天津王3井水位突升異常的調(diào)查與研究

龔永儉，程立康，李穎楠，劉學(xué)領(lǐng)

(天津市地震局，天津　300201)

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天津王3井水位突升異常的調(diào)查與研究

龔永儉，程立康，李穎楠，劉學(xué)領(lǐng)

(天津市地震局，天津300201)

從觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾和地球物理事件等5個(gè)方面，對自2015年9月13日起天津王3井水位持續(xù)上升異常進(jìn)行了調(diào)查與研究，結(jié)果表明：①該異常是受東北方向距其約2.6 km的京津新城供熱有限公司鉆井注水的影響，非震兆異常；②王3井水位對深井注水的響應(yīng)較靈敏，無明顯時(shí)間滯后，水位變化形態(tài)呈上升的趨勢；③持續(xù)注水條件下，王3井水位持續(xù)上升，無“飽和”狀態(tài)，短時(shí)停止注水后，王3井水位沒有明顯的下降恢復(fù)變化；④新鉆井孔抽水時(shí)，王3井水位呈下降的變化形態(tài)，下降幅度與出水量成正比，進(jìn)一步印證了該井水位突升異常系受鉆井注水的影響。

水位；異常；地震前兆；天津

0　引　言

地下流體廣泛賦存于地殼巖體的空隙之中，具有可自由流動(dòng)性，是地殼動(dòng)力過程中最活躍的因素。觀測地下流體的各種物理、化學(xué)動(dòng)態(tài)，一直被人類作為探索地震預(yù)報(bào)科學(xué)的途徑[1-2]。水位對地殼介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變反映靈敏，在大量的中、強(qiáng)震前，水位測項(xiàng)有較突出的異常表現(xiàn)，因此，對地震預(yù)報(bào)有重要的意義和價(jià)值[3-6]。經(jīng)歷“九五”、“十五”項(xiàng)目改造，我國地震系統(tǒng)的水位觀測已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)字化水位觀測具有采集數(shù)據(jù)信息量大，傳輸數(shù)據(jù)速度快，觀測數(shù)據(jù)人為誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而增加了水位高頻、短周期的信息量，為捕捉地震短臨異常信息提供更加有利的條件[7]。然而，數(shù)字化水位觀測更易受到觀測系統(tǒng)及觀測環(huán)境等諸多因素的影響[8-18]。地震前兆異常的研究是突破地震預(yù)測難關(guān)的重要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19], 探尋水位異常成因，排除觀測中的非震兆異常，使水位觀測資料在地震預(yù)測中充分發(fā)揮作用，其重要性不可小覷[20]。天津王3井(以下簡稱“王3井”)地處冀中凹陷東北端的王草莊凸起潛山帶上，在寶坻凸起和潘莊凸起夾持的拐角處，應(yīng)力易于集中，該井水位等測項(xiàng)能充分反映地下介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。自2015年9月13日起，王3井水位突然改變了年變化動(dòng)態(tài)，在下降的背景上出現(xiàn)了較大幅度的上升變化，且持續(xù)發(fā)展，受到關(guān)注。為確定異常成因，按照異常識別成因相關(guān)性、空間相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性和強(qiáng)度相關(guān)性的原則，從觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾和地球物理事件等5個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查和分析，并對該井水位變化進(jìn)行跟蹤研究，最終確定該異常的成因及非震兆性質(zhì)。

1　井孔及觀測概況

1.1井孔概況及地質(zhì)構(gòu)造

王3井位于天津市寶坻區(qū)周良街道尹家鋪村北(圖1、圖2)。該井屬于承壓類型流體觀測井，井孔封閉性較好。1978年3月3日成井，井深1 077 m，裸眼段為882 m～1 077 m，含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，屬巖溶裂隙承壓水，熱儲(chǔ)層為下古生界奧陶系馬家溝組和亮甲山組灰?guī)r及白云巖。地質(zhì)構(gòu)造位置在冀中凹陷東北端的王草莊凸起潛山帶上，其北臨寶坻凸起，東靠潘莊凸起，恰好處于這兩個(gè)凸起夾持的拐角處，是應(yīng)力易于集中點(diǎn)。凸起內(nèi)部斷層縱橫交錯(cuò)，構(gòu)造復(fù)雜。該地區(qū)系現(xiàn)今小震活動(dòng)頻繁地帶，又距新生代古地震活動(dòng)遺址較近。從水動(dòng)力分帶特征看，該井位于水動(dòng)力循環(huán)的弱交替帶內(nèi)。

(a)王3井構(gòu)造位置 (b) 王3井地質(zhì)剖面

圖1王3井構(gòu)造位置及地質(zhì)剖面示意

圖2　王3井柱狀剖面圖

1.2觀測概況

王3井處于天津市寶坻區(qū)周良地?zé)岙惓^(qū)，原為地?zé)嶙粤骶糜谒瘜W(xué)取樣觀測，觀測資料在幾起中、強(qiáng)震前有突出的異常表現(xiàn)[20]。由于寶坻區(qū)人民政府與珠江合生創(chuàng)展公司聯(lián)合在該井所在地建設(shè)京津新城，加之當(dāng)?shù)乩镒怨赁r(nóng)場建設(shè)熱帶植物園，持續(xù)、大量開采地?zé)豳Y源，導(dǎo)致王3井井壓不斷降低，最終于2007年8月斷流，水化學(xué)取樣觀測被迫停止。為使該井繼續(xù)在地震預(yù)測中發(fā)揮效能，經(jīng)充分論證，在該井增上水位、水溫和逸出氣氦氣濃度3個(gè)數(shù)字化流體測項(xiàng)。其中，水位自2011年正式觀測，使用的是中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SWY-1A型數(shù)字化水位儀。SWY-1A型數(shù)字化水位儀系壓力型水位儀，采用高穩(wěn)定性精密半導(dǎo)體壓力傳感器，儀器中使用了一只62.5Ω、精度為0.01%的標(biāo)準(zhǔn)電阻，使傳感器電流流經(jīng)此電阻，將此電阻上的電壓送至數(shù)據(jù)采集器，然后轉(zhuǎn)換水位值，從而實(shí)現(xiàn)對井水位的數(shù)字化觀測。水位儀探頭埋深距井口21.0 m處。自正式觀測以來，王3井水位觀測數(shù)據(jù)基本連續(xù)、可靠。

2　水位突升異常概述

自2015年9月13日起，王3井水位突然改變了正常的年變化動(dòng)態(tài)，在下降的背景上出現(xiàn)了較大幅度的上升。自9月13日至9月19日，王3井水位上升約1.29 m。其中，9月13日,王3井水位上升速率稍??；9月14日起，上升速率加大，每日變幅約0.3 m，9月16日8時(shí)以后，水位上升變化不明顯；17日8時(shí)后，又重新恢復(fù)大速率的上升；19日18時(shí)以后，水位變化再次轉(zhuǎn)為平緩(圖3)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該井水位的正常日變幅約0.04 m，以往從未出現(xiàn)過此類大幅的上升異常。

圖32015年9月10日～19日王3井水位分鐘值曲線

3　異常核實(shí)與分析

3.1觀測系統(tǒng)檢查及水位校測

3.1.1觀測系統(tǒng)檢查

首先，遠(yuǎn)程檢查王3井SWY-1A型數(shù)字化水位儀主機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，與之前設(shè)定的參數(shù)無變化。之后，租車到現(xiàn)場檢查水位儀的工作狀態(tài)，電源指示燈、液晶面板顯示的數(shù)據(jù)及主機(jī)自校數(shù)等均正常；測量水位儀供電交流電壓為222 V，經(jīng)UPS之后穩(wěn)壓為220.1 V(王3井水位儀交流輸入端與UPS輸出端相連)，水位儀供電電瓶浮充電壓為14.21 V，儀器的交、直流供電系統(tǒng)正常；斷開水位儀信號避雷器，將探頭直接連接到主機(jī)上，觀測數(shù)據(jù)與之前無變化，驗(yàn)證儀器信號避雷器正常，之后恢復(fù)原狀；檢查儀器的接地線，無破損，導(dǎo)電性能良好；對通訊鏈路進(jìn)行了檢查，無線路由器等設(shè)備無異常，通訊方式未改變，仍為3G傳輸方式。

3.1.2水位校測及結(jié)果分析

2015年9月15日9時(shí)38分至9時(shí)42分，現(xiàn)場校測王3井水位，相對誤差δ=0.09%，|δ|<1%，校測結(jié)果合格，且與上一次校測的相對誤差相差不大；9月16日，又現(xiàn)場對水位校測結(jié)果進(jìn)行核查，相對誤差與9月15日的校測結(jié)果一致。9月15日、16日2次水位校測結(jié)果驗(yàn)證了王3井水位觀測系統(tǒng)正常，可以確定王3井水位觀測數(shù)據(jù)的變化是真實(shí)的、客觀的。

3.2自然環(huán)境干擾調(diào)查

自然環(huán)境對水位觀測的影響，主要表現(xiàn)在氣象因素方面。大量觀測實(shí)踐表明，降雨前后的氣壓急劇波動(dòng)、強(qiáng)降雨等氣象因素對水位觀測有一定的影響。氣壓急劇波動(dòng)對水位的影響表現(xiàn)為水位觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)畸變，氣壓波動(dòng)結(jié)束后，水位恢復(fù)正常，這種畸變與氣壓的變化呈負(fù)相關(guān)，符合氣壓減弱孔隙水升高的機(jī)理。王3井尚未安裝氣象三要素儀器，距其約25 km的寶坻新臺(tái)三要素儀觀測數(shù)據(jù)顯示，在王3井水位異常時(shí)間段內(nèi)沒有大幅氣壓波動(dòng)現(xiàn)象，通過對王3井所在地群眾的走訪，該時(shí)段也未有大風(fēng)，基本可以斷定期間沒有大的氣壓波動(dòng)。因此，可以排除氣壓波動(dòng)對王3井水位的影響。

強(qiáng)降雨對水位的影響表現(xiàn)為水位觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突升，這是因?yàn)閺?qiáng)降雨在地表附加了很大的荷載效應(yīng)，在這種壓力作用下孔隙水會(huì)出現(xiàn)突升。2012年7月21日至7月22日，持續(xù)暴雨，累計(jì)降雨量為146.2 mm，王3井水位出現(xiàn)突升，變幅約0.1 m(圖4)。異常時(shí)間段內(nèi)王3井周邊地區(qū)無降水，且既使有降雨，也不可能導(dǎo)致水位有如此顯著的持續(xù)上升。

圖4受強(qiáng)降雨影響的王3井水位分鐘值曲線(2012-07-21～07-22)

3.3場地環(huán)境干擾調(diào)查3.3.1地下水開采調(diào)查

從地下抽液或向地下注液，很可能會(huì)導(dǎo)致觀測井孔水位發(fā)生突變，一般注液會(huì)導(dǎo)致觀測井孔水位上升，抽液則相反；若到平衡狀態(tài)時(shí)，突然大幅降低對地下水的開采(抽液)，也可能會(huì)導(dǎo)致水位發(fā)生上升變化。王3井在京津新城的邊緣，很可能會(huì)受到周邊地下水開采的影響。調(diào)查得知，京津新城供水單位為東山水廠，位于王3井西南方向，該水廠日供水量在5 000 m3～6 000 m3，供水全部來源于引灤渠水，盡管該廠有備用的地下水開采井6口(4口井在本部，用于供應(yīng)京津新城；2口井在九園工業(yè)園，用于供應(yīng)九園工業(yè)園)，但一直未開采地下水。另外，本地農(nóng)村居民的生活用水主要來源于地下水，但開采井深度基本在200 m以內(nèi)，開采量相對穩(wěn)定。該區(qū)域內(nèi)無大型企業(yè)、學(xué)校大量開采地下水,基本可以排除周邊地下水開采對王3井水位的影響。

3.3.2周邊地?zé)豳Y源開采調(diào)查

京津新城和里自沽農(nóng)場以溫泉為主打項(xiàng)目，地?zé)峋饕怯糜谙丛?溫泉城井)、熱帶植物種植(里自沽農(nóng)場井)以及冬季居民取暖，對地?zé)豳Y源的開采利用是顯著的。異常時(shí)間段是秋季，居民供暖還未開始。故重點(diǎn)對溫泉城井、里自沽農(nóng)場井的地?zé)衢_采情況進(jìn)行調(diào)查。同時(shí)，由于王4井距王3井距離較近(不足1 km ),故對王4井的地?zé)衢_采變動(dòng)情況一并調(diào)查。

(1)溫泉城井(也稱為“周良1井”或稱為“ZL-1井”)。該井主要用于溫泉城溫泉洗浴項(xiàng)目和客房供暖。經(jīng)調(diào)查，自2015年9月初起，溫泉城對絕大多數(shù)的洗浴池進(jìn)行修繕，只有少量洗浴池開放。但該井對地?zé)崴娜臻_采量與之前8月相比并無明顯變化，仍為600 m3～800 m3。這是因?yàn)橄募緶厝丛∈堑?，對地?zé)崴枨筝^少。

(2)里自沽農(nóng)場地?zé)峋Ｔ摼饕糜谵r(nóng)場的熱帶植物園和采摘園。經(jīng)調(diào)查，該井無開采量的具體數(shù)據(jù)，但據(jù)相關(guān)技術(shù)人員估計(jì)，該井在異常時(shí)間段內(nèi)的開采量無明顯變化。

(3)王4井。王4井系寶坻地震臺(tái)水化學(xué)觀測井，原斷流停測，之后當(dāng)?shù)毓鹃_發(fā)“9號院”旅游服務(wù)項(xiàng)目，在該井安裝了熱泵開采地?zé)崴?，用于洗浴和客房供暖。由于該井抽水相對穩(wěn)定，為此寶坻地震臺(tái)繼續(xù)采樣開展水化學(xué)觀測。2015年9月3日，王4井熱泵出現(xiàn)故障，停泵檢修，無法采集水樣化驗(yàn)。 9月11日晚，王4井熱泵修復(fù)，恢復(fù)開采地?zé)崴岜眯迯?fù)前后，該井的抽水方式和出水量基本沒有變化。

通過上述排查，基本可以認(rèn)定周邊地?zé)豳Y源的開采沒有大的變動(dòng)，地?zé)豳Y源的開采利用不是王3井水位上升異常的原因。

3.3.3新鉆地?zé)峋{(diào)查

調(diào)查得知，位于王3井東北方向約2.6 km的京津新城供熱有限公司正在鉆一口地?zé)峋，F(xiàn)場向相關(guān)人員調(diào)查得知，該公司計(jì)劃開鑿2口地?zé)峋钤O(shè)計(jì)在3 000 m左右，一口用于開采地?zé)崴┡?，另一口用于回灌。?dāng)時(shí)正在開鑿的地?zé)峋疄榛毓嗑?，編號BD-09B，井管計(jì)劃有4處變徑，直徑分別為340 mm、245 mm、178 mm和152 mm。該井已經(jīng)施工2個(gè)月，每日鉆井深度約40 m，已鉆至2 000 m以下。在鉆井過程中，于地表以下1 852 m和1 883 m處分別發(fā)現(xiàn)了溶洞。為了保證地下水不受污染，自9月13日7時(shí)起，改由向下加壓注地表水(渠水)的方式繼續(xù)鉆井，每小時(shí)加壓注水124 m3。鉆井過程中每隔幾日就要提鉆維護(hù)鉆頭或更換鉆頭，在此期間停止向地下加壓注水。2015年9月16日7時(shí)30分左右～9月17日7時(shí)左右，曾提鉆維護(hù)、停止注水。而這段時(shí)間，王3井水位變化較平穩(wěn)，沒有明顯的上升變化。19日17時(shí)左右，再次提鉆停止注水，王3井水位在其后再次出現(xiàn)平穩(wěn)變化。從向地下注液對井水位影響的機(jī)理、鉆井過程中的注水量、所在地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及王3井水位的實(shí)際變化情況，初步判斷王3井水位上升異常系位于東北方向約2.6 km的京津新城供熱有限公司鉆井注水所致。

3.4人為干擾調(diào)查

王3井為無人值守流體觀測井，異常前無人進(jìn)入觀測室。而且，既使有碰觸水位儀探頭線等人為干擾事件或其他人為干擾事件，也不會(huì)出現(xiàn)水位的持續(xù)多日上升變化。因此，王3井水位突升異常與人為干擾事件無關(guān)。

3.5地球物理事件的影響分析

與水位觀測相關(guān)聯(lián)的地球物理事件主要是同震變化和震后效應(yīng)。9月14日18時(shí)10分、18時(shí)23分，河北昌黎發(fā)生M4.2級、M3.3級地震(震中距約120 km)，而且王3井水位自14日開始上升明顯，有必要對此進(jìn)行分析。

水位的同震變化是地震產(chǎn)生的面波在傳播過程中引起的井水位震蕩，水位對地震的響應(yīng)以波動(dòng)類形態(tài)顯示，測值不打破原有的變化趨勢和過程，僅僅圍繞原水位線上下震動(dòng)，其機(jī)理是地震波傳播經(jīng)過含水層時(shí)，含水層內(nèi)會(huì)交替地產(chǎn)生彈性壓縮與拉張變形，致使空隙壓力發(fā)生增加與減小的交替變化，導(dǎo)致水位發(fā)生上升與下降相交替出現(xiàn)的震蕩變化。據(jù)多年的觀測實(shí)踐，水位對遠(yuǎn)場強(qiáng)震往往會(huì)記錄到水震波，個(gè)別情況受儀器分鐘值采樣率影響會(huì)記錄到尖峰是波動(dòng)，這均與王3井突升異常形態(tài)不同。并且，河北昌黎地震發(fā)生前王3井水位上升的速率已經(jīng)加大。

水位的震后效應(yīng)是指水位對地震的響應(yīng)打破了原有的變化過程,引起井水位快速上升或快速下降，而這種變化一旦出現(xiàn)將持續(xù)一定的時(shí)間，或產(chǎn)生永久性變化。但是，水位的震后效應(yīng)表現(xiàn)的上升或下降速率相對較快，往往在十幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。王3井水位的上升變化發(fā)生于河北昌黎地震之前，在震后也一直未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，應(yīng)當(dāng)不是震后效應(yīng)。

4　跟蹤分析

4.1注水與提鉆停注跟蹤分析

對鉆井注水的跟蹤調(diào)查得知，京津新城供熱有限公司新鉆地?zé)峋⑺畷r(shí)間段分別為：2015年9月13日7時(shí)至16日7時(shí)、9月17日7時(shí)至19日17時(shí)、9月20日18時(shí)至23日6時(shí)、9月23日23時(shí)至26日18時(shí)、9月29日0時(shí)至10月2日5時(shí)、10月3日6時(shí)至4日5時(shí)，中間未注水時(shí)間段為提鉆維護(hù)鉆頭。從圖5可以清楚地看到，王3井水位觀測數(shù)據(jù)受京津新城供熱有限公司鉆井加壓注水干擾，產(chǎn)生快速上升變化，至10月4日5時(shí)上升幅度約2.592 m；在提鉆停止注水時(shí)，王3井水位變化平穩(wěn)，短時(shí)間停止注水期間沒有明顯的下降恢復(fù)變化，停鉆時(shí)間較長時(shí)稍有下降變化；王3井水位對新鉆井注水的響應(yīng)時(shí)間滯后不明顯，注水時(shí)間段和停注時(shí)間段，在水位變化曲線上易于識別。因此，可以斷定王3井水位持續(xù)上升系受新鉆井注水影響。

圖5王3井水位觀測數(shù)據(jù)分鐘值曲線(2015-09-01～2015-10-05)

4.2抽水跟蹤分析

2015年10月8日18時(shí)至13日18時(shí)30分，王3井水位出現(xiàn)顯著下降變化，下降幅度約1.687 m(圖6)。經(jīng)核查，京津新城供熱有限公司新鉆地?zé)峋呀?jīng)成井(井深2 598 m)，自10月8日18時(shí)左右抽水，下管1 853.03 m，流量128.8 m3/h，10月12日17時(shí)左右流量調(diào)整為89 m3/h，13日6時(shí)左右流量調(diào)整為47 m3/h，13日16時(shí)30分左右停泵不再抽水。王3井水位顯著下降與京津新城供熱有限公司新鉆地?zé)峋樗畷r(shí)間吻合，進(jìn)一步表明王3井水位突升異常系受鉆井注水影響。從圖6也可以看到，當(dāng)水泵出水量調(diào)整為47 m3/h之后，王3井水位下降不再明顯。由出水量減少到一定程度，水位下降不明顯的事實(shí)，也可以推定注水量與王3井水位上升幅度成正比例關(guān)系。

圖6王3井水位2015年10月7日～15日分鐘值曲線

5　結(jié)　論

(1)排查、跟蹤分析結(jié)果表明，王3井水位突升異常是受東北方向距其約2.6 km的京津新城供熱有限公司鉆井注水影響所致，屬于場地環(huán)境影響，非震兆異常。

(2)王3井水位對深井注水的響應(yīng)較靈敏，無明顯的時(shí)間滯后，變化形態(tài)呈上升趨勢，注水量對王3井水位上升幅度的影響呈正比例關(guān)系。

(3)持續(xù)注水的條件下，王3井水位持續(xù)上升，未出現(xiàn)“飽和”狀態(tài)；短時(shí)間停止注水后，王3井水位沒有明顯的下降恢復(fù)變化，長時(shí)間停止注水，王3井水位有下降變化。因異常前水位變化的背景就是下降，停止注水后的下降究竟是正常變化，還是恢復(fù)性變化，尚不能斷定。

(4)新鉆井孔抽水時(shí)，王3井水位呈下降形態(tài)變化，這進(jìn)一步印證了該井水位突升異常系受鉆井注水的影響。

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SURVEY AND STUDY ON THE WATER LEVEL JUMP ABNORMAL OF WANG NO.3 WELL IN TIANJIN

GONG Yongjian，CHENG Likang，LI Yingnan，LIU Xueling

(EarthquakeAdministrationOfTianjinMunicipality,Tianjin300201,China)

From five aspects of the observation system, natural environment, spatial environment, human interference and geophysical events, rising to Tianjin water level since September 13,2015, the anomalies were investigated and studied, the results show that:① the abnormal is affected by the heating Co. of Tianjin city in the northeast direction about 2.6 km drilling water, and it is not precursory anomaly;②Water level of Wang No.3 well in deep water is sensitive reaction, the time lag is not obvious, the morphlogical change presents the upward trend;③Under the conditions of continuous water injection, water level of Wang No.3 well is continued to rise, no"saturated" trend, and short-term after injection, the water level is not obviously drop back to change;④New drilling pumping, the water level decreased with morphological changes, and it further confirms that the abnormal of water level in the well jumped by impact of drilling water injection.

Water level; Abnormal; Precursory anomaly; Tianjin

2015-12-20

中國地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目“天津前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析質(zhì)量監(jiān)控與產(chǎn)出應(yīng)用研究”(編號：XH15003)；中國地震局“地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)、科研”三結(jié)合課題“水位校測方法的對比實(shí)驗(yàn)研究”(編號：150204)資助。

龔永儉(1972—)，男，天津?qū)氎嫒?，高級工程?1992年6月畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等專科學(xué)校應(yīng)用地球物理專業(yè)，2009年7月畢業(yè)于西南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)(網(wǎng)絡(luò)教育)，工學(xué)學(xué)士。主要從事地震臺(tái)站流體、電磁觀測技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的研究．E-mail:gong_123@126.com。

P315.72+3

A

1005-586X(2016)03-0026-07