謝三桃,朱 青,2
(1.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省水資源利用與水環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230088)
農(nóng)村河道治理中的護(hù)坡材料及技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
謝三桃1,朱 青1,2
(1.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省水資源利用與水環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230088)
針對當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)村河道治理中護(hù)坡材料及其應(yīng)用方面存在的一些爭議,從河流生態(tài)修復(fù)與護(hù)坡功能等角度,指出河道護(hù)坡由坡腳、河岸、堤坡3個(gè)基本要素構(gòu)成,探討了護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的概念與內(nèi)涵,歸納分析了國內(nèi)外目前相對先進(jìn)的護(hù)坡材料的類型、使用方法及適用范圍,提出了復(fù)合型材料構(gòu)建護(hù)坡生態(tài)功能的方法,并將河道護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建運(yùn)用于不同區(qū)域農(nóng)村河道工程實(shí)例。結(jié)果表明,河道護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建是對不同護(hù)坡材料的最優(yōu)化組合和應(yīng)用,可為農(nóng)村河道綜合治理提供理論和實(shí)踐參考。
農(nóng)村河道;護(hù)坡材料;護(hù)坡功能;生態(tài)修復(fù)
農(nóng)村河道是指發(fā)源于農(nóng)村區(qū)域或流經(jīng)農(nóng)村的自然河流,廣義上也包括人工開鑿的引水、灌溉或排水的溝渠。天然的農(nóng)村河道具有平面形態(tài)自然、水質(zhì)條件良好、生物多樣性豐富等特點(diǎn),是農(nóng)村生活與生產(chǎn)不可或缺的自然資源,不僅承擔(dān)著防洪、排澇、灌溉、生態(tài)、景觀等功能,發(fā)揮著生物生長、棲息及繁衍等生態(tài)廊道作用[1],同時(shí)還傳承著棲居在沿河兩岸人們的歷史文明,寄托著游子對故鄉(xiāng)的思念情結(jié)。從人類生存學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的角度來說,鄉(xiāng)村河道作為農(nóng)村重要的自然資源和環(huán)境載體,關(guān)系到農(nóng)民生存,影響著鄉(xiāng)村發(fā)展,是塑造鄉(xiāng)村風(fēng)貌和改善宜居環(huán)境的重要因素[2]。
20世紀(jì)八九十年代,受傳統(tǒng)治水理念的影響[3],在我國河道治理過程中,河道被侵占或裁彎取直、兩岸采用混凝土或漿砌石襯砌、渠化等現(xiàn)象較為嚴(yán)重,形成“千河一面”的局面,河流岸邊生態(tài)環(huán)境遭破壞,棲息地消失,河流形態(tài)自然性與多樣性減少以及適宜性和美學(xué)價(jià)值降低[4]。近年來,我國加大對生態(tài)水利工程的投入,開展美好鄉(xiāng)村的建設(shè),各地掀起了農(nóng)村中小河流綜合治理的熱潮;而河道護(hù)坡作為河流的重要組成部分,為避免重蹈以往城市河流的治理模式,根據(jù)區(qū)域鄉(xiāng)土氣息特點(diǎn)及其生態(tài)服務(wù)功能需求,開展農(nóng)村河道治理中護(hù)坡材料與生態(tài)構(gòu)建的研究,對于美好鄉(xiāng)村建設(shè)及其河道生態(tài)保護(hù)具有十分重要的意義。
當(dāng)前,國內(nèi)外對河道護(hù)坡構(gòu)建技術(shù)開展了很多研究,例如生態(tài)混凝土護(hù)坡、三維植被護(hù)坡、石籠護(hù)坡等,并將這些護(hù)坡統(tǒng)稱為“生態(tài)護(hù)坡”。其實(shí),生態(tài)護(hù)坡是一個(gè)泛指的概念,國內(nèi)外學(xué)者對其稱謂與內(nèi)涵的研究仍存在一些不明確的問題和爭議,而究其根本,生態(tài)護(hù)坡技術(shù)就是對河道護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建材料與方法的應(yīng)用。鑒于此,本文著重從河流生態(tài)修復(fù)與護(hù)坡功能等方面,探討護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的材料及其使用方法,并結(jié)合不同類型的農(nóng)村河道護(hù)坡工程案例,介紹護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的實(shí)踐效果,為農(nóng)村河道綜合治理提供理論和實(shí)踐參考。
1.1 河道護(hù)坡構(gòu)成要素
圖1 河道護(hù)坡構(gòu)成要素及其空間分布
河流廊道中的護(hù)坡是河流的基本組成部分,廣義上的河道護(hù)坡由坡腳、河岸、堤坡3部分組成(圖1)。其中,坡腳是指維持岸坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分,一般采用拋石、石籠或木樁進(jìn)行固基,防止河水的淘刷;河岸是指平水期水陸交錯(cuò)的區(qū)域,一般由駁岸與河漫灘構(gòu)成,駁岸是指水體邊緣與陸地交界處的構(gòu)筑物,保護(hù)河岸穩(wěn)定,防止水土流失及河岸崩塌;河漫灘是指在平水期水位消落、泥沙沉積而形成的天然灘涂地,該區(qū)域通常是水草豐茂區(qū)域,適宜植物的生長和生物的棲息,同時(shí)也是人類親水活動較為頻繁的區(qū)域。堤坡是指防御一定洪水標(biāo)準(zhǔn)的坡面體,坡體為土工結(jié)構(gòu),坡面一般采用植物或硬質(zhì)材料進(jìn)行防護(hù),主要防止雨水、洪水、波浪沖刷。三者是有機(jī)結(jié)合的整體,缺一不可,共同承擔(dān)著河道護(hù)坡穩(wěn)定及生態(tài)保護(hù)的作用。
1.2 河道護(hù)坡功能
傳統(tǒng)的河道整治工程對于河道護(hù)坡技術(shù)的應(yīng)用存在一定的誤區(qū),重防洪輕生態(tài),重景觀輕自然,多采用鋼筋混凝土或花崗巖等材料將河道包裹成銅墻鐵壁式的行洪通道、打造成雕欄玉砌的園林景觀廊道[5],究其原因是未將河流作為一個(gè)有機(jī)的生命體來認(rèn)識,對河道護(hù)坡構(gòu)成要素的功能界定不清。筆者認(rèn)為,河道護(hù)坡功能應(yīng)從岸坡穩(wěn)定、生態(tài)服務(wù)、環(huán)境美化等角度統(tǒng)籌考慮,除滿足防止水流沖刷、淘蝕、維持堤岸穩(wěn)定要求外,還須兼顧維護(hù)各類生物適宜生長、棲息和生態(tài)景觀完整性的功能[6]。
河道護(hù)坡功能首先是護(hù)坡,其次是生態(tài)。其護(hù)坡功能主要表現(xiàn)在:①減緩地表徑流對岸坡表面的侵蝕;②減小河岸水流流速,從而降低河水的侵蝕速度;③通過河岸植物根系增強(qiáng)河岸亞表層的強(qiáng)度,提高岸坡穩(wěn)定性。河道護(hù)坡是河流生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的自然過渡帶,是由生物和生境結(jié)構(gòu)組成的開放式系統(tǒng),其生態(tài)功能主要表現(xiàn)在:①透水性的坡面結(jié)構(gòu)具有滯洪補(bǔ)枯、調(diào)節(jié)生態(tài)水位的作用;②多樣的生境條件可為生物提供棲息、繁衍與避難場所;③通過護(hù)坡植物與微生物攔截、吸收、降解地表徑流攜帶的污染物,改善河道水體水質(zhì)?!叭怂椭C共生”是治河之本,而河道護(hù)坡是承接人與水相親的重要紐帶,應(yīng)具有一定景觀觀賞、親水及休憩等服務(wù)功能。
2.1 河道的生態(tài)修復(fù)與護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建
由式 (25) 分子小于0可知對C1的函數(shù)關(guān)系為減函數(shù),即科技創(chuàng)新或者科研合作的費(fèi)用對企業(yè)來說成為一種較大的負(fù)擔(dān),特別是在銀行給予貸款優(yōu)惠利率和非優(yōu)惠利率一定的情況下,企業(yè)為了開展綠色化生產(chǎn)方式進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的意愿受到資金缺口和政府對金融機(jī)構(gòu)的監(jiān)管成本影響較大,資金缺口和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)的監(jiān)管成本越大,企業(yè)轉(zhuǎn)向綠色生產(chǎn)化的意愿就降低的越快。
河流生態(tài)修復(fù)是當(dāng)前中小河道生態(tài)治理研究的熱點(diǎn)之一,生態(tài)修復(fù)的理論和實(shí)踐也給環(huán)境和生態(tài)問題的解決提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。國內(nèi)外對河流生態(tài)修復(fù)及其相關(guān)的概念有不同的理解和做法,在歐洲的德國、法國、瑞士、奧地利等國,主要根據(jù)河流形態(tài)的特點(diǎn)和生物棲息繁殖的需求,采用一種近自然(close-to-nature)工法[7-8]對河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù);美國生態(tài)學(xué)會主要從河流特定生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能,生物多樣性及其變遷過程等角度,提出河流生態(tài)修復(fù)是一個(gè)竭力再現(xiàn)歷史上固有的河流生態(tài)系統(tǒng)的過程[9];國內(nèi)董哲仁等[8-12]認(rèn)為,河流生態(tài)修復(fù)需從改善河流水文條件、地貌條件、水質(zhì)條件、維持生物多樣性等角度,在充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)功能的基礎(chǔ)上,采取工程和非工程措施,促使河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài),從而是改善生態(tài)完整性和可持續(xù)性的一種生態(tài)保護(hù)行動。研究者雖然對河道生態(tài)修復(fù)的定義方式不同,但是共同體現(xiàn)了河道生態(tài)修復(fù)的最終目的是促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。河流生態(tài)修復(fù)的措施一般分為工程措施和非工程措施,其中工程措施包括水文情勢修復(fù)、水質(zhì)改善、河流地貌修復(fù)和生物多樣性保護(hù)4大類;非工程措施包括管理制度、體制機(jī)制、監(jiān)測與評估以及能力建設(shè)等4個(gè)方面。
河道護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建是基于河流生態(tài)功能提出的一種建設(shè)模式,即利用不同類型的護(hù)坡材料,在確保邊坡形態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,構(gòu)建生物生長與棲息的生態(tài)環(huán)境,并以此維持生態(tài)系統(tǒng)自我運(yùn)行與修復(fù)。護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的具體內(nèi)涵包括:①在滿足行洪排澇功能的基礎(chǔ)上,保證岸坡穩(wěn)定,防止水土流失;②河道護(hù)坡是一個(gè)開放式的生態(tài)交錯(cuò)帶,有著較為完善的由初級生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者形成的生物群落及其良好的生存環(huán)境,并與周圍生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、信息與能量交換;③護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建是一個(gè)動態(tài)平衡的過程,通過營造多樣的生境條件,護(hù)坡內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)能夠自我修復(fù)并能形成良性循環(huán),適應(yīng)和調(diào)節(jié)外界環(huán)境的動態(tài)變化。
表1 護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建常用的材料及特點(diǎn)
2.2 護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的材料類型
目前國內(nèi)外對于護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建的技術(shù)研究較為廣泛,應(yīng)用類型有很多,且技術(shù)日趨成熟。根據(jù)護(hù)坡材料的不同可將生態(tài)構(gòu)建的護(hù)坡分為草皮護(hù)坡、石籠(植石)護(hù)坡、植物梢料護(hù)坡、生態(tài)預(yù)制塊(混凝土)護(hù)坡、土工合成材料護(hù)坡等(表1),這些護(hù)坡材料在實(shí)際工程中都有應(yīng)用。
以上常用的材料在護(hù)坡功能與使用方法等方面都有各自的特點(diǎn)和要求。草皮護(hù)坡是最常用的一種岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu)形式,它具有防止水流沖刷、改善生物棲息地及美化環(huán)境等多種功能,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)河道設(shè)計(jì)防洪水位與橫向邊坡大小,將草皮護(hù)坡布置在漫灘水位與洪水位之間或水流較緩的區(qū)域,在施工初期草皮未長成時(shí)需做好水土流失防治工作。石籠(植石)護(hù)坡多用于河道坡腳或河水流速較大的區(qū)域,具有很強(qiáng)的防沖和固基作用,設(shè)計(jì)中須驗(yàn)算水流淘刷深度以確定塊石防護(hù)范圍,根據(jù)河道邊坡,必要時(shí)在坡腳設(shè)置擋墻,并按照滿足在水流和波浪作用下的穩(wěn)定性要求確定面層塊石尺寸,塊石層下面必須設(shè)反濾層,從施工工藝要求出發(fā),可采用拋石、干砌石、鉛絲石籠等材料和結(jié)構(gòu)類型。植物梢料護(hù)坡是一種古老的岸坡防護(hù)生態(tài)工程技術(shù),在梢料發(fā)育到一定程度后,這類結(jié)構(gòu)不僅可促使河水泥沙淤積,有效減小河岸侵蝕,還能較快形成植被覆蓋層,恢復(fù)河岸植被和河邊生境,形成自然景觀。梢料材料一般利用長2~3 m、直徑約為10~25 mm的活植物枝條加工而成,枝條須平整碼放,并用活木樁或粗麻繩固定,面層可用少量塊石(直徑約20 cm)壓重,防止被洪水沖走。生態(tài)預(yù)制塊(混凝土)護(hù)坡是一種由鉸接形高強(qiáng)度預(yù)制混凝土塊鋪面的系統(tǒng),具有很強(qiáng)的抗沖刷能力,預(yù)制塊中間設(shè)有孔洞或采用無砂混凝土,護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有多孔性和透水性,可改善岸坡棲息地條件。預(yù)制混凝土塊鋪面底部須設(shè)置反濾層和墊層,可選用土工布或碎石,生態(tài)混凝土構(gòu)件的水灰比為0.2~0.25,正常pH值須控制在10以下,預(yù)制塊空隙間種植或自然發(fā)育形成的適宜植物類型為本土草,應(yīng)避免種植灌木和樹木,以免其根系生長造成混凝土破損。土工合成材料護(hù)坡是一種生物或有機(jī)廢料再生利用的生態(tài)工程技術(shù),主要產(chǎn)品有生態(tài)袋、植物纖維毯、抗沖生物毯等,這些材料具有反濾功能,既能防止內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)流失,又能實(shí)現(xiàn)坡面上下水分、空氣等的交流,保證坡面植物的正常生長;設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到生物材料或植物纖維降解和植被生長之間的關(guān)系,應(yīng)保證織物降解時(shí)間大于形成植被覆蓋所需的時(shí)間,并根據(jù)水流沖刷力計(jì)算生態(tài)袋或植物纖維抗撕裂強(qiáng)度,一般撕裂強(qiáng)度應(yīng)大于10 kN/m,草籽應(yīng)選擇多種本土草種,保證植物生長的成活率。
河道護(hù)坡由坡腳、河岸及堤坡3個(gè)部分組成,有時(shí)單一的護(hù)坡形式不能滿足護(hù)坡要求,通常情況下會選擇多種護(hù)坡材料聯(lián)合使用,形成復(fù)合形護(hù)坡生態(tài)構(gòu)建模式,達(dá)到較好的護(hù)坡效果。從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā),對于坡腳部位,一般采用石籠、拋石或木樁等進(jìn)行護(hù)腳,使之滿足水流沖刷侵蝕作用下的局部抗侵蝕穩(wěn)定性要求,并有助于生物棲息地功能的加強(qiáng);對于駁岸部分,坡度較緩的河岸區(qū)可采用自然草皮、植物梢料、生態(tài)植被毯等護(hù)岸形式,坡度較陡的區(qū)域可采用生態(tài)擋墻、加筋生態(tài)袋、疊砌石等護(hù)岸形式,使之在滿足岸坡穩(wěn)定與生物棲息等功能要求的同時(shí),兼顧一定的生態(tài)景觀效果。堤坡一般在常水位以上,可采用的護(hù)坡種類很多,如:自然植被護(hù)坡、混凝土空心塊或鉸接混凝土塊、混凝土框格、土工格柵、生態(tài)型混凝土、生態(tài)植被毯等,具體類型主要根據(jù)河道兩岸的地形及不同河段的功能定位進(jìn)行選定,滿足一定標(biāo)準(zhǔn)的防洪要求,同時(shí)需要與周邊土地利用規(guī)劃相結(jié)合。
圖2 毛石擋墻+活柳枝護(hù)坡設(shè)計(jì)
根據(jù)區(qū)域地形地貌特點(diǎn),我國農(nóng)村河道可劃分為平原區(qū)河道、丘陵區(qū)河道及山丘區(qū)河道3大類,針對不同結(jié)構(gòu)的農(nóng)村河道,表1中5種護(hù)坡材料在實(shí)際工程中都有應(yīng)用。
圖3 “生態(tài)袋+生態(tài)預(yù)制塊”護(hù)坡設(shè)計(jì)
南京江寧區(qū)某中小河道位于丘陵崗區(qū),河底比降為1/500,豐水期水流較急,河道邊坡較陡,水土流失較為嚴(yán)重。設(shè)計(jì)在常水位至河底采用邊坡為1∶2生態(tài)連鎖式預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)腳,常水位至5年一遇洪水之間采用1∶1.5生態(tài)袋錯(cuò)位疊放,中間采用土工格柵進(jìn)行錨固,生態(tài)袋表面通過鋪設(shè)草皮恢復(fù)植被,頂部高程以5年一遇設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行控制,5年一遇洪水位以上采用1∶5緩坡與堤頂或周邊地形自然銜接(圖3)。施工完3個(gè)月后,生態(tài)袋植被覆蓋率達(dá)到100%,護(hù)坡穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)水土流失現(xiàn)象,生態(tài)預(yù)制塊空隙間生長了一些水生植物,有水蓼、菖蒲、菱等,植物群落結(jié)構(gòu)豐富,為水生動植物的生長發(fā)育和物質(zhì)的分解、代謝、循環(huán)提供了良好的條件[27]。
圖4 格賓石籠+生態(tài)混凝土護(hù)坡設(shè)計(jì)及實(shí)施效果
四川省松潘縣岷江川主寺河段位于岷江上游源頭,屬于高原山區(qū)河道,平均海拔在2 900 m左右,治理河道長4.0 km,河底平均比降為1/127,河床地層均為第四系洪沖積層,揭露的土層為卵礫石層(層厚多在10 m以上),受河水沖刷或淘刷的影響,河床多出現(xiàn)深泓與露灘,岸坡土壤貧瘠,植被脆弱,水土流失嚴(yán)重。對于坡腳為卵礫石基層,存在滲透系數(shù)大、穩(wěn)定性差、沉降不均勻等問題,設(shè)計(jì)采用1.5 m(高)×3.0 m(寬)格賓石籠網(wǎng)對河道兩岸進(jìn)行固基。對于河道護(hù)坡護(hù)岸的形式,設(shè)計(jì)主要從各區(qū)段的地形地貌特點(diǎn)、生態(tài)服務(wù)要求及景觀功能定位等角度綜合選用。其中,上游源頭生態(tài)保護(hù)河段5年一遇洪水位以下的岸坡采用生態(tài)混凝土護(hù)坡,以上的堤坡采用草皮護(hù)坡(圖4),與周邊地形自然銜接,形成了河道源頭自然風(fēng)貌和生態(tài)修復(fù)態(tài)勢;中游濱河休閑廊道河段,邊坡較緩的岸線采用散石護(hù)岸,呈現(xiàn)河道自然、生態(tài)的特點(diǎn),較陡的岸線采用疊石護(hù)岸,在石縫之間栽種草木,為魚類和底棲生物提供了良好的棲息場所;下游高原牧民暢壩河段,高邊坡岸線采用分級植生式生態(tài)混凝土擋墻,有效地解決了邊坡穩(wěn)定性與水土流失問題[28]。
農(nóng)村河道的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)與人類社會的發(fā)展表面上存在矛盾,但實(shí)質(zhì)上應(yīng)該是統(tǒng)一的,因?yàn)槿祟悂碓从谧匀?是自然的組成部分,人類和其他的動植物在河流生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著不同的生態(tài)位,彼此之間相輔相成,撇開人類活動談農(nóng)村河道生態(tài)護(hù)坡建設(shè)是不切實(shí)際的。我國正處于大規(guī)模的城鎮(zhèn)化過程中,一些農(nóng)村河道也正逐步向城市河道演變,維護(hù)人類與河流自然生態(tài)環(huán)境的協(xié)同性是當(dāng)今農(nóng)村河道綜合治理與生態(tài)建設(shè)的一個(gè)重要目標(biāo)和方向;而河道護(hù)坡作為農(nóng)村河道的掩體和保護(hù)層,護(hù)坡材料及其技術(shù)的應(yīng)用直接關(guān)乎農(nóng)村河道自然風(fēng)貌的留存與生命體征的延續(xù)。尊重農(nóng)村河道生態(tài)自然演替過程,運(yùn)用“師法自然”的表現(xiàn)手法,通過草、木、土、石等天然材料構(gòu)建起“人水和諧共生”的河道護(hù)坡,是當(dāng)前乃至今后農(nóng)村河道護(hù)坡治理的發(fā)展方向。
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Slope protection material and example of technology application in treatment of rural river
XIE Santao1, ZHU Qing1,2
(1.AnhuiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Hefei230088,China;2.AnhuiEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterResourcesUtilizationandWaterEnvironmentalProtection,Hefei230088,China)
In view of some controversies existing in the slope protection material and its application technology in the rural river regulation, from the aspects of river ecological restoration and slope protection function, the author of this paper thought that the river slope protection consisted of 3 basic factors such as slope toe, bank, and slope of bank, and probed the concept and connotation of ecological construction of slope protection, and summarized and analyzed the type, using method and application range of slope protection material which were relatively advanced both at home and abroad at present, and put forward a method of constructing ecological function of slope protection by using composite materials. The ecological construction of river slope protection was applied in rural river engineering in different regions. The application results show that the ecological construction of river slope protection is an optimization combination and an application of different slope protection material, which can provide theory and practice
for the comprehensive treatment of rural river.
rural river; slope protection material; function of slope protection; ecological restoration
10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.006
謝三桃(1978—),男,高級工程師,主要從事城市生態(tài)水利規(guī)劃方面的設(shè)計(jì)與研究。E-mail:416946371@qq.com
X32
A
1004-6933(2015)01-0035-06
2014-11-15 編輯:徐 娟)