劉昊一, 趙三琴， 丁為民， 趙思琪

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實驗室， 江蘇 南京 210031)

全自動增氧機水質(zhì)凈化效果研究與改進試驗

劉昊一, 趙三琴， 丁為民， 趙思琪

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實驗室， 江蘇 南京 210031)

【目的】解決鱖魚養(yǎng)殖過程中全自動增氧機的密封、安裝不便等問題?！痉椒ā?014年7月至11月，在鱖魚養(yǎng)殖的整個周期中，對該機具的清洗周期、測量精度、控制可靠性展開魚塘試驗，研究長期使用該機具對養(yǎng)殖水質(zhì)和用電量的影響。通過改變O形密封圈與三角溝槽的尺寸提高溶解氧傳感器的密封性和安裝便利性，通過改變上、下蓋的倒角尺寸提升溶解氧傳感器的安裝便利性?！窘Y(jié)果】在整個養(yǎng)殖過程中，與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀相比，全自動增氧機平均清洗周期相差不大，溫度測量誤差為±0.8℃，溶解氧含量測量誤差為±0.6 mg·L-1，調(diào)控的魚塘溶解氧含量均大于設(shè)定的溶解氧含量下限值(4 mg·L-1)。同時，與手動控制增氧機的魚塘相比，使用全自動增氧機的魚塘溶解氧含量較高，最高達 7 mg·L-1，且水質(zhì)參數(shù)中平均氨氮含量低35.9%，平均亞硝酸鹽含量低50.7%，節(jié)約用電29.5%?！窘Y(jié)論】該機具長期使用時，具有抗污性強、清洗方便、改善水質(zhì)、節(jié)能省工的優(yōu)點，可滿足魚塘養(yǎng)殖的實際要求，且密封好、安裝方便，具有大面積推廣的實用價值。

鱖魚養(yǎng)殖； 全自動增氧機； 水質(zhì)； 溶解氧； 密封性； 改進試驗

近30年里，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重從29%升至71%[1-2]。據(jù)中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒，2013年江蘇省水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的9.2%，淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的11.6%，其中魚塘養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的71%[3]，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中占有極其重要的地位。

魚塘水質(zhì)決定著養(yǎng)殖魚類的質(zhì)量和產(chǎn)量[4-6]，其中溶解氧是最重要的水質(zhì)指標(biāo)[7]。人工控制增氧機的養(yǎng)殖模式解決了魚塘高密度養(yǎng)殖的缺氧問題，但該控制模式存在費時費工、盲目增氧等問題，尤其是夜間不能及時發(fā)現(xiàn)斷電、氣壓降低等突發(fā)狀況，在一定程度上影響?zhàn)B殖魚類的生長[8-10]。國外的溶氧測控儀價格昂貴、采購周期長，國內(nèi)的清洗周期、測控精度和穩(wěn)定性與國外的相比還有一定的差距[11]。江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實驗室研制了一套低成本、強抗污、滿足不同水層測量的魚塘溶解氧傳感器及與其配套的在線控制器[12]，并已對測試設(shè)備進行了初步試驗。然而，該溶解氧傳感器、控制器與增氧機配合下組成的系統(tǒng)(以下稱為全自動增氧機)，在長期使用后，對養(yǎng)殖水質(zhì)和用電量的影響，需要進一步進行魚塘試驗。為此，本研究在該全自動增氧機的基礎(chǔ)上，以鱖魚為養(yǎng)殖對象，進行一個養(yǎng)殖周期的魚塘試驗，對全自動增氧機溶解氧傳感器及與其配套的在線控制器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性進行評價，并考核全自動增氧機對養(yǎng)殖水質(zhì)和用電量的影響。根據(jù)該機具在長期試驗過程中出現(xiàn)的問題，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以及驗證試驗。

1 材料與方法

1.1 材料

全自動增氧機接線原理如圖1所示，全自動增氧機主要部件有空氣開關(guān)、交流接觸器、溶解氧在線控制器、溶解氧傳感器、增氧機。其工作原理為：溶解氧在線控制器在初期使用時根據(jù)養(yǎng)殖對象設(shè)定溶解氧含量的下限值，當(dāng)所測溶解氧含量低于下限值時，繼電器工作，交流接觸器線圈得電，交流接觸器吸合，增氧機開啟，直至所測溶解氧含量高于上限值時，繼電器斷開，交流接觸器線圈失電，交流接觸器復(fù)位，增氧機關(guān)閉。為方便養(yǎng)殖戶及時應(yīng)對魚塘現(xiàn)場情況,溶解氧在線控制器還設(shè)置了手動操作,實現(xiàn)手動操作與自動控制的結(jié)合。

圖1 全自動增氧機接線原理圖

1.2 方法

魚塘試驗于2014年7月7日至11月7日在江蘇省鹽城市亭湖區(qū)永豐鎮(zhèn)原果林場進行。試驗魚塘為長50 m、寬40 m東西走向的高位池，每畝放養(yǎng)鱖魚1 600～1 700尾，水深為1.2～1.6 m，選擇3口魚塘，分別為試驗塘1(全自動增氧機1臺)、對照塘2、對照塘3(全自動增氧機1臺+丹麥OxyGuard溶解氧測控儀1臺)，其中試驗塘1的增氧機為自動控制，對照塘3的增氧機為手動控制。該機具溶解氧測量范圍為0～20 mg·L-1，溫度測量范圍為0～40 ℃[12]，溶解氧傳感器安裝在魚塘中與增氧機水平位置相距約20 m，與水面垂直位置相距約0.8 m，均安裝1臺1.1 kW曝氣式增氧機和2臺1.5 kW水車式增氧機。

全自動增氧機對養(yǎng)殖水質(zhì)以及用電量的影響試驗在試驗塘1和對照塘2中同時進行。全自動增氧機溶解氧傳感器評價指標(biāo)包括清洗周期、測量準(zhǔn)確性、控制穩(wěn)定性，由于試驗受外界因素的影響，清洗周期和測量準(zhǔn)確性試驗在對照塘3進行，控制穩(wěn)定性試驗在試驗塘1進行。

1.2.1 對養(yǎng)殖水質(zhì)以及用電量的影響 采用檢測工具箱水質(zhì)檢測器測試試驗塘1和對照塘2的pH、氨氮含量、亞硝酸鹽含量及總?cè)芙庑怨腆w(Total dissolved solid，TDS)；對用電量的影響是通過對比試驗塘1和對照塘2的用電量來確定的。

1.2.2 全自動增氧機溶解氧傳感器測試 清洗周期的測試是通過記錄全自動增氧機溶解氧傳感器和丹麥OxyGuard溶解氧測控儀溶解氧傳感器的清洗次數(shù)及時間；長期測試的準(zhǔn)確性主要是在整個養(yǎng)殖過程中與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀對比，記錄溫度和溶解氧含量數(shù)據(jù)，記錄時間為8:00～17:00，每隔1.5 h記錄1次；長期控制的穩(wěn)定性主要是通過考察增氧機開啟條件是否低于設(shè)定的溶解氧下限值。

試驗數(shù)據(jù)均采用Excel和SPSS軟件進行分析。

1.2.3 全自動增氧機溶解氧傳感器的改進 密封是溶解氧傳感器長期、安全、穩(wěn)定運行的保證，其透氣膜在不同介質(zhì)中的受力情況不同。介質(zhì)為空氣時，改進前、后結(jié)構(gòu)剖面分別如圖2a、2c所示，與改進前相比，改進后透氧膜受到透氧膜膜蓋對透氧膜的壓力和O形密封圈對透氧膜的支持力，以及三角溝槽斜面對透氧膜的壓力和墊圈的支持力，縱向和橫向受力均平衡；介質(zhì)為水時，改進前、后結(jié)構(gòu)剖面分別如圖2b、2d所示，受水壓的作用透氧膜向內(nèi)凸起變形，橫向摩擦力分為2部分：平面上的透氧膜膜蓋、外殼體和透氧膜之間的摩擦力；三角溝槽的斜面上透氧膜膜蓋、O形密封圈和透氧膜之間的摩擦力。橫向的摩擦力增大，密封性增強。其中O形密封圈以及密封槽的尺寸是保證密封的關(guān)鍵之處。改進后的O形密封圈被安裝在三角溝槽和透氧膜膜蓋密封面之間，由兩者壓縮產(chǎn)生的彈性壓力實現(xiàn)密封。

1：陰電極；2：電解液；3：透氧膜膜蓋；4：透氧膜；5：外殼體；6：O形密封圈。

圖2 改進前、后透氧膜膜蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Oxygen-permeable membrane cover internal structure before and after improvement

根據(jù)現(xiàn)使用的O形密封圈等條件可知，密封圈內(nèi)徑D0=18 mm，密封圈截面直徑d0=1 mm，密封圈外徑D=20 mm。根據(jù)機械設(shè)計手冊[13]可知，平面靜密封的壓縮率為15%～30%；孔徑小于30 mm時，靜密封狀態(tài)下的過盈量δ為0.3～0.4；密封圈體積溶脹率為0.15～0.20，靜密封取較大值。因此，為實現(xiàn)較好的密封，壓縮率取值30%，δ取值0.4，密封圈體積溶脹率取值0.20。

根據(jù)機械設(shè)計手冊可知，該三角溝槽的槽深H為0.7 mm，槽寬B為1.29 mm。因此，該三角溝槽內(nèi)角應(yīng)為28.5°，由于加工工藝，一般加工為30°。

圖3為上蓋改進前、后的結(jié)構(gòu)圖，由于軸頭的倒角屬于輔助工序，改進前被忽視，導(dǎo)致上、下蓋安裝產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致陰電極和透氧膜之間的距離增大，影響測量；改進后使該倒角與下蓋倒角相配合，方便溶解氧傳感器上、下蓋的安裝。

圖3 改進前、后溶解氧傳感器上蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 The internal structure of the top cover of the dissolved oxygen sensor before and after improvement

2 結(jié)果與分析

2.1 全自動增氧機對鱖魚養(yǎng)殖水質(zhì)和用電量的影響

2.1.1 對溶解氧含量的影響 圖4為全自動增氧機自動控制和手動控制下溶解氧含量的變化趨勢。全自動增氧機控制的魚塘溶解氧含量較平穩(wěn)，且均高于鱖魚生長所需溶解氧含量(5 mg·L-1)，而手動控制的魚塘溶解氧含量比全自動增氧機控制溶解氧含量平均低1.8 mg·L-1，最高達7 mg·L-1，且手動控制的魚塘溶解氧含量低于5 mg·L-1的概率為20.1%。傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下養(yǎng)殖戶根據(jù)經(jīng)驗啟動增氧機，會因為環(huán)境突變、經(jīng)驗不足等因素導(dǎo)致增氧機開啟不及時，魚塘中溶解氧含量低，從而影響鱖魚的生長發(fā)育，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鱖魚浮頭[14]，對養(yǎng)殖效益造成一定影響。

圖4 全自動增氧機對魚塘溶解氧含量的影響

Fig.4 Effect of the automatic aerator on dissolved oxygen content in fishpond

2.1.2 對pH的影響 圖5所示為試驗塘1和對照塘2在養(yǎng)殖期間測試的pH均值變化趨勢。從圖5可以看出，養(yǎng)殖期間，試驗塘1的pH保持為8.0～8.4，較為穩(wěn)定；對照塘2 的pH為8.0～8.6，相對試驗塘1的pH波動較為劇烈，且一直高于試驗塘1。pH異常易使水產(chǎn)品正常生理活動受到影響，生長速度緩慢甚至死亡。一般鱖魚養(yǎng)殖魚塘pH控制為6.5～8.5[14-15]，全自動增氧機控制養(yǎng)殖模式可以為鱖魚養(yǎng)殖提供一個合適的pH環(huán)境。

2.1.3 對氨氮含量的影響 圖6所示為試驗塘1和對照塘2氨氮含量變化曲線。從圖6中可知，養(yǎng)殖期間，試驗塘1氨氮含量低于對照塘2，試驗塘1氨氮含量養(yǎng)殖初期處于下降趨勢，隨后保持穩(wěn)定，而對照塘2氨氮含量先上升后下降，波動較大。在高密度養(yǎng)殖水體中，由于廢料使用不當(dāng)、水產(chǎn)動物排泄物的積累等易造成養(yǎng)殖水體中氨氮含量過高，從而引起水體缺氧、水質(zhì)惡化[16]，致使水產(chǎn)品出現(xiàn)中毒、死亡等現(xiàn)象。相比手動控制增氧機，全自動增氧機能夠較好地改善養(yǎng)殖水體環(huán)境，合理增氧的同時能夠促進養(yǎng)殖水體上、下層交流，降低氨氮的含量。

Fig.6 Effect of the automatic aerator on ammonia nitrogen content in fishpond

2.1.4 對亞硝酸鹽含量的影響 圖7為試驗塘1和對照塘2亞硝酸鹽含量變化曲線，結(jié)果表明：養(yǎng)殖初期，試驗塘1和對照塘2的亞硝酸鹽均較低，原因可能是試驗初期鱖魚苗較小，且天氣多為陰雨天，投餌次數(shù)較少，飼料投喂較為合理；直至7月28日，試驗塘1和對照塘2的亞硝酸鹽含量升高，分別達到0.19 和0.37 mg·L-1，隨后試驗塘1亞硝酸鹽含量下降并穩(wěn)定在0.10～0.20 mg·L-1，而對照塘2亞硝酸鹽含量增加至0.40 mg·L-1，原因是鱖魚生長期飼料投喂過量使得水體中動物糞便增多，氨氮含量增加，致使亞硝酸鹽也增加，造成水質(zhì)污染。使用全自動增氧機能有效降低養(yǎng)殖環(huán)境中亞硝酸鹽含量，避免過高濃度的亞硝酸鹽對鱖魚的毒害作用及對其生長發(fā)育造成的負(fù)面影響[17]。

圖7 全自動增氧機對魚塘亞硝酸鹽含量的影響

Fig.7 Effect of the automatic aerator on nitrite content in fishpond

2.1.5 對TDS的影響 總?cè)芙庑怨腆wTDS，又稱為總含鹽量，TDS值越高，表示水中的雜質(zhì)含量越多。圖8為全自動增氧機控制的試驗塘1和手動控制的對照塘2在養(yǎng)殖期間測試的TDS值變化圖。在換水周期相同的情況下，對照塘2的TDS值總體高于試驗塘1。試驗結(jié)果表明，全自動增氧機養(yǎng)殖模式下的魚塘水體中的雜質(zhì)較少，但是總體的變化趨勢不明顯。

圖8 全自動增氧機對魚塘TDS的影響

Fig.8 Effect of the automatic aerator on total dissolved solid value in fishpond

2.1.6 對用電量的影響 在用電量上，試驗塘1共耗電1 122.15 kW·h，對照塘2共耗電1 591.1 kW·h，試驗塘1比對照塘2節(jié)約用電29.5%，這是因為全自動增氧機控制的養(yǎng)殖模式下是依據(jù)魚塘當(dāng)下的環(huán)境來啟動增氧機，手動養(yǎng)殖則根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗啟動增氧機，會造成盲目開啟增氧機、開啟時間過長等問題，從而形成資源的浪費。試驗結(jié)果表明，全自動增氧機能夠節(jié)約用電。

2.2 全自動增氧機傳感器測試試驗

2.2.1 清洗周期 在鱖魚整個養(yǎng)殖周期中，全自動增氧機的溶解氧傳感器清洗統(tǒng)計次數(shù)見表1。從表1可以看出，溶解氧傳感器在不同的養(yǎng)殖月份，清洗次數(shù)是不同的。水溫升高時，魚塘耗氧率加快，養(yǎng)殖魚類的排泄物增加，浮游植物生長速率加快，從而可在一定程度上增加全自動增氧機的溶解氧傳感器清洗次數(shù)。與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀的溶解氧傳感器相比，全自動增氧機的溶解氧傳感器在7—8月水溫升高時清洗次數(shù)多2次，9—11月水溫降低時的清洗周期基本一致。說明全自動增氧機的溶解氧傳感器的清洗周期與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀的溶解氧傳感器相差不大；與國內(nèi)浮筒式溶解氧傳感器(清洗周期7 d)[18]相比，清洗周期較長，而且清洗方便，直接拿抹布擦洗即可，不需要拆裝浮筒，維護方便。但是在清洗溶解氧傳感器時，存在溶解氧傳感器內(nèi)部電解液的滲漏。

表1 溶解氧傳感器清洗次數(shù)

2.2.2 測量準(zhǔn)確性 根據(jù)獨立樣本t檢驗分析得出全自動增氧機氧傳感器測量的平均溶解氧含量為5.44 mg·L-1、平均溫度為25.93 ℃，丹麥OxyGuard溶解氧測控儀測量的平均溶解氧含量為5.65 mg·L-1、平均溫度為26.11 ℃，2組數(shù)據(jù)的方差齊性檢驗結(jié)果均是不顯著的，2組數(shù)據(jù)的差異也不顯著。圖9為全自動增氧機與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀每日平均溶解氧含量變化以及溫度變化趨勢圖(限于篇幅，只選用了8月12日至8月20日時間段的數(shù)據(jù)進行分析)。在長期使用中，全自動增氧機與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀每日平均溶解氧含量變化趨勢一致，所測溶解氧含量相差±0.6 mg·L-1；全自動增氧機與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀的每日平均溫度變化差異不大，所測溫度相差±0.8 ℃。因此，在長時間使用過程中，全自動增氧機測量的溶解氧含量、溫度較準(zhǔn)確。

2.2.3 控制穩(wěn)定性 全自動增氧機的最終目的是長期、可靠、穩(wěn)定的控制增氧機的開啟關(guān)閉。圖10給出的是每隔10 min采集1次溶解氧含量數(shù)據(jù)的連續(xù)1個月的趨勢變化圖。初期設(shè)定的溶解氧的上限值為5 mg·L-1，下限值為4 mg·L-1，在長期使用過程中，可以看出溶解氧含量始終高于4 mg·L-1，表明全自動增氧機能夠長期、可靠、穩(wěn)定地運行。

圖9 魚塘中溶解氧含量和溫度變化

圖10 全自動增氧機溶解氧含量連續(xù)變化

Fig.10 Continual change in the dissolved oxygen content controlled by the automatic aerator

2.3 全自動增氧機溶解氧傳感器改進試驗

為了驗證溶解氧傳感器結(jié)構(gòu)改進前、后的區(qū)別，2016年5月13日至6月24日于魚塘內(nèi)進行了現(xiàn)場試驗。改進前的溶解氧傳感器的滲漏一般在10 d內(nèi)，而改進后的溶解氧傳感器從圖11可以看出，在測試長達43 d后，測試數(shù)據(jù)無異常，表明沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象。此外改進后的溶解氧傳感器的透氧膜以及上、下蓋安裝方便，沒有出現(xiàn)因安裝而損壞透氧膜以及上、下蓋干涉導(dǎo)致測量電壓時有時無的現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，改進后的溶解氧傳感器密封性增強，安裝方便。

圖11 溶解氧傳感器改進后魚塘中的溫度和溶解氧含量變化

Fig.11 Changes of temperature and dissolved oxygen content in fishpond after improving the dissolved oxygen sensor

3 結(jié)論

與手動控制增氧機養(yǎng)殖模式相比，全自動增氧機能夠有效地控制地養(yǎng)殖水體中溶解氧含量，使水體pH值穩(wěn)定在適合鱖魚養(yǎng)殖的范圍內(nèi)，降低水體中氨氮含量和亞硝酸鹽含量，能根據(jù)水中含氧量變化自動開啟或關(guān)閉增氧機，有效減少電能消耗。

在鱖魚的整個養(yǎng)殖周期中，全自動增氧機的溶解氧傳感器平均清洗周期為9 d·次-1，與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀的溶解氧傳感器平均清洗周期10 d·次-1相差不大；該溶解氧傳感器與丹麥OxyGuard溶解氧測控儀相比，所測溶解氧含量相差±0.6 mg·L-1，溫度相差±0.8℃，能達到魚塘養(yǎng)殖中的溶解氧與溫度的測量精度要求；設(shè)定限值后,全自動增氧機控制器能穩(wěn)定控制增氧機的開啟以滿足養(yǎng)殖魚類所需溶解氧含量。

針對長期測試過程中發(fā)現(xiàn)的溶解氧傳感器密封性以及安裝問題，進行了結(jié)構(gòu)改進，改進后的溶解氧傳感器密封性較好，安裝方便。此外，傳感器與控制器價格僅為丹麥OxyGuard溶解氧測控儀1/4～1/3，在大面積推廣中具有優(yōu)勢。

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【責(zé)任編輯 霍 歡】

Water purification effects and improvement tests of automatic aerators

LIU Haoyi， ZHAO Sanqin， DING Weimin， ZHAO Siqi

( Engineering Laboratory of Modern Facility Agricultural Technology and Equipment inJiangsu Province，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China)

【Objective】 To provide solutions for sealing and installation inconvenience of the automatic aerator during breeding of mandarin fish. 【Method】Through the whole cycle of mandarin fish breeding starting from July to November in 2014, fishponds tests were performed to study the cleaning cycle, measuring accuracy and controlling reliability of the automatic aerator. The impacts on aquaculture water quality and electricity consumption were evaluated. The sizes of the O-shape sealing ring and the triangle slot were changed to improve the sealing and installation convenience of the dissolved oxygen (DO) sensor. The sizes of the upper and lower chamfers were also changed to improve the installation convenience of the DO sensor. 【Result】During the whole breeding cycle, the average cleaning cycle of the automatic aerator was not significantly different compared with the Denmark OxyGuard DO monitor. The error of measured temperature was ±0.8 ℃, the error of measured DO content was ±0.6 mg·L-1, and the DO content of the controlled fishpond was higher than the set lower limit of 4 mg·L-1. Compared with manual control, the DO content of the controlled fishpond using the automatic aerator was higher with a peak value of 7 mg·L-1, the average ammonia nitrogen content in water was 35.9% lower, the average nitrite content was 50.7% lower, and the electricity was saved by 29.5%.【Conclusion】The automatic aerator is highly resistant to stain, can be conveniently cleaned, improves water quality and saves electricity during long-term use, meeting the requirements of the fishpond management. The automatic aerator has good sealing and can be conveniently installed, thus it is recommended for large-scale popularization.

mandarin fish breeding; automatic aerator; water quality; dissolved oxygen; sealing performance; improvement experiment

2016- 07- 24 優(yōu)先出版時間：2017-04-12

劉昊一(1990—)，女，碩士，E-mail：Haoyi_Liu03@163.com；通信作者：丁為民(1957—)，男，教授，博士，E-mail：wmding@njau.edu.cn

江蘇省農(nóng)機三新工程項目( NJ2013-12)

S969

A

1001- 411X(2017)03- 0112- 06

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170412.1442.028.html

劉昊一, 趙三琴， 丁為民， 等.全自動增氧機水質(zhì)凈化效果研究與改進試驗[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017,38(3):112- 117.