地表水與地下水相互作用研究進展

朱金峰,劉悅憶,章樹安,鄭 航

地表水與地下水相互作用研究進展

朱金峰1,2,劉悅憶2,3,章樹安1,鄭 航2,4*

(1.水利部水文局,北京 100053；2.清華大學水利水電工程系,水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084；3.南水北調東線總公司,北京 100088；4.東莞理工學院,東莞 523015)

地表水與地下水的水量轉化是水文循環的重要過程,地表水與地下水的相互作用及轉化關系是水文地質等領域研究的熱點和難點.為分析和掌握其規律特征,更好的進行水資源分析評價、物質遷移和能量變化的相關研究,本文對國內外近20年的地表地下水循環及其相互作用的相關研究進行了系統的分析和探討.通過梳理自然因子和人類活動影響下地表水與地下水相互作用的研究熱點及前沿問題,總結了該研究領域發展的主要研究方法與關鍵模擬技術.通過有關研究方法的分析對比,當前開始更多結合新技術對不同實驗方法、解析法和數值模型的綜合研究,耦合自然因子和人類活動影響的流域地表水和地下水相互作用的研究成為研究的前沿和熱點.

地表水與地下水；水循環；模型技術；水資源管理

地表水和地下水是相互關聯的水文連續體,存在于山區巖層、河流系統、海岸和喀斯特等地形環境中,是流域水文循環和水量收支計算必須考慮的要素[1-2].由于地表水和地下水的水量、熱量和物質交換維持著河流生態系統的基本功能,對于流域的水資源管理保護、水污染防治和生態健康具有重要意義[3-4].水質方面,該過程影響著水化學成分的分布和演變規律[5];水量方面,地下水是一些流域水文循環和水資源轉化的主導因素,尤其對一些干旱區的生態植被狀況影響顯著.在降水稀少地區,河床滲漏對地下水補給占有較大比例,枯水期地下水含水層以基流的形式向河道排泄,從而保證河道流量和維持生態系統[6-7].隨著人類社會和經濟活動的發展,許多河流水利工程的修建和運行,地下水開采和灌溉渠系管網系統的完善,在解決流域水資源時空分布不均、水資源供需矛盾和水資源合理配置等方面發揮著巨大作用,同時干擾了地表水和地下水系統,灌溉引水和地下水開采改變了地表地下水的循環,導致河道徑流減少和生態退化等生態環境問題[8-9].然而,歷史上水資源管理更多著眼于獨立的地表水系統或地下水資源的開發利用,地表水與地下水的交換轉化常被忽視.污染物的運移和擴散也受到河流-含水層相互作用的密切影響,考慮地表地下水的水量交換、揭示流域水循環的演變特征是水資源科學管理的重要內容[10].

由于地表水和地下水相互作用涉及的領域和學科比較廣泛,近些年關于其規律特征的系統研究較少,對相關的研究成果、研究內容和技術方法缺乏系統的梳理;雖然有關的理論研究已經比較完善,部分新的研究方法和技術還有待發展,相關的基礎科學研究與水資源保護管理的實踐應用也需要更好的結合.首先,從研究內容上進行揭示,該領域的研究熱點主要有地表水和地下水循環的時空過程、河床下層的“底流區”的水量和物質能量交換、不同自然因素和人類活動對河流-含水層水量交換的定量影響評價等;其次,從研究方法上總結該領域的幾類研究方法(實驗觀測和數學模型)和模型技術(解析法和數值模型),分析了其主要特點和發展應用情況;最后,通過該領域有關研究內容和研究方法的分析對比,提出了當前地表水與地下水研究的主要問題和挑戰,以及未來該領域研究的發展方向.

1 地表水-地下水循環轉化規律及其影響因素

1.1 地表水與地下水循環形式

地表水與地下水相互作用的核心是地表水和地下水循環,準確掌握其機理和過程是支撐流域水資源綜合利用和保護的基礎條件.地表地下水循環同水資源管理密切相關,它們的定量研究是流域尺度水量收支的組成部分,也是地表水和地下水聯合調度的重要內容[11-12].從20世紀90年代,水文地質學家開始更多關注近河道的地表地下水交換,相關研究在近20年持續增長[13].一般而言,地形高的地帶是地下水補給區,而地形低洼區產生地下水排泄[14].地表水和地下水補給-排泄過程機理涉及多維度多因素、空間變異性和水力特性、不同尺度和學科的綜合影響,存在許多復雜的水文過程,本質上都是通過地表水入滲和地下水排泄實現的,表現為降水補給、河道基流、地表水體滲漏(湖泊、河道、渠道等)等水循環現象[15].其中,地表水與地下水的轉化包括湖泊與地下水、地下水與濕地/海岸、河流-含水層系統、泉水排泄等幾種形式,以及人類活動引發的地表水與地下水的轉化[8,16].

河流-含水層系統的相互作用是流域地表地下水循環中的核心內容.作為沖積含水層地下水排泄的主要過程,河流不僅是地下水流出和匯入的地方,也是濱河帶和河流生態系統的重要組成部分[8,17].相關定量研究始于一百多年前Boussinesq對河流與連續沖積含水層作用規律的探討[1].近些年關于河流范圍內地表水和地下水相互影響的研究,主要是為河流系統生態結構評價、河流恢復和濱河綠洲濕地管理等服務[18-19].在沖積平原地區,受地形和水文特性因素影響,河流同地下含水層的聯系表現為獲取型、損耗型、穿透流動和平行流動幾種形式,并且在時間和空間上動態變化[4,8,20].

河流-含水層系統水循環研究的熱點和前沿是確定河流-含水層水量交換的時空分布,它們受自然和人類等影響因子的控制.在系統內部,沖積平原的水流、運移和地表地下水交換主要由三類因素控制:含水層和河床特性、水力梯度、河流的位置和結構等,它們共同決定著地表地下水交換的水量、方向和空間分布等.在系統外部,氣候因子和人類水資源開發活動則間接影響著該系統演化[14].

1.2 自然影響因子

在河流-含水層系統的相關研究中,綜合分析影響其水循環的自然因子,包括流域地質地貌、河床特性和水文情勢等,它們在系統內部驅動著地表水-地下水循環,改變著地表水與地下水的轉化,有關的定量研究一直是熱點領域.

(1)流域地質地貌:對于地下水含水層而言,從河流與地下水關系的宏觀角度,流域的地質地貌因素控制著其相互關系和演化的基本格局,如許多天然河流從上游河谷深切、中游河流非完整切割含水層、下游平原河谷開闊等呈現出顯著不同的河流-含水層系統演化過程[21].對于宏觀不同的地形地貌和地質構造等因素對河流-含水層系統、水量轉化的影響,王文科等以黃河流域為例,首次系統深入研究了河水與地下水轉化的8種模式類型,對進一步研究河流-含水層的相互關系和定量模擬分析具有重要意義[22].在一定的地貌條件下,宏觀的地質特性表現為含水層的滲透系數、給水度和地表高程等微觀描述,它們在面狀空間范圍影響著地表地下水循環,是決定流域尺度地下水運動和地表水文過程的重要因子[23-24].

不同的顆粒組成、巖性礦物和成巖等決定了含水層具有非均質性,表現為影響地下水流的水力參數情況,非均質程度會影響到地下水水位、河流-含水層的連通狀態[25-26].在一些地表水和地下水交換強烈的區域,含水層非均質性被認為是重要的不確定因素[27-28].具體來說,地下水運動很大程度上受到值的大小及非均勻分布控制,而給水度的影響作用較小[14,29],值范圍跨度對河流-含水層水量交換的影響也較為明顯[30].通過模型的模擬分析,能夠定量研究含水層非均質性對虧損型河流向含水層補給量(大小及空間分布)的影響[26,31].在數學意義上,方差和相關長度能夠刻畫空間分布的非均質性,河流-含水層水量轉化的不確定性隨非均質性的增加而增大[26,32].

(2)河床特性:對于河道而言,在河流-含水層系統中,河床特性主要是指河床巖性相關的物理參數.在河道范圍內,地表水與地下水的流動通過河床下層的“底流區”產生復雜的作用,維持著底棲動物、微生物生存和物理化學、水文地質等復雜過程,近些年許多野外試驗和實驗室研究的熱點[33-34].有學者通過定量研究模擬包氣帶水流和污染物的運移對地下水的影響,地下水沿河床排泄的強度影響著過渡區的物質、水量交換和面積,也影響著地表河道的水文徑流[35-36].

河流-含水層的水量主要通過河床進行轉化,河床介質和滲透速率直接影響到其相互作用,如有研究對天山北麓瑪納斯河從上游到下游入滲速率的變化研究,表明其與河床巖性由粗變細一致[21].許多定量的研究和分析表明,河床水力滲透系數、曼寧糙率系數、坡度和河流寬度均對河流和地下水循環具有重要影響[37-39].河床的非均質性及多期沉積物也會影響到地表水與地下水交換的時空分布、地下水運動和溶質運移情況等,在相關的研究模擬中考慮較少.

(3)水文情勢:河道徑流和地下水位的變化會直接改變河流-含水層的補排關系[21].如河流水位和地下水位相互關系的季節性變化,不但影響水力坡度的大小,有時甚至能夠影響到水量交換的方向,引起地表地下水循環復雜的更替演化[22].河流水位對河流-含水層水量交換影響可能不大,但是隨著河道徑流情勢和地下水位的相對變化,含水層水位和河流間的水力梯度在不同位置會發生季節性改變,從而直接影響到近河床的地下水運動、河水下滲和地下水排泄量[28-29].

1.3 人類活動影響

在水資源緊缺的干旱半干旱流域,人類活動對水資源系統的影響更為明顯,引起了一些流域地表水和地下水交換量的下降,改變了水文循環過程[40].人類在社會經濟發展中通過水資源開發利用,干擾到天然狀態的地表地下水循環,進而改變著河流與地下含水層的補排關系.例如,河道引水會減少河道徑流、河流向地下水的補給;依賴地下水灌溉的灌區,地下水開采、渠系滲漏和田間入滲等過程間接改變了地表水和地下水的運動,部分地區的渠系滲漏和田間入滲已成為地下水的主要補給形式.特別是在一些干旱地區,人類活動引起的土地利用和渠系滲漏的變化對地表地下水的時空分布影響強烈[41].地下水開采被認為是影響地下水位最敏感的因子,它通過含水層補給量增加、原有自然排泄量減少或含水層儲量減小等途徑進行平衡,稱為對其他水源的“捕捉”,引起河道徑流和地下水蒸發減少等現象,從而影響到長期的生態水文演變[42].

2 主要研究方法

為改善河道徑流和維持地下水位,合理地模擬地表水-地下水循環對于水文過程演變分析和水量合理調度十分重要[43-45].隨著社會經濟的發展和人類活動的進一步增強,在水資源的開發利用與調度配置中開展地表水與地下水的相互作用研究十分必要.對于河流-含水層系統,地表水和地下水水量交換的研究方法有直接水量測量、間接實驗法、水量平衡法和基于達西定律的研究方法[4,13,46-47].主要研究方法的比較見表1.

表1 地表水和地下水相互作用主要研究方法對比表

2.1 直接水量測量

利用滲漏測量儀對含水層-河床界面的點尺度水量通量進行觀測,能夠確定河流滲漏和地下水排泄量.但是河床平均滲漏量的確定需要很多觀測點的數據,測得的也是點尺度數據,較大尺度的數據獲取較困難,在實際的研究應用相對較少[4].

2.2 間接實驗法

利用熱力學或同位素化學等方法進行地表水和地下水交換水量的推算[2,48].由于地下水的水溫是相對恒定的,而河流水溫一般具有季節性變化規律,其水量交換過程可通過相關的溫度觀測和熱力學方法進行建模推算.Conant[49]最早指出多測點短期的河床溫度觀測同地下水排泄的空間分布密切相關,建立了溫度分布和河床垂向水量的簡單數學模型,但是其地下水排泄量的計算仍是基于達西定律和實測水頭梯度,在應用中也需要很多假設條件.Hatch等[50]提出了采用時間序列熱力學數據確定河床滲漏量的方法,該法具有較少的數據需求和較快的速度,能夠分析復雜地表水和地下水交換的時空變化動態.基于實測溫度對地表水和地下水交換量的研究仍局限于均一性和邊界簡化地區,且相關的熱力學參數依賴于估計值,對地表水量的變化響應也難以考慮[51].

水循環過程中的水化學成分一定程度上記錄著水分運移、轉化的歷史,水化學分析方法也是了解地下水與地表水相互作用的有效方法之一[52].通過水化學分析識別河流不同地帶地表地下水的相互轉化關系,能夠給出不同水源的組成比例及循環轉化特征[53-54],如采用水文地質化學分析方法研究地下水補給的水源和機制,分析潛水補給的主要來源[55].結合同位素技術進行量化分析,能夠對地下水補給源、變化特征,以及人類活動和氣候變化均對地表地下水情勢的影響進行定量評價[56],如通過利用穩定同位素追蹤水流運動研究河流水量的來源組成[3],利用氚模型模擬數十年尺度的地表水和地下水交換,估算多年平均的地下水補給和排泄量[15].

2.3 水量平衡法

水量平衡法又分為多斷面流量觀測、河道徑流分割和物質追蹤等,借助離子追蹤、同位素技術等確定地表水和地下水交界處的水量交換.多斷面流量觀測通過不同斷面的流量觀測確定河道的凈流入或凈流出[48].河道徑流分割假定基流完全代表地下水排泄量,在蒸散發量等水均衡項資料缺乏時具有較大不確定性[57];物質追蹤根據不同水源的濃度不同確定河水和地下水的貢獻量,詳見文獻[4].另外,還有基于長系列地表水和地下水觀測資料,利用水文系統分析法對地表水和地下水相互轉化規律進行研究[58],以及依據已有的地表水(流量)和地下水(水位)觀測數據,結合調研和用水數據的整理成果,對流域內水量的收支平衡進行計算分析,推算地表水與地下水轉化的規律[59-60].

3 主要模擬技術

這些實驗觀測的研究方法常用于模型建立和結果評價的基礎依據,但是其定性分析較多,且傳統的觀測手段需要大量的人力和物力,實際研究中難以真實刻畫地表地下水轉化的物理過程,隨著許多新技術和儀器的發展應用,新的觀測手段能夠更好的提高實驗觀測法的水平和應用能力.其中,基于達西定律的研究方法應用非常廣泛,它一般結合壓力水頭觀測和解析法、數值模型法等技術進行模擬研究[13,46].

3.1 解析法

在數值模型出現以前,受計算能力的限制,河流-含水層相互的水量轉化更多的是依靠地下水運動的相關解析模型進行計算,包括求解一維和二維的Boussinesq方程,并一直沿用和發展[61-62].該方法主要是在自由表面邊界條件假定下,借助拉普拉斯變換或降解法得到均勻各向同性條件的地下水結果,并利用地下水位觀測值進行驗證.解析法根據河流和含水層類型(河流切割程度、水力聯系等),將河流-含水層的解析模型分為三種類型[46].

該方法多用于簡單或假設邊界條件的河流-含水層系統等特定條件下的求解,對于河流水管理者的情景分析和短期的水位預報比較有效和方便[11,63-64].但是難以代表流域水文的真實物理過程,也無法體現相關水文參數的空間異質性,有學者發現它會高估河流的滲漏量,并且由于解析法采用過多的簡化條件而存在較大誤差,使得解析解模型在實際應用時存在許多限制.由于解析法能夠便于分析不同邊界條件和影響因子下徑流及地下水的響應,其結果可用于一些數值模型的驗證,通過兩種方法的結合應用能夠提高地表水和地下水運動的模擬能力和可靠性.

3.2 數值模型法

隨著計算機運算能力的提高,利用數值模型成為研究流域尺度地表地下水循環的重要方法,它能夠快速處理更為復雜和現實的水文地質條件,比解析法更具有優勢和廣泛的應用[42].20世紀60年代,計算機的應用和數值模型的出現成為水文地質定量研究進展的重要突破.在70年代前,地下水數值模型基本是穩定流計算,隨后出現了基于有限元計算的綜合的地表地下水模型和瞬變流的模擬模型[65].用于模擬河流-含水層系統的數值模型于80年代開始建立并迅速發展,早期主要用于水量管理和聯合調度情景的評價,但是實際受到調查資料和計算能力限制導致時空離散比較粗糙,河流地表水運動、河床和含水層等物理條件均存在很大簡化[13].隨著計算機運算和存儲能力的提高,數值模型方法不再受研究尺度和復雜邊界條件限制,在物理過程和參數處理方面具有較高靈活性,成為研究地表地下水循環、相互作用及水資源管理的主要手段[66-67].

綜合地表地下水循環的數值模型在流域水循環和水資源分析評價的研究中應用廣泛,它們能分布式地模擬流域地表水文過程及地下水的運動,以及地表水與地下水的交換.地表水模型是利用相關經驗公式、明渠圣維南方程等建立的,地下水模型一般是是根據達西定律和水量平衡原理進行計算.關于地表水流動、地下水流運動及其耦合方法等方面的系統研究,Spanoudaki 等[68]對已有的地表地下水綜合模型進行了系統總結.地表地下水循環的耦合模型從地下水結構上,分為單層平面模型、雙層準三維模型和多層三維模型[69];從耦合方法上,不同方式對地表水和地下水模型進行耦合或連接,分為完全耦合,迭代耦合和松散耦合[70].

在物理模擬中,河流-含水層水量轉化依賴河流水位和地下水位這兩個變量,它們一般分別由河道和地下水運動方程計算得到,也是地表水和地下水模擬模型進行連接和耦合計算的關鍵要素[71].目前,許多用于河流-含水層系統研究的數值模型主要是基于美國地質調查局開發的MODFLOW[10,29,72],以及將其與其它成熟的地表水模擬模型進行耦合,通過GIS平臺建立流域地表水與地下水計算單元的轉換關系,有較好的應用[43,73].其他一些成熟的數值模型在地表水和地下水耦合模擬中應用,如利用ParFlow開展的沖積地區的河流-含水層系統水量交換的空間特征和時間動態進行了研究,結合地質統計、高斯模擬和蒙特卡洛方法模擬不同尺度非均質性的影響[74];利用HydroGeoSphere模擬不同含水層非均質情景的地下水流動影響[32];利用GSFLOW能夠較好地模擬復雜地下水與地表水的相互作用過程,分析不同水文參數對于流域水資源的影響[75].

已有數值模型對河流-含水層的交換項和河道的概化通常比較簡化,如MODFLOW采用了矩形網格差分法,地表水流近似處理為一維明渠恒定流;對于地表水和地下水的交換水量當作源匯項概化處理.武強等(2005)建立了一維明渠非恒定漸變流偏微分描述的地表河網和“擬三維”非穩定流地下水模擬的耦合模型SGS[76]; Spanoudaki等[68]首次建立了耦合三維地表水和三維地下水的復雜模型(IRENE),采用半顯示和顯示有限差分求解地表水方程和地下水方程,能夠更為精確細致地模擬地表水文過程、地下水運動及其相互作用.可見,隨著計算能力和新技術(如GIS和RS)的發展,數值模型作為強大的工具手段廣泛用于地表水和地下水模型的耦合研究,許多分布式的、多維度的河流-含水層水文循環過程的模擬也更多依賴數值模型進行分析研究[77-79].

這些數值模型技術通常可結合解析法、其他數值模型或實驗觀測數據進行相互驗證分析,提高模型的可靠性[80-81].在缺少準確的參數分布和估計時,可通過敏感性分析和隨機模擬等方法研究河流-含水層的相互作用規律[82].雖然數值模型在精度、穩定性或收斂性上可能存在一些問題,目前利用數值模型研究從微觀尺度、區域尺度到流域尺度的河流-含水層的循環與相互轉化規律仍是主要的研究方法,結合高精度的時空實驗數據和數值物理模型研究地表水-地下水的機理過程,以及地表水-地下水耦合模型受非均質性的影響研究仍面臨挑戰.

4 結論與展望

4.1 結論

地表水和地下水有關的監測和實驗是地表水與地下水相互作用研究的重要基礎,采用直接水量測量、間接實驗法、水量平衡法和基于達西定律的研究方法仍在結合新技術手段不斷發展.當前開始更多結合新技術對不同實驗方法、解析法和數值模型的綜合研究,耦合自然因子和人類活動影響的流域地表水和地下水相互作用的研究成為研究的前沿和熱點.美國地質調查局的懷俄明蒙特拿水科學中心開展了Fish河流區域的地表水-地下水作用監測項目,通過在河流水文監測信息納入附近實時的地下水位和水溫監測信息,擴大監測功能,系統采集長系列的數據資料,研究氣候變化、灌溉和水文徑流等的響應關系. 地下水信息的監測日益受到重視,我國從2015年開始了國家地下水監測工程項目,由水利部和國土資源部組織實施,通過完善地下水監測網絡,基本覆蓋全國平原、盆地和巖溶山區350萬km2的地下水動態有效監控,其中部分泉流量等的監測信息,將來可為地表水和地下水相互作用的研究提供基礎支撐.

4.2 展望

研究內容上,人類活動和地表地下水循環強烈的流域,對地表地下水循環的演變和水資源的調度管理有待更長時空尺度的綜合模擬.已有研究更多著眼于自然因子影響的模擬分析,對人類通過不同的水資源開發利用方式進行的河流水量調配、地下水開采和水資源調度管理,需要研究綜合地表水的循環利用、地下水系統的演變和人類活動的相互影響等,以及不同要素對河流-含水層影響的定量評價方法.

技術方法上,綜合新技術應用的實驗觀測能增加對含水層地質參數的理解,需要通過不同信息源數據的融合和分析研究,提高對地表水與地下水相互作用規律的認識.地表水和地下水運動的模擬模型通常需要建立在較大的空間尺度,受傳統人工監測手段的影響,有限的觀測數據還難以用于模型的研究尺度.在較大尺度的地下水模擬中通過現場觀測和地質調查數據得到參數分布仍比較困難且存在很大不確定性,將來結合國家地下水監測工程項目的運行和地下水監測技術的提高,能更好的滿足不同時空尺度地下水觀測資料的需求.

模擬概化中,完善模型的物理機理和提高模型的模擬預測能力是重要的發展方向.由于數學解析方法受到復雜物理過程和基礎理論的限制發展較緩,需要研究同求解能力相適應的概化方法,同時建立與數值模型相互驗證結合的解析方法也具有重要前景,方便應用于地表水-地下水轉化的預測分析.物理概化中,已有研究關于不同河流-含水層模式、邊界條件(非飽和帶地下水同地表水、飽和地下水的耦合)研究相對薄弱,其模擬還需要更細致考慮不同關系類型和非飽和帶地下水.

模型參數上,如何合理改善模型參數和不確定性研究具有重要意義.在不同的尺度上,數值模型從概念性和理論性出發廣泛用于河流-地下水系統的模擬分析,但目前研究多是根據水文地質特性將研究區或河流劃分為不同單元,各單元具有相同的參數值.河床和含水層參數大小及分布的空間變化,使得確定性數值模型模擬的地表地下水循環具有較大不確定性.地表水-地下水的相互轉化能夠反映地表河道徑流和地下水流場的動力特征,而非均質性對其影響的不確定性研究仍顯不足,發展隨機數值模型也是將來重要的研究方向.

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Review on the research of surface water and groundwater interactions.

ZHU Jin-feng1,2, LIU Yue-yi2,3, ZHANG Shu-an1, ZHENG Hang2,4*

(1.Bureau of Hydrology, Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China；2.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3.Eastern Route Corporation of South-to-North Water Diversion, Beijing 100088, China；4.Dongguan University of Technology, Dongguan 523015)., 2017,37(8)：3002~3010

The surface water and groundwater transformation is a critical issue within hydrology circle, and their interactions are focused and difficult in the fields of hydrology, geology and environment. To analyze the exchange features between surface water and groundwater and improve researches on water resources analysis and evaluation, material movement, and energy distribution, the researches on surface water-groundwater cycle and their interactions in recent 20years were systematically analyzed and investigated. By summarizing the related research fields and core problems under natural factors and human activities, it concluded the commonly used research methods and modeling technologies. Through the comparison of related studies, it showed that comprehensive study methods (different experiment methods, analytical method and numerical method) combined with new technologies were paid more attention, and surface water and groundwater interactions research coupling natural factors and human activities became frontiers and major focuses.

surface water and groundwater；water cycle；modeling technology；water resources management

X52

A

1000-6923(2017)08-3002-09

朱金峰(1987-),男,山東濰坊人,博士,主要從事水文水資源研究.發表論文7篇.

2017-01-10

國家自然科學基金資助項目(51479089,51323014)

* 責任作者, 講師, zhenghang@tsinghua.edu.cn