2萬m3，其中水力壓裂的耗水量占95%； Barnett頁巖氣田單井平均耗水量約為1萬m3，其中水力壓裂的耗水量占85%；Haynesville頁巖氣田單井平均耗水量約為1.4萬m3，其中水力壓裂的耗水量占73%。國內(nèi)頁巖氣藏普遍埋藏較深，相對(duì)于國外需要消耗更多的水資源。頁巖氣開采中水力壓裂階段的耗水量是常規(guī)油氣井的50～100倍[5]，隨著頁巖氣開采量的不斷攀升，如此高的耗水量很可能對(duì)作業(yè)區(qū)環(huán)境造成累積影響，如河流等地表水和地下水資源的枯竭、含水層儲(chǔ)水能力的喪失，這些都將影響當(dāng)?shù)厮锏纳妗⒉遏~業(yè)、城市生活和工業(yè)用水等[6-7]。

我國頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域主要集中在華北平原(黃淮海平原)、遼寧、山西、天山及河西走廊等地區(qū)，而這些區(qū)域也正是我國重點(diǎn)缺水地區(qū)。因此，這些地區(qū)的頁巖氣開采需依靠地下水，這就極有可能造成地下水資源枯竭、含水層能力喪失及水質(zhì)惡化等問題。

2.2 對(duì)地下水的污染

頁巖氣開采對(duì)地下水的污染主要有三方面：甲烷對(duì)地下水的污染、鉆井液和壓裂液滲透至地層污染地下水、壓裂返排液回注造成的地下水污染。

頁巖氣的主要成分是甲烷。在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，甲烷氣體向淺層地下水遷移，引起地下水甲烷含量超標(biāo)。有研究者發(fā)現(xiàn)，距頁巖氣生產(chǎn)井直徑1km范圍內(nèi)淺水井中具有高濃度的甲醛[8]。賓夕法尼亞州和紐約州68個(gè)私有水井中的甲烷含量超標(biāo)，有些地區(qū)自來水中冒出的氣體還可以被點(diǎn)燃，研究證實(shí)，甲烷污染飲用水的現(xiàn)象與水力壓裂法開采頁巖氣有密切關(guān)系[9-10]。2012年9月，美國EPA發(fā)布“水力壓裂法對(duì)飲用水資源潛在影響研究”階段性報(bào)告[11]。從報(bào)告案例分析中發(fā)現(xiàn)頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)淺層地下水中甲烷濃度異?，F(xiàn)象，得出水力壓裂可能造成上層地下水甲烷污染的結(jié)論。但是，頁巖氣開發(fā)引起的含水層潛在甲烷污染成因機(jī)理尚不明確，還處在研究階段。目前國外關(guān)于頁巖氣開發(fā)引起含水層甲烷污染的機(jī)理有兩種[12]：①含水層中多種不同成因來源甲烷識(shí)別研究；②含水層甲烷污染途徑與遷移通道識(shí)別技術(shù)研究。

頁巖氣勘探開發(fā)過程中，鉆井液和壓裂液可能導(dǎo)致淺層地下水受到污染，而深部頁巖層的水與淺層地下水之間具有水力聯(lián)系，因此深層地下水受污染也可能導(dǎo)致淺部地下水受到污染。頁巖氣鉆井過程中，若發(fā)生嚴(yán)重的井漏，會(huì)使鉆井液通過裂縫、孔隙或溶洞進(jìn)入地層并通過流體的遷移作用污染淺層地下水，甚至可能造成井噴或井塌卡鉆事故。而在水力壓裂過程中，壓裂獲得的高度密集的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)為流體的遷移提供了通道，壓裂液中的化學(xué)添加劑，如殺菌劑、破膠劑、pH調(diào)節(jié)劑、降濾失劑以及表面活性劑等可能直接通過斷裂、裂縫系統(tǒng)自地下深處緩慢向上遷移至地表或淺層，并通過污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化造成淺層水資源的污染。Warner等[13]通過同位素比值分析認(rèn)為深部頁巖層和淺部水層之間存在聯(lián)通的裂縫和路徑。美國環(huán)境保護(hù)署于2011年12月公布的俄明州Pavillion頁巖氣田地下水污染初步調(diào)查報(bào)告中指出[14]：水力壓裂法與地下水源污染有關(guān)。雖然美國和中國的地質(zhì)構(gòu)造不同，氣藏埋深也不相同，國內(nèi)的頁巖氣開采過程的水力壓裂法是否會(huì)對(duì)地下水源造成污染也無定論，但不能排除其風(fēng)險(xiǎn)。

另外，水力壓裂的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生部分壓裂返排液到地面，返排液中含有較高的COD、金屬元素和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)，隨意排放勢(shì)必會(huì)對(duì)地表水造成污染。目前對(duì)這類壓裂返排液的處理方式通常是經(jīng)過處理后排放或處理后回注，但是現(xiàn)階段國內(nèi)外還沒有針對(duì)頁巖氣壓裂返排液的達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)、回注標(biāo)準(zhǔn)等，若這些返排液回注之前處理不當(dāng)，回注也勢(shì)必會(huì)對(duì)地下水造成污染。這也是某些國家(如法國和保加利亞等)禁止水力壓裂技術(shù)勘探開采頁巖氣的主要原因[15]。據(jù)ENS環(huán)境新聞網(wǎng)報(bào)道，美國紐約州于2015年7月正式宣布將在全州范圍內(nèi)禁止水力壓裂法開采油氣。

2.3 對(duì)地表水的污染

地表水的污染主要體現(xiàn)在鉆井廢水、壓裂返排液和采氣廢水不合理排放造成臨近河流等地表水的污染。

鉆井廢水是鉆井泥漿的高倍稀釋物和油類的混合物，包含了無機(jī)物、有機(jī)聚合物、油類物質(zhì)、粘土和加重材料等，具有成分復(fù)雜、水質(zhì)多變、COD濃度高、色度高及可生化性差等特點(diǎn)。這些物質(zhì)進(jìn)入地表水體后不僅會(huì)污染水體，還可能間接對(duì)人類和動(dòng)植物造成危害。首先，高濃度的油類物質(zhì)進(jìn)入水體，會(huì)在水體表面形成厚度不一的油膜，破壞了復(fù)氧過程，導(dǎo)致水體的溶解氧濃度下降，從而影響水質(zhì)和水生動(dòng)、植物的生存。其次，有機(jī)烴類具有致癌、致畸性和毒性，直接對(duì)人類的身體健康造成威脅，且可經(jīng)水生生物的富集在人體內(nèi)殘留，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中可通過代謝作用活化而形成高毒性的代謝產(chǎn)物，造成不可逆轉(zhuǎn)損傷生物大分子DNA。

壓裂過程產(chǎn)生的壓裂返排液及采氣過程產(chǎn)生的采氣廢水潛在的環(huán)境危害也較大。有數(shù)據(jù)表明[16]，在注入水力壓裂液并釋放壓力后，返回地面的壓裂液達(dá)到10%～70%。雖然多數(shù)情況下，壓裂返排液可用于重新配置壓裂液，但是仍有部分壓裂返排液不能滿足配置壓裂液的要求，需要對(duì)其進(jìn)行處理。采氣過程中，每產(chǎn)生100萬m3的燃?xì)鈺?huì)伴隨3～13萬L的采氣廢水產(chǎn)生[17]。這兩類廢水中除了含有化學(xué)添加劑以外，還有儲(chǔ)集巖中浸出的烴類化合物、重金屬和大量的TDS等。若這些廢水未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)流入地表水體，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的水污染。首先，地表水中的懸浮性或深沉污染物的濃度增加，促進(jìn)磷等營養(yǎng)物質(zhì)的混入可能導(dǎo)致地表水的富營養(yǎng)化；其次，返排水中的重金屬及細(xì)菌等有害微生物進(jìn)入飲水源后會(huì)對(duì)人體造成傷害。賓夕法尼亞州Cabot地區(qū)由于頁巖氣開采過程中大量壓裂返排液流入特拉華河流域，已造成該地區(qū)23.3km2的區(qū)域被污染，嚴(yán)重缺乏飲用水[7]。返排液中的TDS雖然不會(huì)直接給人體帶來傷害，卻限制了其在農(nóng)業(yè)灌溉和牲畜飲水等方面的潛在利用。

3 水環(huán)境問題帶來的思考

頁巖氣開發(fā)實(shí)踐表明，頁巖氣的開發(fā)不僅能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，其中最明顯的即是水環(huán)境問題。作為頁巖氣開發(fā)起步較晚的國家，我們不僅需要學(xué)習(xí)歐美國家先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制措施，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，更需要結(jié)合自身的實(shí)際情況，建立適應(yīng)中國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境管理體系，并制定相應(yīng)的政策和標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 美國頁巖氣開采的水環(huán)境監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)

美國不僅在頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)上走在了時(shí)代的前列，關(guān)于對(duì)頁巖氣開采帶來的水環(huán)境問題的防治與監(jiān)管也處于領(lǐng)先水平，建立了相對(duì)完善的監(jiān)管體系，包括水資源保護(hù)、地表廢水監(jiān)管、地下灌注及壓裂液化學(xué)成分等。

(1)美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)和各級(jí)州府環(huán)境保護(hù)局都有嚴(yán)格的水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，有明確的水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、應(yīng)對(duì)措施和污染處理設(shè)施，這些為頁巖氣開發(fā)過程的水環(huán)境監(jiān)管提供了有力保障[18]。美國地質(zhì)調(diào)查局還提出了3個(gè)要求限制頁巖氣開采過程中水資源消耗[17]：①鉆探用水不能給當(dāng)?shù)氐乃Y源帶來沖擊；②避免小流域和河流的退化；③評(píng)估鉆探回收水的利用程度。這3個(gè)要求在一定程度上降低了地表水和地下水資源枯竭、含水層儲(chǔ)水能力喪失的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)美國對(duì)頁巖氣開采過程中產(chǎn)生的廢水管理提出了5個(gè)基本的要求[17]：①最大限度減少廢水的產(chǎn)生量；②鉆井作業(yè)中進(jìn)行循環(huán)回收和再利用；③廢水處理；④廢水處置；⑤處理后其他有益利用。聯(lián)邦《清潔水法》禁止天然氣點(diǎn)源廢水污染物直接排放，水力壓裂液不得直接排放到地表水體，必須運(yùn)送到擁有排放授權(quán)的處理設(shè)施并通過國家污染物排放消除系統(tǒng)許可證制度落實(shí)。同時(shí)，政府針對(duì)頁巖氣壓裂返排廢水的特殊性，出臺(tái)了有別于常規(guī)油氣田廢物處置要求的規(guī)定，但各州差別較大[19]。

(3)美國《安全飲用水法》對(duì)天然氣開采廢水的地下灌注做出規(guī)定，創(chuàng)建了“地下灌注控制項(xiàng)目”(UIC)。根據(jù)此項(xiàng)目，EPA將地下灌注分為五級(jí)，每個(gè)級(jí)別適用于不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求。UIC的內(nèi)容包括許可程序、監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)和報(bào)告程序等，對(duì)注水井的選址、建設(shè)、操作、維護(hù)、監(jiān)控、測(cè)試乃至關(guān)閉都做了相應(yīng)的要求。通過此法對(duì)地下飲用水源注入廢物進(jìn)行限制，也從側(cè)面降低了地下水源的污染風(fēng)險(xiǎn)。

(4)美國有14個(gè)州要求一定程度公開水力壓裂液的化學(xué)成分，有7個(gè)州要求給出具體的化學(xué)組成，2個(gè)州要求報(bào)告實(shí)際使用化學(xué)品濃度。同時(shí)美國公開發(fā)布一款“混合與測(cè)算模型”[19]，用以分析評(píng)估頁巖氣壓裂液所產(chǎn)生廢水的成分及廢液中有毒有害物質(zhì)比例，以此來監(jiān)管產(chǎn)生的廢液。

3.2 國內(nèi)頁巖氣開采的水環(huán)境保護(hù)建議

美國雖然具有相對(duì)完善的水環(huán)境監(jiān)管體系，但是早期仍然存在對(duì)水力壓裂技術(shù)水環(huán)境影響認(rèn)識(shí)滯后和“哈里伯頓漏洞”等問題[20]。我們應(yīng)借鑒美國在水環(huán)境保護(hù)監(jiān)管方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)合國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀，建立屬于自己的水環(huán)境保護(hù)體系。

(1) 建立健全水環(huán)境監(jiān)管法律法規(guī)體系，制定相關(guān)污染物控制標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

我國擁有相對(duì)完善的水環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)，如《環(huán)境保護(hù)法》、《水法》及《水污染防治法》等。根據(jù)這些法律法規(guī)，可以對(duì)頁巖氣開采進(jìn)行監(jiān)管，但是這些法律法規(guī)與頁巖氣開采的時(shí)序性及用水特征并不匹配。此外，我國缺乏對(duì)化學(xué)用料有效的評(píng)估和監(jiān)管的措施。對(duì)頁巖氣這一非常規(guī)天然氣的開采，水力壓裂技術(shù)成為關(guān)鍵，水力壓裂液的成分被很多公司定義為商業(yè)秘密，并不對(duì)外公布。但是壓裂液中的化學(xué)成分相當(dāng)復(fù)雜，如果這些化學(xué)物質(zhì)因操作不當(dāng)而滲透到水源中，會(huì)造成無法預(yù)測(cè)的危害。嚴(yán)格意義上說，我國針對(duì)頁巖氣開采的法律法規(guī)幾乎沒有，因此，需要建立針對(duì)性較強(qiáng)的法律法規(guī)，通過立法來制約頁巖氣開采對(duì)環(huán)境的破壞。

我國在常規(guī)能源開采上制定了相應(yīng)的污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，如《海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn)》、《陸上石油天然氣開采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)及《采油廢水治理工程技術(shù)規(guī)范》等；部分地區(qū)制定了地方標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，如陜西省《石油開采廢水排放標(biāo)準(zhǔn)》、黑龍江省《廢棄鉆井液處置規(guī)范》等。而針對(duì)頁巖氣的開采，各類污染物的排放均沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者處置規(guī)范來監(jiān)督，因此，需要制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來指引頁巖氣開采過程中的水環(huán)境保護(hù)。

(2)推動(dòng)廢水處理工藝技術(shù)研究

針對(duì)頁巖氣開采過程產(chǎn)生的各類廢水的特殊性，在借鑒國外處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，要自主研發(fā)符合國內(nèi)開采現(xiàn)狀的廢水循環(huán)利用、回注以及達(dá)標(biāo)排放的處理工藝技術(shù)，為降低水資源消耗和控制水污染提供技術(shù)支撐。廢水的循環(huán)利用需要考慮回收率(循環(huán)水量與初始注入水量之比)和循環(huán)水質(zhì)量[3]。合理安排各井間循環(huán)水的使用，能減少清水的補(bǔ)充量。同時(shí)，循環(huán)水水質(zhì)必須考慮以下指標(biāo)：①鹽含量；②總固體懸浮物；③成垢化學(xué)品(Ba、Ca及Mn的鹽類)；④微生物含量?；刈⒓夹g(shù)的研究，必須確保污水回注后不會(huì)威脅到當(dāng)?shù)氐墓┧到y(tǒng)。

(3)以節(jié)約水資源為基礎(chǔ)，探索新的壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)耗水量大，因此對(duì)水資源的需求量以及對(duì)地表水和地下水的威脅也較大。為了改變這一現(xiàn)狀，可以探索新的壓裂技術(shù)，如用水量少的混合壓裂技術(shù)以及纖維壓裂、通道壓裂、干法壓裂及液化石油氣壓裂等無水技術(shù)[21]。這些壓裂技術(shù)能夠解決國內(nèi)水資源匱乏、壓裂液處理技術(shù)繁瑣等問題，還能在施工時(shí)減少清水壓裂鋪砂不到位、強(qiáng)濾失、易脫砂等問題，提高頁巖氣的產(chǎn)量。尤其是液化石油氣壓裂，具有攜砂量大、造縫能力強(qiáng)、對(duì)地層無傷害、返排時(shí)間短及完全返排等特點(diǎn)[22]，應(yīng)重點(diǎn)研究。在必須使用水力壓裂的情況下，研究綠色無害化的化學(xué)添加劑，可以降低壓裂液對(duì)水體的危害。

(4)定期開展水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作

頁巖氣開采過程中應(yīng)定期開展環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估，加強(qiáng)對(duì)各類廢水排放量及污染物濃度的監(jiān)管，并定期監(jiān)測(cè)地表水和地下水中可能存在的污染物濃度，評(píng)估頁巖氣開采對(duì)地表水和地下水的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，確保開采過程中不會(huì)出現(xiàn)水環(huán)境事故而影響周邊居民的生產(chǎn)和生活。

4 結(jié)束語

頁巖氣開采帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引發(fā)了不可忽視的環(huán)境問題。水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，不僅大量消耗了水資源，還可能引發(fā)地下水和地表水污染。中國還處在頁巖氣開采的初始階段，應(yīng)借鑒美國等發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)合國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的具體情況，建立屬于自己的水環(huán)境保護(hù)體系，推動(dòng)新技術(shù)的研究，避免“先污染后治理”，做到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)同并進(jìn)。

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Impacts and Suggestions of Shale Gas Exploration and Development on Water

WANG Dan,HE Min

(Fuling Shale Gas Environmental Research and Technical Service Center, Chongqing 408011,China)

Exploration and development of shale gas in China is still in research phase, and inevitably brings a series of environmental issues such as water, air and soil pollution, especially water pollution. Therefore, this paper analyzed the water environmental problems in detail, such as water consumption, ground water pollution, and surface water pollution in exploration and development of shale gas, and threw out the water environmental protection suggestions about the Chinese actual situation of shale gas development based on the American water environmental protection supervision experience.

shale gas;inevitably ; water environmental problems; water environmental protection; supervision experience; suggestions

2016-06-23

王丹(1987-)，女，碩士，四川內(nèi)江人，主要從事頁巖氣環(huán)境保護(hù)與技術(shù)研發(fā)工作。

X82

A

1673-9655(2016)06-0103-05