不同含沙量浑水体流变特性试验研究❋

吕楚岫, 许国辉❋❋, 任宇鹏, 陈昌昀, 许兴北

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程实验室，山东 青岛 266100)

研究简报

不同含沙量浑水体流变特性试验研究❋

吕楚岫1,2, 许国辉1,2❋❋, 任宇鹏1,2, 陈昌昀1,2, 许兴北1,2

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程实验室，山东 青岛 266100)

海底构筑物会被运动的浑水流冲击破坏，浑水流的运动能力受到浑水体流变特征的影响。由此需要关注浑水体流变特征发生变化的含沙量界限。本文采用流变仪试验和水槽试验相结合，对不同含沙量的浑水体进行试验，结果表明，淡水介质情况下牛顿流体和宾汉流体的过渡界限含沙量范围在340～400g/L；牛顿流体、宾汉流体、及其过渡界限流体的运动宏观特征不同，流速有差异。通过对浑水体中颗粒分布的分析，认为颗粒表面的结合水膜对流变特性几乎没有影响，以颗粒为固壁的水流边界层厚度可能对浑水体流变特性有影响，而颗粒之间形成的孔隙造成的毛细作用是影响不同含沙量浑水体流变特性的重要因素。

浑水体；流变；过渡界限含沙量；流变仪试验；水槽试验

近年，在海洋建筑物的建设和使用中，发生了多次海底通信电缆遭到破坏的事件[1]。多年的现场和实验室研究成果证明，这些事件很多是由于水下含沙浑水体，包括浊流、碎屑流等的运动造成的[1]。如1929年Grand Banks发生了7.2级地震引发了海底滑坡和浊流，沿途切断12条电缆[2]，2006年屏东大地震后浊流沿高屏峡谷进入马尼拉海沟沿途切断多条通讯电缆[3],2009年的莫拉克浊流导致台湾西南外海多条通讯电缆遭到破坏的事件[4]。在河口、海底峡谷、水库中，由于粘土悬浮于水体中而形成浑水，浑水具有明显的异重流特征，能携带泥沙流动很远距离[5]。研究水下含沙浑水体的运动对海底结构物的安全设计很重要，而水下浑水体的含沙量不同，运动状态也不同[6]。水下含沙浑水体运动的距离，决定其中泥沙最终的沉积位置，而计算其动力和运动过程,需要清楚浑水体的流变特征，对此Elverhøi等人进行过总结[7]。

物体在受力过程中产生变形且存在与时间有关的变形性质即为流变[8]。流变学从一开始就是作为一门实验基础学科发展起来的，因此实验是研究流变学的主要方法之一。目前，国内已出现利用不同流变仪对悬浮液、油体、灌浆材料等流体的流变性研究[9-12]。其中张凯等人利用Brookfield流变仪对胜利油田不同油区的稠油在不同温度与剪切速率下的流变特性进行实验研究，并讨论了采用宾汉、幂律及广义宾汉本构方程在稠油的非牛顿流变特性的适用性[13]。研究牛顿流体和非牛顿流体的流变学特性，有助于研究者建立起流体本构方程，对利用数学来描绘流体的运动具有重要意义[14]。

流变学研究的是流体和固体形态物质的流动和变形特征，即剪切应力与剪切应变率之间的关系，流变特征是流体的基本特征，所有流体在流变学上可分为牛顿流体和非牛顿流体两大类[15]，Shanmugam经过对1950—1990年发表的关于水下含沙流体含沙量的测试值进行总结，给出牛顿流体和非牛顿流体的界限体积含沙量值一般为20%～25%[16]。

除此之外，Felix等人在2005年进行了浊流速度与含沙量的结合测量试验，对在同一测量高度的速度与含沙量的变化相似性进行了描述，结果显示变化相似性取决于流体的含沙量和测量位置[6]，Hale等人2013年在新西兰poverty海湾海底进行的水体含沙量和海底物质运移的观测，悬沙数据表明沉积物运移主要是由波浪掀沙形成的浑水体运动引起的[17]。总结前人做过的关于不同含沙量流体流变特性的成果，未有对不同含沙量浑水体的流变特性进行区分的批量试验证据，所以本文从粘土含量对浑水体流变特性影响的角度，用流变仪进行淡水中含有不同量的高岭土的含沙浑水体流变特性试验，分析其流变特性。同时利用水槽流动试验观察其在宏观上的运动表现。

1 试验方法

为了探究浑水体流变特征发生变化的界限，首先开展不同含沙量浑水体的流变仪测试试验，得到牛顿流体和宾汉流体间的含沙量临界范围。再从牛顿流体、宾汉流体、过渡界限流体中各选择一个代表样品，进行水槽流动观测试验，通过三种流态的对比，对流变试验的结果进行验证。

1.1 试验仪器与样品

在流变测试中使用的仪器是由美国Brookfield工程试验室公司生产的R/S+流变仪。测试时所用转子为同轴转子，型号MK3-CC40-DIN。在水槽流动观测试验中，试验用的水槽尺寸为长50cm，宽25cm，高20cm。水槽一端高出1.5cm，底部是倾斜角度为1.72°的斜坡；在水槽底部较高一侧的3cm处设置一释放浑水流体的闸门，1L浑水在浑水槽中的高度为14.3cm；浑水释放前在水槽中放水淹没整个底坡，水面高度与闸门出流口底部一致。水槽结构布局与尺寸如图1。

图1 水槽结构布局与尺寸

本次试验用土为高岭土，平均粒径为3.7μm，属黏粒。试验中，取不同质量的黏土放入水中搅拌均匀，配制成不同含沙量的浑水用于流变及水槽流动测试。

1.2 试验过程

1.2.1 流变试验

(1)取不同质量高岭土，配制成含沙量为280～550g/L的泥浆样品。一共进行了16个(280、290、300、310、320、340、360、380、400、420、440、480、500、520、540、550，单位g/L)不同含量的高岭土流体流变测试，每个含沙量平行测试三组样。配制过程中先加入水再加入高岭土，以减少水土混合时高岭土颗粒的溢出。

(2)将配制好的样品搅拌均匀后，进行试验土样的流变测试。本试验采用等剪切率测试程序(剪切率为定值，即不同含沙量样品试验时，相同时刻转子的转动速度一致)。设置测试时间为300s，间隔测数时间为4s，测试点共75个。无温度控制。

(3)整个测试程序运行完成后，样品的流变测试结果将显示在窗口中，包括黏度随剪切率的变化曲线与剪切力随剪切率的变化曲线。

1.2.2 水槽流动试验 根据流变试验的结果，在水槽流动试验中，取不同质量高岭土，配制成体积为1L的三种状态不同的流体，含沙量分别为100g/L(代表牛顿流体)、360g/L(代表过渡界限流体)、500g/L(代表宾汉流体)。搅拌均匀后，分别依次快速倒入水槽一端的浑水槽中，抽开闸门挡板释放泥浆，泥浆迅速在水下沿坡(1.72°)流动，使用录像机录制其运动过程。本试验中视频录制帧率为30帧/s，通过记录每一次浑水流动相同距离的帧数，换算流动的时间，用距离/时间求出浑水流动的平均速度。

2 试验结果

2.1 流变试验结果

在所做的16个样品的流变仪测试试验中，绘制剪切力—剪切率和粘度—剪切率的关系特征曲线，较低含沙量的5个样品(280～320g/L)的关系特征曲线表现一致(见图2，A)，含沙量中等的4个样品(340～400g/L)的关系特征曲线表现一致(见图2，B、C)，含沙量较高的7个样品(420～550g/L)的关系特征曲线表现一致(见图2D)。

从图2中可以看出，随剪切速率的增大，流体的剪切力呈线性增长，且含沙量越高，剪切力增长的速度越快。随剪切率增大，流体黏度值总体呈下降的趋势。结合表1分析可以看出，在此试验中含沙量低于340g/L时，黏度变化范围比较小，黏度值趋向于一条平行于x轴的直线；含沙量高于340g/L时，黏度曲线形态明显发生改变，黏度变化范围增大。

2.1.1黏度与剪切速率的变化关系 将不同含沙量流体在相同剪切率下的黏度值进行比较(见图3)，相同剪切率下，含沙量越低，黏度越小。随剪切率的增大，各含沙量流体的黏度差越来越小，黏度值越来越接近。当流体含沙量低于360g/L时，黏度开始时为0，随剪切率增加，黏度呈增长趋势，在剪切率大于60L/s时趋于平缓；当流体含沙量大于380g/L，小于420g/L时，黏度值随剪切率变化范围小，趋势平缓；当流体含沙量大于420g/L时，黏度随剪切率增加而降低，流体含沙量越大，黏度值降低的幅度越大。

图2 流变试验结果图

含沙量范围/g·L-1Sedimentconcentration20～100s黏度变化均值k20～100sviscositychangemean相邻含沙量段(200为界)k的差值k’sDifferentvalueinadjacentsedimentconcentrationrange300～3200．00540．0002320～3400．00560．0008340～3600．00640．0008360～3800．00720．0011380～4000．0083

图3 不同含沙量浑水体的黏度随剪切率变化图

2.1.2 剪切力与剪切率的变化关系 图4表示在20、40、60、80、100s时，不同含沙量浑水体的剪切率所对应的剪切力值。在等剪切率情况下，剪切力随含沙量增加而变大，同一含沙量的剪切力随剪切率(转速)增加呈线性增长。当剪切率小于20L/s时，含沙量小于400g/L的浑水体剪切力为0。

图4 不同含沙量浑水体的剪切力随剪切率变化图

2.1.3 初始剪切力与含沙量的变化关系 将初始剪切力随含沙量的变化关系绘制成图5，可以看出，初始剪切力随含沙量增加而增长。当含沙量低于360g/L时，初始剪切力线性增长趋势缓慢，当含沙量高于360g/L时，初始剪切力增长速度增快。

图5 初始剪切力随含沙量的变化图

通过分析图2、3、4、5，可以给出浑水体由于含沙量不同，其流变特性将发生变化；明显变化的临界值范围在340～400g/L。

对照典型牛顿流体、宾汉流体的黏度-剪切率和剪切力-剪切率的关系曲线，可以判断出在所做的16个样品的流变仪测试试验中，较低含沙量的5个样品(280～320g/L)表现为牛顿流体特征，含沙量中等的4个样品(340～400g/L)不具备典型牛顿流体和典型宾汉流体的特征，为界限过渡流体，含沙量较高的7个样品(420～550g/L)表现为典型宾汉流体特征。因此本文试验给出含沙量值低于340g/L时，浑水体属于牛顿流体；当含沙量值高于400g/L时，浑水体属于宾汉流体；340～400g/L为牛顿流体与宾汉流体的分界含沙量范围。

2.2 水槽流动试验结果

为了观测以上三种不同性质的浑水流体在流动过程中的运移状态及运动表现(用流速说明)，进行了三个代表含沙量(分别为100、360、500g/L)的水槽流动试验。根据前面开展的流变仪试验，含沙量为100g/L应该表现出更为明显的牛顿流体特征，因此选用了此含沙量开展试验。

2.2.1 浑水体的宏观运动表现

(1)含沙量100g/L浑水体的运动状态如图6所示，正视与侧视的5个图分别是闸门打开后0.33、0.63、0.73、0.83、0.97s时刻的流态图。流体出流时与水快速且强烈混合，形成较厚的头部，流态基本稳定的时间约为0.4s。由于含沙量较低，头部形态并不保持稳定，流体中的颗粒凝聚力较小，表层流体颗粒运动速度明显比底层快，肉眼观察到流体周围水体浑浊度较高。通过计算，流体头部表层运动到距闸门32cm处用时0.83s,平均速度为38.313cm/s，流体头部底层运动至距闸门32cm处用时0.93s,平均速度为34.194cm/s。

图6 100g/L浑水体流动记录图

(2)含沙量360g/L浑水体的运动状态如图7所示，正视与侧视的5个图分别是闸门打开后0.33、0.63、0.73、0.83、0.97s时刻的流态图。流体出流时与水快速且强烈混合，形成较厚的头部，流态基本稳定的时间约为0.27s。在流动过程中，有轻微的滑水现象。且头部形态很稳定，流体中的颗粒凝聚力比较强，肉眼观察到流体周围水体浑浊度低。通过计算，流体头部运动到距闸门32cm处用时1s,平均速度为31.8cm/s。

(3)含沙量500g/L浑水体的运动状态如图8所示，正视与侧视的5个图分别是闸门打开后0.1、0.2、0.27、0.33、0.47s时刻的流态图。流体出流时与水快速且强烈混合，形成较厚的头部，流态基本稳定的时间约为0.23s。在流动过程中，滑水现象更加明显，且头部形态比较稳定，流体中的颗粒凝聚力中等，肉眼观察到流体周围水体浑浊度低。通过计算，流体头部表层运动到距闸门32cm处用时0.57s,平均速度为55.789cm/s；流体头部底层运动到距闸门32cm处用时0.63s，平均速度为50.476cm/s。

2.2.2 三种状态流体的对比 三组含沙量浑水体流动对比见表2。500g/L浑水流体即宾汉流体的流动速度最快，且表层与底层速度差最大，流体下方有一层水层始终包围其头部，滑水现象十分明显。100g/L的牛顿流体速度比宾汉流体形成的浑水流速度小，颗粒扩散明显，滑水现象不明显。360g/L的过渡态流体形成的浑水流速度最小，可以明显看出黏土颗粒几乎没有松散分离，扩展过程呈整体向前推进，有轻微滑水现象。

图7 360g/L浑水体流动记录图

图8 500g/L浑水体流动记录图

含沙量/g·L-1Sedimentconcentration流体形成稳定形态所需时间t/sTimeforfluidforming流体底层至32cm处平均速度v1/cm·s-1Bottomfluidvelocityat32cm流体表层至32cm处平均速度v2/cm·s-1Surfacefluidvelocityat32cm1000．4034．1938．313600．2731．8031．805000．2350．4855．79

本试验水槽材质为光滑玻璃，采用平面光滑水流流动来反映流体状态，根据流体力学中层流边界层厚度计算可知壁面边界的影响尺寸达不到mm量级，水槽边壁在测试区的影响可以不计。由本水槽浑水流动试验结果给出，同样试验条件下,浑水流体运动速度是:过渡界限流体<牛顿流体(含沙量低)<宾汉流体(含沙量高)。分析影响流速的主要原因是黏粒含量不同导致的流体运动状态不同。高含沙量的浑水体黏聚性强，流出后在底部水体上易于形成滑水现象，从而有最大流速；含沙量低的浑水体自身流动性和扩散性均很强，也有较大的流动速度；过渡界限状态的流体，含沙量较大，黏度也较大，呈整体运动，滑水现象不明显，与坡底摩擦力大，从而流动速度减小。

3 讨论

对于含沙浑水，随着其中黏粒含量的增加，浑水体由牛顿流体变为非牛顿流体，浑水体的黏性增强。分析其性质变化机制，可能的原因有三个方面：其一为黏粒含量多时，黏粒外面的结合水膜被多个黏粒共用，增强了水体中黏粒之间的连接性；其二为黏粒与水由于密度不同会有相对运动，由于黏粒增多，某个黏粒与水相对运动时形成的流动边界层会影响其他黏粒的运动，相互之间作用力发生变化；其三为黏粒增多后，黏粒与黏粒之间形成的孔隙变小，孔隙表现出毛细作用，孔隙间的水具有明显的表面张力作用而使黏粒连接。下面从浑水体的微观状态来分析其性质变化的原因。

3.1含沙浑水的微观状态简化模型

本次试验用土为高岭土，平均粒径为3.7μm，颗粒密度为2.70×103kg/m3。高岭土的结合方式有多种，包括片状、棒状等[18]，为了探究颗粒之间的距离关系问题，将黏土颗粒简化为球体，小球直径为d=3.7μm，体积V=2.65×10μm3，质量m=6.89×10-11g。黏土颗粒在水中时会形成结合水膜，根据已有研究者给出的黏土颗粒结合水膜厚度[19,20]，本文选用结合水膜厚度为0.2μm。

假设浑水体中颗粒是均匀分布的，其立体排列方式应该是以颗粒为节点的立方锥体。继续简化为二维平面情况，浑水中黏土颗粒的排列方式为等边三角形。

在二维平面中浑水中黏土颗粒为等边三角形分布的模式下，浑水中黏土含量为100、360、500g/L时，其1L浑水中黏土颗粒总数分别为1.397×1012、5.019×1012、6.981×1012个，颗粒间平均距离分别为28.16、9.66、8.19μm。三种黏土含量的浑水中颗粒分布情况如图9所示。

图9 不同含沙量浑水中黏土颗粒分布图

3.2 结合水膜对浑水体流变特性的影响

分析含沙浑水由于黏粒含量的增加而导致粘性增强的第一个原因，是黏粒外面形成的结合水膜被多个黏粒共用而造成。本次试验所用高岭土，颗粒表面吸附水层厚度选择较大的0.2μm这一数据，从图9给出的颗粒分布模式图中可以看出，即使500g/L的含沙浑水，其颗粒外的结合水膜厚度也远小于颗粒之间的距离，没有结合水膜被颗粒共用的问题，因此可以认为粘粒外面的结合水膜没有对含沙浑水的流变特性产生影响。

3.3 粘粒与水相对运动的边界层影响

据近期Jose等人所做的研究，层流状态的牛顿流体流经平板上的半球形障碍物(h=1mm)时的边界层厚度约为0.5mm，障碍物高度与边界层厚度比为2∶1[21]。类比于此实验结果，假设本研究中水流经过黏粒时会形成更厚的边界层，障碍物高度与边界层厚度比为1∶1，由于粘土颗粒半径r=1.85μm，把本文中的边界层厚度定为1.85μm。颗粒间距离关系如图10。可以看出，含沙量越高的浑水体，黏粒边界层之间的距离越近。在水槽流动实验中含沙量最高为500g/L，相邻两颗粒边界层此时没有相交，但间隔距离已经很小。由此我们推断，黏粒与水相对运动的边界层可能会对不同含沙量浑水体的流变特性造成影响，但不是决定性因素。

图10 不同含沙量颗粒边界层分布图

3.4 颗粒间孔隙的毛细作用影响

为了探讨颗粒间可能产生的毛细作用及其对颗粒间粘聚作用的影响，本文引入当量孔径de的概念。当量孔径是指颗粒所围孔隙的代表面积等效为圆的情况下的等效圆的直径。在本文中考虑二维平面模型情况下，当量粒径表达的模式如图11所示。粘土颗粒以等边三角形排列，过各颗粒圆的圆心画一大圆，大圆面积减去各个颗粒圆被大圆所围的面积之和，即为颗粒所围孔隙的代表面积。由定义的当量孔径定义可以给出，当量孔径越大，颗粒所围孔隙的毛细作用就越小。

图11 含沙浑水体颗粒分布图

α为大圆内所切颗粒圆圆弧对应的圆心角。

随浑水体含沙量从高到低，当量孔径由小到大，颗粒分布由紧密到松散。对流变仪试验的含沙量浑水体中粘土颗粒组成的当量孔径进行计算，所得数据与测试得到的初始剪切力和粘度关系作图得到图12和13。

图12 初始剪切力随当量孔径de变化图

图13 100s时粘度值随当量孔径de变化图

图12中，含沙量340g/L为初始剪切力变化的分界值，当浑水体含沙量高于340g/L时，初始剪切力随当量孔径de变化幅度大，当含沙量低于340g/L时，初始剪切力随当量孔径变化幅度小。图13中，100s的粘度值随当量孔径变化规律与图12的相同。

本文构造的当量粒径的概念，是为探讨颗粒间可能产生的毛细作用及其对颗粒间粘聚作用的影响。从封闭的毛管作用来说，直径为1cm时毛细作用已很明显，但是对于非封闭的颗粒组成的孔隙来说，应该具有更小的孔隙直径才能够有明显的毛细作用。在前面探讨浑水体粘性形成的分析中，粘土颗粒外面的结合水膜视为没有影响，粘粒与水相对运动的边界层可能具有影响(分析得到即使含沙量为500g/L，相邻两颗粒边界层也没有相交)。因此，通过构造颗粒孔隙的当量粒径，比较毛管作用，认为颗粒之间形成的孔隙造成的毛细作用应该是较高含沙量浑水体粘聚作用形成的重要原因。由定义的当量粒径和测试得到的浑水体初始剪切力、粘度之间的变化关系，认为含沙量为340g/L作为浑水体粘性的变化界限，此时对应的当量粒径为10.63μm。

Packman等人在2004年通过对浑水流中控制沉积物运移和沉积的物理化学过程作用的研究，得出浑水流的行为与水体盐度值有关[23]。Shanmugam经过对1950—1990s发表的关于现场的海底浑水体含沙量的测试值进行总结，海水中牛顿流体和非牛顿流体的边界体积含沙量值一般为20%(520g/L)～25%(600g/L)[16]。本文得出的结果与之有一定差异，流变特性界限值在340～400g/L，是在淡水情况下得出的。

4 结论

本文通过对不同含沙量浑水体的流变试验及水槽试验，给出了黏性土在水中含量不同的情况下其流变特性，同时，对不同含沙量浑水体的流动的宏观表现进行了描述。在试验的含沙量为100～550g/L范围内的含沙浑水体，分析得出以下结果：(1)浑水体由于含沙量不同，其流变特性也不同。含沙量值低于340g/L时，浑水体属于牛顿流体；当含沙量值高于400g/L时，浑水体属于宾汉流体；340～400g/L为牛顿流体与宾汉流体的分界含沙量范围。

(2)不同含沙量浑水体的流动表现不同。由于滑水和流体黏性效应的综合影响，试验情况下，含沙量高的非牛顿流体在清水中因为形成滑水而流速最快，含沙量低的牛顿流体的流速比较慢，处于含沙量临界值范围内的流体流速最慢。

(3)在假设粘土颗粒为球状体的情况下，分析了结合水膜、边界层和毛细作用三个方面对含沙浑水体流变特性的影响。颗粒表面的结合水膜对浑水体的流变特性几乎没有影响；黏粒与水相对运动时形成的边界层可能会对浑水体的流变特性造成一定影响；高含沙量浑水体中，颗粒组合形成的孔隙造成的毛细作用，使水中分散的黏粒间产生连接作用，是影响不同含沙量浑水体流变特性的重要因素。

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责任编辑 徐 环

Experimental Study on the Rheological Properties of Turbid Water in Different Concentrations

LV Chu-Xiu1, 2, XU Guo-Hui1, 2, REN Yu-Peng1, 2, CHEN Chang-Yun1, 2, XU Xing-Bei1, 2

(1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The destruction of the submarine structures is quite often caused by the turbid water movement whilst rheological properties being the essence of turbid water movement ability. Thus we need to do the research about the sediment concentration limits in the changing rheological characteristics of turbid water. Rheometer test and flume experiment was adopted in this research to study the rheological properties of turbid water with different concentrations. The result shows that the transition boundaries of concentration between Newtonian fluid and Bingham fluid are 340～400g/L in fresh water. Macroscopic characteristics of motion and fluid velocity vary accordingly in different fluid type. Through the analysis of particle distribution in turbid water, it is considered that the absorbed water layer of clay particles has no effect on the rheological properties of turbid water wand the flow boundary layer thickness is likely attributable to its rheological properties. The capillary action caused by intergranular pores between particles has been proved to be an important factor attributable to the variation of rheological properties of turbid water with different concentrations.

turbid water; rheological; concentration at transition boundaries; rheometer test; flume test

国家自然科学基金项目(41076021)；国家海洋局海洋公益性行业科研专项(201005005-6)资助 Supported by the Project of National Natural Science Foundation of China(41076021);Scientific Research for Marine Public Welfare Industry of State Oceanic Administration(201005005-6)

2015-08-20；

2015-10-11

吕楚岫(1990-)，女，硕士生。E-mail: 328193035@qq.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: xuguohui@ouc.edu.cn

P597

A

1672-5174(2017)01-043-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150270

吕楚岫, 许国辉, 任宇鹏， 等. 不同含沙量浑水体流变特性试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(1): 43-51.

LV Chu-Xiu, XU Guo-Hui, REN Yu-Peng， et al. Experimental study on the rheological properties of turbid water in different concentrations[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 43-51.