基于能值理论的青藏高原水电站生态影响研究

贤雯　张士锋　邱桃

摘要：综合定量评价水电工程建设及运营过程中产生的生态效应，是合理开发和运营水电站的重要前提。为了探究青藏高原水能资源开发对区域生态系统的影响，运用能值分析法，以西藏雅鲁藏布江加查水电站为例，将水电站建设、运行过程中的各项资源投入以及因水电站建设造成的生态系统服务功能损失纳入能值核算体系中，对水电站的生态效应进行综合定量评估。结果显示：（1）加查水电站平均每年运行需要的能值投入为1.18×1021 sej，其中河流势能提供了3.30×1020 sej，占能值总投入的27.79%；（2）生态系统服务年能值损失为8.40×1018 sej，主要包括泥沙淤积、水库淹没和气候调节等，其中泥沙淤积年能值损失占比89%，是生态服务年能值损失的主要组成部分；（3）环境负载率（ELR）为0.85，能值可持续指标（ESI）为3.60，说明加查水电站对青藏高原的生态影响较小且有较好的可持续能力。研究表明，在青藏高原建设水电站是可行的，但其开发规划必须遵循适度开发、生态为先的原则。

关键词：能值理论；生态效应；生态系统服务功能；青藏高原；加查水电站

中图分类号：Q143       文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）06-0001-09

水电是一种清洁可再生能源（Bilgili et al， 2018;Zhang et al， 2019）。近年来，全球水电消耗迅速增长，2018年全球产量为4 205 TW·h，约占世界电能总产量的15.8%。水电工程通过对水文过程调节，能够发挥供水、发电、防洪、航运与娱乐等多种作用与功能（Yüksel，2010）。近几年，我国水电站建设快速增长，有效缓解了区域能源短缺难题（Zhang et al，2014）。然而，水电站在带来经济效益的同时，也会对生态产生负面影响。埃及阿斯旺大坝严重扰乱了尼罗河的水文原状，造成当地沙丁鱼绝迹，同时使得河谷和三角洲的土地盐碱化，肥力丧失殆尽，是水电工程对生态造成影响的标志性事件（朱铁蓉等，2008）。自此，水电工程建设的争议性开始增大（Abbasi & Abbasi，2011）。大型水利水电工程会改变河流的天然形态，这是因为大坝的阻塞作用导致泥沙、营养物质等淤积在上游水库，使得清水下泄，下游河流泥沙含量显著降低，河岸冲刷加剧，水土流失严重（郭文献等，2018）；水电工程建设还可能阻断洄游鱼类的溯游通道，改变和破坏了生物赖以生存的自然环境，从而影响生物多样性（黄亮，2006；薛联芳等，2007）。目前，我国已经形成13个大型水电基地，在全国大力发展水电的高潮中，如何兼顾生态环境已经成为重中之重。

青藏高原平均海拔4 000 m，被誉为“世界屋脊”，高海拔使得青藏高原成为除极地之外冰川最为丰富且集中的地区，多种因素决定了青藏高原是亚洲许多河流的发源地，因此又被称为“亚洲水塔”（Wang，2009）；丰富的水资源使得该地区水力发电潜力巨大，可开发水电资源约为110 GW，是我国主要的水电开发基地（Pang et al，2018）。青藏高原生态系统较为脆弱，水电建设和运营带来的生态效应需要进行合理评估并给出相关解决方案。

20世纪80年代，生态学家Odum创立了能值分析法，其核心是将贮存和流动于生态系统中不同类型的物质能量通过一定的换算，转换成同一标准的能值，综合分析系统中的能量流、物质流等生态流，计算出一系列能值综合指标，从而对系统的生态效应进行综合定量分析（蓝盛芳和钦佩，2001）。能值分析不仅已被广泛应用到自然保护区、农田、城市、海洋等生态系统（王楠楠等，2013；杨灿等，2014；毛德华等，2014；马程等，2017；韩增林等，2017），还被应用于国内外多座水电站系统的生态效应分析（Brown & Mcclanahan，1996; Chen et al，2020; Kang & Park，2002）。本文选取青藏高原地区加查水电站为研究对象，将水电站建设和运营过程中各种资源的投入产出纳入能值核算体系，利用能值指标对水电站的生态影响进行定量分析，旨在为加查水电站的运营管理和生态协调发展提供定量化的科学依据。

1   材料与方法

1.1   水电站概况

加查水电站是雅鲁藏布江干流中游桑日至加查峡谷段水电规划的第5级电站，位于雅鲁藏布江干流桑日至加查峡谷出口段，大坝类型为混凝土重力坝；电站采用河床式厂房，首台机组已于2020年8月投产发电，2020年底全部3台机组投产发电。研究数据来源于加查水电站环境影响评价报告、项目可行性报告以及课题组实地调查。水电站地理位置见图1，设计运行基本参数见表1。

[项目 指标值 装机容量/MW 360 总投资/元 7.83×109 设计年发电量/GW·h 1710 建设期/月 84 集水面积/万km? 15.80 年均流量/m?·s-1 1020 年均气温/℃ 9.2 悬移质年输沙量/t 1.61×107 年均含沙量/g·m-3 531 灌溉面积/km2 1.67 工程占地面积/km2 0.18 水库正常蓄水位/m 3246 库容/m? 2.66×107 ]

1.2   能值分析

能值就是物质或者能量中所包含的另一种类别能量的数量，称为此物质或能量的能值，常以太阳能为计算基准（Odum， 1996）；本文涉及到的任何资源、能量或劳务均通过能值转换率转换为太阳能值，单位为太阳能焦耳（solar emjoules，sej）。

1.2.1   能值计算   首先收集研究区的自然环境、社会经济和生产系统基础数据。数据主要来源工程环境影响报告、项目可行性分析报告、相关统计年鉴以及实地调查等方式。将收集到的数据进行分类，一般分为本地免费可再生资源（R）、本地免费不可再生资源（N）、购入资源（F）及产出（Y）。

根据能量语言绘制能量系统图，描述水电站系统内部物质能量流动以及相互作用关系（Odum， 1996）。先将所有物质、能量、货币流转化为能值，作为能值分析表中的原始数据，再将原始数据乘以相应的单位能值（UEV），计算公式如下：

式中：U代表研究系统的能值总和，n代表系统中能量输入的种类，i = 1，2，[…]，n，fi为系统中第i个输入的能量流，UEVi代表第i个输入流的能值转换率。

本研究假设加查水电站运行时间为50 a，分析过程基于1 a的静态数据，因此能值分析表中一次性投入的物质能量均折算为年度流量，再将原始数据乘以能值转换率（UEV）转换为能值。

1.2.2   地理生物圈能值基准确定   地理生物圈能值基准是能值核算的重要基础，也是能值转换率计算的依据（李双成等，2014；黄永斌等，2015）。20世纪70年代初，该基准的初始形态仅包含用于驱动地球生态系统的太阳能；90年代Odum（1996）将潮汐动力和地热能加入到核算体系当中，并将之转化为等量的太阳能值，计算得到地理生物圈的基准值为9.44×1024 sej/a，2000年修正为15.83×1024 sej/a。2010年Brown & Ulgiati（1997）采用卫星测绘等更为先进的手段，考虑了来源于地热地能的不确定性，得出能值基准约为15.20×1024 sej/a；Brown等（2016）和Campbell（2016）均发表了最新的能值基准，分别为12.1×1024 sej/a和11.6×1024 sej/a，平均值为11.9×1024 sej/a。综合多位学者的研究方法和成果，若考虑可接受程度的不确定性，则定为12.0×1024 sej/a（刘耕源，2018），本文使用该值作为能值基准进行计算。

1.2.3   能值指标   在使用能值分析水电站系统的生态影响过程中，需要建立一系列能值指标对水电站系统进行定量评价（Zhong et al， 2018）。水电站系统的主要能值指标见表2。

（1）可更新资源能值比：

REN = R/U                             ②

可更新资源能值比（REN）表示本地免费可再生资源（R）与总的能值投入（U）的比值，是表示本地自然资源对于整个水电系统支持能力的重要指标（Pang et al，2015）。REN越大，表示水电系统对环境造成的压力越小，系统的可持续性越好。

（2）能值产出比：

EYR = Y/F                               ③

能值产出比（EYR）表示能值总产出（Y）与购入能值（F）的比值，EYR值越高，表面从人类经济社会输入的物质能量对于整个系统生产过程的贡献越大，系统整体的生产效率越高。

（3）环境负载率：

环境负载率（ELR）反映水电系统在建设和运行的过程中，外部购入资源以及内部不可再生资源的开发对当地生态环境造成的压力；环境负载率越大，反映水电系统造成的生态压力越大。若系统长期处于较高的环境负荷状态中，会对系统功能造成重大损失甚至退化（Chen et al， 2020）。

（4）能值可持续指标：

能值产出比（EYR）与环境负载率（ELR）的比值即为能值可持续指标（ESI），反映了水电站生态系统的可持续发展能力。如果系统的ESI较高，ELR较低，则说明系统的可持续发展能力较强（Ulgiati & Brown， 1998）。通常，ESI<1，说明系统为消费性系统，是不可持续的；110，说明该系统发展水平较低（Brown & Ulgiati，1997）。

（5）生态系统服务能值损失核算。气候调节功能能值损失（ELC）、泥沙淤积能值损失（ELS）、水库淹没能值损失（ER）以及生态系统服务损失能值总计（ECT）计算公式如下：

式中：A为水库淹没面积（km2）；VCO[2]为CO2年固存量[26.23 g/（m2·a）]；VO[2]为年氧气释放量[19.08 g/（m2·a）]（Wu et al，2013）; UEVCO[2]为CO2的能值转换率（2.12×107 sej/g），UEVO[2]为O2的能值转换率（1.22×106 sej/g）（Campbell et al， 2016）。

式中：SL为年均输沙量；O为土壤有机质百分比，O = 0.01（Brown & McClanahan， 1996）;Ce = 5.4 kcal/g × 4 186 J/kcal （Yang，2016）；UEVS为泥沙能值转化率8.01×104 sej/J（Zhang et al， 2016）。

式中：C为水库淹没面积，UEVR为水库淹没的能值转换率（3.66×1011 sej/m2）（Brown & Bardi， 2001）。

2   结果与分析

2.1   能量流动

水电系统能量物质流动图的绘制，需要明确该系统的基本结构、内外能量物质的作用关系以及内部生态流的方向。基本步骤如下：

（1）确定系统边界。水电工程系统为自然生态系统与人类社会经济系统的联合，把区域的生态经济系统作为基础，将其从中独立出来从而确定边界。

（2）确定系统的主要能量来源。主要能量一般源自系统外部，将其绘制于系统边界的外围。

（3）确定系统的主要成分。系统内部主要成分构成内部子系统，相互联系和作用。

（4）得出系统中不同组分的过程及关系。主要包括物质能量流、货币流等生态流。

（5）绘制物质能量流动图。

根据加查水电站的基本资料，确定能值分析的边界，将收集到的能量物质数据归类、分析，以Odum（1996）构建的能值语言符号体系为基础，显示加查水电站能量物质流动（图2），反映了水电站建设和运行的主要物质能量输入、内部各组分之间的能量交换过程以及效益输出。

本研究设计水电站设计运行年限为50 a，所有物质能量均基于1 a的静态研究，因此能值核算中包含的建设石材、建设用电等一次性投入项目均折算为年度的流动量（表3）。河流作为当地的可再生自然资源，为水电站提供了3.30×1020 sej的河流势能；免费本地非可更新资源（N）主要包括建设石材和天然草地损失，二者能值之和为3.01×1020 sej；购入资源（F）可分为购入可更新资源（FR）和购入不可更新资源（FN），二者的能值分别为3.05×1020 sej和2.39×1020 sej；此外，产出（Y）主要由水电、水域生产力、农田灌溉组成，3项产出能值之和为1.67×1021 sej。

加查水电站能值输入结构见图3。能值投入中，河流势能成为加查水电站第一大能量输入项，为3.30×1020 sej，占比最大，占总投入的27.79%；建设石材、运营和维护、混凝土、建设用电都是能值输入的主要组成部分，其他要素贡献较小。产出效益中水电为最大的能值产出，达到1.36×1021 sej，占总产出的81.44%，可见加查水电站基本以发电为主。加查水电站的能量流动分析中，能值投入小于产出效益，主要原因是一部分投入在计算时没有考虑在内，如部分生态系统服务功能损失、劳动力与服务等。

2.2   生态系统服务功能损失

生态系统服务是人类生存和发展的基础，是通过生态系统的功能直接或间接得到的产品或服务（Pang et al，2015）。根据联合国SEEA的生态系统服务类型划分标准，生态系统服务功能可分为供给服务、调节服务、支持服务、文化服务四大类。其中，供给服务包括食物生产、原材料生产、水资源供给；调节服务包含气体调节、气候调节、净化环境、水文调节；支持服务包含土壤保持、维持养分循环、维持生物多样性；文化服务包含提供美学景观（谢高地等，2015）。水电工程建设和运营造成的生态系统服务功能损失主要表现在气候调节功能、土壤侵蚀、鱼类多样性和废物及污水的排放等（李双成等，2014;Tassinari et al， 2016;Chen et al， 2020）。本次调研发现，加查水电站当地生态状况良好，水电站建设对于生态扰动较小。水电站在库区设置鱼类洄游通道保证河流的连通性，从而保护鱼类重要栖息地；水流清澈，岸上植被生长状况良好；加查水电站修建了沉淀池来处理施工拌合系统等产生的废水，达到污水零排放。综合加查水电站及周边环境实况，本研究考虑了气候调节功能能值损失、输沙能值损失及水库淹没造成的能值损失。

加查水电工程建设在一定程度上改变了河流的自然水文过程，大坝的阻塞作用导致泥沙和营养物质在上游水库淤积，从而降低了含沙量，增加了河岸侵蚀程度。生态系统服务能值损失核算见表4。加查水电站的泥沙淤积能值损失为7.50×1018 sej/a。水库淹没是指由于水库被淹没而造成的耕地、森林、草原和道路等的废弃与拆除，加查水电站的水库淹没能值损失为9.05×1017 sej/a。大坝的建设会造成水电站局部水面积增加，这个过程可能会伴随着植被淹没等状况，从而影响光合作用固定二氧化碳及产生有机物的过程。气候调节损失主要就是考虑碳汇和氧气释放过程，加查水电站的气候调节功能能值损失为1.43×1013 sej/a。生态系统服务损失中，泥沙淤积能值损失占比为89%，水库淹没能值损失占比11%，气候调节功能能值损失占比几乎为0，可以发现加查水电站的建设在短期内对局地气候影响较小，而泥沙淤积以及水库淹没带来的损失影响相对较大。

2.3   水电站生态影响对比

基于能值分析方法，选取4项能值指标来评估加查水电站的生态效应，分别为可更新资源能值比、能值产出比、环境负载率、能值可持续指标。拉萨河的旁多水电站（Chen et al，2020）、雅鲁藏布江的大古水电站（Chen et al，2020）以及韩国多功能大坝水电站（Kang & Park， 2002）的能值投入产出结构与本研究中的加查水电站较为相似，为方便分析以及更深入了解加查水电站的生态效应，选取加查水电站的能值分析指标与这3个水电站进行比较分析（表5）。

由表5可见，加查水电站的可更新资源能值比大于旁多和大古水电站，说明其建设过程中依赖外部资源的投入较小，对于河流势能等可更新资源的利用程度较高，是一个可再生能源系统；加查水电站的能值产出比为3.06，高于对照组的3个水电站，表明加查水电站从人类经济社会输入的物质能量对于整个系统生产过程的贡献较大，系统整体的生产效率较高；环境负载率为0.85，小于对比的3个水电站，同时也小于中国平均水平2.35（庞博慧，2014），表明加查水电站对环境的干扰程度较小；加查水电站的能值可持续指标为3.60，在1～10区间，说明该水电站系统既有较好的发展潜力，又有很好的持续能力，优于其他3座水电站。

在能值评价各指标中，能值可持续性指标是一个综合性指标。相关研究显示，雅鲁藏布江中游水电站的生态环境影响具有一定的负面作用，大古水电站的能值可持续指标为0.49，而本研究结果中加查水电站的可持续性指标为3.60，可认为生态影响较小，具有较好的可持续性。大古水电站与加查水电站同属于雅鲁藏布江中部峡谷地带，但相距较近的2个水电站ESI相差较大，根据公式⑤可知，可持续性指标的差异来源于能值产出比和环境负载率的计算方法。首先，水电站的能值产出比为能值总产出与购入部分能值之比，本研究中生态系统服务价值损失定义为狭义的气候调节、泥沙淤积和水库淹没；而大古水电站在计算时，则采用广义的生态系统服务价值损失与社会扰动作为购入部分考虑在内，其生态系统服务价值损失量除了以上定义的气候调节、泥沙淤积和水库淹没外，还包括固沙损失量、土壤侵蚀、废渣和污水等，这使得加查水电站的能值产投比为大古水电站的2倍左右；其次，环境负载率为水电站不可更新资源与可更新资源的比值，本研究中的不可更新资源定义为狭义的生态系统服务价值，也没有将社会扰动计入在内，同时可更新资源部分还计入了购入资源的可更新部分，因此本研究得到的环境负载率较小，更加符合雅江中游峡谷地带生态环境负荷的实际情况，即水电站的建设运行对当地生态造成的压力不大。

综上，本研究得到的加查水电站可持续性指标大于大古水电站，主要是由于生态服务价值损失的定义不同，而本研究的结果更为合理。

3   讨论

青藏高原具有海拔高、气温低、降水少、生态类型结构简单等特殊性，因而该地区生态脆弱性较高（邵妍，2016；刘云龙，2020）。大型水电工程建设在造福人类的同时，也会给生态带来负面影响，这种负面影响在青藏高原将被放大，因此在青藏高原建设水电站一直存在不同的观点（Chen et al，2020）。本研究通过能值理论定量分析，认为加查水电站的生态影响较小。

3.1   能值分析法的水电建设生态效应评价适用性

传统的水电工程生态评价方法如基础生态调查与观测法、模糊综合评价法、综合评价法等均存在指标体系不完善、量纲不同、评价结果没有可比性，且受人为主观因素影响较大等缺陷（常本春等，2006；尚淑丽等，2014）。水电生态影响具有累积性、复杂性、系统性和不确定性，传统生态影响评价方法存在的诸多缺陷，往往会造成人们对生态影响评估不足或过高，可能导致某些决策失误（黄金凤等，2015）。

能值分析法相比于传统的生态影响评价方法，具有客观、真实、可对比性等优势，能够全面、定量地评价水电站的生态影响（庞明月等，2014；庞明月等，2015；Fang et al， 2015；Chen et al， 2020；Kang & Park， 2002）。从能值流动的视角研究水电站建设和运行过程中的能值投入与产出，分析整个系统的可更新资源和非可更新资源投入、生态系统服务功能损失以及环境负载特征、可持续性指标等，为水电站的规划、建设、运营以及生态适应性管理提供服务；同时，这也为水电工程生态影响评价提供了新思路，能最大程度减少水电工程的生态负面效应，协调水电站与生态问题，为地区可持续发展水平提供科学决策。

3.2   生态系统服务功能损失评估框架建立与完善

生态系统服务功能的变化是应用能值理论对水电生态影响评价的重要环节。水电工程建设导致的生态系统服务功能损失是多方面的。因此，在对水电系统进行能值分析时，要全面考虑到所有的生态系统服务功能损失是不现实的（Chen et al， 2020）。

实际上，有关研究对生物多样性的丧失也是生态服务功能损失评估的一个重要组成部分（Tassinari et al，2016;Pang et al，2018）。由于加查水电站属于径流式水电站，水库调节能力弱，对生物多样性影响较小，因此本研究没有考虑水生动植物的多样性丧失造成的生态系统服务功能损失。然而，在具有较强调节功能的水库大坝建设中，由于蓄水和水库淹没的影响，河流生态系统将部分被湖泊生态系统所取代，导致流域内各种水生生物的食物链被破坏，造成生态系统服务功能损失。

3.3   水电站建设生态影响的关键指标与相关要素

加查水电站基于能值核算得出的4个能值指标（可更新资源能值比、能值产出比、环境负载率，能值可持续指标）均优于旁多、大古、韩国多功能大坝水电站（Kang & Park，2002；Chen et al，2020）。可知加查水电站在建设过程中对于河流势能等可更新资源的利用程度较高，是一个可再生能源系统，该水电站系统在拥有较好可持续能力的同时，对生态造成的影响不大。

此外，摸清系统的能量物质流动过程及建立能值核算表是水电站生态效应分析的关键环节（Brown & Mcclanahan，1996）。能值核算表明，水电站建设能值投入要素众多，主要能值投入项为河流势能、建设石材、运营和维护、混凝土和建设用电等，其中河流势能为免费可更新资源，占能量投入比重为27.79%，而建设石材、运营和维护、混凝土和建设用电等非可更新资源和购入资源等投入项的总投入比重为67.38%，其余的钢材、燃油、环保等各项投入仅为4.81%。因此，要提高水电站的可持续性指标，减少生态环境影响，就需要从建设石材、运营和维护、混凝土和建设用电这4个主要因子着手，调节建设石材用量、降低运营维护成本、减少混凝土使用量和建设用电，这些都是降低生态环境影响的直接方法。

3.4   未来青藏高原水电开发的相关建议

青藏高原水电资源丰富，是我国重要的水电基地（刘云龙，2020）。加查水电站位于雅鲁藏布江中游峡谷中部，其成功建设和安全运行为青藏高原水能资源系统开发和全国绿色能源开发有重要指导意义。在未来的开发中，有以下建议：（1）修建水电站需要先小型、后中大型水电的开发顺序，积累经验，逐步推广；（2）青藏高原水电工程建设严格执行规划环评制度，落实规划前期环评、工程建设过程和运行过程的动态监测以及运行周期后的项目后评估等系列评估制度；（3）对于国际河流水电开发实现上下游信息沟通，水文、气象资料的定期交流。只有建立科学有效的利益分享机制和公正合理的生态补偿机制，保障合理的生活、生产、生态用水，才能较好地维护国际河流沿岸每个国家的利益，实现公平公正。

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（责任编辑   万月华）

Emergy Evaluation of the Ecological Impacts of Hydropower Stations

on the Tibetan Plateau

XIAN Wen1，2， ZHANG Shi‐feng 1， QIU Tao1，2

（1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Process， Institute of Geographic Science

and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing   100101， P.R. China;

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing   100049， P.R. China）

Abstract：A systematic and quantitative evaluation of the ecological effects due to construction and operation of hydropower projects is important for the rational development and operation of hydropower stations. In this study， the Jiacha Hydropower Station on the Yarlung Zangbo River on the Tibetan Plateau was selected for research. The overall ecological impacts during construction and operation of the station were analyzed based on emergy （embodied energy） analysis， a method for ecological energy accounting. Our aim was to provide quantitative evidence for operational management of the Jiacha Hydropower Station and balanced ecological development in the study area. Resource investment as well as the loss of ecosystem services caused by the constructing and operating the hydropower station were used as input data in the emergy analysis， and four emergy indices were selected for evaluating the ecological impact of Jiacha Hydropower Station： （1） The emergy ratio of renewable resources （REN）， （2） the emergy yield ratio （EYR）， （3） the environmental load rate （ELR）， and （4） the emergy sustainability index （ESI）. Results indicate： （1） The average annual emergy input required for the operation of the Jiacha Hydropower Station was 1.18×1021 seJ， of which the river potential energy provided 3.30×1020 sej， accounting for 27.79% of the total emergy input. （2） The annual emergy loss due to reduced ecosystem services was 8.40×1018 sej， primarily attributed to sedimentation， reservoir inundation and climate regulation. The annual emergy loss of sedimentation accounted for 89%， being the primary annual emergy loss of the ecological services component. （3） The environmental load rate of the investigated area was 0.85， and the emergy sustainability index （ESI） was 3.60， indicating that construction and operation of Jiacha Hydropower Station produced a small ecological impact on the Tibetan Plateau and that ecological sustainability in the research area is good. In conclusion， it is feasible to construct hydropower stations on the Tibetan Plateau， but principles of appropriate development and ecology must be followed.

Key words：hydropower station; emergy analysis; ecological effect; ecosystem service function; Tibetan Plateau; Jiacha Hydropower Station

收稿日期：2021-07-12      修回日期：2023-09-27

基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究。

作者简介：贤雯，1995年生，女，硕士研究生，研究方向为自然地理学水文与水资源。E-mail：xianw.19s@igsnrr.ac.cn

通信作者：张士锋，1965年生，男，副研究员，主要从事水文与水资源研究。E-mail：zhangsf@igsnrr.ac.cn