現代農業溝渠生態化設計關鍵技術及其應用

楊 洋，郭宗樓

（浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州310058）

現代農業溝渠生態化設計關鍵技術及其應用

楊 洋，郭宗樓*

（浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州310058）

以四川省蘆山縣生態溝渠工程建設項目為例，綜合考慮渠道生產、生活、生態、景觀等功能，從渠道的斷面形式、襯砌方式、護坡樣式、水生植物、生態景觀化等方面進行研究，設計了一種新型的生態化精細灌排溝渠，介紹了構建該溝渠的設計原則和關鍵技術。對構建的生態化溝渠的綜合效果評價結果表明：生態化溝渠處理方案的最終得分為84.65，等級屬于良，優于普通溝渠處理方案（最終得分為77.90，等級屬于中）；雖然溝渠生態化處理工程在經濟性及操作管理方面與普通溝渠處理方案沒有顯著差異，但在處理效果和廢水回收利用方面表現出了一定的優勢，如溝渠生態化設計對污染物的去除效果好，出水回收利用率及達標率較高。說明溝渠生態化工程設計具有良好的生態性、經濟性和可持續性。

生態系統；溝渠；精細設計；示范運用

Summary Ditch is one of the most important elements in modern agriculture,which has a great impact on agricultural production and ecological environment.Traditional ditches mainly focus on convenient traffic,economic and engineering cost,irrigation and drainage,butneglectthe environmentecosystem.

In order to coordinate the relationship of ecology,economy and sustainability,and realize the win-win situation of water conservancy function and ecological function,proposing a new ecological detailed ditch is of great importance.Based on the research materials and experimentalresults in domestic and overseas,an ecological canalproject was constructed in Lushan County of Sichuan Province with combination of the section form,lining method,slope protection style,aquatic plant, ecologicallandscape,etc.This article puts forward suitable ecologicaldetailed design principles,key technologies,and actual ditch design reference styles.With the consideration of functionalrequirements,such as production,life,ecology,landscape, etc.,some advanced,practical and new concepts with great significance were proposed,which can be used in practical engineering demonstration.Comprehensive evaluation of the ditch ecological effect showed that the final score of the ecological ditch treatment project was 84.65,and the grade was good,better than the ordinary ditch treatment project(the finalscore was 77.90,and the grade was middle).Although the ecologicalditch treatmentprojecthad no significantdifference in the economic and operationalmanagementas compared with the conventionalditch treatmentproject,ithad good effectonthe removal of pollutants,water recycling and compliance rate.In conclusion,the ecological design of engineering ditch has good ecology,economy and sustainability.The following main achievements were obtained:

1)Ecology:Slope and escape lanes were provided to facilitate the escapementof animals falling into the ditches;aquatic plants in the ditches can remove pollutants such as nitrogen,phosphorus and pesticides in the water body,and purify water quality;canal plants can slow down the water flow rate and reduce the temperature changes within the canal to promote crop growth;ecological corridor was set to strengthen the exchange of farmland and protect the integrity;water level monitoring equipmentwas applied to improve the water utilization ata large extent.

2)Economy:The fine design of each section greatly reduced the relevant project cost;aquatic plants purified water quality and reduced the costofsewage treatment.

3)Sustainability:This projectintegrated a series of detailed designs,ensuring the function of traditional ditch irrigation and drainage,and reducing the impact on the environment,which maintained the original ecology of farmland system and improved the use of ditch sustainability.

溝渠，是實現農業水土資源優化配置和有效耦合的重要基礎設施，是灌區的重要組成部分。它是為抗旱排澇而修建的人工輸水、配水設施，向灌區提供生活、生產、環境供水服務[1-2]，不僅能夠確保糧食安全[3]，還具有保護農田生態系統及多樣性的生態功能和提供休閑娛樂、景觀等社會功能。現階段人們對維護生態資源及景觀品質的要求日益提高，在農地整理中溝渠工程對農田生態影響方面的研究逐漸受到重視[4]。

在農田系統中多數溝渠設計的主要技術目標是為了方便生產通行以及提高水的利用率，忽略了對生態環境的保護，缺乏系統化、生態化設計，不僅影響了農田物種的生存與擴散，還導致了生物棲息環境的退化。當前，溝渠設計存在的問題具體表現在：1）對混凝土襯砌的溝渠即使采用部分無砂混凝土澆筑，其透水性遠不如自然土壤，不利于農田的降漬[5]；2）改變了溝壁多孔土壤介質對農田流失的磷、氮等物質的吸附基礎，增加了溝渠的富營養化負擔[6]；3）改變了溝渠中水生生物與植物的生長條件，減少了水生生物與植物對農田排水中有害物質的吸收[7]；4）青蛙、蟾蜍等動物失去了越冬生存的場所和農田施藥時的避難場所[8]；5）渠道大面積的防滲襯砌改變了地下水的補給條件，減少了下游地區回歸水的總量，可能會對地下水及下游地區水環境產生不利影響。因此，為實現農田溝渠水利功能和生態功能的雙贏，協調溝渠的功能性、生態性、經濟性和可持續性，本研究以四川省蘆山縣生態溝渠工程建設項目為例，從渠道的斷面形式、襯砌方式、護坡樣式、水生植物、生態景觀等方面進行綜合考慮，設計了一種新型生態化精細灌排溝渠，并對其進行生態化綜合效果評價，總結了生態化精細溝渠構建的設計原則和關鍵技術，提出了一些可用于實際工程且具有現實意義的先進理念。

1 溝渠生態化設計原則與要點

1.1 溝渠生態化設計原則

要協調溝渠的功能性、生態性、經濟性和可持續性，實現農田溝渠水利功能和生態功能的雙贏，在研究農田溝渠生態化精細設計技術過程中，需要堅持以下原則。1）安全高效原則：維持溝渠輸排水功能的同時，滿足結構安全要求。2）人性化原則：尊重原有的自然環境，并注意與周圍景觀的協調與配合，滿足人們的生產活動需求。3）整體性原則：解決溝渠中泥沙淤積問題，營造水流環境的多樣化。4）生態性原則：以青蛙、蟾蜍等動物為目標，設計一系列逃生通道、棲息空間，制造有利于其生存的自然環境；通過生物方法降解水流中的污染物質，減小對生態環境的影響。

1.2 溝渠生態化設計要點

灌溉溝渠分為干、支、斗、農4級，不同等級和規格的溝渠，生態化精細設計的技術要點均有所區別。本研究從渠道的斷面形式、襯砌方式、護坡樣式、水生植物、生態景觀等方面進行生態化精細設計，主要技術要點如下。

1）斷面形式及緩坡設計：應當基于不同的工程區概況及輸水規模，結合結構安全和生態化原則選取適當的斷面。目前溝渠斷面形式多運用矩形和梯形斷面。緩坡設計不會因溝渠隔斷原有生態系統，可形成連續的環境，以便于動物在水陸兩域遷移，同時可減少渠道內水位高低變化帶來的生態沖擊[9-11]。參考葉艷妹等[4]的研究成果可以得出：當溝渠深度h≤30 cm時，可采用矩形斷面；當30 cm＜h≤50 cm時，可設計矩形斷面或者坡度≤1∶0.85的緩坡（梯形斷面），但應考慮在某些地段設計輔助設施如生態板以方便小青蛙跳出溝渠；當h＞50 cm時，邊坡最好設計為坡度≤1∶0.75的緩坡（梯形斷面）。適當設計輔助設施以維持生態平衡，是解決當溝渠坡度不符合生態要求時的有效措施之一。

2）襯砌方式設計。（1）邊坡襯砌：傳統的邊坡襯砌多為三面光襯砌方式，從防滲、輸水效率和景觀生態等多方面考慮，可采用表面多孔設計，為動植物的生存繁衍提供空間，如不填縫漿砌石的邊坡襯砌（圖1），半漿砌石和半混凝土結合的邊坡襯砌（圖2）等方式。（2）渠底襯砌：大多為混凝土硬質化襯砌，結合生態化理念設計，渠底不滲漏并能為植物提供生長空間的生態化襯砌方式十分必要。如經生態處理技術后的混凝土渠底襯砌，指在混凝土襯砌的基礎上設計專門填充土壤的植物生長帶（圖3），應注意合理布局，不影響防滲和渠道糙率。（3）采用由混凝土塊、無砂混凝土框格（可種植水生植物）組成的改良植生型防滲砌塊[12-13]（圖4），可與動植物及微生物構成自凈效果較好的水生生態系統。

圖1 不填縫漿砌石邊坡襯砌[11]Fig.1 Stone revetmentofgrouted rubble withoutseam filler[11]

圖2 半混凝土半漿砌石邊坡襯砌[11]Fig.2 Stone revetmentofsemi-concrete and semi-grouted rubble[11]

圖3 混凝土襯砌植物生長帶[11]Fig.3 Concrete lining structure with plantgrowth[11]

圖4 改良的植生型防滲砌塊[12-13]Fig.4 Improved vegetation type ofseepage controlblock[12-13]

3）生態護坡設計：生態護坡是仿自然環境設計的，促進了人文與景觀的結合。現有的護坡技術綜合歸納為2類：純植被護坡與工程措施+植物復合護坡[14-15]。人工種草取代混凝土覆蓋的純植被護坡技術適用于邊坡坡度較緩的工程。工程措施+植物復合護坡技術主要有：用三維土工網填充土壤并種植植物的三維土工植被網護坡；通過在多孔生態混凝土上澆灌植物生長基質的多孔型生態混凝土護坡。生態護坡設計具有良好的通氣吸水、防止土壤流失等優點。

4）動物保育設計：應設計便于動物遷移及逃生的設施，如生態走廊、逃生設施、動物棲息空間等。渠頂適當設置生態走廊（圖5），便于動物穿越溝渠；或者可沿溝渠縱向設計適宜坡度和高度的生態護坡（圖6）和生態階梯（圖7）；也可在渠壁預留生態棲息孔洞、在渠底兩側設置凹槽等為動物提供棲息空間。

圖5 生態走廊[14]Fig.5 Ecologicalcorridor[14]

圖6 生態斜坡[14]Fig.6 Ecologicalslope[14]

圖7 生態階梯[17]Fig.7 Ecologicalladder[17]

5）水生植物設計：對于農業面源污染及富營養化水體處理，水生植物占著舉足輕重的地位，植物可以通過自身組織直接吸收利用污染水體中的營養物質，供其生長發育[16-20]；也可在渠底坡面種植一些凈水植物，比如蘆葦、菖蒲、燈心草等，凈化水質，美化溝渠。

6）攔污柵及沉沙池設計：攔污柵能阻擋一部分的漂浮垃圾，可設置在溝渠進水口、排水暗涵入口；設計適合工程實際情況的沉沙池可在一定程度上拓寬斷面、增加深度，起到減緩流速、沉降泥沙的作用。

2 溝渠生態化設計實踐

2.1 項目區概況

四川省蘆山縣地跨東經102°52'—103°11'，北緯30°01'—30°49'，位于四川盆地周山區西緣，青衣江上游。蘆山縣生態溝渠項目區位于該縣蘆陽鎮金花社區公路以東羅純山麓坡腳，水源主要來自羅純山地表徑流與玉溪河支渠集雨，起于該縣羅純山北路，止于已建成引水渠末端的該縣友誼路，平均坡降3.2‰，全長889 m，集雨面積0.555 km2。該項目不僅承擔了玉溪河灌區灌溉輸水任務，還形成了靚麗的渠道景觀，為改善生態環境起到了重要作用。

項目區所在地屬于中緯度內陸亞熱帶濕潤溫和氣候，四季分明，雨量充沛。多年平均氣溫15.3℃，歷年最高氣溫35.5℃，最低氣溫－4.6℃；全年無霜期284.5 d；多年平均日照949.4 h；多年平均降雨量1 216.1 mm，多年平均降雨日數209.3 d，雨量70%集中在6—9月，相對濕度83%。

項目區土壤為紅壤、黃泥田等，區內有青蛙、蛇等田間動物生存；在現有溝渠工程中，幾條主要田間道路以及道路兩側灌溉渠道均已部分混凝土化。

依據我國《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288—1999）規定，并結合工程實際概況，溝渠輸水時段流量為1.14 m3/s，確定工程溝渠級別為5級，設計洪水標準頻率為10%，校核洪水標準頻率為5%，灌溉保證率為90%。工程渠道邊坡系數取1.0，工程護岸采取混凝土與漿砌石結合襯砌方式；渠底采用混凝土襯砌的生態處理技術。本工程銜接于已建成的輸水渠，起于蘆山縣友誼路，止于羅純山北路。明渠長為756 m。根據《工程流體力學》中明渠均勻流基本公式，計算確定工程渠底寬為1.1 m，渠頂寬為3.3 m，渠道垂直高度為1.1 m（安全超高0.3 m），坡比1∶1。結合灌溉需水量與防洪要求，確定工程設計洪水為10年一遇，設計流量為2.3 m3/s，校核洪水為20年一遇，滿渠排水能力為4.3 m3/s。

渠底分為一般混凝土襯砌渠段與長4 m并與一般渠段間隔20 m的生態混凝土襯砌渠段；采用半漿砌石半混凝土方式襯砌渠壁，并在渠壁預留一定的生態孔洞段；設置排水暗涵，采用生態護坡。

圖8 一般渠段與生態渠段平面圖Fig.8 Ichnography ofgeneraland ecologicalditches

圖9 A-A斷面（一般渠段）Fig.9 Section A-A(generalditches)

2.2 生態化溝渠設計結果

2.2.1 生態景觀渠道

該工程渠道分為一般渠道段與生態渠道段。由于生態渠段對輸水效率的阻礙作用，不宜設置過長。結合工程概況實際，設置長4 m、間隔20 m的生態渠段，同時為了方便行人親水與檢修，可設計親水階梯（設置堆石景觀）于一般渠道段，平面布置見圖8。

1）一般渠段。邊坡采用混凝土與漿砌卵石結合襯砌的方式（圖9），夯實渠道邊坡和渠底后，用C15混凝土澆筑渠底，厚18 cm。渠道常水位0.5 m，深1.1 m，常水位以下用C15混凝土襯砌17 cm，常水位以上用C15混凝土先襯砌7 cm，再用漿砌卵石襯砌10 cm（卵石突出渠面3～4 cm左右）。渠道每隔8 m做用瀝青木板填縫的分縫。

2）生態渠段。圖10為生態渠段斷面，邊坡采用混凝土與漿砌卵石結合襯砌的方式，常水位以下用C15混凝土襯砌17 cm，并預留一定間距的生態孔洞。生態孔洞設置2排，上下排間距15 cm，直徑10 cm，單孔間距75 cm（圖11），常水位以上用C15混凝土先襯砌7 cm，再用漿砌卵石襯砌10 cm，卵石突出渠面3～4 cm左右（圖10），渠道每隔8 m做用瀝青木板填縫的分縫。

生態渠段渠底采用生態技術的方式襯砌。首先在渠底埋鋪深色聚氯乙烯膜一層，再在膜料以上用厚20 cm的黏土碾壓夯實，最后縱向布置2列距底邊10 cm的混凝土柵格（設置寬度5 cm的混凝土格埂于黏土層上），尺寸為25 cm×30 cm，其中填充壤土并種植水生植物，平面布置見圖12。

3）渠道梯步段。為了便于渠道管理和清淤，增加渠道美觀，設置步寬1.5 m的下渠梯步，間隔2個生態渠段（即一般混凝土渠段中部）。渠道底部用C15混凝土澆筑18 cm，梯步用C15混凝土澆筑10 cm，單位階梯寬、高均為24 cm，斷面圖見圖13。

圖10 B-B斷面（生態渠段）Fig.10 Section B-B(ecologicalditches)

圖11 生態渠段邊坡平面布置Fig.11 Plane layoutofecologicalditch slope

圖12 生態渠段渠底平面布置Fig.12 Plane layoutofecologicalditch bottom

圖13 渠道梯步斷面圖Fig.13 Sectionalview ofditch ladder

2.2.2 沉沙池與排水暗涵

為將山體一側的山溪溝水排至工程溝渠，修建排水暗涵，并在暗涵前設置漿砌石沉沙池（圖14、15）。

圖14 沉沙池和排水暗涵平面圖Fig.14 Plane layoutofdesilting basin and drainage culvert

圖15 沉沙池和排水暗涵斷面圖Fig.15 Sectionalview ofdesilting basin and drainage culvert

沉沙池：為方便山體一側山溪水平穩流入，設置沉沙池緊靠山體一側的坡度為1∶0.25，池壁、池底均采用厚30 cm的漿砌卵石襯砌。

排水暗涵：采用外徑80 cm的鋼筋混凝土預制涵管，凈空直徑56 cm，涵管下用C15混凝土鋪設厚10 cm的墊層。

2.2.3 攔污柵

為保證渠道不被雜物垃圾堵塞，設置由扁鋼和槽鋼焊接而成的攔污柵（圖16）于渠道暗涵進水口前及排水暗涵沉沙池前，放置在攔污柵槽內（用C30混凝土現澆并與垂直面呈10°角，見圖17）。

圖16 攔污柵樣式圖Fig.16 Style map oftrash rack

圖17 攔污槽樣式圖Fig.17 Style map oftrash groove

2.2.4 邊坡防護

本工程選擇生態護坡，坡比為1∶1，護坡平均高度1.5 m；邊坡先用厚43 cm的漿砌塊石作為內襯，并漿砌填充有生態混凝土的厚5 cm的六方磚（圖18）；護坡坡體內每隔2 m設置一組縱向孔距50 cm、孔徑30 mm的排水孔，選用PVC塑料管并向護坡外傾斜5%；坡腳澆筑厚30 cm的C15素混凝土邊溝。斷面圖見圖19。

圖19 生態護坡斷面Fig.19 Sectionalview ofecologicalslope protection

圖18 充填多孔生態混凝土六方磚Fig.18 Hexagonalbrick filled porous ecologicalconcrete

2.2.5 水生植物

本工程采用生態技術方式襯砌，有足夠的空間供植物生長，在渠底與邊坡生態帶區域內可選擇水質凈化與景觀性俱佳、適應繁殖能力強、容易種植的水生植物，如黃花鳶尾、菖蒲、千屈菜依次分段單種于生態帶內。

2.2.6 其他附屬物

1）逃生階梯：供溝渠中的動物（如青蛙）活動。由于溝渠表面光滑，青蛙不慎掉入溝渠后無法逃生，因此，設置一定間隔的逃生階梯可方便其逃出。

2）逃生緩坡：為方便蛇類從斗渠中逃生，設置一定間隔的坡比為1∶0.2的斜坡面，可讓蛇類順著坡面逃走；并在坡面上不均勻的鋪設卵石，方便蛇類靠這些突出的卵石順利逃生。

3）渠頂生態走廊：在農田與農田交界處的溝渠上修筑寬度為1.0 m的渠頂生態走廊，方便生物交流，為動物提供棲息空間，避免農田生態系統出現隔絕。

4）水質監測儀：實時監測溝渠中的水量、流速、水質等，標志著信息化在未來農田溝渠上的應用。

3 溝渠生態化的綜合效果評價

3.1 溝渠綜合評價指標體系構建及權值確定

為了進一步研究溝渠生態化工程的環境效應和生態功能，驗證該溝渠的生態化設計是否具有可行性和推廣性，本研究結合實地調查，對該溝渠生態化工程的處理技術和工藝、處理效果和運行情況進行了評估。從環境、經濟、技術3個方面篩選出評價指標，通過層次分析法確定各評價指標的權重，構建生態溝渠技術評價指標體系，并對其進行綜合評價。其中：環境指標包括資源化利用程度；經濟指標包括工程投資、運行成本；技術指標包括污染物去除率、技術的成熟度、工程運行的穩定性、技術操作和運行管理的難易度。根據各項指標的重要性，構建了溝渠生態化工程處理技術的評價指標體系（表1）。

表1 溝渠生態化工程處理技術評價指標體系Table1 Evaluation index system ofditch ecologicalengineering treatmenttechnology

為了使評價指標體系更好地與實際工程評價相結合，需要對指標層的評價標準進行具體規定并進行等級劃分，結果見表2。

表2 溝渠生態化工程綜合評價指標的評價標準規定與等級劃分Table2 Comprehensive evaluation standards and hierarchies ofditch ecologicalengineering

層次分析法（analytic hierarchy process,AHP）是一種定性與定量相結合、層次化、系統化的分析方法。其賦權步驟主要包括：構造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗。其計算結果如下。1）準則層：包含經濟A1、技術A2和環境A3共3項指標，指標權重分別為0.317、0.322、0.361。2）經濟指標：包含工程投資B1、運行費用B22項分指標，指標權重分別為0.535、0.465；技術指標：包含污染物去除率B3、工程運行的穩定性B4、技術操作和運行管理難易度B5等3項分指標，指標權重分別為0.433、0.251、0.316；環境指標：主要有資源化利用程度指標B6。3）分指標層：包括生化需氧量去除率C1、化學需氧量去除率C2、氨氮去除率C3、總氮去除率C4、總磷去除率C5、管理人員數量C6、操作管理難易程度C7、出水達標率C8、廢水回收利用率C9等9項分指標，各分指標權重分別為0.345、0.310、0.078、0.154、0.113、0.523、0.477、0.593、0.407。

表3 不同處理方案各項指標權重及綜合評分情況Table3 Index weights and comprehensive score ofdifferenttreatmentschemes

3.2 溝渠生態化處理技術綜合評價結果

溝渠生態化處理技術評價涉及的因素較多，且各因素之間的主次關系也有所不同。為了能更直觀地反映溝渠生態化處理技術的先進性和優越性，本研究采用最常用、最簡單的優、良、中、差分數等級劃分法對溝渠生態化處理技術進行評判，其參考標準為：90分以上屬于優，80～90分屬于良，70～80分屬于中，70分以下屬于差。通過結合溝渠生態化處理工程實際調研，得到普通溝渠（V1）和溝渠生態化處理方案(V2)的各項指標權重及綜合評分情況（表3），并根據該結果對溝渠生態化處理技術的可行性進行驗證。結果顯示，普通溝渠處理方案最終得分為77.90，等級屬于中；溝渠生態化處理方案最終得分為84.65，等級屬于良。溝渠生態化處理工程在經濟性及操作管理方面與普通溝渠處理方案沒有顯著差異，但在處理效果和廢水回收利用方面表現出了一定的優勢，即溝渠生態化處理工程對污染物的去除效果更好，出水回收利用率及達標率更高。說明溝渠生態化工程的環境效應和生態功能得以體現，具有良好的可行性和推廣性。

4 結論

本文以四川省蘆山縣生態溝渠設計為例，綜合考慮渠道生產、生活、生態、景觀等功能，設計了一種新型的生態化精細溝渠，并著重介紹了該種溝渠構建的設計原則、基本原理和關鍵技術，評估了溝渠的環境效應和生態功能，實現了溝渠水利功能和生態功能的雙贏。生態化綜合效果評價表明，該生態化溝渠工程設計具有良好的生態性、經濟性和可持續性，主要體現在以下3個方面。

1）生態性：在溝渠中設置了較緩的斜坡和逃生階梯，為掉入溝渠內的動物逃出提供了方便；溝渠中的水生植物可以去除水體中氮、磷和農藥等污染物，起到凈化水質的效果；渠內植物可減緩水流流速，降低渠內水的溫差變化，促進農作物生長；生態走廊的設置加強了農田間的“交流”，保護了農田的完整性；水位監測設備的應用更大程度地提高了水利用效率，起到了一定的增產效果。

2）經濟性：各斷面的精細化設計，使得相關工程造價大大降低；通過水生植物凈化水質，可以降低處理污水的費用；在設計中考慮到保護生物多樣性而減少化肥、農藥的使用，降低了農業生產成本。

3）可持續性：本工程有機融合了一系列的細部設計，不僅保證了傳統溝渠灌溉排水的功能，還降低了該工程對環境造成的影響，保持了農田系統的原生態性，提高了溝渠利用的可持續性。

在可預見的未來，人們會更加注重對生態環境的保護以及人與自然的和諧共處。因此，該生態化溝渠工程設計順應了時代發展趨勢，其應用前景十分廣泛。

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YANG Yang,GUO Zonglou*
(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058, China)

ecosystem;ditch;detailed design;demonstration application

S 27

A

10.3785/j.issn.1008-9209.2016.06.251

國家“水體污染控制與治理”科技重大專項（2012ZX-07403-003）。

郭宗樓（http://orcid.org/0000-0003-2563-7931），E-mail：zlguo@zju.edu.cn

（Firstauthor）：楊洋（http://orcid.org/0000-0003-2678-4571），E-mail：yyangyang@zju.edu.cn

2016-06-25；接受日期(Accepted):2017-03-21