蔡慶擬,陳志和,陳 星,陳幸楨,張丹蓉
(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區(qū)水務(wù)局,廣東 廣州 511400)
低影響開(kāi)發(fā)措施的城市雨洪控制效果模擬
蔡慶擬1,陳志和2,3,陳 星1,陳幸楨2,4,張丹蓉1
(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區(qū)水務(wù)局,廣東 廣州 511400)
以廣州市某小區(qū)為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)測(cè)降雨徑流資料,結(jié)合現(xiàn)狀排水管網(wǎng),建立暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM),模擬不同降雨條件下的產(chǎn)流與排水狀況?;赟WMM的低影響開(kāi)發(fā)(low impact development,LID)模塊,模擬分析采用滲透鋪裝、下凹式綠地、雨水花園和LID組合方案對(duì)城市雨洪的控制作用。結(jié)果表明,采用滲透鋪裝、下凹式綠地和雨水花園等LID措施,洪峰流量和徑流系數(shù)均明顯降低,可有效緩解市政管網(wǎng)的排水壓力,各種LID措施的雨洪控制效果在低重現(xiàn)期降雨時(shí)更為顯著。其中雨水花園對(duì)徑流系數(shù)和洪峰流量的削減效果最顯著;LID組合措施對(duì)洪峰的削減和滯后作用較好;下凹式綠地和滲透鋪裝單獨(dú)布設(shè)的雨洪控制效果一般。關(guān)鍵詞:SWMM;海綿城市;低影響開(kāi)發(fā);雨水花園;滲透鋪裝;下凹式綠地
近年來(lái),快速城市化造成水循環(huán)過(guò)程的改變,在城市化驅(qū)動(dòng)下,硬質(zhì)化路面面積增加,區(qū)域降雨徑流改變[1-3]。如許有鵬等[4]研究發(fā)現(xiàn),臨安市城市化前后南苕溪流域年徑流量增加將近30%,徑流系數(shù)提高將近20%。下墊面變化及城市雨、熱島效應(yīng)造成產(chǎn)匯流過(guò)程發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)[5-6]。據(jù)住建部統(tǒng)計(jì),2007—2015年全國(guó)超過(guò)360個(gè)城市遭遇內(nèi)澇,北京、廣州、武漢等城市的嚴(yán)重內(nèi)澇甚至造成人員傷亡。因此,在快速城市化地區(qū)提高防洪排澇能力,緩解城市內(nèi)澇,讓城市不再“看?!憋@得越來(lái)越重要。
國(guó)外對(duì)此類問(wèn)題研究較早,如美國(guó)的低影響開(kāi)發(fā)(low impact development,LID),英國(guó)的可持續(xù)發(fā)展排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage systems,SUDS),澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(water sensitive urban design,WSUD),日本城市泄洪系統(tǒng)和雨水地下儲(chǔ)存系統(tǒng)等[7]。我國(guó)在總結(jié)國(guó)外城市雨洪控制理念的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際提出了一種可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)模式——海綿城市。海綿城市強(qiáng)調(diào)城市在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化以及暴雨洪水災(zāi)害時(shí)能有較好的“彈性”,在保護(hù)和修復(fù)現(xiàn)有“海綿體”的基礎(chǔ)上,新建一定數(shù)量的“海綿體”,將城市內(nèi)澇水“化整為零、變害為利”,實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化[8]。
隨著“海綿城市”的提出,城市雨水管理逐漸成為國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。如唐雙成等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出雨水花園對(duì)暴雨徑流的削減效果較為顯著,年徑流削減高達(dá)90%以上;黃俊杰等[10]對(duì)植草溝的實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果表明,植草溝能有效削減道路徑流和洪峰流量,延后峰現(xiàn)時(shí)間等;翟丹丹等[11]研究表明綠色屋頂對(duì)雨水徑流有一定的滯留作用,但隨降雨強(qiáng)度增大滯留效果減弱。LID措施的合理選用是海綿城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。Guan等[12]對(duì)蓄水池、綠色屋頂、滲透路面等進(jìn)行模擬,分析不同降雨條件下LID措施對(duì)地表徑流的控制作用;Palla等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了綠色屋頂、滲透路面對(duì)水文過(guò)程的影響效果。本文選取廣州市某小區(qū)為研究對(duì)象,利用實(shí)測(cè)降雨徑流數(shù)據(jù),率定城市排水模擬參數(shù),模擬研究不同LID措施在不同降雨條件下對(duì)城市雨洪的控制效果,以期為海綿城市的實(shí)踐提供理論支撐。
1.1 研究區(qū)域概況
選取廣州市某小區(qū)地塊作為研究對(duì)象,該區(qū)域用地主要由居住、綠地、道路廣場(chǎng)用地組成,總面積為43.29萬(wàn)m2。研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒ШQ笮约撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫為21.8℃,雨量豐沛,多年平均降雨量為1 675.5 mm,降雨多集中于4—9月,占全年降雨量的80%,尤其以5—6月雨量最大,占全年降雨量的32%。
1.2 模型概化
暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM)由松散型分布式物理模型思想構(gòu)建而成,下墊面的數(shù)字化過(guò)程可分為子流域劃分、子流域信息提取及概化、排水系統(tǒng)信息提取及概化3個(gè)步驟[14]。依據(jù)研究區(qū)域的地形高程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),考慮地表特性、土地利用及雨水管網(wǎng)的分布情況,共劃分25個(gè)子流域,41個(gè)節(jié)點(diǎn),41條管道,2個(gè)排水口,雨水管網(wǎng)概化圖見(jiàn)圖1[15]。研究區(qū)域內(nèi)各子匯水區(qū)的雨水徑流收集到雨水井中,再通過(guò)雨水管網(wǎng)匯流,最后分別通過(guò)排水口1和排水口2排入大和涌。
圖1 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)概化
1.3 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與參數(shù)率定
1.3.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)
選取研究區(qū)域中有代表性的觀測(cè)點(diǎn),實(shí)地觀測(cè)降雨、徑流等水文過(guò)程。選擇儀器布置點(diǎn)時(shí),主要考慮土地利用規(guī)劃和現(xiàn)有的雨水管網(wǎng)設(shè)置情況,盡可能使布設(shè)位置具有代表性,反映研究區(qū)域的降雨和產(chǎn)匯流狀況。通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)的方式獲取同步且連續(xù)的降雨和徑流數(shù)據(jù)。共布設(shè)1個(gè)雨量觀測(cè)點(diǎn)以及3個(gè)流量觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。雨量記錄儀放于地表空曠處,而流量計(jì)安置于雨水管網(wǎng)內(nèi),兩者同步記錄,每10 min存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)。
1.3.2 參數(shù)率定
在SWMM中,參數(shù)分為可測(cè)量得到的確定性參數(shù)和需要優(yōu)化的不確定性參數(shù)兩種。其中確定性參數(shù)包括匯水區(qū)面積、平均坡度、漫流寬度、不透水面積和透水面積比例、管徑及管道的長(zhǎng)度等,可通過(guò)對(duì)收集的資料進(jìn)行一定的技術(shù)處理獲得參數(shù)值。不確定性參數(shù)則包括地表洼蓄深度、地表曼寧系數(shù)、管道曼寧系數(shù)、下滲參數(shù)等,主要通過(guò)參考參數(shù)的推薦取值范圍、相關(guān)文獻(xiàn)、鄰近類似區(qū)域的研究成果和實(shí)測(cè)資料等方式率定獲得[16-17]。
本文根據(jù)2013年8月14日(2∶40—13∶00)典型降雨過(guò)程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定SWMM的參數(shù)。產(chǎn)流計(jì)算選用適合小區(qū)域模擬的霍頓(Horton)公式,地表產(chǎn)匯流計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 min,管網(wǎng)匯流計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.5 s。經(jīng)多次試算反復(fù)調(diào)整,取初始下滲率為103.81 mm/h,穩(wěn)定下滲率為11.44 mm/h,下滲衰減系數(shù)為2.75 h-1。匯流過(guò)程不透水地面洼蓄深度取1 mm,透水地面洼蓄深度取10~11 mm,不透水地面和透水地面的曼寧系數(shù)分別取0.01~0.015和0.3~0.4,管網(wǎng)曼寧系數(shù)取0.011~0.013。
1.4 模型驗(yàn)證
根據(jù)2013年8月15日(2:00—16:00)降雨過(guò)程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證率定后的模型,模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2。該場(chǎng)次降雨總降雨量為51.9 mm,地表徑流深為38.2 mm,平均產(chǎn)流系數(shù)為0.736,基本反映區(qū)域地塊的覆蓋情況,模擬結(jié)果體現(xiàn)該區(qū)域產(chǎn)匯流規(guī)律。模型驗(yàn)證結(jié)果顯示,觀測(cè)點(diǎn)1、2、3的模擬結(jié)果的納什效率系數(shù)分別為0.89、0.88、0.90,模擬質(zhì)量較好,可信度高。說(shuō)明基于SWMM構(gòu)建的模型合理可靠,可用于研究地塊市政排水設(shè)施的地表徑流控制模擬。
圖2 3處流量觀測(cè)點(diǎn)降雨流量過(guò)程驗(yàn)證
應(yīng)用驗(yàn)證后的SWMM,分析不同設(shè)計(jì)暴雨條件下,不同LID措施布設(shè)方案對(duì)研究區(qū)域地表徑流的調(diào)控效果。
2.1 設(shè)計(jì)暴雨
我國(guó)城市排水設(shè)計(jì)大多采用的是均勻雨型,但均勻雨型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際降雨過(guò)程相差甚遠(yuǎn),尤其在城市化地區(qū)更為顯著[18]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了包括三角形雨型、芝加哥雨型[19]、Huff雨型[20]等計(jì)算方法,這些雨型更符合客觀實(shí)際。因此,本文設(shè)計(jì)雨型選用芝加哥雨型。以最大雨強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間作為原點(diǎn)或時(shí)間標(biāo)度,設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線可表達(dá)為
(1)
(2)
式中:Sp為某一重現(xiàn)期時(shí)的雨力;i峰前、i峰后為峰前、峰后瞬時(shí)雨強(qiáng);t1為峰前時(shí)間;t2為峰后時(shí)間;b、n為暴雨公式的參數(shù);r為雨峰系數(shù),本文取r=0.375。
本文暴雨公式采用廣州市水務(wù)局發(fā)布的廣州市中心城區(qū)暴雨公式,見(jiàn)表1。其中q為暴雨強(qiáng)度,t為時(shí)間。
表1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算公式
2.2LID措施布設(shè)
本文結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)有開(kāi)發(fā)建設(shè)情況,遵循LID措施布設(shè)原則[21],提出4種LID措施布設(shè)方案。2個(gè)排水口的集水區(qū)域內(nèi)各LID措施布設(shè)面積及所占比例見(jiàn)表2,各種措施布設(shè)參數(shù)參考SWMM操作手冊(cè)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[16,22-23],LID措施布設(shè)情況見(jiàn)圖3。
表2 LID措施布設(shè)情況
圖3 LID措施布設(shè)圖
方案1:雨水花園。雨水花園指人工或天然的淺凹綠地,用于收集雨水,經(jīng)過(guò)植被土壤的凈化之后逐漸就地下滲,涵養(yǎng)地下水。雨水花園蓄水層深度為200 mm,植物體積比為20%;土壤層厚為500 mm,孔隙率為0.3;蓄水層厚為200 mm,孔隙比為0.6,雨水花園底部不設(shè)暗渠,無(wú)出流設(shè)施,雨水下滲后直接補(bǔ)給地下水。本文布設(shè)的雨水花園面積為4.2萬(wàn)m2,占總面積的9.70%。
表3 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案洪峰模擬結(jié)果
方案2:滲透鋪裝。滲透鋪裝指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替現(xiàn)有的硬質(zhì)化路面鋪裝材料,在確保道路使用強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上,使暴雨徑流能在短時(shí)間內(nèi)滲入土壤或進(jìn)入雨水管網(wǎng)中,從而達(dá)到削減地表徑流的目的。本文布設(shè)的滲透鋪裝的面層厚度為60 mm,孔隙比為0.1,糙率為0.014;基層與墊層厚度為250 mm,孔隙比為0.43。將小區(qū)的部分硬化路面、停車(chē)場(chǎng)等改為滲透鋪裝,布設(shè)的滲透鋪裝總面積為3.63萬(wàn)m2,占總面積的8.39%。
方案3:下凹式綠地。下凹式綠地與普通綠地區(qū)別在于綠地高程低于路面,路面產(chǎn)生徑流可流入綠地中儲(chǔ)存起來(lái),可有效減少?gòu)搅髦苯油馀帕?。本文布設(shè)的下凹式綠地面積為5.67萬(wàn)m2,滯蓄深度為100 mm,占總面積的13.09%。
方案4:LID組合方案。充分利用各子匯水區(qū)的自然條件,綜合設(shè)置3種LID措施。將上述3種LID措施組合布設(shè),各種LID措施的布設(shè)面積及參數(shù)設(shè)置均與其單獨(dú)布設(shè)時(shí)一致。組合方案的LID布設(shè)總面積為前3種方案中布設(shè)面積的總和,即13.50萬(wàn)m2,占總面積的31.18%。
為了評(píng)估LID措施對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨的影響,利用設(shè)計(jì)暴雨公式(式1)推求出重現(xiàn)期P為1、2、5年,降雨歷時(shí)t=2 h的設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程,降雨采用的時(shí)間間隔Δt=1 min。運(yùn)用SWMM模擬現(xiàn)狀用地及滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地單獨(dú)布設(shè)和LID組合布設(shè)方案在不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下出口斷面徑流過(guò)程,模擬總時(shí)長(zhǎng)取4.5 h,時(shí)間步長(zhǎng)為1 min。
3.1 洪峰流量
在不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下各LID布設(shè)方案的出口斷面洪峰模擬結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出:①與現(xiàn)狀用地相比,4種方案均能夠起到削減和滯后洪峰的作用,各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程中的洪峰流量均有所減少,峰現(xiàn)時(shí)間滯后。這是由于滲透鋪裝、雨水花園和下凹式綠地等LID措施能在一定程度上提高城市“滲”、“滯”、“蓄”能力。②4種方案中,洪峰削減比例隨重現(xiàn)期的增大出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象,在5年一遇降雨情況下洪峰削減比例較小。這是由于LID措施的蓄水容積有限,超過(guò)最大蓄水容積的部分將形成徑流。③4種方案對(duì)洪峰削減比例從大到小依次是:LID組合、滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地。LID組合方案對(duì)洪峰流量的削減效果最為顯著,在1、2年一遇降雨情況下洪峰削減比例可達(dá)40%左右,而在5年一遇降雨時(shí)也能削減30%的洪峰。進(jìn)一步計(jì)算單位布設(shè)面積的削峰滯洪效果,可以得出:在削減洪峰效果上,4種方案效果從大到小依次是:LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地;而在滯后洪峰效果上,LID組合效果最佳,下凹式綠地次之,滲透鋪裝和雨水花園效果不明顯。
3.2 徑流總量
各布設(shè)方案下不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下的出口斷面徑流總量模擬結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可看出:①對(duì)比現(xiàn)狀用地,4種方案均能在一定程度上降低區(qū)域的徑流系數(shù),削減徑流總量,體現(xiàn)海綿城市的“吸水”功能。②4種方案的徑流系數(shù)減少效果均隨降雨重現(xiàn)期的增大而減少,主要是由于LID措施的滯蓄水能力有限,當(dāng)降雨量隨重現(xiàn)期增大而增大時(shí),LID措施的滯蓄水效果會(huì)逐漸減弱。③4種方案徑流系數(shù)減少比例從大到小依次是:LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。LID組合總布設(shè)面積最大,因此徑流系數(shù)減少比例最大,而雨水花園蓄水層較厚,蓄水能力強(qiáng)于滲透鋪裝,下凹式綠地削減徑流系數(shù)能力不明顯。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算單位布設(shè)面積的徑流總量及徑流系數(shù),得出:雨水花園削減徑流總量、徑流系數(shù)的效果最佳,滲透鋪裝和LID組合方案次之,下凹式綠地效果不顯著。
表4 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案徑流總量情況
表5 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)與地表蓄水深度模擬結(jié)果
3.3 溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)與地表蓄水深度
不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案的溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)和地表蓄水深度模擬結(jié)果見(jiàn)表5,其中溢流節(jié)點(diǎn)指管內(nèi)積水深度超過(guò)排水管頂高程的節(jié)點(diǎn),地表蓄水深度指降雨過(guò)程中地表植被及LID措施蓄水總量折算到全流域的水深。由表5可看出:①對(duì)比現(xiàn)狀用地,4種方案均能減少溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量,重現(xiàn)期為1年時(shí)尤為顯著,在重現(xiàn)期為2、5年時(shí)LID組合方案仍有顯著效果,單獨(dú)布設(shè)方案效果一般。主要由于重現(xiàn)期較大的降雨產(chǎn)生的徑流量遠(yuǎn)大于LID措施的滯蓄水能力,導(dǎo)致LID措施對(duì)減少溢流節(jié)點(diǎn)能力減弱。②4種方案的地表蓄水深度較現(xiàn)狀用地均能有明顯增加,且均隨重現(xiàn)期增大而增加。③從溢流節(jié)點(diǎn)減少以及增加地表蓄水深度來(lái)看,4種方案的效果從大到小依次是:LID組合方案、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。
綜上可知,滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地均能夠達(dá)到削減洪峰流量、滯后峰現(xiàn)時(shí)間、削減徑流總量及增加地表蓄水量的目的,可有效提高城市地表蓄滯水量,減少市政排水管網(wǎng)的壓力,并且LID措施對(duì)城市內(nèi)澇的緩解效果在低重現(xiàn)期降雨時(shí)更為顯著。在布設(shè)面積相同時(shí),雨水花園能夠起到較好的削減徑流系數(shù)和洪峰流量作用,LID組合方案則在削減及滯后洪峰效果上較明顯。
隨著城市化的快速發(fā)展,城市雨洪控制研究得到廣泛重視。本文以典型城市化地區(qū)——廣州市某小區(qū)為例,結(jié)合實(shí)測(cè)資料建立并率定SWMM。通過(guò)模型模擬評(píng)估了不同重現(xiàn)期下不同LID措施對(duì)洪峰流量和徑流總量的控制效果。結(jié)果表明:采用4種LID布設(shè)方案均能減少洪峰流量、徑流總量以及徑流系數(shù),從而減小城市市政管網(wǎng)的排水壓力,緩解城市內(nèi)澇。其中雨水花園在削減徑流系數(shù)和洪峰流量上有更好的效果,滯后洪峰效果不明顯;LID組合方案在削減洪峰流量和延后洪峰出現(xiàn)時(shí)間上效果比較顯著,削減徑流系數(shù)效果一般;滲透鋪裝單獨(dú)布設(shè)的雨洪控制效果一般;下凹式綠地能起到一定滯后洪峰作用,對(duì)徑流量削減效果不明顯。由于LID措施自身滯蓄水能力的限制,在低重現(xiàn)期降雨時(shí),對(duì)城市雨洪控制效果更顯著。
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Simulation of control efficiency of low impact development measures for urban stormwater
CAI Qingni1, CHEN Zhihe2, 3, CHEN Xing1, CHEN Xingzhen2, 4, ZHANG Danrong1
(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchCenterofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.GuangdongEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterSecurityRegulationandControlforSouthernChina,Guangzhou510275,China;4.WaterAffairsBureauofPanyuDistrict,Guangzhou511400,China)
A storm water management model (SWMM) was set up in this study to simulate runoff generation and drainage with different types of precipitation in a residential area in Guangzhou City, based on real-time observed rainfall-runoff data and the current drainage network. Combined with the low impact development (LID)module, the influences of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and combined LID appliances on urban storm water were simulated and analyzed. The results show that both peak flow and the runoff coefficient decreased significantly through application of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and LID appliances, which was conducive to the drainage of municipal pipe network. The effect of storm water control and utilization was more significant during low-return periods. The decreases of peak flow and the runoff coefficient were more significant when rain gardens were used. The combined LID appliances had more significant effects in reducing peak flow and postponing the time of peak flow. The effect of storm water control and utilization was not significant when permeable pavement and sunken lawns were used.
SWMM; sponge city; low impact development; rain garden; permeable pavement; sunken lawn
10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.006
國(guó)家自然科學(xué)基金(51379225);廣東省自然科學(xué)基金(2014A030313102)
蔡慶擬(1992—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗乃Y源。E-mail:caiqn@hhu.edu.cn
陳星,副教授。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn
X52
A
1004-6933(2017)02-0031-06
2016-09-10 編輯:王 芳)