區(qū)域水資源預(yù)警方法研究及其應(yīng)用
----以濟(jì)南市為例

李福臻，曹升樂(lè)，劉 陽(yáng)，陳 一

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061)

21世紀(jì)，城市作為人口和經(jīng)濟(jì)的中心，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中的作用日趨重要。隨著城市人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市水資源需求量越來(lái)越大，城市缺水問(wèn)題也日益嚴(yán)重?？茖W(xué)而合理的水資源預(yù)警機(jī)制能夠更加合理地調(diào)配城市水資源，有計(jì)劃地指導(dǎo)水資源的開(kāi)發(fā)與利用是解決城市水資源供需矛盾，實(shí)現(xiàn)水資源長(zhǎng)期穩(wěn)定供給和高效利用的有效手段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水資源預(yù)警模式進(jìn)行了廣泛的研究，水質(zhì)預(yù)警采用的理論模型主要包括灰色理論模型、模糊理論模型、時(shí)間序列法、回歸模型等。在預(yù)警的實(shí)際應(yīng)用中，鄧紹云設(shè)計(jì)了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次的區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系[1]；徐緒堪利用云模型理論構(gòu)建了水資源可持續(xù)利用預(yù)警分級(jí)指標(biāo)體系[2]；史毅超可變模糊模型和灰色GM(1,1)建立了區(qū)域水資源承載力預(yù)警體系[3]；鐘平安利用灰色理論中災(zāi)變預(yù)測(cè)的原理，建立了水資源豐枯定性預(yù)警[4]；柴福鑫在城市水質(zhì)、水量模擬模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了城市水資源實(shí)時(shí)調(diào)度與管理整體模型,給出了水資源實(shí)時(shí)預(yù)警(報(bào)警)指標(biāo),為城市水資源科學(xué)管理和優(yōu)化調(diào)度提供了重要依據(jù)[5]；賈仁甫將水資源預(yù)警內(nèi)容分為水量變化、水質(zhì)變化、經(jīng)濟(jì)因素變化對(duì)水資源的影響、社會(huì)因素變化對(duì)水資源的影響4個(gè)方面，提出了水資源預(yù)警管理的基本框架[6]；郭安軍將水資源概念分為水質(zhì)的安全、基于水供給和水需求基礎(chǔ)之上的水量安全、基于可持續(xù)利用基礎(chǔ)之上的水量安全3個(gè)層次，提出了水資源安全預(yù)警機(jī)制原理的架構(gòu)[7]；郭曉娜利用模糊評(píng)價(jià)模型建立了區(qū)域大型水庫(kù)預(yù)警模型[8];王俊利用地下水變幅預(yù)測(cè)模型建立了濱海地區(qū)地下水的預(yù)警理論[9]。這些研究為水量與水質(zhì)預(yù)警理論的建立提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

我國(guó)北方地區(qū)缺水嚴(yán)重，水資源在時(shí)間上分布不均，整體表現(xiàn)汛期水多，非汛期水少，因此建立區(qū)域水資源預(yù)警機(jī)制對(duì)北方地區(qū)非汛期的水資源分配與管理具有重要意義。該區(qū)域預(yù)警方法統(tǒng)籌考慮了水質(zhì)與水量的影響，使預(yù)警級(jí)別的確定更加嚴(yán)格，同時(shí)也更符合供水的水質(zhì)要求，進(jìn)一步完善了水資源預(yù)警體系。

1 預(yù)警理論體系

非汛期區(qū)域水資源預(yù)警是指：在對(duì)非汛期內(nèi)可供水量與需水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行供需平衡分析，根據(jù)供需平衡的結(jié)果，確定預(yù)警期內(nèi)的供水方案，并根據(jù)缺水程度確定預(yù)警級(jí)別，進(jìn)而發(fā)布預(yù)警。

1.1 警戒線及預(yù)警區(qū)的確定

預(yù)警中，警戒線與預(yù)警區(qū)的劃定方法分為基于水量的劃定法和基于水質(zhì)水量耦合的劃定法。

1.1.1 基于水量的警戒線及預(yù)警區(qū)的確定

在基于水量的城區(qū)(不包含農(nóng)業(yè)用水，以下同)非汛期預(yù)警中，根據(jù)供需水量的關(guān)系劃分為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色4條警戒線，以警戒線為依據(jù)劃分為5個(gè)預(yù)警區(qū)。警戒線與預(yù)警期的劃定見(jiàn)表1。

表1 基于水量的警戒線與預(yù)警區(qū)Tab.1 Warning line and warning zone based on water quantity

注：W供為可供水量，萬(wàn)m3；W需為需水量，萬(wàn)m3；VB、VY、VO、VR分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色、黃色、橙色和紅色警戒線對(duì)應(yīng)水量，萬(wàn)m3。

1.1.2 基于水質(zhì)水量耦合的警戒線及預(yù)警區(qū)的確定

在基于水質(zhì)水量耦合的城區(qū)非汛期預(yù)警中，警戒線與預(yù)警期的劃分方式與1.1.1相同，但劃分依據(jù)不同。具體劃分結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2 區(qū)域水資源預(yù)警方法

區(qū)域預(yù)警方法根據(jù)是否需要定期發(fā)布預(yù)警分為點(diǎn)預(yù)警和過(guò)程預(yù)警；根據(jù)是否考慮預(yù)警期內(nèi)降水對(duì)地表水可供水量及地下水可開(kāi)采量補(bǔ)給的影響將預(yù)警分為動(dòng)態(tài)預(yù)警和靜態(tài)預(yù)警?？紤]到本次研究中預(yù)警期選擇為非汛期，由于預(yù)警周期較長(zhǎng)，且北方地區(qū)水資源較匱乏，非汛期的降水對(duì)預(yù)警級(jí)別的影響較為顯著，因此本文選擇動(dòng)態(tài)的過(guò)程預(yù)警作為主要的研究手段。

傳統(tǒng)的水資源預(yù)警中，僅考慮了在某單一水庫(kù)或某單一地下水源地供水情況下進(jìn)行的供需水量的預(yù)警，而本文給出了區(qū)域內(nèi)同時(shí)包含水庫(kù)(群)、多地下水源地、多客水水源和多再生水水源情況下的水資源預(yù)警方法。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的預(yù)警方法僅在二維范疇內(nèi)，即根據(jù)供水與需水的平衡關(guān)系確定預(yù)警級(jí)別，沒(méi)有考慮到水質(zhì)在預(yù)警中的影響。本文在“量”的基礎(chǔ)上引入了“質(zhì)”的概念，將二維的預(yù)警結(jié)構(gòu)提高到三維，二維預(yù)警結(jié)構(gòu)(水量預(yù)警)與三維預(yù)警結(jié)構(gòu)(質(zhì)、量耦合預(yù)警)如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可看出，二維預(yù)警結(jié)構(gòu)為三維預(yù)警結(jié)構(gòu)的警度“上限”，即在考慮了更嚴(yán)格的水質(zhì)約束后，基于水質(zhì)水量耦合的三維預(yù)警級(jí)別均高于(或等于)二維預(yù)警級(jí)別，預(yù)警的發(fā)布更加合理嚴(yán)謹(jǐn)。

表2 基于水質(zhì)水量耦合的警戒線與預(yù)警區(qū)Tab.2 Warning line and warning zone based on water quality and quantity coupling

注：WⅠ～Ⅲ為Ⅰ～Ⅲ類(lèi)水可供水量，萬(wàn)m3；WⅠ～Ⅲ余為Ⅰ～Ⅲ類(lèi)水余水可供水量，萬(wàn)m3；VS、VG、VT分別對(duì)應(yīng)生活、工業(yè)和生態(tài)需水量，萬(wàn)m3。

圖1 二維預(yù)警結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Two-dimensional early warning structure

圖2 三維預(yù)警結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Three-dimensional early warning structure

在考慮了水質(zhì)的影響后，隨著水質(zhì)逐漸變差，對(duì)于某些水質(zhì)要求較高的用水部門(mén)，實(shí)際可用水量逐漸變少，因此預(yù)警級(jí)別也相應(yīng)升高，當(dāng)水質(zhì)很差時(shí)，即使“量”滿(mǎn)足需求，“質(zhì)”也不能滿(mǎn)足用水部門(mén)的要求。若供水水源的水質(zhì)均優(yōu)于(等于)Ⅲ類(lèi)水時(shí)，可滿(mǎn)足所有用水部門(mén)的水質(zhì)要求，水質(zhì)不再成為預(yù)警的約束條件，此時(shí)三維預(yù)警結(jié)構(gòu)與二維預(yù)警結(jié)構(gòu)相同?；谏鲜鲇^點(diǎn)，建立三維的預(yù)警結(jié)構(gòu)體系是十分必要的。

1.2.1 基于水量的區(qū)域預(yù)警方法

(1)確定預(yù)警期。預(yù)警期是指發(fā)布預(yù)警的預(yù)見(jiàn)期。本文中選擇預(yù)警期為非汛期(當(dāng)年10月1日至翌年5月31日)。

(2)計(jì)算預(yù)警期需水量。區(qū)域預(yù)警中需水量包括生活需水量、工業(yè)需水量和生態(tài)需水量，三者之和即為需水總量。

(3)計(jì)算預(yù)警期可供水量。對(duì)于城區(qū)而言，預(yù)警期可供水量一般包括地表水可供水量、地下水可供水量、客水可供水量和再生水可供水量。在地表水可供水量的計(jì)算中，應(yīng)考慮到預(yù)警期內(nèi)的補(bǔ)給量與損失量；在地下水可供水量的計(jì)算中，應(yīng)考慮到預(yù)警期內(nèi)的補(bǔ)給量。四者之和即為預(yù)警期內(nèi)的可供水總量。

(4)確定預(yù)警級(jí)別。預(yù)警中根據(jù)地表水、地下水的可供水量和用戶(hù)需水量的變化根據(jù)供需平衡結(jié)果確定預(yù)警級(jí)別并定期調(diào)整，根據(jù)不斷調(diào)整的預(yù)警級(jí)別，對(duì)預(yù)警期后期的供、需水策略進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

1.2.2 基于水質(zhì)水量耦合的區(qū)域預(yù)警方法

(1)確定預(yù)警期。在基于水質(zhì)水量耦合的預(yù)警方法中，預(yù)警期的確定與1.2.1節(jié)相同。

(2)計(jì)算預(yù)警期供需水量。在供需水量的計(jì)算中，應(yīng)以水質(zhì)作為分類(lèi)進(jìn)行水量統(tǒng)計(jì)，即分別計(jì)算可供水量中Ⅰ～Ⅴ類(lèi)水水量及需水量中Ⅰ～Ⅴ類(lèi)水水量。

(3)確定預(yù)警級(jí)別。在確定了基于水量的預(yù)警級(jí)別后，需進(jìn)一步確定在水質(zhì)約束條件下的預(yù)警級(jí)別。即根據(jù)不同水質(zhì)可供水量與不同用水部門(mén)需水量的供需關(guān)系，由用水部門(mén)的需水優(yōu)先級(jí)逐級(jí)確定預(yù)警級(jí)別。首先根據(jù)生活需水的供需平衡結(jié)果確定預(yù)警級(jí)別(是否發(fā)布紅色預(yù)警)；若不需發(fā)布紅色預(yù)警，則繼續(xù)由工業(yè)需水的供需平衡結(jié)果進(jìn)一步確定預(yù)警級(jí)別(是否發(fā)布橙色預(yù)警)；若不需發(fā)布橙色預(yù)警，則繼續(xù)由生態(tài)需水的供需平衡結(jié)果繼續(xù)確定預(yù)警級(jí)別(是否發(fā)布黃色預(yù)警)；若不需發(fā)布黃色預(yù)警，則根據(jù)三類(lèi)用水部門(mén)的供需平衡結(jié)果最終確定預(yù)警級(jí)別(藍(lán)色預(yù)警或不預(yù)警)。

2 非汛期區(qū)域預(yù)警管理應(yīng)用實(shí)例

本文選擇濟(jì)南市2015年非汛期作為預(yù)警基準(zhǔn)年，進(jìn)行濟(jì)南市東城區(qū)水資源預(yù)警。在氣候方面，濟(jì)南市地處屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，受大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，冬季干燥少雨，夏季炎熱多雨，降水主要集中在汛期，非汛期降水量較??；在人口經(jīng)濟(jì)方面，濟(jì)南市東城區(qū)人口約118 萬(wàn)人，至2020年規(guī)劃人口175 萬(wàn)人，與此同時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)產(chǎn)值每年以超過(guò)200億的速度增加，生活與工業(yè)需水量要求呈逐年上升的趨勢(shì)。由于自然(氣候、水資源量、水源水質(zhì))和人為(供水能力)因素的影響，供需矛盾日益突出，因此，建立非汛期的水資源預(yù)警機(jī)制就顯得尤為重要。

2.1 基于水量的預(yù)警過(guò)程

濟(jì)南市東城區(qū)地表水供水水源為錦繡川水庫(kù)，該水庫(kù)是本次研究區(qū)域的唯一地表水水源。錦繡川水庫(kù)總庫(kù)容約為4 100 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為3 590 萬(wàn)m3，死庫(kù)容為108 萬(wàn)m3，流域面積166km2，計(jì)算選用基準(zhǔn)年2015年10月1日水庫(kù)蓄水量702 萬(wàn)m3，非汛期初地表水可供水量為594 萬(wàn)m3。

預(yù)警中，將在地下水開(kāi)采過(guò)程中生態(tài)環(huán)境不遭受破壞的最大埋深定義為基準(zhǔn)埋深。本文選擇濟(jì)南市多年地下水埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的最大埋深作為參考，定義該埋深值為基準(zhǔn)埋深的90%。2015年10月1日地下水埋深為5.08m，考慮到地下水源地面積、給水度和開(kāi)采系數(shù)的影響，10月1日地下水可供水量為4 458.95 萬(wàn)m3，供需水量見(jiàn)表3。

表3 非汛期初供需水總量Tab.3 Total supply and demand water at the beginning of non-flood period

2.1.1 靜態(tài)過(guò)程預(yù)警

預(yù)警中，由于三類(lèi)用水部門(mén)單位時(shí)間內(nèi)用水量變幅較小，因此每月需水量與該月天數(shù)有關(guān)。若預(yù)警期間內(nèi)的可供水量大于需水量，則實(shí)行按需供水，不需發(fā)布預(yù)警；若可供水量小于需水量，則根據(jù)供需比例進(jìn)行供水，根據(jù)供需平衡關(guān)系確定預(yù)警級(jí)別并發(fā)布預(yù)警，靜態(tài)預(yù)警過(guò)程見(jiàn)表4。

2.1.2 動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警

(1)不同頻率降水過(guò)程的計(jì)算。以濟(jì)南市2000-2016年非汛期降水資料為依據(jù)，采用頻率適線法確定降水頻率曲線，計(jì)算得到不同頻率下非汛期降水量見(jiàn)表5。

(2)補(bǔ)給量的計(jì)算。區(qū)域水資源補(bǔ)給量包括地表水補(bǔ)給量及地下水補(bǔ)給量。地表水補(bǔ)給量主要指水庫(kù)的入庫(kù)徑流量。地表水的計(jì)算方法采用徑流系數(shù)法，在考慮了無(wú)效降水對(duì)地表水補(bǔ)給的影響后，結(jié)果表明在無(wú)效降水為2 mm時(shí)采用乘冪函數(shù)模擬精度最高，降水量和徑流深的回歸方程為：

表4 非汛期靜態(tài)過(guò)程預(yù)警結(jié)果Tab.4 Results of static process warning in non-flood period

表5 非汛期不同降水頻率降水量Tab.5 Precipitation corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

y=149.64x0.310 3(R2=0.807 6)

(1)

式中：x為徑流深，mm；y為有效降水,mm。

在地下水補(bǔ)給量的計(jì)算中，采用回歸模型對(duì)地下水埋深進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用SPSS軟件建立地下水埋深變幅擬合方程。該擬合方程考慮了上月降水、本月降水和本月取水對(duì)地下水埋深的影響，結(jié)果表明當(dāng)無(wú)效降水為1 mm時(shí)模擬精度最高，此時(shí)地下水埋深變幅擬合方程為：

ΔH=-0.01P1+0.005P2+0.58WQ

(2)

式中：ΔH為埋深變化量，m；P1為本月降水，mm；P2為上月降水，mm；Wq為本月取水量，萬(wàn)m3。

不同降水頻率下補(bǔ)給量見(jiàn)表6。

(3)損失量的計(jì)算。損失量包括水庫(kù)蒸發(fā)損失量及水庫(kù)滲漏損失量。濟(jì)南市東城區(qū)地表水供水水庫(kù)為錦繡川水庫(kù)，本文中取水庫(kù)月初與月末的平均蓄水量作為該月的計(jì)算蓄水量，根據(jù)錦繡川水庫(kù)水量與水面面積的監(jiān)測(cè)資料，建立水庫(kù)蓄水量與水面面積關(guān)系曲線。由于該水庫(kù)位于北鳳和崮山兩個(gè)蒸發(fā)站之間，水面蒸發(fā)器單位面積蒸發(fā)量取兩個(gè)蒸發(fā)站的均值。由北方地區(qū)非汛期蒸發(fā)特性，需在計(jì)算中確定水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)。不同降水頻率下?lián)p失量見(jiàn)表7。

表6 非汛期不同降水頻率補(bǔ)給量Tab.6 Replenishment corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

表7 非汛期不同降水頻率損失量Tab.7 Water loss corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

在動(dòng)態(tài)預(yù)警中，以平水年(50%降水頻率)為例，預(yù)警過(guò)程見(jiàn)表8。

不同豐枯頻率下基于水量的動(dòng)態(tài)預(yù)警折線圖見(jiàn)圖3。

表8 基于水量的非汛期動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警結(jié)果(50%降水頻率)Tab.8 Results of dynamic process warning based on Water quantity in non-flood period (50% precipitation frequency)

圖3 基于水量的動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警Fig.3 Dynamic process warning based on water quantity

2.2 基于水質(zhì)水量耦合的預(yù)警過(guò)程

在進(jìn)行區(qū)域預(yù)警時(shí)，往往是地表水、地下水、客水和再生水作為可利用的水資源同時(shí)進(jìn)行城市供水，但4種水的水質(zhì)不同，作為供水來(lái)源的用途也不相同。在可供水量中，地表水(錦繡川水庫(kù))全部為Ⅱ類(lèi)水；地下水主要為Ⅲ、Ⅳ類(lèi)水；客水水質(zhì)差別較大，同時(shí)涵蓋Ⅱ～Ⅴ類(lèi)水；再生水水質(zhì)較差，主要為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水。在需水量中，生活需水的水質(zhì)要求應(yīng)高于或等于Ⅲ類(lèi)水；工業(yè)需水的水質(zhì)要求應(yīng)高于或等于Ⅳ類(lèi)水；生態(tài)需水的水質(zhì)要求應(yīng)不低于Ⅴ類(lèi)水。本節(jié)以平水年(50%降水頻率)為例，在2.1節(jié)的基礎(chǔ)上將水質(zhì)與水量耦合，在供需水量平衡的基礎(chǔ)上建立基于水質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警管理方法，基于水質(zhì)要求的供需水量見(jiàn)表9，不同頻率下的動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警結(jié)果見(jiàn)表10。

表9 基于水質(zhì)水量耦合的供需水量Tab.9 Results of water supply and demand Based on water quality and quantity coupling

表10 基于水質(zhì)水量耦合的非汛期動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警結(jié)果(50%降水頻率)Tab.10 Results of dynamic process warning based on water quality and quantity coupling in non-flood period(50% precipitation frequency)

不同豐枯頻率下基于水質(zhì)水量耦合的動(dòng)態(tài)預(yù)警折線圖見(jiàn)圖4。

圖4 基于水質(zhì)水量耦合的動(dòng)態(tài)過(guò)程預(yù)警Fig.4 Dynamic process warning based on Water quality and quantity coupling

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文在應(yīng)用水量進(jìn)行供需分析的基礎(chǔ)上，首次提出了基于水質(zhì)水量耦合的警戒線與預(yù)警區(qū)的劃定方法，并以濟(jì)南市東城區(qū)為例給出了不同頻率下的預(yù)警方案?？紤]了水質(zhì)對(duì)供需水量的約束條件后，預(yù)警級(jí)別的確定更嚴(yán)格，同時(shí)也更符合供水的水質(zhì)要求，進(jìn)一步完善了水資源預(yù)警體系，對(duì)推動(dòng)預(yù)警在水資源管理中的應(yīng)用、最嚴(yán)格的水資源管理的實(shí)施具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

(2)預(yù)警結(jié)果表明，在水質(zhì)約束下，不同頻率下的預(yù)警級(jí)別均高于(或等于)僅考慮水量的預(yù)警方案。由圖3和圖4可看出：以50%降水頻率下非汛期第3個(gè)月(當(dāng)年12月)為例，在不考慮水質(zhì)約束的條件下，根據(jù)供需平衡結(jié)果應(yīng)發(fā)布藍(lán)色預(yù)警，但若考慮水質(zhì)對(duì)預(yù)警級(jí)別的影響，該月應(yīng)發(fā)布橙色預(yù)警。當(dāng)在二維范疇內(nèi)確定了供需水總量的預(yù)警級(jí)別后，需進(jìn)一步在水質(zhì)的約束下確定基于水質(zhì)的三維預(yù)警過(guò)程。即綜合考慮不同供水水質(zhì)與需水水質(zhì)的關(guān)系，確定預(yù)警級(jí)別并發(fā)布預(yù)警。

(3)目前對(duì)區(qū)域水資源預(yù)警的研究多為定性分析，定量分析較少。本文運(yùn)用多元線性回歸分析的方法，對(duì)非汛期分別進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的預(yù)警研究。結(jié)果表明，在考慮了降水對(duì)地表水及地下水的補(bǔ)給作用后，不同頻率下逐月的預(yù)警級(jí)別也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。由于非汛期降水量較少，與靜態(tài)預(yù)警相比，預(yù)警級(jí)別一般不會(huì)出現(xiàn)跳躍式波動(dòng)。

(4)與傳統(tǒng)的預(yù)警方法相比，以水質(zhì)作為約束條件的水資源預(yù)警中，需水水源的水質(zhì)要求決定了供水端應(yīng)當(dāng)實(shí)行分質(zhì)供水。對(duì)濟(jì)南市東城區(qū)而言，目前還沒(méi)有完全具備分質(zhì)供水的工程條件，只能實(shí)現(xiàn)部分區(qū)域(工業(yè)集中區(qū)等)內(nèi)分質(zhì)供水。

(5)在可供水量的計(jì)算中，影響地表水、地下水補(bǔ)給量以及水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏損失的因素較多，目前這方面的研究成果不多。

本文僅選取了幾個(gè)主要因素進(jìn)行補(bǔ)給量和損失量的計(jì)算，下一步還需要對(duì)該方法進(jìn)行深入研究。

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