毛里塔尼亞友誼港上下游岸線演變模擬及預(yù)測

王寧舸，孫林云，孫 波, 2，唐 磊

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

毛里塔尼亞友誼港上下游岸線演變模擬及預(yù)測

王寧舸1，孫林云1，孫 波1, 2，唐 磊1

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

毛里塔尼亞友誼港處于典型的強(qiáng)沿岸輸沙型沙質(zhì)海岸，年平均沿岸輸沙量為90×104～100×104m3。由于防波堤工程對上游沿岸輸沙的攔截，港區(qū)岸線沖淤變化強(qiáng)烈。根據(jù)實(shí)測資料分析，采用基于“一線理論”的岸線演變數(shù)學(xué)模型，對友誼港上下游岸線變化作了整體驗(yàn)證，統(tǒng)籌分析了港口工程對上游淤積和下游沖刷的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測了友誼港未來20年的岸線變化情況。結(jié)果表明，在港區(qū)現(xiàn)有建筑物布置情況下，下游岸線的大幅沖刷將危及陸域土堤的安全，是友誼港未來防護(hù)的重點(diǎn)之一。若考慮每隔一定年限在下游增建丁壩工程，形成丁壩群護(hù)岸工程，可延長下游岸線的沖刷防護(hù)范圍，減小對陸域建筑物的威脅。

友誼港；沿岸輸沙；岸線演變；上下游整體；數(shù)值模擬；岸線防護(hù)

Abstract: The Friendship Port in Mauritania is located in a typical sandy beach which has strong longshore sediment transport. The annual volume of the transport is 0.9-1 million cubic meters. The coastline erodes and deposits strongly due to the interception of upstream longshore sediment transport by the breakwater. According to the analysis on measured data, a "one-line theory" mathematical model is used to validate the integrated evolution of the upstream and downstream coastline, and comprehensively analyze the influence of harbor engineering to the upstream deposition and downstream erosion. Based on the model, coastline changes of the Friendship Port in the future 20 years are further predicted. The results show that the substantial erosions in the downstream will endanger the dike in the condition of the existing structures layout, which is one of the protection focuses of the Friendship Port in the future. If additional new groins are built at a specified time interval in the downstream, namely building groin groups, the protected scope of the downstream coastline will be extended.

Keywords: Friendship Port; longshore sediment transport; coastline evolution; integrity of the upstream and downstream; numerical simulation; coastline protection

沙質(zhì)海岸演變的主要?jiǎng)恿κ遣ɡ思捌淦扑楹笠鸬慕赌嗌尺\(yùn)動(dòng)，包括離岸-向岸的橫向輸沙和沿岸輸沙。其中，沿岸輸沙是影響岸線長期演變的主要因素。隨著海岸帶資源的開發(fā)利用，港口工程的興建往往會破壞海岸原本的沿岸輸沙平衡狀態(tài)，造成上下游岸線沖淤變化，尤其在強(qiáng)沿岸輸沙海岸，泥沙快速沖淤變化對港區(qū)運(yùn)營影響極大。

對于相對平直的沙質(zhì)海岸，基于“一線理論”的岸線模型是模擬岸線演變的有效手段之一。20世紀(jì)70-80年代，隨著我國對毛里塔尼亞友誼港的援建，國內(nèi)對岸線模型的開發(fā)研究和工程應(yīng)用得到快速發(fā)展。研究多圍繞友誼港岸線演變問題，均采用“一線理論”或其改進(jìn)形式，在模型中考慮了諸如岸線變化對波浪折射的反饋[1]、建筑物完全攔沙和部分?jǐn)r沙的差異[2]、岸灘不同等深線位置沖淤速率不均[3]以及波浪折射、繞射、反射聯(lián)合分布[4]等物理過程，模擬結(jié)果良好，成果豐碩，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。但縱觀之，由于以往研究的側(cè)重點(diǎn)基本僅在上游攔沙淤積或下游沖刷防護(hù)問題，采用港口工程上、下游分離計(jì)算的處理方式即可，對上下游整體模擬要求較少，成果鮮有。

為統(tǒng)籌分析港口工程對上下游岸線沖淤演變的影響，以友誼港為例，從整體變化的角度，分析港口工程上下游岸線演變趨勢。鑒于一線模型在模擬較長時(shí)間序列岸線演變時(shí)具有簡潔高效的突出優(yōu)勢，并能夠基本反映岸線發(fā)展趨勢、滿足工程規(guī)劃要求，本文采用一線模型對上下游岸線整體演變模擬作探討，實(shí)現(xiàn)了對岸線整體變化過程的復(fù)演，證明了模型的適用性和模擬的可行性。最后定性探討了友誼港上下游沖淤發(fā)展趨勢，提出了下游沖刷防護(hù)措施。

1 友誼港概況

友誼港位于毛里塔尼亞首都努瓦克肖特市西南約10 km的大西洋東岸，是我國援非第二大工程項(xiàng)目，港區(qū)岸線走向大致成南北方向，見圖1。港區(qū)近岸泥沙中值粒徑為0.25 mm，海域潮汐、潮流動(dòng)力弱，以波浪及沿岸流作用為主，為典型的強(qiáng)沿岸輸沙型沙質(zhì)海岸。

1.1港口工程概況

港口工程于1979年4月開工，1986年7月底竣工驗(yàn)收，其平面布置呈單突堤-島堤式結(jié)構(gòu)，工程離岸方向投影約1 300 m，分別由實(shí)體引堤、碼頭、防波堤、港區(qū)堆場等組成。1991年又于防波堤以南670 m處修建了南挑丁壩(以下簡稱“丁壩1”)，以減小港南陸域沖刷。隨著岸線沖淤變化，為了防止上游堤頭繞沙引起港區(qū)回淤，以及下游沖刷進(jìn)一步危及港區(qū)陸域，工程于2012年在丁壩1以南2 km處增建了T型丁壩(以下簡稱“丁壩2”)，于2015年在防波堤堤頭附近增建了擋沙堤。為滿足港口運(yùn)營需要，于2013年在丁壩1向海方向增建了碼頭泊位。友誼港工程建設(shè)情況如圖1所示。

圖1 友誼港地理位置與港區(qū)建筑物布置示意Fig. 1 Location of Friendship Port and harbor structures layout

1.2波浪及沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)

波浪自外海斜向入射，至近岸破碎掀動(dòng)底部泥沙，并形成了自北向南的較強(qiáng)沿岸流。泥沙隨沿岸流搬運(yùn)輸移，形成了自北向南、以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主的沿岸輸沙，這是控制友誼港岸線長期變化的主要因素。經(jīng)友誼港沿岸輸沙計(jì)算與上游淤積地形對比，近岸沿岸輸沙量的多年平均值在90～100萬方左右[4-6]。

1.3岸線演變及岸灘剖面

友誼港建港前，港區(qū)附近海岸處于沖淤動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，岸線基本維持穩(wěn)定。港口工程實(shí)施后，防波堤攔截了上游沿岸輸沙，造成大量泥沙淤積，上游岸線隨之向海淤長；下游因來沙不足，岸線不斷沖刷后退。至2000年11月，上游最大淤積點(diǎn)已接近引橋與防波堤間的連接拐點(diǎn)，下游最大沖刷點(diǎn)后退至南挑丁壩根部附近。此后，上游淤積幅度不斷增大，至2016年5月岸線已達(dá)到防波堤碼頭段中部附近，淤積影響范圍擴(kuò)大至上游5 km左右，友誼港以北的老港碼頭開始逐步受到淤積影響。2012年后，由于下游增建了丁壩2，丁壩1與丁壩2間岸線很快趨于穩(wěn)定，沖刷后退速率明顯減小，較快沖刷區(qū)轉(zhuǎn)移至丁壩2下游附近。2000年至2016年間友誼港海岸不同年份岸線位置如圖2所示。

圖2 2000-2016年不同年份友誼港岸線位置示意Fig. 2 Coastline changes of Friendship Port from 2000 to 2016

友誼港海域原自然狀態(tài)海岸的岸灘為“平衡型岸灘”，剖面形態(tài)隨季節(jié)性波浪作用而變，大致以年際為周期循回，平均剖面坡度為1/30左右。經(jīng)調(diào)查，在常年波浪作用下，高程在+3 m至-8 m的岸灘處于泥沙運(yùn)動(dòng)范圍。港口工程建成后，隨著岸灘沖淤變化，上游形成“淤積型岸灘”，其剖面坡度逐步變陡；下游形成“侵蝕型岸灘”，剖面坡度呈逐步變緩的趨勢[7]。由于岸灘剖面形態(tài)發(fā)生變化，近岸波浪傳遞過程將作出調(diào)整，使泥沙運(yùn)動(dòng)范圍可能有所不同。一般而言，“淤積型岸灘”泥沙運(yùn)動(dòng)的下界水深增大，而“侵蝕型岸灘”下界水深減小。友誼港不同年份上下游最大沖淤點(diǎn)岸灘剖面的形態(tài)如圖3和圖4所示。

圖3 上游最大淤積剖面不同年份形態(tài)Fig. 3 Profile changes at upstream maximum deposition point

圖4 下游最大沖刷剖面不同年份形態(tài)Fig. 4 Profile changes at downstream maximum erosion point

2 模型建立與計(jì)算

“一線理論”最早由法國人R.Pelnard-considere[8]提出，對于較為平直的沙質(zhì)海岸，假設(shè)岸灘演變過程中剖面形態(tài)保持不變，岸灘的沖淤變化即可用岸線進(jìn)退來表示；并且不考慮橫向泥沙輸運(yùn)的影響，認(rèn)為沿岸輸沙是控制岸線長期演變的關(guān)鍵。本文采用目前已較為成熟的基于“一線理論”的數(shù)值模擬工具，建立友誼港上下游岸線演變數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行岸線變化整體模擬。

2.1模型理論

岸線整體模擬同時(shí)關(guān)注由于防波堤攔沙引起的上游淤積和下游沖刷綜合問題，與上、下游分離計(jì)算方式相比，模型統(tǒng)籌考慮上游擋沙和下游沖刷防護(hù)，從岸線整體變化角度出發(fā)作探討，這是與以往研究在模型建立上的主要差異。

模型根據(jù)波浪條件、岸線走向、岸線不同位置的岸灘剖面形態(tài)以及建筑物布置情況等要素，計(jì)算沿岸輸沙率的分布，從而模擬岸線變化。模型主要控制方程如下：

1) 根據(jù)質(zhì)量守恒原理，沿岸輸沙平衡方程為：

式中：yc為岸線位置(以基線為準(zhǔn))；t為時(shí)間；Q為沿岸輸沙率；x為基線上沿岸方向坐標(biāo)；Qsou為沙源或匯，本模型中不考慮；hact為岸灘剖面上泥沙運(yùn)動(dòng)的有效水深范圍，由平均海平面以上的上界高度hbeach、平均海平面以下的下界水深Dact和可能存在的沙丘高度hdune三部分組成，本模型中未考慮hdune。

2) 沿岸輸沙率的計(jì)算包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，本模型以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主。主要計(jì)算方程為：

式中：Qb,Qs分別為推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙率；yact泥沙運(yùn)動(dòng)下界水深范圍的離岸方向距離；Φb為無量綱推移質(zhì)輸沙率；s為泥沙相對密度；g為重力加速度；d50為泥沙中值粒徑；y,z分別為基線法向和垂向方向坐標(biāo)；T為波浪周期；D為水深；u為沿岸流與潮流共同作用下流速，本模型中不考慮潮流作用；c為泥沙體積含沙量。

3) 無建筑物或不受建筑物影響的較遠(yuǎn)區(qū)域，波浪場的計(jì)算考慮近岸波浪折射、淺水變形以及波浪破碎和底摩阻引起的波能損失。

波浪傳遞至破波點(diǎn)主要發(fā)生折射和淺水變形，控制方程為：

波浪破碎和底摩阻引起的波浪損失計(jì)算方程為：

式中：h為波高；α為波浪入射角；L為波長；D為水深；k為波數(shù)，下標(biāo)“1”和“2”代表波浪傳播計(jì)算中不同的點(diǎn)位；Ef為波能流；Dbr為波浪破碎引起的能力損失；Dbf為底摩阻引起的波能損失；ρ為水的密度；qb為破碎波分?jǐn)?shù)；Hm為最大波高；T為平均周期；fw為波浪摩擦系數(shù)；Um為底部波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡速度的幅值。

模型中計(jì)算波浪破碎引起的沿岸流，其主要控制方程為：

式中，Sxy沿岸方向動(dòng)量通量；τb為底部切應(yīng)力；E為斷面方向動(dòng)量交換系數(shù)；V為沿岸流流速。

4)有防波堤、丁壩等建筑物影響時(shí)，建筑物下游掩護(hù)區(qū)及掩護(hù)區(qū)外的有限范圍考慮波浪繞射。繞射計(jì)算采用不同的波浪繞射系數(shù)與繞射角度之間的曲線關(guān)系，方法詳見文獻(xiàn)[9-10]。本模型對防波堤、碼頭等突堤式建筑物下游的波浪繞射計(jì)算即采用上述方法。

2.2模型建立與驗(yàn)證

友誼港岸線模型計(jì)算范圍，以防波堤為起點(diǎn)，上游至10 km，下游至15 km，離岸方向至-15 m水深。岸線和建筑物的位置以基線為坐標(biāo)軸，由垂直于基線方向的距離確定。基線呈南北向，與岸線大致平行，計(jì)算網(wǎng)格步長為40 m。

模型中代表波況的選取，考慮現(xiàn)場實(shí)際對沿岸輸沙起主要貢獻(xiàn)的波浪，采用波浪能量加權(quán)方法統(tǒng)計(jì)特征波要素。根據(jù)友誼港長期波浪觀測資料，NNW、NW、WNW和W向的波浪在波高大小和出現(xiàn)頻率上均占絕對優(yōu)勢。對這4個(gè)波向H1/10≥0.55 m的波浪進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到H1/10代表波高為1.10 m，代表波周期為10.8 s，合成波向?yàn)?96°，作用頻率為93.47%[11]。

根據(jù)上述泥沙運(yùn)動(dòng)與地形地貌條件分析，岸線計(jì)算以+3 m為上界高度?？紤]到岸灘沖淤形態(tài)變化對水下泥沙運(yùn)動(dòng)范圍的影響，下界水深取-3～-9 m。其中，上游“淤積型岸灘”取較大值，下游“沖刷型岸灘”取較小值。泥沙特性方面，中值粒徑為0.25 mm，沉速為0.033 m/s。

模型計(jì)算以2000年實(shí)測地形為初始岸灘剖面和岸線位置，分別對2006年、2011年和2016年港區(qū)上下游岸線進(jìn)行驗(yàn)證，模擬2000-2016年間岸線變化趨勢。計(jì)算中，防波堤假設(shè)完全攔沙，即該斷面輸沙率為0；上下游較遠(yuǎn)處岸線不受防波堤工程影響，其沿岸輸沙率保持在95×104m3/a左右，與以往的分析結(jié)果[4-6]基本一致。驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)，上游岸線呈累積性淤積過程，最大淤積點(diǎn)位于防波堤堤身處，計(jì)算得到的最大淤積幅度約243 m，多年平均淤積幅度約15 m。在不同的建筑物布置階段，下游岸線演變趨勢有所不同。至2011年，即丁壩2建設(shè)之前，下游最大沖刷點(diǎn)大致位于經(jīng)防波堤繞射后波向與岸線的交點(diǎn)，2000年至2011年間計(jì)算的最大沖刷幅度約252 m，平均年沖刷幅度約23 m。丁壩2建設(shè)后，丁壩2與丁壩1間岸線沖刷速率減小，岸線趨于穩(wěn)定。最大沖刷點(diǎn)轉(zhuǎn)移至丁壩2下游，其初期沖刷較快，年平均沖刷速率約50 m?？傮w來看，建立的岸線模型基本復(fù)演了友誼港上下游岸線整體變化過程，實(shí)現(xiàn)了港區(qū)上下游整體模擬，表明了模型的可適用性與模擬的可行性，可用來預(yù)測港區(qū)岸線的未來發(fā)展趨勢，為港區(qū)防護(hù)提供參照。

圖5 友誼港上下游岸線演變驗(yàn)證Fig. 5 Integrated validation of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port

2.3友誼港岸線未來發(fā)展趨勢及沖刷防護(hù)措施

在港區(qū)現(xiàn)有建筑物的布置情況下，沿用驗(yàn)證模型中的計(jì)算參數(shù)和邊界條件，進(jìn)一步預(yù)測上下游岸線整體發(fā)展趨勢。2016-2036年間岸線演變過程如圖6所示，由圖可知，上游岸線逐步淤積至擋沙堤附近，預(yù)測時(shí)段內(nèi)最大淤積點(diǎn)年平均淤積速率約13 m。由于岸線淤積進(jìn)一步向上游發(fā)展，其淤積速率較之前有所減緩。與此同時(shí)，友誼港以北的老港碼頭處岸線進(jìn)一步向海淤長，碼頭的運(yùn)營環(huán)境將受到明顯的淤積影響。下游岸線演變方面，隨著時(shí)間的推移，丁壩1與丁壩2間岸線很快趨于穩(wěn)定，丁壩的沖刷防護(hù)效果較好。丁壩2下游則呈累積性沖刷后退趨勢，預(yù)測時(shí)段內(nèi)最大沖刷點(diǎn)年平均沖刷速率約26 m，較初期演變有所減緩。至大約2036年，下游岸線將后退至土堤附近，危及陸域建筑物的安全。因此，預(yù)測時(shí)段內(nèi)上游岸線淤積仍大致處在防波擋沙堤的堤身范圍內(nèi)，而丁壩2下游的持續(xù)沖刷所帶來的安全隱患仍將是友誼港未來一段時(shí)期的主要問題。為減小下游岸線沖刷、保證后方土堤的安全，可以考慮在丁壩2工作一定年限并充分發(fā)揮岸線沖刷防護(hù)作用后，于下游繼續(xù)增建丁壩工程，作為后續(xù)防護(hù)措施。

圖6 友誼港上下游岸線演變整體預(yù)測示意(現(xiàn)有建筑物布置條件)Fig. 6 Integrated prediction of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port (existing structures layout)

在港區(qū)現(xiàn)有建筑物布置基礎(chǔ)上，若考慮當(dāng)丁壩2工作至2026年，再于下游2 km新建丁壩3，即形成下游丁壩群工程，2016-2036年間岸線演變過程如圖7所示。上游淤積趨勢同上述現(xiàn)有建筑物布置情況的預(yù)測結(jié)果基本一致。2026年之前，即丁壩3建設(shè)前，下游最大沖刷點(diǎn)仍處于丁壩2下游附近，岸線不斷沖刷后退。此后隨著丁壩3的建設(shè)，丁壩2與丁壩3間的岸線很快趨于穩(wěn)定，最大沖刷點(diǎn)則轉(zhuǎn)移至丁壩3下游附近。至2036年，由于丁壩群的掩護(hù)，下游岸線的防護(hù)范圍延長至4 km，岸線整體后退幅度較現(xiàn)有建筑物布置條件明顯減小，岸線距離土堤仍有一定富余，對陸域建筑物的威脅有所減輕。因此，對友誼港下游岸線的防護(hù)，可以每隔一定年限新建丁壩工程，形成多條丁壩間隔布置的形式，以延長岸線的防護(hù)范圍，甚至將較大沖刷區(qū)隔離在陸域工程之外，從而起到對后方陸域及建筑物的保護(hù)作用。

圖7 友誼港上下游岸線演變整體預(yù)測示意(新建丁壩布置條件)Fig. 7 Integrated prediction of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port (newly built groins layout)

3 結(jié) 語

以岸線整體變化為側(cè)重，建立了基于“一線理論”的港口工程上下游岸線演變模型。模型基本復(fù)演了近年來友誼港上下游岸線的整體演變過程，實(shí)現(xiàn)了上下游的整體模擬，與上下游分離式或單獨(dú)模擬相比，有利于綜合分析港口工程對上下游岸線沖淤變化的影響，進(jìn)而指導(dǎo)上游防淤減淤和下游沖刷防護(hù)等工程問題。因此，建立的友誼港上下游岸線整體演變模型是可適用的，模擬是可行的。

在友誼港港區(qū)現(xiàn)有建筑物布置條件下，未來20年內(nèi)，上游岸線緩慢淤長，岸線淤積仍處在防波擋沙堤堤身范圍內(nèi)，因此上游淤積并非未來一段時(shí)期內(nèi)港口運(yùn)營的主要問題。下游沖刷防護(hù)范圍僅為丁壩1與丁壩2間的2 km岸線，最大沖刷點(diǎn)位于丁壩2下游附近，其隨著時(shí)間推移而不斷沖刷后退，威脅土堤的安全。

若在丁壩2工作一定年限后再于下游2 km處新建丁壩3，即形成丁壩群布置形式，丁壩間岸線的沖刷幅度將受到限制并逐步趨于穩(wěn)定，岸線沖刷防護(hù)范圍擴(kuò)大至4 km。最大沖刷點(diǎn)轉(zhuǎn)移至新建丁壩3下游附近，即進(jìn)一步遠(yuǎn)離港區(qū)，下游岸線整體沖刷后退幅度減小，提高了后方陸域和土堤的安全性。因此，對于友誼港或處在強(qiáng)沿岸輸沙海域的類似港口工程的下游岸線防護(hù)，可以每隔一定年限新建丁壩工程，形成多條丁壩間隔布置的形式，延長岸線的防護(hù)范圍，使較大沖刷區(qū)遠(yuǎn)離陸域工程，起到對后方陸域及建筑物的保護(hù)。

除了一線模型之外，多線模型也是模擬沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)和岸線演變的重要手段。在毛里塔尼亞類似港口工程算例中曾做過多線模型探討，并與一線模型結(jié)果作了比較，發(fā)現(xiàn)了兩者的不同。一線模型基于“一線理論”，簡潔高效的優(yōu)勢突出，其主要關(guān)注岸線變化，假設(shè)岸灘演變過程中剖面形態(tài)保持不變，岸灘隨岸線平行淤長或后退，岸灘演變即可用岸線變化表示，能夠基本滿足工程規(guī)劃的要求。多線模型除了反映岸線變化外，還模擬水下地形變化，上游岸灘隨著淤積而變陡，下游岸灘隨著沖刷而趨緩。結(jié)合物理模型試驗(yàn)研究，多線模型可基本滿足工程設(shè)計(jì)的需要，但計(jì)算量大且較為費(fèi)時(shí)。綜合兩者結(jié)果，從岸線變化上看，多線模型的結(jié)果較一線模型略快；從研究和工程應(yīng)用上看，兩者是可以相互補(bǔ)充的。本文重點(diǎn)針對岸線整體變化作趨勢性分析，采用一線模型能夠滿足本研究基本要求。

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Integrated simulation and forecast of upstream and downstream coastline evolution at Friendship Port in Mauritania

WANG Ningge1, SUN Linyun1, SUN Bo1, 2, TANG Lei1

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.009

1005-9865(2017)04-0069-07

2017-01-16

王寧舸(1990-)，男，江蘇南京人，助理工程師，碩士，主要從事海岸泥沙運(yùn)動(dòng)研究。E-mail：ngwang@nhri.cn