廣東省鎮(zhèn)海灣出海航道選線的數(shù)模研究

吳志輝，林中源，龔文平，賈良文

(中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東廣州 510275)

廣東省鎮(zhèn)海灣出海航道選線的數(shù)模研究

吳志輝，林中源，龔文平*，賈良文

(中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東廣州 510275)

鎮(zhèn)海灣航道是廣東臺山市重要的水上進(jìn)出口通道，現(xiàn)階段已不能滿足通航需求。開發(fā)鎮(zhèn)海灣航道對減輕珠三角航道壓力以及促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)增長具有重要意義，其中合理的航道選線是航道成功開發(fā)與維護(hù)的關(guān)鍵。本文采用DELFT 3D二維波流耦合模型對鎮(zhèn)海灣3條備選航道進(jìn)行比選，并對工程前、后鎮(zhèn)海灣水動力以及海底沖淤狀況進(jìn)行了對比研究。研究表明：現(xiàn)狀條件下，寨門口段的泥沙為向海輸運，而在那扶河內(nèi)泥沙以向陸輸運為主；鎮(zhèn)海灣內(nèi)漭州島北側(cè)，泥沙以向陸輸運為主，而在漭州島西側(cè)，泥沙輸運以向海為主。航道開挖后，那扶河內(nèi)的泥沙回淤量較小，海底以沖刷為主。而在鎮(zhèn)海灣內(nèi)，各個方案的航道在開挖后均出現(xiàn)明顯的淤積。位于漭洲島西側(cè)的西線方案為可能最佳方案，擬選航線與水流順直，回淤量相對最小。

DELFT3D；航道；鎮(zhèn)海灣

1 研究區(qū)自然條件與本研究概況

鎮(zhèn)海灣位于廣東省臺山市西南部，毗鄰珠江三角洲，長達(dá)50 km，由向陸側(cè)的那扶河與向海側(cè)的鎮(zhèn)海灣共同構(gòu)成(圖1)。鎮(zhèn)海灣航道是臺山市的一條重要水上進(jìn)出口通道。那扶河為沿海溺谷型潮汐河流，水深情況良好，深槽水深為4～12 m。如果將那扶河與鎮(zhèn)海灣視為一潮汐汊道體系，口門(寨門口)處較大的潮通量可在一定程度上保證潮汐汊道的穩(wěn)定性。鎮(zhèn)海灣位于那扶河的出?？?，呈喇叭狀，東西寬約2 500 m，海灣水深約6～10 m。在灣頂(即寨門口附近)由于落潮三角洲的發(fā)育，水深在2 m以淺，成為主要的礙航段。灣口有漭洲島和上、下川島作為屏障。

根據(jù)羅章仁等[1]可知，研究區(qū)全年降水量較大，最大為3 000 mm，平均為2 108 mm。全年的風(fēng)向以NE(占全年所有風(fēng)向的35%)與SE(占全年所有風(fēng)向的28%)風(fēng)為主，其中NE風(fēng)平均風(fēng)速為3.6 m/s，SE風(fēng)平均風(fēng)速為3 m/s。潮汐為不正規(guī)半日潮，平均潮差為1.30 m，最大潮差為2.95 m。那扶河內(nèi)潮流為往復(fù)流，流速較大，最大可達(dá)2.5 m/s。鎮(zhèn)海灣內(nèi)的流速則較小，一般不高于0.5 m/s。洪季時，余流以河口重力環(huán)流為主，即表層向海、底層向陸的余流，而枯季時，余流皆以向海為主。洪季時，自那扶河頭部向鎮(zhèn)海灣存在明顯的鹽度梯度，垂向平均鹽度由12增大到30。研究區(qū)表層沉積物分布中，那扶河的上段泥沙粒徑較粗，以黏土質(zhì)砂到細(xì)砂為主，而那扶河下段至鎮(zhèn)海灣內(nèi)，沉積物以粉砂質(zhì)黏土為主。懸沙含量在冬季時一般低于0.1 kg/m3，而其在洪季時增大到0.1～0.2 kg/m3，鎮(zhèn)海灣內(nèi)近底層發(fā)育有浮泥層。從鎮(zhèn)海灣的地貌發(fā)育來看，自寨門口向漭州島存在攔門沙，其水深比周圍地形淺1～3 m，這一攔門沙有與漭州島以北之間連成一片的趨勢，從而成為主要的礙航因素。

那扶河及鎮(zhèn)海灣航道現(xiàn)階段全潮可通行500噸級船舶，乘潮可通行1 000噸級船舶。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有航道已不能滿足航運要求，為此，航道亟需擴(kuò)建。擬選中的擴(kuò)建航道有3條備選航線，分別是西線、東線以及東東線(圖1)。本文只選取全潮通航3 000噸級海輪的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計水深在7.7 m,底寬75 m)，分析不同航線建設(shè)后的泥沙回淤情況，綜合不同因素，選取相對最為合理的航線。

目前，關(guān)于那扶河與鎮(zhèn)海灣的水動力與泥沙輸運、海底沖淤變化都有一定程度的研究[1-4]，但對鎮(zhèn)海灣航道的水動力、泥沙輸運與回淤狀況的定量研究相對較少。本研究可在一定程度上深化對這一區(qū)域水動力、泥沙輸運、地貌演變的認(rèn)識，并為港口航道資源的開發(fā)提供依據(jù)。

圖1 鎮(zhèn)海灣所處地理位置以及3條備選航線位置

為詳細(xì)地探討那扶河與鎮(zhèn)海灣的航道擴(kuò)建問題，本研究進(jìn)行了大量的野外現(xiàn)場調(diào)查(圖2)，包括布設(shè)了4個潮位觀測站，進(jìn)行為期一個月(2013-03)的潮位觀測。在大潮期(2013-03-12—13)進(jìn)行了六船同步的海流、鹽度與懸沙觀測，并采集了近100個海底表層沉積物樣品，進(jìn)行泥沙粒徑分析等?；诖?，本文采用DELFT 3D模型，研究波-流共同作用下研究區(qū)二維的水動力、泥沙輸運與海底沖淤變化過程，并分析不同航線開挖后航道的泥沙回淤特征，從而為航道的科學(xué)選線提供依據(jù)。由于研究區(qū)內(nèi)的徑流量較小，水體基本呈充分混和狀態(tài)，所以垂向上的海水鹽度變化可以忽略，選取平面二維的模式是可行的。

圖2 觀測站位圖

2 研究方法

2.1 數(shù)值模型

本文采用 DELFT 3D模型進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值計算工作。DELFT 3D由Delft Hydra-ulics開發(fā)，是一套耦合波浪、流、泥沙輸運與地形演變的模型系統(tǒng)[4]。模型平面上采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，垂向上采用Sigma坐標(biāo)。水動力模塊采用ADI算法，波浪模塊采用SWAN模型。泥沙輸運模塊采用van Rijn的SEDTRAN模式。泥沙輸運的計算在流場計算的每個時間步中進(jìn)行。地形沖淤的更新則有自己的地貌時間步長，一般地形變化的時間步長要遠(yuǎn)大于流場的時間步長。模型計算中采用地形加速因子，每一泥沙輸運步長計算出的地形沖淤變化乘以該加速因子可減少模型的計算時間。DELFT 3D已在砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸的動力、泥沙輸運與地貌演變模擬研究中獲得廣泛應(yīng)用[5-7]。

2.2 模型計算設(shè)置

根據(jù)研究內(nèi)容，我們選定了如圖3所示的網(wǎng)格范圍。模型區(qū)域東到廣海灣與黃茅海的分界處(大致在臺山電廠附近)，西到鎮(zhèn)海灣與海陵灣交界的岬角，向外海至水深35 m左右的等深線，向陸到達(dá)恩平港附近。網(wǎng)格尺寸為370×114，采用曲線正交網(wǎng)格，使陸邊界盡量擬合岸線，另外網(wǎng)格的疏密可根據(jù)研究需要確定。在航道附近或地形變化較大的區(qū)域及那扶河內(nèi)，網(wǎng)格空間分辨率最小可達(dá)20 m,外海約為1 km。由于模型區(qū)域足夠大，可以最大限度地減少由邊界條件(特別是懸沙)不精確導(dǎo)致的誤差。

計算所需的水深來源于那扶河內(nèi)的實測地形數(shù)據(jù)以及鎮(zhèn)海灣2009年的海圖水深數(shù)據(jù)。

模型計算中，主要考慮潮汐與波浪的作用。在上游的恩平港附近采用固壁邊界，外海采用水位邊界，由8個主要分潮(Q1，P1，K1，O1，M2，S2，K2，N2)的調(diào)和常數(shù)計算而來，這些分潮的調(diào)和常數(shù)來自于美國Oregon State University的全球潮汐數(shù)據(jù)庫TPX07[8]。同時在外海邊界上設(shè)定波浪條件,由于在鎮(zhèn)海灣內(nèi)沒有波浪觀測數(shù)據(jù)，這些波浪條件是通過對珠江口黃茅海內(nèi)荷包島附近與上川島附近的波浪觀測資料綜合分析獲得的。

對泥沙輸運模塊、表層沉積物樣品分析的結(jié)果表明，研究區(qū)域以細(xì)顆粒泥沙為主(粉砂，中值粒徑約為0.05 mm)，那扶河內(nèi)的沉積物粒徑相對鎮(zhèn)海灣略粗(粉砂至細(xì)砂，中值粒徑為0.05～0.10 mm)。為此，我們只模擬了單個粒級的泥沙輸運，即黏性泥沙，采用DELFT 3D中的黏性泥沙計算公式，模擬懸沙含量。

圖3 網(wǎng)格范圍及水深

3 模型的驗證

通過調(diào)整模型中的底摩擦系數(shù)，使計算的潮位、流速與實測值吻合。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)啄Σ料禂?shù)為0.002 8時，計算結(jié)果與實測值的擬合度較好。

水位的驗證結(jié)果如圖4，模型計算的潮位與實測值的均方根誤差在0.12 m以內(nèi)，較好地復(fù)演了研究區(qū)的潮汐特征。

圖4 水位驗證結(jié)果

關(guān)于流速、流向的驗證，給出了其中幾個有代表性站位(L2、L4、L5和L6)的結(jié)果(圖5)。由圖可見，實測和模擬的流速大小和流向擬合度較好，說明模型能較好地復(fù)演流速與流向的變化過程。其中，在潮汐汊道的L2站，模擬的流速略小于實測值，可能是由于網(wǎng)格水深小于局地水深所致。

圖5 流速、流向驗證結(jié)果

關(guān)于懸沙的驗證部分，由于那扶河內(nèi)的泥沙顆粒較鎮(zhèn)海灣粗，所以，在那扶河內(nèi)采用相對較大的臨界侵蝕切應(yīng)力(0.15～0.20 Pa)，而在鎮(zhèn)海灣內(nèi)采用相對較小的臨界侵蝕切應(yīng)力(0.12 Pa)。當(dāng)侵蝕系數(shù)取2×10-6kg/(m2·s)時，計算結(jié)果與實測值吻合較好。由于觀測期間沒有外海波浪條件，我們根據(jù)風(fēng)速大致估算了外海的波高與周期，估算得到有效波高為0.45 m，有效周期為3.7 s。從懸沙含量的驗證結(jié)果圖(圖6)可以看出，在鎮(zhèn)海灣內(nèi)，只有加上波浪的影響才能將懸沙含量的變化模擬好，而在那扶河內(nèi)，波浪的影響很小。所以在鎮(zhèn)海灣內(nèi)泥沙的輸移受波浪作用的影響。

根據(jù)2個不同年份的實測海圖水深數(shù)據(jù)(2004與2009年)，對那扶河與鎮(zhèn)海灣的海底沖淤變化進(jìn)行了對比分析。2009年與2004年水深相比可知(圖7)，寨門口附近的落潮三角洲繼續(xù)發(fā)育，淤積幅度為0.5～0.9 m，平均每年淤積為0.10～0.18 m。漭洲島周圍的西北側(cè)與東北側(cè)為波影區(qū)，同樣發(fā)生淤積，而漭洲島與落潮三角洲之間則發(fā)生明顯的侵蝕，侵蝕幅度約為0.5 m。此外，在漭洲島與下川島之間，以及漭洲島西側(cè)，海底也出現(xiàn)淤積。在岸線岬角及島的岬角附近，侵蝕強(qiáng)烈，最大侵蝕幅度為1.0 m，平均每年淤積均為0.2 m。

圖6 懸沙含量驗證結(jié)果

注：正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷 圖7 2009年與2004年水深的對比圖

基于對潮汐與波浪條件歷年變化相對較小的假設(shè)，我們采用2013-03的邊界條件與外動力，其中波浪邊界條件為SE向平均浪(有效波高0.7 m，周期為5 s)，連續(xù)計算31 d，在模型計算中，采用地貌加速因子12，即1 d的計算結(jié)果可作為12 d的沖淤值，這樣31 d的計算結(jié)果基本可看作一年的沖淤變化值(圖8)?？梢钥闯?，模型在一定程度上復(fù)演了研究區(qū)域的海底沖淤變化特征。如寨門口為潮汐汊道的口門、漭州島與西側(cè)岸線之間以及漭州島與下川島之間，由于流速較大，均處于沖刷狀態(tài)。而在漭州島的北側(cè)，由于位處波影區(qū)，海底處于淤積狀態(tài)。這一淤積區(qū)從漭州島北一直延伸到寨門口處的落潮三角洲，與地形對比結(jié)果有一定差異，這可能是因為我們持續(xù)地采用SE向波浪作為動力驅(qū)動所致，而實際情況則是各種不同波向的波浪交替作用，因而產(chǎn)生不同的效果，所以實際地形的變化更為復(fù)雜。

圖8 模型計算的海底沖淤變化平面分布

4 結(jié)果分析

4.1 原場時的動力與泥沙輸運特征

4.1.1 原場的潮波特征

選取L2站和L3站潮位和流速的相位關(guān)系來分析鎮(zhèn)海灣的潮波類型，L2站和L3站分別位于那扶河出口的口門附近和漭洲島北部的鎮(zhèn)海灣內(nèi)(圖2)。從圖9可以看出，L2站和L3站的潮位和流速的相位大致相差90°，所以工程區(qū)的潮波表現(xiàn)為典型的駐波，這顯然是由于恩平港附近壩(或水閘)的存在，潮波反射與入射波疊加所致。另外，大潮期為漲潮優(yōu)勢，小潮期為落潮優(yōu)勢(圖略)。

圖9 2013年L2和L3站的潮位與流速過程

4.1.2 流場特征

選取了那扶河和鎮(zhèn)海灣內(nèi)的若干站點，繪出原場時的漲、落潮平均流速、流向圖(圖10)。從圖中可以得知漲、落潮流速、流向的整體變化趨勢，在那扶河內(nèi)，漲、落潮流速基本沿深槽走向，平均漲潮流速均大于落潮流速，表明那扶河為漲潮優(yōu)勢的河道。在鎮(zhèn)海灣內(nèi)，沿著擬選航道的點位(見圖1)，西線上漲潮為NE向，落潮為SW向或WSW向，漲潮流速與落潮流速大抵相當(dāng)，部分站位的落潮流速略大。沿著東線與東東線的流速、流向與西線相似，但落潮流更多偏于W向。

圖10 原場漲落潮流速、流向圖

4.1.3 原場的余流特征

將原場連續(xù)計算35 d的逐時流場進(jìn)行平均，得出平均流場，可近似看作余流場(圖11和圖12)。從鎮(zhèn)海灣的余流情況來看，沿著近岸基本存在一股自東向西的沿岸流。這一余流與廣東沿岸盛行的沿岸流是一致的。

在那扶河出口的口門附近，形成類似于潮汐汊道的余流結(jié)構(gòu)。落潮時出口附近為射流，漲潮時為匯流，一個潮周期平均后，在落潮主流附近形成向海余流，而在射流主軸的東側(cè)形成逆時針的環(huán)流(圖12)。這一逆時針環(huán)流的形成有利于泥沙的淤積。

圖11 那扶河和鎮(zhèn)海灣的余流場

注：黑色箭頭表示射流，白色彎箭頭表示逆時針環(huán)流 圖12 那扶河口門處余流場

4.2 工程后水動力與海底侵蝕淤積的模擬結(jié)果

4.2.1 流速與流向的變化

工程后與原場相比(圖略)，那扶河上段的流速顯著增大，增大幅度較大的站位在恩平港附近，增大的最大幅度達(dá)60%，主要為由航道浚深后潮通量增大所致。流速減小的站位出現(xiàn)于西線、東線與東東線站位上，減小的最大幅度分別為7%，22%及20%，即東線與東東線的減小幅度較大。流速減小的原因為當(dāng)流向與航道走向有一定交角時，水流側(cè)向從淺灘進(jìn)入深槽時，斷面面積增大，根據(jù)連續(xù)性方程，流速會相應(yīng)減小。此外，工程后的流向基本與航道走向一致。由于西線走向與原場時的潮流流向較為一致，而東線與東東線所經(jīng)過處，原場時的潮流流向與航道走向近乎垂直，因而在東線與東東線的流速減小幅度更為顯著。

4.2.2 工程后海底沖淤的變化

在SE向平均浪與潮汐的共同作用下工程前后的海底沖淤變化非常明顯(圖13)。其中，西、東、東東線航道內(nèi)在工程后都出現(xiàn)明顯的淤積，沖淤量在1.2 m/a以內(nèi)。西線航道內(nèi)在局部的回淤較大，主要為泥沙被波浪擾動后在航槽內(nèi)落淤所致。東線與東東線航道內(nèi)的回淤幅度大抵相當(dāng)，但回淤強(qiáng)度大的航段相對西線要長。

圖13 SE向平均浪的向岸傳播過程和工程后海底沖淤變化

在其他波向(S、SW，其波高與周期與SE向的類似)波浪與潮汐的共同作用下，工程后的海底沖淤變化的格局基本類似。

4.3 工程后的航道回淤計算

我們分別計算了單純潮汐作用下，SE、SW、S向平均浪與潮汐共同作用下的航道回淤量，并按照各個波向出現(xiàn)的頻率(SE向為60%，SW與S向分別為20%)進(jìn)行加權(quán)平均，得出全年的泥沙回淤量，結(jié)果如表1所示。在單純潮流作用下，東線和東東線的年回淤量約是西線的3倍，其中東線的平均回淤強(qiáng)度最大，達(dá)到0.245 m/a；在浪流聯(lián)合作用下，3個方案的回淤量和回淤強(qiáng)度都大大增加，西線的年回淤量略大于東線、東東線，而東線的平均回淤強(qiáng)度最大，達(dá)到0.634 m/a。此外，我們還計算了風(fēng)暴浪作用下航道的驟淤，如表2所示，SW、S向風(fēng)暴浪下航道的回淤強(qiáng)度大于SE向風(fēng)暴浪。并且，風(fēng)暴浪下東線的回淤強(qiáng)度大于西線和東東線。

表1 不同水動力條件下航道回淤量與回淤強(qiáng)度

表2 不同風(fēng)暴浪作用下的航道回淤強(qiáng)度(m/d)

5 結(jié) 論

通過前面的研究和分析，我們得到如下的一系列研究結(jié)果。

1)各航道選線內(nèi)的流速分布情況分析表明，西線方案的流速最大，東線與東東線近似，但東線比東東線略大。各航道走向與流向的關(guān)系分析表明，西線的走向最為順暢，其航道走向與流向基本一致，而東線與東東線的航道走向與流向均呈較大交角。

2)泥沙輸運的角度分析表明，鎮(zhèn)海灣的泥沙輸運主要為自東向西方向。沿岸流將珠江口攜帶的泥沙向西輸運是本區(qū)的一個泥沙源，但較難用模型加以反映。那扶河內(nèi)的泥沙輸運為淺灘向海，深槽向陸的輸運模式。在寨門口附近，河流泥沙向海輸運，出口門擴(kuò)散后形成落潮三角洲，這是主要的礙航因素。在漭洲島的波影區(qū)，泥沙以向陸輸運為主。在擬選西線航道經(jīng)過處，泥沙在單純潮流作用下以向海輸運為主；在波流聯(lián)合作用下漭洲島西側(cè)向海輸運(即航線下段)，島后波影區(qū)至寨門口(即航線下段)以向陸輸運為主。而在東線與東東線經(jīng)過的區(qū)域，無論是在單純潮流還是在波流聯(lián)合作用下，泥沙輸運都以向岸為主。

3)泥沙回淤量分析表明，在單純潮流作用下，西線方案的回淤量最小，東線與東東線大抵相當(dāng)，東線略大。在SE向平均浪作用下，東線方案的回淤量最小，西線略大。在S向平均浪作用下，西線方案的回淤量最大，東東線最小。在SW向平均浪作用下，西線方案的回淤量最小，而東線方案的回淤量最大。將各向波浪與潮流作用下的泥沙回淤量按其出現(xiàn)頻率進(jìn)行加權(quán)平均后的結(jié)果表明，在平均浪作用下，東東線方案的回淤量相對最小，西線與東線近似。在各向風(fēng)暴浪作用下，西線方案的驟淤量最小，東線方案的驟淤量最大。

4)總體分析表明，西線方案的現(xiàn)有水深較大，流速大，流向與航線走向一致，水流順暢，落潮流速大于漲潮流速，余流以向海為主，泥沙輸運也以向海方向為主。從實測資料的地形對比分析來看，寨門口附近攔門沙以向東淤積為主，向西方向次之。潮流作用下的泥沙回淤量相對最小，風(fēng)暴作用下的驟淤量也是最小的。但在S向平均浪作用下，其回淤量相對較大，而在SE、SW向平均浪作用下，其回淤量要么與其他航線相差不大或者相對較小。因此，我們認(rèn)為西線方案是最佳的。

本項研究中未考慮廣東沿岸流對研究區(qū)動力與泥沙輸運的影響，且在模型中只考慮了單個粒級的泥沙輸運，也未將淡水徑流所造成的斜壓效應(yīng)加以考慮。這是本次研究的局限所在，但我們認(rèn)為，這些因素對航道回淤可能不是重要的因素，在初步的研究中將這些因素剔除，應(yīng)是合理的。

致謝:廣東省航道局給予了支持和幫助。

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Numerical Modeling Study of the Navigation Route Selection in the Zhenhai Bay, Guangdong Province

WU Zhi-hui, LIN Zhong-yuan, GONG Wen-ping, JIA Liang-wen

(SchoolofMarineSciences,SunYat-senUniversity, Guangzhou 510275，China)

The navigation channel in the Zhenhai Bay is an important import and export waterway in Taishan City, Guangdong Province, but at the present it has been insufficient to meet the demands of cargo transportation. Enlarging the navigation channel in the Zhenhai Bay is of great significance both for alleviating the water traffic pressure in the Pearl River Delta and for fostering the local economic development. Therefore, a reasonable selection of navigation route is the key for enlarging and maintaining the channel successfully. For this purpose, the comparison and selection of three optional channels in the Zhenhai Bay are carried out by using DELFT 3D model and a comparative study is done for the hydrodynamic changes and the seafloor scouring and siltation status in the Zhenhai Bay before and after the engineering implementation. The results show that under the present natural conditions, the sediments at the tidal inlet (Zhaimenkou) are transported towards the sea, whereas those in the Nafu River move dominantly landward. The sediments at the northern side of the Mangzhou Island are transported dominantly landward, whereas those at the western side of the island move dominantly seaward. After the dredging of the channel, the sediment siltation in the Nafu River becomes smaller and the bottom there is scoured dominantly. In the Zhenhai Bay, however, all the navigation channels will be deposited significantly with sediments after their dredging. It could possibly be the best choice to select the channel route at the western side of the Mangzhou Island, because the route to be selected there follows well the current direction and the sediment siltation is also relatively smaller.

DELFT 3D； navigation channel； the Zhenhai Bay

1002-3682(2015)03-0012-12

2015-02-02

國家自然科學(xué)基金項目——珠江河口灣最大渾濁帶的三維動力學(xué)研究(41061130542)

吳志輝(1991-)，男，碩士研究生，主要從事河口海岸方面研究.E-mail:1005876884@qq.com*通訊作者：龔文平(1968-)，男，教授,博士，博士生導(dǎo)師，主要從事河口海岸動力學(xué)方面研究.E-mail:gongwp@mail.sysu.edu.cn(王 燕 編輯)

U612.23

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