郭森,馬致遠(yuǎn),李勁彬,裴蓓,鄭磊,李修成,張雪蓮
(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)
我國(guó)地?zé)峁┡默F(xiàn)狀及展望
郭森,馬致遠(yuǎn),李勁彬,裴蓓,鄭磊,李修成,張雪蓮
(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710054)
地?zé)豳Y源作為一種重要的清潔能源,在治污降霾、改變能源結(jié)構(gòu)、提倡生態(tài)文明的今天的作用日益凸顯。我國(guó)大部分地區(qū)主要利用化石燃料供暖,污染較嚴(yán)重,供暖形勢(shì)嚴(yán)峻。而利用地?zé)崮芄┡堑責(zé)豳Y源最直接的利用方式。我國(guó)利用地?zé)峁┡延?0多年的歷史,在天津、咸陽(yáng)等地利用地?zé)峁┡呀?jīng)初具規(guī)模。但是受限于技術(shù)、成本等條件制約,地?zé)峁┡谖覈?guó)總供暖面積中占的比例依然很小,而且在利用過(guò)程中浪費(fèi)比較嚴(yán)重,利用地?zé)峁┡谖覈?guó)還有很大的發(fā)展空間。目前,北方地區(qū)地?zé)峁┡缘責(zé)崃黧w供暖為主,地源熱泵供暖發(fā)展迅速,干熱巖供暖雖然還處于實(shí)驗(yàn)階段但是前景廣闊。筆者在對(duì)地?zé)崃黧w、地源熱泵、干熱巖供暖的歷史、現(xiàn)狀及前景分析的基礎(chǔ)上,提出了我國(guó)未來(lái)利用地?zé)峁┡伎技敖ㄗh。
地?zé)崮?;供暖;水熱型地?zé)?;地源熱泵;干熱巖
由于霧霾加重,化石能源枯竭,使清潔可再生能源的應(yīng)用出現(xiàn)了一個(gè)新的高潮。黨的十八大報(bào)告中已將生態(tài)環(huán)境建設(shè)納入五位一體的國(guó)家戰(zhàn)略層面。地?zé)嵋粋€(gè)非常重要的清潔能源,卻一度被忽視(石巖等,2011)。地?zé)崮芊譃闇\熱(地源熱泵)、水熱和干熱(干熱巖)3種主要類(lèi)型(龐忠和等,2012)。中國(guó)是地?zé)豳Y源最豐富的國(guó)家,中國(guó)地?zé)豳Y源占世界的六分之一,但是目前開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源程度較低,開(kāi)發(fā)潛力巨大,發(fā)展地?zé)峥滩蝗菥彙@玫責(zé)豳Y源進(jìn)行供暖,是對(duì)地?zé)豳Y源最直接的利用方式。利用地?zé)岵膳?、供熱,不僅能優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),而且能大量減少有害物質(zhì)的排放,對(duì)減輕霧霾污染有著非常重要的作用(朱佳玲,2010)。鑒于此,筆者將歸納總結(jié)迄今為止我國(guó)地?zé)峁┡默F(xiàn)狀及問(wèn)題,為將來(lái)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)提供一些建議。
1.1我國(guó)水熱型地?zé)峁┡F(xiàn)狀
水熱型地?zé)峁┡侵咐瞄_(kāi)采井抽取地下水,通過(guò)換熱站將熱量傳遞給供熱管網(wǎng)循環(huán)水,輸送至用戶(hù)。我國(guó)開(kāi)發(fā)利用水熱型地?zé)峁┡延猩锨甑臍v史,改革開(kāi)放后尤其是近年來(lái),水熱型地?zé)峁┡拈_(kāi)發(fā)利用在規(guī)模、深度和廣度上都有很大發(fā)展,目前我國(guó)水熱型地?zé)岵膳睦每偭恳盐痪邮澜缡孜?。天津和咸?yáng)是利用水熱型地?zé)徇M(jìn)行供暖的典型城市。目前,天津是我國(guó)利用地?zé)峁┡?guī)模最大的城市,全市140個(gè)地?zé)嵴?,天津每年地?zé)崴_(kāi)采量為2 600萬(wàn)t,地?zé)峁┡娣e達(dá)到1 200萬(wàn)m2,約占全市集中供暖總面積的10%,占全國(guó)地?zé)峁┡偯娣e的50%(趙蘇民等,2013)。咸陽(yáng)市孔隙熱儲(chǔ)處于陜西關(guān)中斷陷型沉積盆地北部,開(kāi)采1 600~4 000m深度新近系藍(lán)田灞河組地下熱水,曾被命名為全國(guó)首家“中國(guó)地?zé)岢恰奔啊皣?guó)家級(jí)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用示范區(qū)”。截至目前,已開(kāi)鑿深層孔隙型地?zé)峋?5眼,地?zé)崴觊_(kāi)采量400萬(wàn)m3,地?zé)峁┡娣e達(dá)到260萬(wàn)m2(南小康,2010;李婷等,2012)。在技術(shù)層面上,以前設(shè)備陳舊,腐蝕嚴(yán)重,操作為簡(jiǎn)單的直接利用;如今梯級(jí)利用配套專(zhuān)用設(shè)備、完善的回灌系統(tǒng)、先進(jìn)的測(cè)試手段、網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)管理信息系統(tǒng),以及資源保證和評(píng)價(jià)體系的建立,使得我國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用水平不斷的與世界水平靠近。
1.2水熱型地?zé)峁┡膬?yōu)勢(shì)
(1)水熱型地?zé)峁┡崃糠€(wěn)定,供熱面積大,單井供暖面積在20萬(wàn)m2左右。
(2)初始費(fèi)用與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用要遠(yuǎn)低于集中供暖和燃?xì)忮仩t供暖。其初始投資在100元/m2,運(yùn)營(yíng)成本在12元/m2。
(3)環(huán)境效益巨大,尤其是在污染嚴(yán)重的今天,利用地?zé)峁┡梢杂行У販p少CO2的排放,降低霧霾污染。以咸陽(yáng)為例,每年減少煤燃燒30萬(wàn)t,減少排放廢氣18 000t。
1.3我國(guó)水熱型地?zé)峁┡膯?wèn)題及解決方法
由于地?zé)崴倪^(guò)量開(kāi)采,造成地下熱水水位、水溫、水壓下降甚至部分開(kāi)采井變成干井。地?zé)崴貌怀浞?。例如,咸?yáng)部分地?zé)峋奈菜欧艤囟仍?0℃以上,不僅造成了資源的巨大浪費(fèi),同時(shí)會(huì)造成環(huán)境污染。地?zé)崴_(kāi)發(fā)利用規(guī)范較少,部分地區(qū)盲目打井,破壞了地下熱水賦存環(huán)境,嚴(yán)重干擾地下熱水的自然更新。
解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵措施就是進(jìn)行地?zé)嵛菜毓啵責(zé)嵛菜毓嗖粌H能夠避免地?zé)嵛菜欧盼廴?,還能夠提高地下熱水水位,實(shí)現(xiàn)地下熱水可持續(xù)開(kāi)采,形成地下熱水開(kāi)發(fā)的良性循環(huán)(李婷等,2012;YU J,et al.,2009;馬致遠(yuǎn)等,2013)。中國(guó)目前的地?zé)嵛菜毓嗫煞譃?種:一種為基巖裂隙型熱儲(chǔ)回灌,主要為灰?guī)r和白云巖;另一種為孔隙型砂巖熱儲(chǔ),為新近紀(jì)和古近紀(jì)時(shí)(侯晨等,2012)?;鶐r裂隙型熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嘈Ч毡檩^好,以天津?yàn)槔渲饕_(kāi)采層霧迷山組熱回灌率為33.4%,而奧陶系熱儲(chǔ)層由于有異層采灌致使年度回灌量大于開(kāi)采量,2006~2008年的回灌率分別為122.5%、147.9%、138.8%,在回灌井附近熱儲(chǔ)層水位埋深明顯高于其他區(qū)域,且水位年降幅呈逐年減小之勢(shì)。較之基巖裂隙型地?zé)嵛菜毓?,孔隙型砂巖地下熱水的回灌面臨地壓增大、堵塞嚴(yán)重、回灌率低的重重困難(HERMAN B,et al.,1991;MA J,et al.,2012;HUANG D,et al,1993)。2014年咸陽(yáng)在WH2砂巖回灌井的回灌研究中取得了重大突破。回灌歷時(shí)127d,自然回灌量達(dá)到100m3/h,最大瞬時(shí)回灌量為148m3/h,回灌率達(dá)100%,總回灌量達(dá)到10萬(wàn)m3。應(yīng)對(duì)物理、化學(xué)、微生物堵塞方面在咸陽(yáng)取得了豐碩的成果,為以后大面積推廣積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。
1.4水熱型地?zé)峁┡那熬胺治?/p>
我國(guó)中-低溫水熱型地?zé)豳Y源豐富,廣泛分在中—新生代沉積盆地中。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)的沉積盆地面積巨大,中、新生代沉積盆地總面積達(dá)417×104km2,占我國(guó)陸地面積的42%,分布范圍遍及各省、市、自治區(qū),可見(jiàn)利用水熱型地?zé)峁┡谖覈?guó)有巨大的發(fā)展空間(張振國(guó),2009)。但是深層孔隙型砂巖回灌堵塞問(wèn)題一直是阻礙地?zé)崃黧w開(kāi)發(fā)的瓶頸問(wèn)題,應(yīng)大力加強(qiáng)沉積盆地深層孔隙型砂巖回灌技術(shù)研究,將深層孔隙型砂巖的研究完成從點(diǎn)到面的成功突破,進(jìn)而在全國(guó)推廣。
2.1地源熱泵供暖的發(fā)展和現(xiàn)狀
地源熱泵(ground source heat pump)是利用地下淺層地?zé)豳Y源既能在夏天供冷又能在冬天供熱的一種新型空調(diào)系統(tǒng)。“地源熱泵”最早是由英國(guó)專(zhuān)家提出,1946年美國(guó)科學(xué)家建立了第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng),但是因?yàn)榧夹g(shù)粗燥,并沒(méi)有得到廣泛認(rèn)同。直到20世紀(jì)70年代,世界出現(xiàn)第一次能源危機(jī),地源熱泵技術(shù)得到充足發(fā)展(陳華等,2013)。在美國(guó),地源熱泵系統(tǒng)每年以20%的增長(zhǎng)速度發(fā)展,而且未來(lái)還將以?xún)晌粩?shù)的良好增長(zhǎng)勢(shì)頭繼續(xù)發(fā)展。據(jù)美國(guó)能源信息管理局預(yù)測(cè),到2030年,地源熱泵將為供暖、散熱和水加熱提供高達(dá)68Mt油當(dāng)量的能量(李新國(guó)等,2001)。我國(guó)的地源熱泵技術(shù)從2000年開(kāi)始,截至目前,現(xiàn)有地源熱泵工程數(shù)量已經(jīng)達(dá)到5 000多個(gè),總利用面積達(dá)2.4億m2。80%的項(xiàng)目集中在我國(guó)華北和東北南部地區(qū),其是主要集中在供冷方面。在利用地源熱泵供暖進(jìn)行了很多嘗試,雖取得了一定的成果,但是都是商業(yè)開(kāi)發(fā)摸索,并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化的科學(xué)研究(高揚(yáng)等,2013)。
2.2利用地源熱泵供暖的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題
我國(guó)利用地源熱泵供暖的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①綠色環(huán)保。平均每推廣1 000萬(wàn)m2的地源熱泵技術(shù)及其系統(tǒng),可以節(jié)省56萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤,對(duì)治污降霾有重要影響(陳煥新等,2002)。②運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低。運(yùn)營(yíng)費(fèi)用只有集中供暖的一半(王永鏢等,2002)。③一機(jī)兩用。利用地源熱泵技術(shù)在冬天可以制熱,還可以提供生活熱水,夏天可以制冷。④安全可靠。地下部分使用壽命在50年以上,地上部分在30年以上(將益強(qiáng),2007)。
我國(guó)利用地源熱泵供暖的缺點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①施工空間大。換熱孔施工需要較大的空間,在我國(guó)建筑密度高的區(qū)域無(wú)法大面積實(shí)施(關(guān)鋅,2010)。②初始投資高。地下鉆孔埋管和打井都需要較大的工程建設(shè)費(fèi)(黃敏,2010)。③單孔出熱量小。地源熱泵由淺層土壤熱源吸熱,單孔出熱量小。以西安為例,供暖面積5 000m2的小區(qū)需打10多口200m深的換熱孔。
2.3利用地源熱泵供暖的前景分析
地源熱泵供熱系統(tǒng)通過(guò)消耗少量高品位能源,把低品位熱量上升為高品位熱量,在提倡節(jié)能環(huán)保的今天,其發(fā)展前景主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)我國(guó)集中供暖管網(wǎng)建設(shè)不健全,城市邊緣地區(qū)主要利用中小型鍋爐供暖,在冬季造成了比較嚴(yán)重的大氣環(huán)境污(陳華等,2013)。地源熱泵供暖可以作為集中供暖一種補(bǔ)充,在農(nóng)村和城市邊緣地區(qū)具有很大的發(fā)展前景。
(2)我國(guó)東北、華北地區(qū)有大量干枯的石油和地?zé)崴?可以對(duì)其進(jìn)行改造,節(jié)省開(kāi)發(fā)資金。
(3)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保新技術(shù)大力扶持。地源熱泵供暖系統(tǒng)低碳、清潔、環(huán)保一定會(huì)受到國(guó)家的重視(徐偉等,2013)。
3.1干熱巖發(fā)展歷史和應(yīng)用潛力
干熱巖(HDR)也稱(chēng)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS),或稱(chēng)工程型地?zé)嵯到y(tǒng),是指地層深處(埋深超過(guò)2 000m)普遍存在的沒(méi)有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體,主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖體。干熱巖本身具有很高的溫度,呈干熱狀態(tài),一般干熱巖上覆蓋有沉積巖或土等隔熱層,溫度在150~650℃,可以作為熱能資源加以利用(楊方,2012)。干熱巖的開(kāi)發(fā)利用始于美國(guó),1990年美國(guó)就開(kāi)始工業(yè)尺度方面的干熱巖地?zé)崮茉吹拈_(kāi)發(fā)利用研究。日本緊隨美國(guó)之后,系統(tǒng)的研究干熱巖發(fā)電技術(shù),并在1995年進(jìn)行了一個(gè)月的水循環(huán)測(cè)試(趙陽(yáng)升,2004),但是截至目前對(duì)干熱巖的都是在發(fā)電層面,利用干熱巖進(jìn)行供暖還沒(méi)有研究。我國(guó)干熱巖開(kāi)發(fā)尚處在起步階段,2014年在青海共和—貴德盆地地下2 230m處鉆獲溫度153℃的優(yōu)質(zhì)干熱巖,為我國(guó)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)干熱巖打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)(陳惠娟,2010)。
3.2利用干熱巖供暖存在的問(wèn)題
(1)干熱巖開(kāi)發(fā)的選址問(wèn)題。干熱巖選址問(wèn)題仍然是研究的一個(gè)前沿性課題。就我國(guó)目前情況來(lái)看,利用干熱巖進(jìn)行供暖的實(shí)驗(yàn)區(qū)可以選擇板塊構(gòu)造帶或者構(gòu)造活動(dòng)帶。例如,滇藏、東南沿海、京津冀、環(huán)渤海等地區(qū)分布有范圍較大的火山巖體,具備干熱巖地?zé)豳Y源形成的區(qū)域構(gòu)造條件。或者選擇一些沉積盆地。例如,2013年在我國(guó)青海共和盆地發(fā)現(xiàn)了高品質(zhì)的干熱巖,地底部廣泛分布,僅鉆孔控制干熱巖面積已達(dá)150km2,潛力巨大(楊吉龍等,2001;藺文靜等,2012)。
(2)利用干熱巖供暖的技術(shù)問(wèn)題?,F(xiàn)有的干熱巖開(kāi)發(fā)模式都是通過(guò)在地下巖層中進(jìn)行射孔、爆炸、壓裂、酸化等人工形成一個(gè)可以進(jìn)行熱交換的場(chǎng)所(稱(chēng)之為“人工熱儲(chǔ)”),通過(guò)井循環(huán)將熱量帶出來(lái)。但是開(kāi)發(fā)干熱巖進(jìn)行供暖,用現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)模式成本較高,技術(shù)過(guò)于復(fù)雜不利于大范圍推廣,并且有可能會(huì)引發(fā)地震等地質(zhì)問(wèn)題(曾梅香等,2007)。
3.3利用干熱巖供暖前景分析
汪集旸等通過(guò)評(píng)估,中國(guó)大陸(3~10km深度)中干熱巖地?zé)豳Y源為21.0×106EJ,折合標(biāo)煤7為15萬(wàn)億t。其可開(kāi)采量(2%)是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源量的168倍(陳墨香等,1996;朱守義,2001)。干熱巖是潛力巨大的本土化資源,理論上只要深度達(dá)到處處都有干熱巖,不像現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的地?zé)崃黧w資源那樣受地域限制。只要技術(shù)能夠達(dá)到要求,就可以在全國(guó)大范圍推廣(汪集旸等,2013)。我國(guó)目前油氣資源已經(jīng)進(jìn)入快速減產(chǎn)期,龐大的油田隊(duì)伍面臨生產(chǎn)轉(zhuǎn)型危機(jī),發(fā)展干熱巖既能解決能源短缺問(wèn)題,又能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。
地?zé)豳Y源是一種非常寶貴的能源,在利用地?zé)崮芄┡膶?shí)踐中,必須遵循在保護(hù)中進(jìn)行開(kāi)發(fā)的原則,以使地?zé)豳Y源能夠可持續(xù)利用。要加強(qiáng)清潔可再生的地?zé)豳Y源的研究,使其盡快能為社會(huì)服務(wù),成為人類(lèi)發(fā)展中的重要能源。綜合分析我國(guó)地?zé)峁┡默F(xiàn)狀、問(wèn)題,筆者就我國(guó)地?zé)峁┡沙掷m(xù)發(fā)展問(wèn)題提供以下建議。
4.1水熱型地?zé)峁┡?/p>
(1)加強(qiáng)水熱地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的法律、法規(guī)建設(shè)。目前我國(guó)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)指導(dǎo)水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用法規(guī),導(dǎo)致水熱型地?zé)豳Y源亂采、超采問(wèn)題一直得不到解決。
(2)改進(jìn)和完善水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)技術(shù)、方法。如梯級(jí)利用技術(shù)、低溫地板輻射供暖技術(shù)和“一深一淺一回灌”開(kāi)發(fā)模式在水熱型地?zé)峁┡械膽?yīng)用。
(3)加大基巖裂隙型熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嗔?,延長(zhǎng)地?zé)峋氖褂脡勖?。加?qiáng)砂巖孔隙型熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嗟男录夹g(shù)新方法研究,使困擾地?zé)峁┡?砂巖孔隙型熱儲(chǔ))可持續(xù)利用的回灌衰減問(wèn)題得到解決。
4.2地源熱泵供暖
(1)加強(qiáng)地源熱泵供暖的科學(xué)性研究。雖然我國(guó)進(jìn)行了很多地源熱泵供暖研究,但大都是商業(yè)性項(xiàng)目支持,研究結(jié)果比較粗糙。
(2)加快地源熱泵供暖規(guī)范的制定。現(xiàn)行的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》不能夠滿(mǎn)足我國(guó)地源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展的需要。
(3)加速地源熱泵供暖系統(tǒng)新方法、新技術(shù)研究。例如,西安在地源熱泵的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中,嘗試性地利用在超層(2 000~3 000m深)地源熱泵進(jìn)行供暖,并且取得巨大成功,單井可供熱面積達(dá)到13 000m2,商業(yè)價(jià)值大大提高。
(4)增強(qiáng)國(guó)際間合作,通過(guò)不斷吸取國(guó)際領(lǐng)先新技術(shù),促使我國(guó)地源熱泵供暖健康發(fā)展。
4.3干熱巖供暖
(1)以京津冀、環(huán)渤海等熱盆為優(yōu)選實(shí)驗(yàn)區(qū),部署干熱巖供暖選址評(píng)價(jià)和技術(shù)適用性評(píng)價(jià)研究。
(2)開(kāi)展研究干熱巖開(kāi)采中構(gòu)造人工造儲(chǔ)誘發(fā)地震及環(huán)境污染問(wèn)題的評(píng)價(jià)。
(3)開(kāi)發(fā)模式上要進(jìn)行新的探索和實(shí)驗(yàn)。采用無(wú)須壓裂的開(kāi)采技術(shù)及與現(xiàn)有的水熱型地?zé)衢_(kāi)采相結(jié)合技術(shù)來(lái)開(kāi)采干熱巖地?zé)崮?。例如,部分地區(qū)利用垂直井和斜井相連通的辦法進(jìn)行干熱巖實(shí)驗(yàn)性采暖,且已取得非常好的成果。
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Status and Prospects of Geothermal Heating in China
GUO Sen,MA Zhiyuan,LI Jinbin,PEI Bei,ZHENG Lei,LI Xiucheng,ZHANG Xuelian
(College of Environmental Science and Engineering, Chang'an University, Xi’an 710054,Shaanxi, China)
As an important kind of clean energy, the application of geothermal resources is becoming more and more widely in China, especially in the case of heating. Using geothermal resources to heating can reduce the pollution and help to change the energy structure. Most areas in China mainly use of fossil fuels for heating, but the pollution is serious and the heating situation is grim. But, the geothermal heating is the most direct using ways of geothermal resources.The history of using geothermal heating is more than 30 years in China, and the using of geothermal heating has begun to take shape in Tianjin and Xianyang. But it is limited by technical and cost constraints, the geothermal heating accounts for China's total heating area is still small. And the waste is serious in the process of using, so there is big development space for the using of geothermal heating in ourcountry. At present, the geothermal fluid heating (hot water heating) is the main heating way in China, the heating method of using ground-source heat pump is becoming popular. Although the hot dry rock heating is still in experimental stage, but it has a great spread future. After analyzing the history, current situation and prospects of geothermal fluid heating, ground-source heat pump method and hot dry rock heating, the suggestions for the future using of geothermal heating is proposed.
geothermal energy;heating;geothermal fluid;ground source heat pump; hot dryrock
2015-04-20;
2015-07-01
國(guó)家自然基金項(xiàng)目“沉積盆地深層孔隙型地下熱水回灌堵塞機(jī)理研究”(41472221)
郭森(1990-),男,山東菏澤人,碩士,主要從事地?zé)?、同位素水文地球化學(xué)研究。E-mail:1101941239@qq.com
P641.12
A
1009-6248(2015)04-0204-06