李萬明 車用太 劉成龍 魚金子 何案華
1)中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080
2)中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029
3)中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085
金沙江水網(wǎng)及其地震地下水前兆監(jiān)測能力的討論
李萬明1)車用太2)劉成龍2)魚金子2)何案華3)
1)中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080
2)中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029
3)中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085
金沙江下游梯級水電站水庫地震地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)(簡稱金沙江水網(wǎng)),是中國第2個專門用于水庫區(qū)地震前兆監(jiān)測與研究為目的的企業(yè)地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)。文中簡要介紹了該網(wǎng)的布設(shè)、觀測網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)成、觀測井與觀測含水層的基本特征及試運行的基本結(jié)果,從觀測井-含水層特征及觀測到的水位與水溫多月、月、日動態(tài)特征,評估了其地震前兆監(jiān)測能力。
地下水觀測網(wǎng) 金沙江下游水庫區(qū) 地震前兆監(jiān)測
1963年在贊比亞與津巴布韋交界處的卡里巴水庫發(fā)生MS6.1誘發(fā)地震時,沿著穿過水庫的斷裂帶上發(fā)現(xiàn)溫泉與井水自流現(xiàn)象(Snow,1974),在其他水庫也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)與誘發(fā)地震活動有關(guān)的水溫異常現(xiàn)象。從此,國內(nèi)外水電工程界與地震界開始關(guān)注利用地下水動態(tài)監(jiān)測水庫地震的科學(xué)問題(Zaback et al.,1982;丁原章,1989;Gupta,1992;胡毓良等,1994;王儒述,2007;車用太等,2002,2010a,)。首先,美國在蒙特塞洛水庫打了兩口深井觀測孔隙壓力,并觀測到地震與孔隙壓力異常間的關(guān)系;1997—1998年印度在科依那水庫建成世界上第1個以水庫誘發(fā)地震監(jiān)測為目的的地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)(Chadha et al.,2003),1998—2000年間在長江三峽水電工程區(qū)建設(shè)了中國第1個水庫誘發(fā)地震地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)(車用太等,2002)。
金沙江下游梯級水電站水庫地震地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)(簡稱金沙江水網(wǎng)),是繼三峽工程水庫誘發(fā)地震監(jiān)測網(wǎng)之后建成的中國第2個專門用于水庫及其鄰區(qū)地震前兆監(jiān)測與研究的觀測網(wǎng)。該網(wǎng)為金沙江下游水電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的一部分,于2007—2010年間建設(shè)在向家壩水庫區(qū)與溪洛渡水庫區(qū)內(nèi),共由6口觀測井組成,是全自動化網(wǎng)絡(luò)化觀測的新型地下水動態(tài)觀測網(wǎng)。2010年8月開始試運行,2011年1月驗收并投入正式運行。
金沙江水網(wǎng)布設(shè)在位于川滇邊界上的金沙江下游的向家壩水電站庫區(qū)與溪洛渡水電站庫區(qū)中,觀測井集中①中國地震局工程力學(xué)研究所,2006,金沙江下游梯級水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)勘選與設(shè)計報告。布設(shè)在2個主要水庫誘發(fā)地震危險區(qū)內(nèi)(圖1)。
據(jù)有關(guān)資料 ,向家壩庫區(qū)水庫誘發(fā)地震的最大預(yù)測震級為MS5.0,主要危險區(qū)是劉家坪至黃毛壩庫段(長約30km)。該危險區(qū)內(nèi),發(fā)育了馬邊-鹽津斷裂帶中段的翼子壩斷層。因此,在該斷裂的東西兩側(cè)及斷裂帶上各布設(shè)了柑子(GZ)井、團結(jié)1(T1)井與團結(jié)2(T2)井(圖1)。
圖1 金沙江水網(wǎng)布設(shè)圖Fig.1 Distribution map of wells in Jinshajiang groundwater observation network.
據(jù)有關(guān)資料①,溪洛渡庫區(qū)水庫誘發(fā)地震的最大預(yù)測震級為MS5.0,主要危險區(qū)是抓抓巖—硝灘、金陽河口和牛欄江河口,該危險區(qū)內(nèi)主要發(fā)育峨邊斷裂帶中的馬頸子斷層與金陽斷層??紤]到有限的投資與未來水網(wǎng)管理等方面的因素,金沙江水網(wǎng)主要選擇抓抓巖—硝灘危險區(qū)布設(shè)了3口井,即千萬貫(QW)井、務(wù)基1(W1)井和務(wù)基2(W2)井(圖1)。
由于金沙江水網(wǎng)的性質(zhì)為“以科研為主的監(jiān)測網(wǎng)”,在布網(wǎng)中特別考慮了2組對比觀測井。在向家壩庫區(qū)的翼子壩斷裂帶上特意布設(shè)了T1井與T2井,兩井間相距約1km。T1井位于斷裂下盤(下降盤),距主斷裂面約0.2km。T2井布設(shè)在斷裂帶上盤(上升盤),直接打穿斷裂破碎帶。兩口井的深度等井孔結(jié)構(gòu)基本一致。此組兩井對比觀測的科研目的是探索斷裂帶對地下水前兆響應(yīng)特征的控制作用。在溪洛渡庫區(qū)也特意布設(shè)了W1井與W2井,兩井間相距約0.5km,兩井井區(qū)的地表地質(zhì)-水文地質(zhì)條件相同,井深與井孔結(jié)構(gòu)等也一致。此組兩井對比觀測的科研目的原是檢驗相同條件下的兩口井對同一個地震的前兆響應(yīng)特征是否一致。然而,鉆井揭示出的兩井地下水文地質(zhì)條件差異很大,W1井揭露出的含水層是巖溶裂隙不發(fā)育的灰?guī)r含水層,而W2井揭露出的是巖溶裂隙極發(fā)育(可能鄰近有暗河)的灰?guī)r含水層,促使兩井對比觀測的研究內(nèi)容調(diào)整為灰?guī)r地區(qū)巖溶裂隙發(fā)育的不均一性對地下水前兆響應(yīng)特征的影響問題。
原設(shè)計中,在溪洛渡庫區(qū)的左壩肩區(qū)也布設(shè)了一口觀測井(NT),但因該井觀測條件目前還不能滿足地下水觀測的技術(shù)要求,故暫未列入該網(wǎng)中。
金沙江水網(wǎng)各觀測井區(qū)地質(zhì)-水文地質(zhì)條件,概括于表1中。
金沙江水網(wǎng)各觀測井的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),概括于表2中。由表2可見,向家壩庫區(qū)的觀測井深為150m左右,套管長度為100m左右;溪洛度庫區(qū)的觀測井深為300m左右,套管長度為200m左右;觀測井下設(shè)套管段直徑為127mm,其下裸孔段直徑多為110mm;T2井的套管之下的觀測段下設(shè)有φ127mm花管。
金沙江水網(wǎng)各井觀測含水層的基本特征,概括于表3中。由表3可見,向家壩庫區(qū)觀測井的觀測含水層多為砂巖孔隙裂隙承壓水,含水層滲透性多較弱,滲透系數(shù)為0.02~0.03m/d,但T2井地下水為斷層破碎帶承壓水,具有較強的滲透性,滲透系數(shù)高達9m/d以上;地下水徑流條件不是很強,水化學(xué)類型多為HCO3-SO4型,但礦化度不高(<0.5g/L)。溪洛渡庫區(qū)觀測井的觀測含水層多為灰?guī)r巖溶裂隙水層,由于觀測井多地處深山峽谷區(qū),地下水位埋深很大,地下水的承壓性差;地下水的徑流條件較向家壩庫區(qū)略強,水化學(xué)類型多為HCO3型,礦化度不高(<0.5g/L)。
金沙江水網(wǎng)的各觀測臺站均設(shè)有圍墻、井房及供電、防雷、通信等數(shù)字化臺站運行所必要的設(shè)施。
臺站的圍墻圈定面積多為30~40m2;井房面積9~15m2,多為磚混結(jié)構(gòu),具有抗震措施,具備防盜、通風(fēng)等功能。各個臺站均建有專用的供電線路,在入井房前有30m長的線路為鎧狀電纜并入地,入井房后設(shè)置配電箱、電表、防雷器、穩(wěn)壓電源等。各臺站均建有防雷地網(wǎng),用角鋼樁及其連體構(gòu)成,網(wǎng)的面積為4~10m2不等,樁長0.5~2.0m不等,第四系復(fù)蓋層較薄的井臺均使用降阻劑幾十~幾百kg不等,施工后的接地電阻2.1~3.9Ω(車用太等,2010b)。各井臺均進行GPRS信號強度測試,強度穩(wěn)定值為17~30。
金沙江水網(wǎng)各臺站的觀測項目配置,如表4所列。由表4可見,觀測項目總數(shù)為18項,其中水位與水溫各6項,降雨、氣壓與室溫各2項。
金沙江水網(wǎng)由6個臺站與1個臺網(wǎng)中心組成。臺網(wǎng)中心目前暫時設(shè)在溪洛渡(稱臨管中心),未來將遷移到四川省成都市。金沙江水網(wǎng)的觀測技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成,如圖2所示。
這個系統(tǒng)中,6個臺站產(chǎn)出18個測項的觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在每日規(guī)定時間內(nèi)由臺網(wǎng)中心通過GPRS與INTERNET網(wǎng)匯集,然后進行預(yù)處理、存儲與初步分析。
臺網(wǎng)中心的主要硬件設(shè)施是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、臺式計算機與EPC-1型無線傳輸裝置;臺網(wǎng)中心的主要軟件及其功能,概括于表5中。
金沙江水網(wǎng)各臺站儀器設(shè)備配置,因觀測項目的數(shù)量不同可分為兩種模式(圖3,4)。由圖3與圖4可見,兩種模式相比,第2種模式較第1種模式多氣象三要素觀測的3種傳感器(探頭)與相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,主機的型號有所不同,其他供電、防雷、通信設(shè)備的配置是相同的。5種觀測儀器的主要技術(shù)指標,如表6所列。
W2臺站儀器設(shè)備安裝之后,發(fā)現(xiàn)井水位日變幅大到每日幾至十幾m,故對該井臺的水位傳感器更換為新研制的大量程水位傳感器。該傳感器的主要技術(shù)指標如下:測量范圍0~50m,分辨力10mm,最大誤差±0.2%FS,采樣率1次/min。
圖2 金沙江水網(wǎng)的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Construction of observation technologic system of Jinshajiang groundwater observation network.
各臺站觀測儀器設(shè)備主要是7月26—29日安裝的,但W2井大量程水位傳感器是12月3日安裝的。
各臺站觀測儀器的安裝由安裝主機開始,然后按下列順序安裝傳感器:水溫傳感器、水位傳感器、氣壓傳感器、室溫傳感器與雨量筒(傳感器)。每口井在安裝水溫傳感器時,均進行觀測井內(nèi)溫度梯度測量及分析各測點的水溫測值的穩(wěn)定性;安裝水位傳感器時均測定了當時的水位埋深值,以便把傳感器產(chǎn)出的水壓值轉(zhuǎn)換為水位埋深值(車用太等,2011)。各井水位與水溫傳感器安置參數(shù),如表7所列。
圖3 水位與水溫2個測項的臺站技術(shù)構(gòu)成圖Fig.3 Construction of observational technologic system of a station for wellwater level and temperature observations.
金沙江水網(wǎng)的試運行分為2個階段,2010年8—9月為前期檢驗性試運行,10—12月為正式試運行。試運行期間(8—12月)各臺站產(chǎn)出的各測項時值動態(tài),如圖5所示。
8—12月試運行期間,各井臺各測項數(shù)據(jù)完整率如表8所示。由表8可見,除了QW井臺之外,各臺站與各測項的數(shù)據(jù)完整率均達99%以上,說明井臺維護管理與儀器設(shè)備的運行多連續(xù)可靠。QW臺站運行不正常,數(shù)據(jù)完整率較低,主要是2次遭雷擊引起的;T2、W1與W2井缺失少量觀測數(shù)據(jù)主要是前期檢驗性運行階段對觀測儀器設(shè)備進行調(diào)整與當?shù)毓╇娤到y(tǒng)故障引起的。
圖4 水位與水溫及氣象三要素5個測項的臺站技術(shù)構(gòu)成圖Fig.4 Construction of observational technologic system of a station for water level,water temperature,room temperature,atmospheric pressure and rainfall observations.
金沙江水網(wǎng)各井水位2010年8—12月動態(tài)(圖5)的基本特征分析結(jié)果,概括于表9中。由表9可見,金沙江水網(wǎng)各井水位及其動態(tài)的基本特征是埋深大,起伏大。埋深大主要表現(xiàn)在溪洛渡庫區(qū)3口井,平均埋深約200~270m,國內(nèi)外各類地下水動態(tài)觀測網(wǎng)中前無實例。起伏度大,除了W1井很小與T1、GZ井較小外,其他井都超10m。
各井水位多月與月動態(tài)特征,基本受含水層降雨滲入補給與地下徑流側(cè)向排泄的控制,有雨季節(jié)與有雨時段井水位上升,無雨時段井水位下降。水位動態(tài)的日變動態(tài)特征,有4口井為有規(guī)律起伏,其中2口為水位潮汐效應(yīng) (圖6),另2口為江水的水動力傳導(dǎo)效應(yīng) (圖7),W1井水位日變雖無規(guī)律,但日起伏很小,水位動態(tài)較穩(wěn)定;W2井水位日變不但無規(guī)律,且日起伏度很大,水位動態(tài)極不穩(wěn)定。
金沙江水網(wǎng)各井水溫度2010年8—12月動態(tài)(圖5)的基本特征分析結(jié)果,概括于表10中。由表10可見,各井井水溫度的平均值17~28℃不等,各時間段的水溫變化表現(xiàn)出一定規(guī)律性,起伏度不大,GZ與T1井水溫動態(tài)中出現(xiàn)階變,W1與W2井水溫動態(tài)中存在脈沖變化,這些變化幅度雖不大,但多在穩(wěn)定時段突然出現(xiàn),其成因推測為觀測環(huán)境與觀測系統(tǒng)如供電電壓、儀器工作等不穩(wěn)定引起的。
無論是地下水動態(tài)觀測網(wǎng)還是其他學(xué)科的前兆觀測網(wǎng),國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的監(jiān)測能力評估標準與方法。在中國地下水動態(tài)觀測網(wǎng)中,通常采用3種評價方法:
(1)對于有一定觀測歷史并經(jīng)地震檢驗了的網(wǎng)或井用映震效能的評價方法,根據(jù)被評估井的某一測項異常的總次數(shù)、經(jīng)歷的地震總次數(shù),計算有異常有震的比值(有可能預(yù)報的概率)、有異常無震的比值(有可能虛報的概率)、無異常有震的比值(有可能漏報的概率)(國家地震局科技監(jiān)測司,1990),有時還根據(jù)上述比值計算映震能力的分值(R)(羅蘭格等,2004)。這種方法是中國地震預(yù)報界多數(shù)專家認可的,但對于金沙江水網(wǎng)因尚未經(jīng)歷地震活動檢驗監(jiān)測能力的評估,目前顯然是無法使用的。
(2)從已有的大量震例中總結(jié)出的映震能力大小與觀測井-含水層系統(tǒng)的特征關(guān)系評估其監(jiān)測能力的方法(車用太,1990;1999)。該方法的評價標準是按井孔的構(gòu)造部位、觀測含水層的儲水空隙類型、含水層頂板埋深、井水動力類型(自流與非自流)、地下水溫度、井徑比、過水段類型等可能影響映震能力的條件,各分為3種情況,對于映震能力給出3種分值:3(強)、2(中)、1(弱),然后綜合評分。對于金沙江水網(wǎng)各井的監(jiān)測能力評估結(jié)果,如表11所示。由表11可見,金沙江水網(wǎng)6口井的監(jiān)測能力,從井-含水層特征上的評估結(jié)果,其分值為14~15,與全國地下水動態(tài)觀測網(wǎng)的統(tǒng)計結(jié)果相比,可認為是監(jiān)測能力較強的網(wǎng)(車用太,1990),即對當?shù)嘏c鄰區(qū)MS≥5.0以上的地震應(yīng)具有一定的前兆反映能力。
圖5 金沙江水網(wǎng)各井臺各測項2010年8—12月時值動態(tài)曲線Fig.5 Curves of hourly value of each observation item from August to December,2010,in Jinshajiang groundwater observation network.
然而,一個觀測網(wǎng)或觀測井的監(jiān)測能力不僅取決于井-含水層系統(tǒng)能否對地震孕育與發(fā)生過程做出響應(yīng),還與其觀測產(chǎn)出的動態(tài)特征是否有利于地震前兆異常信息的識別與提取。因此,生成了監(jiān)測能力評估的第3種方法。該方法從如下3個方面去評價:1)正常動態(tài)有無規(guī)律性?2)正常動態(tài)的起伏度是否過大?3)對地球固體潮汐等已知的動力作用是否有響應(yīng)?(車用太等,2006;趙文忠等,2006),按著這樣的思路,對金沙江水網(wǎng)各測項的地震前兆監(jiān)測能力評估的結(jié)果,概括于表12中。由表12可見,具有監(jiān)測能力中較強的測項6項,其正常動態(tài)特征是無論多月還是月尺度上動態(tài)規(guī)律清楚,且變化規(guī)律較穩(wěn)定,起伏度不大,若有地震前兆異常出現(xiàn)時應(yīng)較易識別與提取,而且部分具有潮汐效應(yīng)與氣壓效應(yīng)等;有11項監(jiān)測能力被評為一般,其正常動態(tài)特征是在多月尺度上規(guī)律性不強或穩(wěn)定性不很好,在有規(guī)律性與起伏度不大的時段,有可能識別出地震前兆異常;有4項監(jiān)測能力是較差,其動態(tài)特征是無論在多月還是月動態(tài)尺度上基本無規(guī)律性,相對起伏度也較大,一般情況下很難識別出地震前兆信息;有2項監(jiān)測能力很差,正常動態(tài)無規(guī)律,且起伏度極大,一般無法識別出前兆異常信息。
圖6 柑子井水位與團結(jié)1井水位潮汐動態(tài)圖Fig.6 Water level in GZ well and tide behaviour in T1 well.
圖7 團結(jié)2井與千萬貫井水位與溪洛渡電站上圍堰金沙江水位動態(tài)對比Fig.7 Comparison between water level behaviour in T2 and QWwell and that of the upper cofferdam of Xiluodu hydropower station of Jinshajiang river.
綜上所述,金沙江水網(wǎng)的地震前兆監(jiān)測能力,從井-含水層系統(tǒng)的特征上看應(yīng)是較強的,但從觀測產(chǎn)出的正常動態(tài)特征上看,部分井的監(jiān)測能力較強,多數(shù)井為一般,少數(shù)井為較弱甚至很差。
金沙江水網(wǎng)是中國自行設(shè)計與建設(shè)的第2個專門為水電站水庫區(qū)地震前兆監(jiān)測與研究為主要任務(wù)的企業(yè)地下水動態(tài)觀測網(wǎng)。該網(wǎng)的布設(shè)合理,充分體現(xiàn)了建網(wǎng)的目的;觀測井-含水層系統(tǒng)的特征較好,但溪洛渡庫區(qū)的觀測井深度雖已達300m,但仍顯不足,揭露出的觀測含水層承壓性不強,水位埋深過大;該網(wǎng)的觀測技術(shù)系統(tǒng)先進,運行穩(wěn)定,產(chǎn)出的數(shù)據(jù)可靠。
2010年8—12月的試運行結(jié)果表明:1)各井水位在多月與月動態(tài)頻帶上都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,但多數(shù)井(除W1井外)井水位起伏度普遍偏大,動態(tài)穩(wěn)定性較差,不利于地震中短期前兆異常信息的識別;2)GZ井與T1井水位日動態(tài)中表現(xiàn)出明顯的潮汐效應(yīng),日潮差為1~8cm,1mm井水位變化反映的對地殼應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度可高達10-8~10-9體應(yīng)變;3)各井水溫在多月與月動態(tài)頻帶上都表現(xiàn)出一定規(guī)律性,動態(tài)多較穩(wěn)定,除QW井水溫起伏度為百分之幾度外,多在千分之幾攝氏度以下,有利于地震前兆信息的識別;4)水溫日動態(tài)一般都較穩(wěn)定,但部分井中存在階變、脈沖等不利于識別地震短臨前兆信息的干擾動態(tài);5)無論井水位還是井水溫度的主要干擾因素是大氣降雨的滲入補給,但QW井與T2井中還存在金沙江水位漲落的干擾,這些干擾十分不利于地震前兆信息的識別。
由上可見,金沙江水網(wǎng)具有一定的地震前兆監(jiān)測能力,尤其是GZ、T1與W1井水位及W1井水溫度在地震短臨前兆監(jiān)測方面可能具有較強的能力。
金沙江水網(wǎng),除了地震地下水前兆監(jiān)測外,還可在其他方面開發(fā)利用。首先是在水利水電工程水文地質(zhì)方面,可開展庫岸區(qū)巨厚的包氣帶對水庫蓄水與水庫水位調(diào)節(jié)方面的作用研究,其次是利用W1與W2井在喀斯特(巖溶)水文地質(zhì)方面可開展喀斯特發(fā)育不均勻性及其對水資源動態(tài)的影響研究,再次是利用T1與T2井水位水溫觀測及井區(qū)跨斷層形變觀測資料開展地震-斷層活動-不同前兆響應(yīng)特征的對比研究等。
致謝 金沙江水網(wǎng)建設(shè)過程中,得到中國長江三峽工程開發(fā)集團金沙江開發(fā)有限責(zé)任公司胡斌、蘇立與田軍,中國地震局工程力學(xué)研究所王兆榮、宋麗紅、張品峰、周正華與溫瑞智,中國水利水電科學(xué)院常廷改與邢國良,中國地震局地殼應(yīng)力研究所趙剛與何案華等許多專家的指導(dǎo)與協(xié)助,在此一并致謝。
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JINSHAJIANG GROUNDWATER OBSEVATION NETWORK AND DISCUSSION ABOUT ITSMONITOLING CAPABILITY OF EARTHQUAKE PRECURSOR
LIWan-ming1)CHE Yong-tai2)LIU Cheng-long2)YU Jin-zi2)HE An-hua3)
1)Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China
2)Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China
3)Institute of Crustal Dynamics,China Earthquake Administration,Beijing 100085,China
The groundwatermonitoring network in the reservoir area of cascade hydroelectric stations in the lower reaches of Jinshajiang(abbreviation:Jinshajiang groundwater observation network)is the second groundwater observation network in China constructed by enterprise exclusively for earthquake precursormonitoring and study in reservoir areas.In this paper,distribution of the observation network,observational technologic system,basic characteristics of observation well and aquifer,and basic result of trial observation are presented,and the monitoring capability of earthquake precursor are discussed with respect to the conditions of observation well and aquifer and characteristics of multi-monthly,monthly,daily behaviors ofwater level and temperature in well.
groundwater observation network,reservoir area in Jinshajiang lower reaches,earthquake precursormonitoring
P315.72+3
A
0253-4967(2011)03-0627-17
10.3969/j.issn.0253 - 4967.2011.03.012
2011-04-12收稿,2011-06-09改回。
中國長江三峽工程開發(fā)集團金沙江開發(fā)有限責(zé)任公司項目(JSJ(06)007)資助。
李萬明,男,1975年生,1998年畢業(yè)于淮南工業(yè)學(xué)院,獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為高級工程師,主要致力于金沙江水網(wǎng)的管理與資料分析,E-mail:Liwm-0451@126.com。