申邵洪,江炎生,蔡 斌,李 喆
(1.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所,武漢 430010;2.湖北省防汛抗旱指揮部辦公室,武漢 430071)
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城鎮(zhèn)區(qū)域洪水風(fēng)險分析研究
——以湖北省??悼h為例
申邵洪1,江炎生2,蔡 斌1,李 喆1
(1.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所,武漢 430010;2.湖北省防汛抗旱指揮部辦公室,武漢 430071)
根據(jù)山洪災(zāi)害防治項目要求,重點開展了城鎮(zhèn)區(qū)域的洪水影響及淹沒分析研究,選擇湖北省??悼h作為典型山區(qū)城鎮(zhèn)開展實例研究。通過對??悼h的實地查勘,資料收集,設(shè)計洪水計算方案,建立水動力學(xué)模型、洪水演進分析模型、洪水淹沒分析模型;并以100 a一遇設(shè)計洪水為例,對城區(qū)受淹地區(qū)及其淹沒水深、淹沒面積等進行了分析。結(jié)果表明,該方法具備良好的理論基礎(chǔ),有效實現(xiàn)一維、二維模型嵌套,計算速度快,能夠取得精準(zhǔn)、合理可靠的洪水影響分析成果和洪水淹沒成果,可為防汛決策部門提供參考。
洪水演進;風(fēng)險分析;水動力學(xué)模型;淹沒范圍;防洪標(biāo)準(zhǔn)
為全面減小洪水災(zāi)害對我國經(jīng)濟社會的影響,自2013年起,國家相繼啟動了全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價、山洪災(zāi)害防治非工程措施補充完善、重點山洪溝防洪治理、洪水風(fēng)險圖編制等系列項目。
山洪災(zāi)害調(diào)查主要是通過資料收集整理分析和現(xiàn)場調(diào)查,核對山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域基本信息,收集處理水文資料,調(diào)查河道基本信息,調(diào)查各自然村落、行政村、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、城(集)和企事業(yè)單位的基本情況和位置分布,調(diào)查受山洪威脅的區(qū)域、災(zāi)害類型和歷史災(zāi)害情況及防治區(qū)現(xiàn)狀等,并將山洪威脅的區(qū)域范圍調(diào)查結(jié)果標(biāo)繪在工作底圖上。
洪水風(fēng)險圖是對可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪水演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進行預(yù)測,以標(biāo)示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險程度的一種重要的防洪非工程措施。
本文重點是對山洪災(zāi)害防治非工程措施中的城鎮(zhèn)區(qū)域洪水風(fēng)險分析進行研究,通過實地調(diào)研和現(xiàn)場踏勘,收集研究區(qū)自然地理、河流水系、暴雨洪水特性及歷史洪水、防洪工程、社會經(jīng)濟等信息;通過典型頻率(5,10,20,50,100 a一遇)設(shè)計暴雨洪水計算,進行洪水影響分析和現(xiàn)狀防洪能力評價;基于設(shè)計洪水分析結(jié)果,進行城鎮(zhèn)危險區(qū)等級劃分和危險區(qū)圖繪制工作。該工作主要是在采集研究區(qū)水文、高精度地形、遙感影像、河道控制斷面測量數(shù)據(jù)等系列專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,深入開展洪水計算和風(fēng)險分析。
國內(nèi)外不少學(xué)者對城鎮(zhèn)區(qū)域的洪水影響分析進行過研究,數(shù)值模擬計算是這些研究成果中的主要研究方法。王忠靜等[1]提出采用不同頻率設(shè)計洪水進行不同汛限水位條件下的洪水調(diào)節(jié)計算,并結(jié)合水庫的經(jīng)濟與生態(tài)供水目標(biāo)進行長系列用水調(diào)度模擬和供水效益分析,綜合確定風(fēng)險適度性的方法。鄒強等[2]建立了基于最大熵原理的洪水災(zāi)害風(fēng)險屬性區(qū)間識別模型,并將模型應(yīng)用到荊江分洪區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險分析中。閆寶偉等[3]引入混合von Mises 分布擬合了長江上游與清江年最大洪水發(fā)生時間的雙峰特征,研究了最大洪水發(fā)生時間及發(fā)生量級遭遇的風(fēng)險特征。賴成光[4]以深圳市龍崗區(qū)龍口水庫主壩潰決作為研究對象,根據(jù)潰壩水動力學(xué)相關(guān)知識,對各種工況下潰壩洪水在城市地區(qū)演進的過程進行數(shù)值模擬研究。王曉玲等[5]建立了模擬洪水在蓄滯洪區(qū)內(nèi)任意位置的水位、流速、淹沒水深、歷時等演進過程的二維洪水演進數(shù)值仿真系統(tǒng),對永定河分洪區(qū)進行了二維洪水實時演進模擬分析。孫秀麗等[6]建立一種潰壩洪水模擬的一維、二維耦合模型,采用交錯網(wǎng)格、線性遞推、交替隱格式求解。運用此模型對某水庫潰壩洪水進行模擬,對潰壩洪水向下游推進過程、以及洪水漫堤后向下游城鎮(zhèn)的演進過程進行水動力學(xué)模擬分析研究。地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)在洪水風(fēng)險分析研究中得到了深入應(yīng)用和發(fā)展[7-10]。
本文針對保康城鎮(zhèn)區(qū)域洪水影響與淹沒分析的具體要求,在全面獲取水文水資源、空間信息等專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計洪水計算方案,構(gòu)建一維、二維嵌套洪水演進模型,模擬不同洪水頻次下洪水演進過程,并有效借助GIS軟件,根據(jù)模擬計算結(jié)果,分析城鎮(zhèn)區(qū)域的淹沒范圍、淹沒面積,制作淹沒區(qū)建筑物專題圖、社會經(jīng)濟專題圖等,為城鎮(zhèn)區(qū)域的洪水災(zāi)害早期預(yù)警、防洪預(yù)案制定提供科學(xué)參考依據(jù)。
圖1 ??悼h城區(qū)洪水影像與淹沒范圍Fig.1 Image of flood and inundation area in urban Baokang county
2.1 自然地理
保康縣城位于縣境東北部,沱峪山麓南側(cè),平均海拔690 m。清溪河自南向西穿過縣城,將縣城分為東、西2區(qū),主要機關(guān)事業(yè)單位及商業(yè)中心集中在河?xùn)|;河西區(qū)則是以磷化工生產(chǎn)為主的工業(yè)區(qū),目前已有工廠、企事業(yè)單位數(shù)百家,成為縣城發(fā)展的重點??h城總面積14 km2。
縣城區(qū)內(nèi)東有官山,西有萬年山等群山環(huán)抱,荊山山脈自西向東橫貫縣境中部將??捣譃槟?、北兩部,保南山勢平緩,河谷較寬;保北山勢高突,河谷較窄。
??悼h城區(qū)的洪水危險區(qū)圖繪制范圍如圖1所示。黃堡河上的上游邊界在距離杜汊河與黃堡河交匯口4.9 km的鄭家村附近,杜汊河上的上游邊界在距離杜汊河與黃堡河的交匯口1.2 km處,研究區(qū)范圍的下邊界在??等龢蛳掠?50 m,研究區(qū)總面積為11.90 km2。
2.2 河流水系
??悼h城區(qū)河流主要是清溪河,清溪河屬南河干流右岸一級支流,上游分為東西2支,東支叫黃堡河,西支叫杜汊河。2支流匯于??刀蛏嫌?.1 km處的牌坊灣后,由南向北穿城而過,于開封峪附近匯入南河,全長50.7 km,總承雨面積591 km2。東支黃堡河發(fā)源于黃堡對口,承雨面積178 km2,河長31.8 km,河道平均縱坡比降10.4‰。西支杜汊河發(fā)源于神龍架外圍山系的望佛山,承雨面積285 km2,河長29 km,河道平均縱坡比降15.9‰。??等龢蚩刂魄逑恿饔蛎娣e511 km2,主河道長35.1 km,河流平均縱坡比13.9‰。清溪河主干流特征見表1。
表1 保康縣城區(qū)河流基本情況
流域南部以荊山山脈與沮河為界,東臨蠻河流域,西部、西北部和北部為南河流域環(huán)抱。同時,在2支相匯處右岸有支流黃土嶺溝匯入、在城區(qū)清溪河左岸由南往北還有三溪溝、云溪溝和化魚溝3條支流匯入,其中化魚溝流域面積很小,且接近城區(qū)北部尾端。研究區(qū)主要水系分布見圖1。
2.3 水文氣象
清溪河流域?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),雨量較充沛。年最大降水量為1 509.6 mm,年最小降水量為666.3 mm,多年平均降水量為925 mm。雨量年內(nèi)分配主要集中在4—10月份,約占總雨量的85%。暴雨多集中在7—8月份,最大1日降雨158.5 mm(??嫡?975年8月5日)。
3 洪水計算分析方法3.1 洪水來源分析
??悼h城區(qū)主要來流為清溪河(上游主要支流為黃堡河和杜汊河),清溪河沿程先后有黃土嶺溝、三溪溝和云溪溝等支流匯入。因此,主要洪水來源為:①黃堡河和杜汊河洪水;②區(qū)間黃土嶺溝、三溪溝和云溪溝等支流洪水匯入。
3.2 洪水量級和洪水組合方案
根據(jù)各不同頻次洪水對??悼h城區(qū)所會產(chǎn)生的洪水風(fēng)險,選擇5,10,20,50,100 a一遇5種洪水量級的洪水分析計算,計算方案的設(shè)置主要考慮黃堡河、杜汊河洪水及區(qū)間相應(yīng)洪水組合,共設(shè)置了10種計算方案,如表2所示。
表2 ??悼h城區(qū)洪水分析計算方案
3.3 洪水分析方法
采用水動力學(xué)方法進行洪水分析。根據(jù)??悼h城區(qū)地形及河道斷面情況,采用一維、二維非恒定水動力學(xué)方法構(gòu)建一維、二維耦合的水動力學(xué)模型,進行不同重現(xiàn)期、不同工況洪水分析計算。采用一維水動力學(xué)模型進行河道洪水風(fēng)險分析,采用二維水動力學(xué)模型進行河道外城區(qū)洪水風(fēng)險分析。
構(gòu)建一維、二維耦合模型開展洪水計算分析能夠提供洪水淹沒范圍、淹沒水深和流速、以及洪鋒到達時間和淹沒歷時等信息,滿足洪水危險區(qū)圖繪制的需要。
3.4 洪水分析模型
??悼h城區(qū)洪水分析采用一維、二維耦合模型構(gòu)建,模型原理介紹如下。
3.4.1 一維水動力學(xué)模型
一維水動力學(xué)模型求解的基本方程為圣維南方程組,其連續(xù)方程和動量方程分別為:
(1)
(2)
式中:A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2);Q為斷面流量(m3/s);u′為側(cè)向來流在河道方向的流速(m/s);t,x分別是時間坐標(biāo)和距離坐標(biāo);q為源匯的單寬流量(m2/s);α為動量修正系數(shù);g為重力加速度;ζ為水位(m);C為謝才系數(shù);R為水力半徑(m)。
一維數(shù)值求解采用非常穩(wěn)定和精確的二階拉格朗日格式,方程為:
(3)
(4)
其中,
式中:u為斷面平均流速(m/s);B為蓄存寬度(m);k為能量損失系數(shù);n為曼寧系數(shù);f1為形狀能量損失系數(shù);Δx為x方向上的網(wǎng)格單元。
3.4.2 二維水動力學(xué)模型
二維水動力學(xué)模型求解的是深度平均二維淺水方程,其連續(xù)方程為
(5)
(7)
式中:u和v為垂線平均流速在x,y方向的分量(m/s);H為水深(m);Δx和Δy分別為x,y方向上的網(wǎng)格單元;cf為科氏力系數(shù);μ為動量擴散系數(shù);p為大氣壓強(kPa);ρ為水體密度(kg/m3);Fx和Fy分別為x,y方向上的外力(N)。
本次研究中一維模型和二維模型互為上下游邊界關(guān)系:一維模型采用二維模型提供的流量作為邊界條件;二維模型采用一維模型提供的水位作為邊界條件。
3.5 洪水演進分析模型
3.5.1 模型范圍
一維、二維耦合水動力學(xué)模型的范圍見圖1所示,其中藍色線條代表河道一維水動力學(xué)模型范圍,紅色線條范圍內(nèi)的面狀區(qū)域是二維模型區(qū)域。一維模型的上邊界范圍為??悼h鄭家村附近和距離杜汊河與黃堡河的交匯口1.2 km處,下邊界范圍為清溪河上保康三橋下游350 m處。一維模型的最下游有一段幾百米的河道兩邊沒有二維模型區(qū),因為河道斷面在此段比較狹窄,一維模型能較好地模擬水流特性。
在模型中,一維河道在橫向的寬度由沿著左右河岸劃設(shè)的線條定義,河岸線內(nèi)是一維河道,河岸線外是二維網(wǎng)格區(qū)域。二維計算區(qū)域范圍為河道沿河兩岸高程低于340 m的區(qū)域。
3.5.2 一維、二維耦合原理
在GIS中構(gòu)建一維、二維耦合模型,局部區(qū)域示意圖如圖2所示。二維區(qū)域通過網(wǎng)格進行運算,模型自動將地形(.txt格式)、初始水位、土地利用等數(shù)據(jù)賦在網(wǎng)格上。一維河道屬于二維網(wǎng)格的非活動區(qū)域,即位于一維河道的網(wǎng)格不參與二維運算,河道結(jié)點處水位由一維河道斷面決定。
圖2 一維、二維耦合模型局部示意圖Fig.2 Local schematic diagram of one and two dimensional coupled model
一維、二維連接線連接河道結(jié)點和一維、二維交界面,2個控制斷面間河道水位由斷面處水位線性內(nèi)插,當(dāng)河道內(nèi)水位超過一維、二維交界面處所在網(wǎng)格的地形高程,則該處網(wǎng)格水位等于河道水位,并以該水位作為二維運算的邊界條件;同時,二維運算得到的流量作為一維河道的邊界條件。
3.5.3 模型邊界條件
建立洪水分析模型時,對于黃堡河洪水分析,上游邊界條件為黃堡河各頻率設(shè)計洪水過程線;同時加入杜汊河、黃土嶺溝、云溪溝、三溪溝各支流相應(yīng)洪水過程線作為側(cè)向入流邊界條件。在??等龢蛳掠?50 m處給定實測的河道坡降,軟件會自動計算出該斷面處的水位流量關(guān)系曲線作為下邊界條件。
對于杜汊河洪水分析,上游邊界條件為杜汊河各頻率設(shè)計洪水過程線和黃堡河相應(yīng)洪水過程線;同時加入黃堡河、黃土嶺溝、云溪溝、三溪溝各支流相應(yīng)洪水過程線作為側(cè)向入流邊界條件。在??等龢蛳掠?50 m處給定實測的河道坡降,軟件會自動計算出該斷面處的水位流量關(guān)系曲線作為下邊界條件。
4.1 暴雨途徑推求設(shè)計洪水
由于保康縣城區(qū)以及上游沒有水文站實測流量可用于設(shè)計洪水計算,并且,城區(qū)以及上游的河流流域面積都<1 000 km2,適合利用《湖北省暴雨徑流查算圖表》推求設(shè)計洪水過程線,推求黃堡河、杜汊河及清溪河各控制斷面5,10,20,50,100 a一遇的設(shè)計洪水過程線。
4.2 模型參數(shù)選取與設(shè)置
通過實地調(diào)研過程中拍攝的照片獲取河道和河岸植被情況,確定??悼h城區(qū)參考糙率取值如表3。
表3 ??悼h城區(qū)參考糙率
各方案計算時間均為24 h,計算時間步長為3 s(一維、二維計算時間步長一致)。在模型運算之前,給定一個較小的恒定入流,將運算1 h后得到的河道結(jié)點水位、流速作為河道初始水位和初始流速。
4.3 洪水計算成果及分析
以100 a一遇洪水為例,在黃堡河入口處給定100 a一遇設(shè)計洪水過程線,杜汊河入口處給定相應(yīng)洪水過程,杜汊河和黃堡河的交匯口處給定區(qū)間相應(yīng)洪水過程。下游邊界條件給定河道坡降0.035,軟件將自動計算下游出口的水位流量過程線。
圖3 黃堡河100 a一遇設(shè)計洪水淹沒水深Fig.3 Flood submergence depth of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood
黃堡河發(fā)生100 a一遇設(shè)計洪水時,其淹沒水深如圖3所示。由圖3可知,100 a一遇設(shè)計洪水條件下, 淹沒范圍主要集中在黃堡河沿岸鄭家村、土門村、窯其堰、黃家灣一帶及其與杜汊河交匯河口段右岸,以及城區(qū)一街道和三街道沿河部分區(qū)域。黃堡河土門窯匠溝至黃土嶺溝口修建有堤防,而上游入口段屬于天然河道,無堤防,且黃堡河右岸地勢較左岸地勢高出20 m左右,因此,即使黃堡河左右岸均發(fā)生一定程度的淹沒,但左岸的淹沒范圍明顯較右岸大。
城區(qū)清溪河從黃土嶺溝至??等龢蚝佣尉抻袧{砌石堤防,堤防高度在4.5~6.6 m范圍內(nèi)。黃堡河和杜汊河交匯后,清溪河段峰值流量高達1 833 m3/s,超出了河道過洪能力1 204 m3/s;最高水位達到306.23 m,而左、右岸堤防高程分別為307.46 m和303.12 m,故而僅其右岸局部發(fā)生漫堤,致使沿河一帶局部區(qū)域房屋受淹。
城區(qū)主要受淹地區(qū)為一街道的河西路一帶及三街道巨力化工有限公司附近。該處河段堤防左岸較右岸低1 m。河西路一帶地勢較低,最低點高程為269.2 m,淹沒水深高達11.76 m,局部區(qū)域水深在0.002~7.9 m。而位于三街道的縣委縣政府、縣人民政府、人民法院、人民武裝部等重要事業(yè)單位及位于二街道的學(xué)校、一街道的醫(yī)院均未受到洪水影響。
圖4 黃堡河100 a一遇設(shè)計洪水淹沒過程Fig.4 Flood submergence process of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood
圖4列出了洪水演進過程中3,9,11,12,15,24 h的淹沒水深。由圖4可知,前3 h內(nèi)還未發(fā)生漫堤現(xiàn)象;9 h時,在黃堡河和杜汊河交匯河段右岸發(fā)生漫堤現(xiàn)象;11 h時,黃堡河局部河段和清溪河河段一街道開始發(fā)生的淹沒;12 h時,淹沒范圍進一步擴大;15 h時,淹沒范圍達到最大;24 h時,出現(xiàn)明顯的退水現(xiàn)象,最大淹沒水深及河道水深均減小。
黃堡河和杜汊河交匯河段右岸洪水前鋒到達時間最早,而一街道沿河局部地帶和黃家灣附近等地勢較高處,洪水前鋒到達時間最晚,如圖5所示。
圖5 黃堡河100 a一遇設(shè)計洪水前鋒到達時間Fig.5 Flood arrival time of Huangbao river in the presence of designed 100-year flood
當(dāng)發(fā)生100 a一遇設(shè)計洪水時,城區(qū)主要受淹地區(qū)為一街道、三街道、黃家灣、窯其堰和鄭家村,最大淹沒水深為11.82 m,淹沒面積為1.02 km2,受淹房屋面積為3.95萬m2。
按100 a一遇設(shè)計洪水的計算方法,得到50,20,10,5 a一遇的設(shè)計洪水計算結(jié)果。發(fā)生50 a一遇設(shè)計洪水時,城區(qū)主要受淹地區(qū)為一街道、三街道、黃家灣、窯其堰和鄭家村,最大淹沒水深為11.50 m,淹沒面積為0.87 km2,受淹房屋面積為3.52萬m2;發(fā)生20 a一遇設(shè)計洪水時,城區(qū)主要受淹地區(qū)為一街道、黃家灣、窯其堰和鄭家村,最大淹沒水深為5.51 m,淹沒面積為0.28 km2,受淹房屋面積為0.17萬m2。發(fā)生10 a一遇設(shè)計洪水時,城區(qū)主要受淹地區(qū)為黃家灣、窯其堰和鄭家村,最大淹沒水深為4.95 m,淹沒面積為0.15 km2,受淹房屋面積為0.15萬m2;發(fā)生5 a一遇設(shè)計洪水時,城區(qū)主要受淹地區(qū)為黃家灣和窯其堰,最大淹沒水深為4.47 m,淹沒面積為0.08 km2,無房屋受淹。
城區(qū)黃土嶺溝口—云溪溝口河段防洪能力滿足100 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn);云溪溝口—保康三橋河段右岸防洪能力滿足100 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),左岸防洪能力不足20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)??h城關(guān)衛(wèi)生院、縣實驗中學(xué)、縣委縣政府、縣環(huán)境保護局及縣水務(wù)局防洪能力滿足100 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn);河西社區(qū)、興源小區(qū)及擁和磷酸廠現(xiàn)狀防洪能力在20~50 a之間。
(1) 形成了一套完整的城區(qū)洪水風(fēng)險分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方法,為開展分析提供可靠的數(shù)據(jù)保障?;A(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括城鎮(zhèn)區(qū)域高精度地形數(shù)據(jù)、河道控制斷面測量數(shù)據(jù)、高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)等相關(guān)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水文水資源數(shù)據(jù)。
(2) 根據(jù)??悼h城區(qū)內(nèi)流域水系、洪水來源、地形、地表建筑物具體分布情況,設(shè)計了一套科學(xué)的計算分析方案,并取得了精準(zhǔn)的計算分析結(jié)果。采用TUFLOW軟件建立一維、二維耦合模型,獲得河道水位過程和淹沒范圍分布結(jié)果,為洪水影響分析、現(xiàn)狀防洪能力評價和危險區(qū)圖繪制提供了洪水淹沒數(shù)據(jù)。
(3) 利用??悼h城區(qū)洪水分析模型及災(zāi)情統(tǒng)計模型對漫堤洪水開展了洪水分析和洪水影響統(tǒng)計分析,獲得不同洪水頻次下的居民房屋淹沒面積,制定洪水風(fēng)險圖,清晰表達洪水淹沒歷時、最大淹沒水深、洪水到達時間等信息。
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(編輯:黃 玲)
Flood Risk Analysis of Urban Area:Case Study on Baokang County in Hubei Province
SHEN Shao-hong1,JIANG Yan-sheng2,CAI Bin1,LI Zhe1
(1.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China; 2.Hubei Provincial Flood Control and Drought Relief Headquarters Office, Wuhan 430071, China)
According to the requirement of mountain flood prevention project,we conducted research on flood impact and inundation of urban area.Baokang county in Hubei Province was selected as a typical mountainous county for case study.Through field investigation and data collection,we designed flood calculation schemes,and built hydrodynamics model,flood routing model and flood inundation model.The calculation results reveal that the method has good theoretical basis,fast calculation speed and accurate calculation results.Moreover,two-dimensional model nesting and rational and reliable flood impact analysis are carried out in this paper.The research results can provide valuable reference for flood control decision-making departments.
flood routing; risk analysis; hydrogynamics model; inundation area; flood prevention standard
2016-08-19
中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(CKSF2015019/KJ)
申邵洪(1982-),男,湖南邵東人,高級工程師,博士,研究方向為水信息學(xué),(電話)027-82926550(電子信箱)420526299@qq.com。
10.11988/ckyyb.20160850
2016,33(11):109-115
TV122
A
1001-5485(2016)11-0109-07