地下水開采誘發(fā)地面沉降研究及其工程應(yīng)用：以山東德州地區(qū)為例

賈超++張國(guó)榮++王嘉斌++張永偉

摘要：地下水開采誘發(fā)的不良環(huán)境及地質(zhì)問(wèn)題日益凸顯，其中地面沉降致災(zāi)問(wèn)題已廣受關(guān)注。華北平原山東區(qū)是若干地面沉降顯著區(qū)之一，地下水開采是其主要誘發(fā)因素。針對(duì)地面沉降問(wèn)題，以華北平原德州區(qū)為典型工程背景，采用水文地質(zhì)工程地質(zhì)與巖土力學(xué)相結(jié)合的方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)，在獲得研究區(qū)巖土力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立流固耦合數(shù)值模型，對(duì)研究區(qū)地面沉降的歷史進(jìn)行重演，對(duì)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在獲得研究區(qū)流場(chǎng)及地面沉降基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出減少地下水開采量、定期回灌地下水、調(diào)整開采井開采層位及開采井平面布局等工程措施進(jìn)行地面沉降控制，并采用建立的數(shù)值模型從定量分析角度評(píng)價(jià)這些措施的效果。

關(guān)鍵詞：地下水；地面沉降；流固耦合；水文地質(zhì)；工程地質(zhì)；巖土力學(xué)；華北平原

中圖分類號(hào)：P641；P642.26文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

地面沉降是一種自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散地層固結(jié)壓縮，從而導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的緩變地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。在眾多誘發(fā)因素中，過(guò)量抽取地下水是造成地面沉降最主要的原因之一[1]。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)報(bào)道，中國(guó)目前已有超過(guò)50個(gè)城市發(fā)生了明顯的地面沉降現(xiàn)象，其中最典型區(qū)域有長(zhǎng)江三角洲、華北平原和汾渭盆地[2]。針對(duì)這些地區(qū)的地面沉降災(zāi)害問(wèn)題，已有薛禹群、吳吉春、駱祖江、彭建兵、殷躍平、邵景力等眾多專家學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期持續(xù)的工作，并取得了顯著的研究成果[118]。相比于其他地區(qū)，華北平原山東地區(qū)地面沉降的機(jī)理研究工作尚顯不足。在華北平原，山東地面沉降尤以魯北地區(qū)最為嚴(yán)重，德州是魯北地區(qū)地面沉降的典型代表。德州地區(qū)地面沉降已對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境及生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]，并且根據(jù)該區(qū)地面沉降長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料顯示，地面沉降尚無(wú)明顯停止的跡象[48]。

已有研究成果大多針對(duì)德州地區(qū)地下水開采與地面沉降的關(guān)系，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析，但僅有這些成果并不能準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)到該區(qū)地面沉降的深層機(jī)理及沉降本質(zhì)。地下水開采誘發(fā)地面沉降的本質(zhì)原因是：地下水開采導(dǎo)致各地層應(yīng)力調(diào)整，引發(fā)各地層壓縮總和在地面上顯現(xiàn)。因此，采用水文地質(zhì)工程地質(zhì)與巖土力學(xué)相結(jié)合的方法更能揭示德州地區(qū)地面沉降的本質(zhì)規(guī)律。該方法已被廣泛應(yīng)用于其他地區(qū)地面沉降研究中，但在德州地區(qū)尚無(wú)這方面的研究成果。

基于此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作獲取進(jìn)尺達(dá)800 m的全取芯鉆孔試樣，進(jìn)行試樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，取得翔實(shí)的物理力學(xué)參數(shù)；分析流場(chǎng)分布規(guī)律，建立地面沉降流固耦合分析模型，重演歷史沉降情景，預(yù)測(cè)沉降發(fā)展趨勢(shì)；針對(duì)沉降發(fā)展趨勢(shì)及規(guī)律，提出若干控制地面沉降的工程措施，并對(duì)提出的措施進(jìn)行綜合對(duì)比分析[1920] ，為山東德州地區(qū)防治地面沉降理論及分析計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

1研究區(qū)概況

山東省德州市德城區(qū)沉降資料及前期工作相對(duì)較好。該區(qū)東與德州市陵城區(qū)接壤，南與山東省平原縣、武城縣毗鄰，西、西北、東北分別與河北省故城縣、景縣、吳橋縣連接。其經(jīng)度范圍為116°10′15″E～116°30′40″E，緯度范圍為 37°10′15″N～37°30′30″N，面積為539 km2。

研究區(qū)地下水多年處于超量開采狀態(tài)，地下水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)，并伴隨嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題。該區(qū)自1989年開始進(jìn)行地面精密測(cè)量，2006年400 mm沉降等值線圈定沉降漏斗面積為344 km2，歷年沉降發(fā)展過(guò)程見圖1。

圖1山東省德州市德城區(qū)地面沉降發(fā)展過(guò)程

Fig.1Land Subsidence Development Process in Decheng District of Dezhou City， Shandong Province

2現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)

山東省德州市德城區(qū)在工程地質(zhì)深層鉆孔資料方面比較欠缺。山東省國(guó)土資源部門在該區(qū)進(jìn)行了2處800 m深層全取芯鉆孔鉆探工作，山東大學(xué)承擔(dān)了京臺(tái)高速公路德州服務(wù)區(qū)鉆位所得的巖芯參數(shù)測(cè)試工作。該處鉆孔共取173個(gè)原狀土樣、15個(gè)平行樣和37個(gè)擾動(dòng)砂樣（圖2）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)德城區(qū)地層以工程地質(zhì)及水文地質(zhì)相近的原則進(jìn)行地層概化。概化后德城區(qū)工程地質(zhì)特征層分布見圖3；實(shí)驗(yàn)室測(cè)試所得各地層物理力學(xué)參數(shù)取值范圍見表1。

3數(shù)值模型

3.1數(shù)值模型的建立

以圖3劃分的工程地質(zhì)特征層為所考慮的地層分布，以德州市德城區(qū)行政邊界為模型外邊界，建立研究區(qū)數(shù)值模型，總面積為539 km2。

數(shù)值模型共納入開采深井263口，按各井實(shí)測(cè)流量賦值，部分井點(diǎn)信息見表2。井位分布見圖4。

德州地面沉降觀測(cè)井2號(hào)孔396～400 m深度處

圖2現(xiàn)場(chǎng)巖芯鉆孔地質(zhì)編錄

Fig.2Geological Record of Field Core Hole

開采井直徑相比于整個(gè)區(qū)域面積非常微小，不利于數(shù)值模型的建立，因此，借鑒Oh等的研究成果[15]，將開采井概化為線，開采井邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)行表示。該方法既不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精確度，又可使大量開采井實(shí)際位置及實(shí)際開采量

圖3工程地質(zhì)特征層劃分

Fig.3Division of Engineering Geological Feature Layers

加入大區(qū)域模型得以順利實(shí)現(xiàn)；經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法正確有效。

表1地層物理力學(xué)參數(shù)

Tab.1Physical Mechanics Parameters of Strata

土層厚度/m密度/（kg·m-3）彈性模量/MPa泊松比滲透系數(shù)/（m·d-1）貯水系數(shù)/m-1孔隙度

第1層2001 900～2 190100～1500.30～0.451.800 0～2.400 00.010 00.40～0.50

第2層1002 000～2 20040～600.25～0.040.005 0～0.008 00.005 00.24～0.35

第3層1502 000～2 300110～1600.25～0.301.500 0～1.900 00.008 00.30～0.40

第4層1002 050～2 25050～650.20～0.330.004 0～0.005 50.000 10.24～0.27

第5層2502 100～2 300190～2100.17～0.221.400 0～1.600 00.007 00.30～0.40

表2開采井開采流量

Tab.2Flows of Groundwater Withdrawal from Extraction Wells

開采井編號(hào)開采井經(jīng)緯度實(shí)測(cè)流量/（m3·d-1）質(zhì)量流量/（kg·（m·s）-1）

K1（37°28′10.86″N，116°17′55.53″E）-82.19-0.006 341 821

K2（37°27′3.56″N，116°18′20.69″E）-82.19-0.006 341 821

K3（37°26′43.02″N，116°21′37.20″E）-109.59-0.008 456 019

K4（37°26′43.02″N，116°21′37.21″E）-136.99-0.010 570 216

K5（37°27′58.89″N，116°19′12.09″E）-82.19-0.006 341 821

K7（37°28′8.18″N，116°18′34.75″E）-493.15-0.038 051 698

K8（37°28′3.26″N，116°18′44.72″E）-301.37-0.023 253 858

K9（37°29′39.51″N，116°19′1.54″E）-104.11-0.008 033 179

注：開采井K3已出邊界。

圖4開采井分布

Fig.4Distribution of Extraction Wells

建立的數(shù)值模型見圖5。三維網(wǎng)格共劃分為202 964個(gè)單元，計(jì)算平臺(tái)采用Comsol Multiphisices多物理場(chǎng)仿真分析平臺(tái)。

圖5數(shù)值模型三維網(wǎng)格剖分

Fig.53D Mesh Subdivision of Numerical Model

3.2流固耦合的實(shí)現(xiàn)及其支配方程

德州市德城區(qū)中深層承壓水的大量抽取超過(guò)承壓水的補(bǔ)給能力，引起承壓水位降低，也就是土層的孔隙水壓力降低導(dǎo)致了承壓含水層土體的變形。這是一個(gè)包含滲流與固體力學(xué)相互作用的過(guò)程，其壓縮變形具有一定的時(shí)間效應(yīng)。

流固耦合支配方程主要由流體控制方程和多孔介質(zhì)控制方程組成。本文采用比奧固結(jié)理論，其基本控制方程有流體控制方程和多孔介質(zhì)控制方程。

（1）流體控制方程為

SymbolQC@ σ=ρg（2）

式中：σ為總應(yīng)力張量；ρ為總密度；g為重力加速度。

流固耦合的實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是在初始條件和邊界條件的基礎(chǔ)上對(duì)流體控制方程和多孔介質(zhì)控制方程的耦合求解過(guò)程。

3.3初始條件和邊界條件

德州市德城區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)資料自1991年開始，取為計(jì)算初始時(shí)間點(diǎn)。整個(gè)模型外邊界有水頭監(jiān)控點(diǎn)，采用水頭邊界；模型內(nèi)所含263口開采井取為流量邊界，按實(shí)際開采量施加，考慮數(shù)值模型建立及計(jì)算簡(jiǎn)便，均轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量（圖6）。

3.4模型識(shí)別與校驗(yàn)

采用實(shí)測(cè)巖土力學(xué)參數(shù)、初始條件及邊界條件對(duì)德州市德城區(qū)地面沉降進(jìn)行分析計(jì)算。圖7為1991～2007年德州市德城區(qū)計(jì)算地面沉降量分布。將圖7與圖1的實(shí)測(cè)地面沉降進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算所得整體沉降趨勢(shì)及沉降量與實(shí)測(cè)資料較為吻合。

圖6三維開采井點(diǎn)位置

Fig.6Location of 3D Extraction Well Points

圖71999～2007年累計(jì)地面沉降（單位：m）

Fig.7Accumulative Land Subsidence from 1999 to 2007 （Unit：m）

為進(jìn)一步說(shuō)明建立的數(shù)值模型合理性及正確性，從圖7所得流固耦合三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中提取德州市德城區(qū)8個(gè)點(diǎn)位（平均覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域），與該8個(gè)點(diǎn)位的實(shí)測(cè)沉降量進(jìn)行對(duì)比分析。

提取的8個(gè)點(diǎn)位逐年沉降模擬值及實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線見圖8。從圖8可知，沉降量模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合，滿足精度需求。建立的數(shù)值模型可以較好地重現(xiàn)德州市德城區(qū)地下水開采誘發(fā)地面沉降的歷史過(guò)程。

圖8沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線

Fig.8Comparison Curves Between Measured and Simulated Land Subsidences in the Monitoring Points

4地面沉降發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用建立的數(shù)值模型預(yù)測(cè)德州市德城區(qū)地面沉降在現(xiàn)狀地下水開采量情況下的地面沉降發(fā)展趨勢(shì)。

以2010年作為地面沉降預(yù)測(cè)初始時(shí)刻，地下水開采量采用同期各開采井統(tǒng)計(jì)量。圖9展示了計(jì)算得到的德州市德城區(qū)1 m沉降范圍演化。由圖9可知，研究區(qū)若保持現(xiàn)狀的地下水開采條件，其沉降范圍具有不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)。沉降中心位置基本保持穩(wěn)定，但對(duì)同一位置沉降量隨時(shí)間的推移不斷加大，由此形成的沉降漏斗范圍不斷擴(kuò)大，漏斗中心高程不斷下降，因此，沉降災(zāi)害具有加劇趨勢(shì)，應(yīng)采取切實(shí)有效的控制措施加以處置。

圖9不同年份1 m沉降范圍演化預(yù)測(cè)（單位：m）

Fig.9Evolution Prediction of 1 m Subsidence Range in Different Years （Unit：m）

表3列出了德州市德城區(qū)代表性點(diǎn)位的沉降量預(yù)測(cè)值。根據(jù)數(shù)值模型預(yù)測(cè)結(jié)果，在現(xiàn)狀條件下開

表3現(xiàn)狀地下水開采條件下不同沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降預(yù)測(cè)結(jié)果

Tab.3Predictions of Land Subsidence in Different Monitoring Points Under the Condition of Current Groundwater Exploitation

年份監(jiān)測(cè)點(diǎn)D62地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q1地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q6地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)D101地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)D14地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)DJ9地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)D110地面沉降量/mm監(jiān)測(cè)點(diǎn)D111地面沉降量/mm

20151 316.21 269.5910.8962.8503.3801.6687.5910.8

20161 345.01 297.3931.8986.5514.3823.7705.5931.8

20171 373.71 324.9952.31 009.2525.7844.6723.0952.3

20181 402.51 352.5972.91 031.7537.2865.4740.4972.9

20191 431.41 380.1993.51 053.7548.8885.6757.7993.5

20201 460.61 407.91 014.21 075.6560.5905.7775.01 014.2

20211 490.41 436.11 035.01 097.2572.3925.6792.51 035.0

20221 520.21 464.21 055.71 118.9584.2945.5809.91 055.7

20231 550.01 492.41 076.51 140.5596.0965.3827.31 076.5

20241 580.21 521.01 097.41 162.3608.0985.3845.01 097.4

20251 611.41 550.31 118.51 184.3620.21 005.5863.11 118.5

采地下水10年，總體地面沉降速率相對(duì)于2007年之前有所減緩，地面沉降中心位置基本穩(wěn)定，但累積沉降量不斷加大。尤其是在開采井分布較為集中的地段，累計(jì)沉降量增大的趨勢(shì)尤為嚴(yán)重。從開采井分布位置分析，沉降漏斗基本處于開采井集中分布區(qū)，因此，集中開采地下水將會(huì)加劇地面沉降量，導(dǎo)致漏斗高程加速下降，若不及時(shí)采取有效措施，地下水開采誘發(fā)的地面沉降將越發(fā)難以控制。

5地面沉降控制措施

德州市德城區(qū)非常迫切地需要進(jìn)行地面沉降控制，本文提出減小地下水開采量、定期回灌地下水、調(diào)整開采井開采層位及開采井平面布局等工程措施，并采用建立的數(shù)值模型從定量分析角度評(píng)價(jià)這些措施的效果。

5.1減小地下水開采量

根據(jù)《山東省地面沉降防治規(guī)劃（2012～2020年）》，從2015年起減少德州市德城區(qū)第一和第二承壓含水層的地下水開采量。根據(jù)建立的數(shù)值模型預(yù)測(cè)未來(lái)20年地面沉降的變化情況，計(jì)算方案見表4。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隨著地下水開采量的減少，德州市德城區(qū)地面沉降速率明顯降低（圖10）。當(dāng)?shù)叵滤_采量減少30%及以上時(shí)，部分地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在減少地下水開采量的最初幾年內(nèi)出現(xiàn)了地面沉降趨于停止或少量回彈的現(xiàn)象，但是隨著時(shí)間推移，回彈量減少，地面沉降繼續(xù)發(fā)展?？傮w來(lái)說(shuō)，地面沉降速率較未減少地下水開采量前明顯降低，因此，減少地下水開采量在一定程度上可以有效控制德州市德城區(qū)地面沉降。

表4減少地下水開采量計(jì)算方案

Tab.4Schemes for Reducing the Groundwater Exploitation

方案1方案2方案3方案4方案5

開采量減少10%開采量減少20%開采量減少30%開采量減少40%開采量減少50%

圖10減少地下水開采量不同計(jì)算方案下沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)地面沉降量對(duì)比

Fig.10Comparisons of Cumulative Land Subsidence Under Different Schemes for Reducing the Groundwater Exploitation

5.2定期回灌地下水

人工回灌是指利用工程設(shè)施將地表水注入地下含水層，以增加地下水儲(chǔ)量的措施。根據(jù)德州市德城區(qū)地面沉降中心分布狀況，在其中心布設(shè)15口回灌井，這些井年回灌量相同，根據(jù)總回灌量的不同，設(shè)置4種回灌方案（表5）。假設(shè)回灌的地下水均達(dá)到承壓含水層，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)?shù)叵滤毓嗔枯^少時(shí)，對(duì)地面沉降速率的影響較小；回灌井附近地面沉降量受地下水回灌影響較大，遠(yuǎn)離回灌井的地面效果不明顯（圖11）。

圖11不同回灌方案下沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)地面沉降量對(duì)比

Fig.11Comparisons of Cumulative Land Subsidence Under Various Recharge Schemes

表5地下水回灌方案

Tab.5Schemes for Groundwater Recharge

方案方案1方案2方案3方案4

總回灌量/（104m3·年-1）200400600800

5.3調(diào)整開采井開采層位

根據(jù)《德州市地面沉降地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)》，德州市德城區(qū)淺層微咸水、咸水盈余量每年為395.3×104 m3，尚處于未開發(fā)階段。由此設(shè)計(jì)了調(diào)整開采井開采層位的方案：從2015年起，潛水層每年多開采390×104 m3的水量，將第一或第二承壓含水層的地下水開采量每年減少390×104 m3。由于潛水層水質(zhì)較差，可將開采的潛水層地下水作為城市綠化、消防和對(duì)水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水水源。

通過(guò)計(jì)算，調(diào)整地下水開采層位后的累計(jì)沉降量與未調(diào)整開采層位時(shí)相比有大幅度降低；同時(shí)，減少第二承壓含水層的地下水開采量比減少等量的第一承壓含水層的開采量對(duì)地面沉降的控制效果要好，而且沉降中心有所減緩。因此，在條件允許的情況下，地下水盡量從潛水層或上部第一承壓含水層開采。

5.4調(diào)整開采井平面布局

在開采量一定的情況下，為緩解地面沉降梯度大的問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)整開采井及開采量的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降的控制。結(jié)合德州市的實(shí)際情況，重點(diǎn)針對(duì)地面沉降嚴(yán)重的沉降中心區(qū)進(jìn)行開采井平面布局研究。調(diào)整開采井平面布局后，沉降中心區(qū)的開采井間距至少達(dá)到1 000 m（圖12）。假設(shè)沉降中心區(qū)開采井的開采流量重新調(diào)整，即各開采井的年開采量相同。

圖12開采井平面布局的調(diào)整

Fig.12Adjustment of Plane Layout for Extraction Wells

根據(jù)布局調(diào)整進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示在總開采量不變的條件下，重新調(diào)整開采井和開采流量的布局，可以在很大程度上減小或減緩德州市德城區(qū)地面沉降速率，使沉降中心沉降梯度減小。因此，在開采量一定的情況下，為最大程度減少地面沉降，可以根據(jù)德州市德城區(qū)的實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整開采井的分布和各開采井的年開采量。

5.5小結(jié)

根據(jù)各工程措施所進(jìn)行的計(jì)算分析結(jié)果表明，各工程措施均對(duì)控制研究區(qū)地面沉降產(chǎn)生效果，但也存在差異性。因此，可以考慮將多種方案進(jìn)行綜合利用：根據(jù)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，合理規(guī)劃城市發(fā)展布局，這可以與地下水開采井平面布局相結(jié)合；在不同階段可以設(shè)置不同的地下水開采量上限，在枯水季和豐水期可以設(shè)置不同的量值；在科學(xué)合理評(píng)估各開采層位不同地下水開采量情況下，可以隨時(shí)間的推移適當(dāng)調(diào)整不同開采層位，盡量保持各層位具有回灌回彈的特性，但在回灌過(guò)程中一定要注意水環(huán)境污染控制問(wèn)題，因?yàn)榈叵滤坏┰獾轿廴?，治理將?huì)非常困難。

6結(jié)語(yǔ)

地下水開采已導(dǎo)致華北平原德州區(qū)出現(xiàn)了大范圍的地面沉降，且有加劇的趨勢(shì)。已有研究成果已不能從根本上解決地面沉降控制的深層次問(wèn)題。本文從地面沉降的本質(zhì)出發(fā)，采用水文地質(zhì)工程地質(zhì)及巖土力學(xué)相結(jié)合的方法，建立山東省德州市德城區(qū)地面沉降流固耦合數(shù)值模型，成功反演該區(qū)地面沉降歷史發(fā)展情景，并對(duì)該區(qū)未來(lái)地面沉降發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了定量化預(yù)測(cè)；在此基礎(chǔ)上，提出研究區(qū)地面沉降若干控制措施，并對(duì)提出的工程措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次研究成果是山東省德州市地面沉降研究總結(jié)，為該區(qū)在地面沉降機(jī)理方面的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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