齊 璞,齊宏海,田世民
(1.黃河水利委員會水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003;2.美國柏誠(PB)工程咨詢公司,新澤西勞倫斯維爾 08648)
2000年以來黃河下游河道巨變與前景展望
齊 璞1,齊宏海2,田世民1
(1.黃河水利委員會水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003;2.美國柏誠(PB)工程咨詢公司,新澤西勞倫斯維爾 08648)
隨著黃河中上游水利工程的大量興建,以及水土保持與灌溉的發(fā)展,洪水發(fā)生的機會與洪峰流量大幅度減小,不再需要下游寬河漫灘削峰。近年來對黃河窄深河槽泄洪輸沙機理、河道輸沙能力有了新認識,認為下游河道具有極強的泄洪和輸沙能力,可為黃河下游河道的治理指明方向。三門峽水庫改建后“蓄清排渾”運用的減淤作用已經(jīng)使花園口以上河道基本不淤。小浪底水庫投入運用13a,下游河道均發(fā)生巨大變化,下游河道水位全程降低1.0~2.2 m,平灘流量迅速增大,但是游蕩性河道依然寬淺散亂,急需進行雙岸整治,形成窄深、穩(wěn)定河槽;通過小浪底峽谷水庫的泥沙多年調(diào)節(jié),優(yōu)化進入下游的水沙組合,并長期發(fā)揮作用。將小浪底水庫泥沙調(diào)節(jié)到流量大于3000 m3/s時宣泄,利用改造后新河槽輸沙入海,可以控制河槽不抬高,并大幅度增加水庫興利庫容。
黃河;泥沙淤積;水沙變化;窄深河槽;洪水排沙
泥沙淤積是洪水危害黃河下游的根源。1955年,第一屆全國人民代表大會第二次會議曾通過了《關(guān)于根治黃河水害和開發(fā)黃河水利的綜合規(guī)劃的決議》,曾以“節(jié)節(jié)蓄水、分段攔泥”的原則對黃河做了全面規(guī)劃,目的是使黃河變清,從根本上解決下游的洪水災(zāi)害。第一期重點工程三門峽水庫被迫改建兩次,水庫運行方式由“蓄水?dāng)r沙”改為“滯洪排沙”,但黃河下游的泥沙淤積問題仍然沒有得到根本解決。進入21世紀(jì),水利部針對黃河治理提出了“堤防不決口、河道不斷流、水質(zhì)不超標(biāo)、河床不抬高”的目標(biāo),其中最難實現(xiàn)的是河床不抬高。泥沙隨洪水而來,隨洪水而去是最好的歸宿。筆者認為要改變過去通過攔截泥沙治理黃河的觀念,而應(yīng)以調(diào)沙為主,充分利用黃河洪水的巨大輸沙能力將泥沙輸送入海。
近年來人們對黃河下游河道泄洪輸沙規(guī)律有了新的認識,對黃河的治理也有了很大的進展。嚴(yán)軍等[1]根據(jù)1950年以來黃河下游河道實測水沙資料,以及2002—2008年小浪底水庫8次調(diào)水調(diào)沙期間的實測數(shù)據(jù),得出河道淤積比隨來沙量、出庫平均含沙量和來沙系數(shù)的增大而增大的結(jié)論。陳建國等[2]通過對1999年小浪底水庫運用以來實測資料的分析,從河道的沖刷和河道平面形態(tài)變化兩方面闡述小浪底水庫攔沙運用10a來水庫淤積及下游河道的再造床過程及其特點,為今后的水沙調(diào)控提供了借鑒。張艷艷等[3]分析了黃河下游河道近30 a來277場洪水的輸沙特性,建立了考慮各變量高次方和交叉作用的排沙比回歸模型,認為排沙比公式能夠反映洪水的輸沙特性,對了解黃河下游河道的輸沙特性和河床變形規(guī)律有一定的幫助。劉國偉[4]從河流地貌學(xué)角度總結(jié)了黃河下游河道的形成演化過程,認為黃河河性不可能發(fā)生變化。以上研究表明,黃河下游河道的治理方略一直都是學(xué)術(shù)研究的熱點,各方所持觀點有所不同。
近年來筆者對河道輸沙能力有了新的認識,發(fā)現(xiàn)窄深河槽具有很強的輸沙潛力和過洪能力。由于黃河長期多沙,且水沙組合不合理,小水挾沙過多,形成0.01% ~0.02%的較陡河道,較淮河、長江下游河道更陡,洪水期流速可達3~4m/s。在漲水期河床遭到?jīng)_刷,水深和流速均迅速增大,最大洪峰時河床高程最低,過流能力最大。黃河下游河道花園口站的河床高程為90多m,長江武漢站的海拔高程只有20多m。黃河河道成為華北平原海河流域與淮河流域的分水嶺,目前河床縱坡面對利用洪水輸送泥沙入海很有利。這些新認識為實現(xiàn)“河床不抬高”的目標(biāo)提供了堅實的理論基礎(chǔ)和切實可行的技術(shù)保證。
黃河流域?qū)俑珊?、半干旱地區(qū),隨著中上游大量水利工程的興建,黃河流域工農(nóng)業(yè)用水的日益增長和水土保持治理措施的不斷完善,引起下墊面匯流條件發(fā)生巨大變化,黃河實測洪水大幅度減小。
1968年、1986年劉家峽和龍羊峽水庫相繼投入運用,水庫對水量進行多年調(diào)節(jié),汛期進入黃河下游的水量大幅度減少。截至1994年,黃河干支流上已修建大、中、小型水利樞紐600余座,總庫容達700億m3,超過黃河的年來水量。僅小浪底、三門峽、劉家峽、龍羊峽4座水庫的防洪庫容就有156.2億m3,相當(dāng)于黃河千年一遇洪水12d的總來水量。黃河支流也興建了很多大型水庫,如防洪庫容為6.77億m3的伊河陸渾水庫和庫容為6.98億m3的洛河故縣水庫。黃河中上游多座水庫的修建使黃河實測洪峰流量大幅度減小,如花園口站千年一遇洪水的洪峰流量由42300m3/s降為22500m3/s;百年一遇洪水的洪峰流量由29 200 m3/s降為15 700 m3/s?;▓@口站1950—2010年歷年實測最大洪峰流量變化過程見圖1。1982年以來的30a內(nèi)花園口站的洪峰流量均未超過8100m3/s,小浪底水庫投入運用以來洪峰流量未超過5000m3/s。這說明黃河大洪水發(fā)生的幾率大幅度減小,洪水基本上得到了有效的控制。
圖1 花園口站1950—2010年實測最大洪峰流量的變化
由圖1看出,花園口站1987年以前經(jīng)常發(fā)生最大洪峰流量大于7000 m3/s的洪水,1987年龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合運用以后,花園口站的最大洪峰流量再未超過7000 m3/s。黃河水沙條件已經(jīng)發(fā)生巨大變化,洪峰流量大幅減小,洪水造床作用顯著減弱,水少沙多的矛盾也更加突出,因此利用過去的資料分析得出的“寬河滯洪堆沙作用”的結(jié)論,不能指導(dǎo)今后黃河下游河道的治理。而且,黃河洪峰流量的大幅度減小是不可逆轉(zhuǎn)的變化,今后黃河下游只要河床不抬高,洪水災(zāi)害便不難解決。
小浪底水庫投入運用后,河南、山東河道都發(fā)生了沖刷。1999年10月至2012年10月小浪底水庫庫區(qū)淤積量為27億m3,水庫處于攔沙運用的初期。近年來流域來沙量明顯偏小,水庫淤積速度比原來預(yù)計得慢。根據(jù)黃河下游河道大斷面的測量成果,2000—2012年利津以上河道沖刷量共計16.6億m3,年平均沖刷量為1.26億m3,其中夾河灘以上河段的沖刷量為9.94億m3,占沖刷總量的60.46%;夾河灘—高村河段沖刷量為1.95億m3,占11.87%;高村—艾山河段沖刷量為2.36億m3,占14.35%;艾山—利津河段沖刷量為2.19億m3,占13.32%。圖2給出了各河段主槽沖刷面積的變化,其中黃河前9次調(diào)水調(diào)沙期間共沖刷3.4億t,占該時段沖刷量的28.5%。
圖2 1999年10月至2012年10月各河段主槽沖刷面積
與2000年汛后相比,2012年汛后小浪底水庫在相同流量(2 000 m3/s)時下游水位降低1.25~2.20m,見表1,水位下降幅度呈現(xiàn)兩頭大、中間小的特點。經(jīng)過13 a的沖刷,黃河下游河道的排洪能力顯著增大,與小浪底水庫運用前相比,平灘流量增加了1100~3200 m3/s。2012年汛后黃河下游各站的平灘流量達4100~6900m3/s,其中花園口站的平灘流量最大。
表1 2000—2012年小浪底水庫運用前后下游河道同流量水位變化
目前花園口站以上河段的平灘流量大于7000 m3/s,夾河灘以上河段大于6000m3/s,高村以上達5400 m3/s,再加上1.2~2.5 m高的生產(chǎn)堤,可通過7000~9000 m3/s的流量。平灘流量最小的孫口河段也有4 200 m3/s,加上1.5~2.5m高的生產(chǎn)堤,可通過5 000 m3/s的流量。今后小浪底水庫還要進行泥沙多年調(diào)節(jié),相機利用洪水排沙,河床還會向下沖刷,河段平灘流量還會增大。
20世紀(jì)80年代,研究者對黃河干支流高含沙洪水的輸沙特性進行了分析,認為窄深河槽更有利于高含沙洪水的輸送。由花園口、夾河灘、高村、孫口等9個水文站的96組實測流量輸沙率原始資料[5]分析得出,垂線含沙量分布均勻系數(shù)(相對水深0.2與0.8處測點含沙量的比值)隨含沙量(質(zhì)量濃度,下同)的變化見圖3。由圖3可知,粒徑組成0.03~0.10 mm時,含沙量大于200 kg/m3后垂線含沙量分布變得均勻。由此可見,黃河適宜輸送的是含沙量大于200 kg/m3的高含沙水流[5-7]。
圖3 垂線含沙量分布均勻系數(shù)隨含沙量的變化
黃河下游含沙量最高的5次洪水的平均含沙量沿程變化曲線見圖4。由圖4可知,高含沙洪水在黃河下游河道中發(fā)生嚴(yán)重淤積以及在輸送過程中產(chǎn)生異常現(xiàn)象的根本原因是高村以上為寬淺游蕩河道,不適合高含沙洪水的長距離輸送[7]。
圖4 黃河下游含沙量最高的5次洪水的平均含沙量沿程變化
河床沖刷與淤積主要取決于底沙的運動狀況,與床面形態(tài)關(guān)系密切[7]。在低含沙量時,當(dāng)水流流速在1.8~2.0m/s時,床面形態(tài)轉(zhuǎn)化為高輸沙動平整狀態(tài);在高含沙量時,由于黃河泥沙組成較細,含沙量增高引起流體黏性增大,粗顆粒泥沙易浮不易沉。利用曼寧公式進行水力計算,結(jié)果表明河床對水流的阻力并沒有增加。窄深河道適宜輸送含沙量在200~800kg/m3之間的高含沙水流[8],而不是低含沙量水流。
黃河下游艾山以下河道比降為0.01%,表2列出的1973年和1977年3場高含沙洪水中艾山—利津窄深河段的輸沙情況表明,在流量為3 000 m3/s、最大含沙量為200 kg/m3時,以水流中含沙量變化表示的河段排沙比在0.97~1.04之間;洪峰前后河床明顯發(fā)生沖刷;流量3 000 m3/s時水位變化在-0.20~0.46 m,表明上述洪水期間泥沙能夠順利輸送而河床基本不淤積。
三門峽庫區(qū)也表現(xiàn)出黃河高含沙洪水輸移的高效輸沙特性。1977年7月和8月發(fā)生高含沙洪水時,庫區(qū)水面寬度為600~800 m,水庫發(fā)生嚴(yán)重壅水,壩前41.2km范圍內(nèi)水面比降為0.0027% ~0.0092%,其中懸沙中d90=0.35 mm,d50=0.105 mm,2場洪水水庫排沙比分別達0.97和0.99,見表3。實測出庫最大含沙量分別為589kg/m3和911kg/m3,說明粗顆粒泥沙在高含沙水流中也可以順利輸送。
表2 艾山—利津河段較高含沙洪水輸沙與河床沖淤特性
在窄深河槽中水流流速隨著流量的增大而增大,河床由淤積變?yōu)闆_刷,艾山以下窄深河槽形成“多來多排”的規(guī)律[8]。黃河下游各河段輸沙特性見圖5,圖中給出了上游不同含沙量(50~100 kg/m3、100~150 kg/m3、大于150 kg/m3)時洪水輸沙實測點據(jù),黑線代表河道排沙比為1的輸沙狀態(tài)。在流量大于2000 m3/s時,高村以上2個寬淺河道(圖5(a)、(b))在來水含沙量大于100 kg/m3時,河段的排沙比均小于1,表現(xiàn)為“多來多排多淤”,其中主河槽為“多來多排”,而邊灘則為“多來多淤”;艾山以下河道(圖5(d))實測最大含沙量為200 kg/m3,河段排沙比仍可達到1。根據(jù)對山東河道高含沙水流輸沙特性的研究得出,在流量為2000~3000m3/s時,可輸送含沙量小于200kg/m3的洪水,當(dāng)含沙量進一步增大到500~600 kg/m3時更有利于泥沙的輸送,表明該河段具有巨大的輸沙潛力。
窄深河槽過流能力與水深的5/3次方成正比[9]?;▓@口站附近的河道比降是0.02%,在1977年7月和8月兩場高含沙洪水期間,實測主槽寬度分別為467 m和483 m,相應(yīng)水深分別為5.4 m和5.3 m,平均流速分別為3.85 m/s和3.73m/s,流量分別達8980 m3/s和9540 m3/s(圖6)。由此可知,要使主槽擁有較大的過流能力,只需保持較大的水深,而對河寬的要求并不是很高。
艾山站附近河道比降是0.01%,1958年7月洪水期間,在河寬為476 m和468 m、平均水深分別為8.9 m和10.6 m時,過流能力達到了12300 m3/s和12500 m3/s;濼口站在主槽寬度為295 m、平均水深分別為10.6m和13.1m的條件下,過流能力達到了10100 m3/s和11100 m3/s。高、低含沙量的洪水均隨著流量的增加水位不斷上升,由最容易起動的粉細沙組成的河床不斷刷深,河道的過流能力迅速增大,其中河床沖刷對過洪能力增大的影響大于水位抬升的影響,甚至?xí)霈F(xiàn)由于河床劇烈沖刷導(dǎo)致洪水水位不漲反降的現(xiàn)象。由于過洪能力受水深高次方的影響,窄深河槽會隨著流量的增大不斷被刷深,從而水位漲勢趨緩。
河床的沖刷或淤積取決于底沙的運動狀況,漲水期作用在床面的剪力或功率不斷增大,引起底沙輸沙能力增強,使河床發(fā)生沖刷[10];落水期作用在床面的剪力或功率不斷減弱,使河床發(fā)生淤積。
表3 三門峽水庫1977年7、8月兩場高含沙洪水排沙情況
圖5 黃河下游沿程各河段輸沙能力的沿程變化
圖6 花園口站歷年流量與河寬的關(guān)系
由于底沙的運動速度遠小于洪水波傳播速度,水流流速沒有因沿程比降變緩而降低。比降變緩,河寬減小,水深增加,從而流速保持不變,甚至沿程增大,以維持河流縱向輸沙的平衡。從實測資料分析來看,洪水在長達幾百甚至上千km的河道中,比降變化甚至達10倍(在0.006% ~0.06%之間),河道可產(chǎn)生強烈沖刷,因此在利用洪水進行排沙時不必刻意攔粗排細。
三門峽水庫的改建成功,創(chuàng)造了在多沙河流上長期保持水庫有效庫容的范例。然而三門峽水庫的“蓄清排渾”運用方式有其局限性:一是受潼關(guān)高程的限制,調(diào)沙庫容小,不能對黃河泥沙進行多年調(diào)節(jié),每年汛期不得不降低水位運用,往往使小水帶大沙進入下游;二是水位變幅小,不能產(chǎn)生強烈的溯源沖刷,難以維持長歷時、高含沙量的出庫水沙條件,因而不能充分利用下游河道的輸沙能力。
在“攔、排、調(diào)、放、挖”的治河方略中,以“調(diào)”為核心,為下游形成窄深河槽提供技術(shù)支撐。黃河的泥沙隨洪水而來,輸沙入海也要利用洪水。水庫排沙機會多,為利用洪水處理泥沙提供了條件。
小浪底水庫為峽谷型水庫,具有進行泥沙多年調(diào)節(jié)的能力,可以將泥沙調(diào)節(jié)到洪水期進行輸送,為進一步治理游蕩性河道創(chuàng)造條件。要充分利用黃河下游河道在洪水期的輸沙潛力,增大主槽的過流能力,控制洪水漫灘幾率,發(fā)揮洪水造床和輸沙入海作用,未來黃河下游河道發(fā)生一般洪水時不需要寬河削峰。
小浪底水庫利用洪水輸沙不僅有利于河口河段沖刷,也有利于河口治理,因為高含沙洪水輸沙到河口地區(qū)可形成異重流,從而使泥沙在更大海域堆積,減少河口淤積對上游河道的影響。河口流路的規(guī)劃應(yīng)使泥沙在更大范圍內(nèi)堆積,以便充分利用海洋動力將泥沙盡量輸送至外海。
小浪底水庫可以在洪水期主動進行泄空運用,此時庫水位快速降低,隨著主槽強烈沖刷,灘槽高差增大,淤積泥沙體內(nèi)發(fā)生超孔隙水壓力,引發(fā)淤積體向主槽坍塌,為形成高含沙水流、利用洪水排沙創(chuàng)造了有利條件[11]。
小浪底水庫的設(shè)防庫容為40.5億m3,相應(yīng)水位為254 m。水庫調(diào)水調(diào)沙可控制庫水位在200~254 m之間。評價黃河調(diào)水調(diào)沙水庫運用方式的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個:一是有多少泥沙可以調(diào)節(jié)到洪水期進行輸送;二是有多少水量可以通過水庫調(diào)節(jié)得到有效利用。根據(jù)研究,小浪底水庫庫區(qū)淤積量大于30億m3后才可以利用洪水沖刷排沙,目前庫區(qū)的淤積量為27億m3,說明水庫仍為攔沙運用期。在相同的水沙條件下,庫區(qū)的淤積量小則水庫沖刷的機會多,但沖刷效率較低;首次起沖的沖刷量大時庫區(qū)淤積量多,沖刷效率高,但沖刷機會將減少。在同樣的來水條件和庫區(qū)泄空水位下,水庫淤積量大則沖刷效率高,出庫含沙量也大。對小浪底水庫泥沙多年調(diào)節(jié)系列年進行計算后得出70%~90%的泥沙可以調(diào)節(jié)到洪水期進行輸送。
在上述調(diào)節(jié)原則下,進入黃河下游的水沙為小流量清水和挾帶大量泥沙的洪水。由于水庫主動空庫進行泄洪排沙,淤土滑塌所形成的新的調(diào)沙庫容可以長期重復(fù)利用,為維持黃河下游河槽長期不淤創(chuàng)造了有利的水沙條件。
經(jīng)過多年研究,在小浪底水庫攔沙運用初期,當(dāng)攔沙庫容淤滿后,通過水庫進行泥沙多年調(diào)節(jié)[12],把泥沙調(diào)節(jié)到洪水期進行輸送,可以控制下游主槽不抬高,甚至發(fā)生沖刷下切。因為每當(dāng)黃河下游發(fā)生高含沙洪水時,主槽都是沖刷的,洪水存在“漲沖落淤”的輸沙特性。小浪底水庫運用初期下泄清水,攔沙庫容淤滿以后進行泥沙多年調(diào)節(jié),利用洪水排沙,二者結(jié)合可使下游河床不抬高,平灘流量逐漸增大,漫灘機會少,黃河泥沙與洪水問題可以得到根本解決。
采用水庫泥沙多年調(diào)節(jié)后,多年平均輸沙用水將保持在60億m3左右,節(jié)省了2/3,且均發(fā)生在豐水年小浪底水庫無法進行調(diào)節(jié)利用的洪水期;多年平均發(fā)電量比當(dāng)前汛期低水位運用的初步設(shè)計狀況下的年發(fā)電量增加20%,由50億kW·h增加至60億kW·h。
黃河下游游蕩性河道的特點是寬淺散亂。從防洪和高洪水輸沙角度來說都需要形成一個穩(wěn)定和窄深河槽[13]。為了保證黃河下游的防洪安全,就必須形成穩(wěn)定的窄深河槽,才能提高下游河道的輸沙能力,充分利用河道在洪水期的輸沙潛力實現(xiàn)多輸沙入海。將游蕩性河道改造成窄深、歸順、穩(wěn)定的高效排洪輸沙通道,既可以保護灘區(qū),又提高了下游河道的輸沙能力。因此,黃河下游河道的治理目標(biāo)是形成窄槽寬灘,窄槽用于排洪輸沙,寬灘用于特大洪水時滯洪削峰。
a.今后無論黃河水沙如何變化,都要經(jīng)過小浪底水庫的調(diào)節(jié)才進入下游。暴雨多,洪水多,來沙多,水庫排沙機會多;降雨少,洪水少,來沙少,水庫無排沙條件,則水庫以蓄水?dāng)r沙方式運用,調(diào)節(jié)徑流供水并發(fā)電興利。
b.在黃河的治理中,充分利用洪水排沙入海具有十分重要的戰(zhàn)略意義,不僅可以解決河床淤積問題,還可節(jié)省大量輸沙用水量,不必再從千里之遙的長江調(diào)水沖刷黃河下游泥沙,可為國家節(jié)省大量資金。
c.通過利用洪水排沙入??山鉀Q河床不抬高的問題,主槽過流能力增大,洪水漫灘機會減少,包括防洪在內(nèi)的河道內(nèi)灘區(qū)的所有問題將逐漸得到緩解,實現(xiàn)黃河灘區(qū)人與河流的和諧相處,體現(xiàn)以人為本的科學(xué)發(fā)展觀,是對當(dāng)前和未來黃河下游河道治理的客觀要求。
d.黃河經(jīng)過今后若干年的治理和開發(fā),可以從一條災(zāi)害頻繁的害河轉(zhuǎn)化為一條效益巨大的利河。黃河的泥沙問題能得到根本性解決,黃河將發(fā)生巨變,即洪水不再泛濫,黃河的水資源也能得到充分利用。
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Great changes on the Lower Yellow River channel since 2000 and future prospective
QI Pu1,QI Honghai2,TIAN Shimin1(1.Institute of Hydraulic Research,Yellow River Conservancy Commission,Zhengzhou 450003,China;2.Parsons Brinckerhoff Engineering Consulting Corporation,Lawrenceville 08648,USA)
With the construction of large hydropower projects on the upper and middle reaches,the development of soilwater conservation and irrigation projects,the probability that a big flood event will occur and flood peak discharges have been greatly reduced.It is unnecessary to widen the lower-reach river to allow floodplain inundation for flood peaks reduction.In recent years,there is a major breakthrough in the understandings of the mechanism and capacity of the sediment transport in the narrow and deep channel of the Yellow River.Lower-reach channel has huge flood discharge and sediment transport capacity,which points out the future direction of harnessing the river.After the reconstruction of Sanmenxia Reservoir and the operational mode of“storing clear water and releasing muddy water”to reduce deposition,non-siltation has already been achieved for the channel upstream of Huayuankou.After the operation of Xiaolangdi Reservoir for 13 years,great changes have taken place in the lower-reach channel with maximum longitudinal water surface elevation reduction of 1.0 -2.2 meters,and the bankfull discharge has been increased dramatically.But the wandering reaches are still wide,shallow,scatter and ill-conditioned,and they need to be regulated at both banks to form a stable,deep and narrow channel.Through multi-year sediment regulation of valley type of reservoirs like Xiaolangdi,the combinations of flow and sediment entering the lower-reach can be optimized,and the reservoir can be used for a long time.Sediment should be managed to be released when discharge is greater than 3000m3/s,and it should be transported through the regulated new channel to sea.By using this approach,the river bed will not be elevated by deposition,and the beneficial use of the reservoir will be significantly increased too.
Yellow River;Sedimentation;variations of flow and sediment;narrow and deep channel;sediment release by flood
TV212.5+2
A
1006-7647(2013)06-0023-06
10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.004
齊璞(1942—),男,北京人,教授級高級工程師,主要從事河床演變與泥沙輸移、河道整治等研究。E-mail:qipuqi@aliyun.com
2012-12-14 編輯:駱 超)