某高速公路隧道內(nèi)空氣污染物的濃度分布特征及其控制技術(shù)研究

劉國(guó)亮 秦丹 劉陳鴻

摘要：文章針對(duì)某高速公路隧道內(nèi)空氣污染問題展開研究，旨在探究隧道內(nèi)空氣污染物的濃度分布特征及其控制技術(shù)。采用實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的方法，對(duì)某高速公路隧道內(nèi)空氣污染問題進(jìn)行深入探究，并通過實(shí)驗(yàn)分析隧道內(nèi)空氣污染物的橫向和縱向分布特征，為解決隧道內(nèi)空氣污染問題，提出一種組合控制技術(shù)方案。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該組合控制技術(shù)方案能夠有效地降低隧道內(nèi)空氣污染物的濃度，改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，同時(shí)為解決城市道路交通引起的空氣污染問題提供了新思路和方案。

關(guān)鍵詞：隧道空氣質(zhì)量；空氣污染控制技術(shù)；空氣污染物分布規(guī)律

中圖分類號(hào)：U453.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0083-04

0 引言

本文以廣西南寧某隧道項(xiàng)目為例，研究該隧道內(nèi)空氣污染物的濃度分布規(guī)律，分析目前常用的傳統(tǒng)和新興的空氣污染控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)及其在該隧道內(nèi)的應(yīng)用情況，提出一種污染物控制技術(shù)組合策略，將傳統(tǒng)技術(shù)和新興技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，最大限度地控制空氣污染物的濃度。針對(duì)該隧道內(nèi)污染物的特點(diǎn)，通過優(yōu)化空氣治理技術(shù)，提高隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和行車安全和效率。此外，應(yīng)用該技術(shù)可以降低隧道內(nèi)空氣污染物對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)［1-2］。

1 案例簡(jiǎn)介

某高速公路位于廣西南寧市境內(nèi)，該公路項(xiàng)目有一條長(zhǎng)達(dá)8 km，高5 m，寬10.5 m的隧道；該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，冬季氣溫溫和干燥；地形以平原為主，地勢(shì)平坦。隧道位于一個(gè)丘陵上，兩端連接的道路均有上、下坡，路況較好。該隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，限速為120 km/h，設(shè)計(jì)通行能力為1.5萬輛/日。平均通行時(shí)間為15 min。為了解決高速公路隧道內(nèi)的空氣污染問題，需要對(duì)污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。因此，該項(xiàng)目勘測(cè)組對(duì)隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行了采樣，獲取隧道內(nèi)污染物的濃度數(shù)據(jù)，以便分析其超標(biāo)情況和分布規(guī)律，為隧道內(nèi)空氣治理提供依據(jù)。表1是該勘測(cè)組提供的隧道內(nèi)部分污染物的采樣結(jié)果，其中PM2.5和PM10的濃度均超過了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值。

1.1 樣品采樣與分析

為了更全面地了解隧道內(nèi)污染物的分布情況，采用了三點(diǎn)測(cè)量法。第一個(gè)測(cè)點(diǎn)位于隧道的入口處，第二個(gè)測(cè)點(diǎn)位于隧道的中間位置，第三個(gè)測(cè)點(diǎn)位于隧道的出口處。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高度保持在標(biāo)準(zhǔn)車輛的排氣管口的范圍內(nèi)，即在距離地面50 cm的高度進(jìn)行采樣。每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行30次采樣，計(jì)算出污染物的平均濃度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，可以幫助技術(shù)人員更準(zhǔn)確地了解隧道內(nèi)污染物的濃度和分布情況。實(shí)驗(yàn)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器和采樣器進(jìn)行采樣和分析，監(jiān)測(cè)儀器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到隧道內(nèi)的CO、NO2、SO2、VOCs等有機(jī)物質(zhì)的濃度，而采樣器則可以對(duì)PM2.5等固體顆粒物進(jìn)行采樣和分析。

1.2 污染物濃度算法

首先，選取在隧道入口處測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的PM2.5濃度樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。將取樣的30個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，然后將求和后的結(jié)果除以樣本數(shù)，得到該點(diǎn)位的平均濃度739.8 / 30 = 24.66 ?g/m?。

計(jì)算該點(diǎn)位的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差表示數(shù)據(jù)的離散程度，用于衡量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，計(jì)算公式如下：

σ=[［Σ（xi-x）2/（n-1）］]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，[xi]表示第i個(gè)數(shù)據(jù)，[x]表示平均值，n表示樣本數(shù)。

根據(jù)公式（1），技術(shù)人員可以得到該點(diǎn)位PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算該點(diǎn)位PM2.5的變異系數(shù)。變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，用于比較不同變量的離散程度，計(jì)算公式如下：

CV=σ/[x]×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

根據(jù)公式（3），技術(shù)人員可以得到該點(diǎn)位PM2.5的變異系數(shù)：

CV=0.88/24.66×100%=3.56%

因此，該測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位PM2.5的濃度范圍為22.4～27.8?g/m?，標(biāo)準(zhǔn)差為0.88?g/m?，變異系數(shù)為3.56%。

1.3 隧道內(nèi)空氣污染物濃度

根據(jù)以上計(jì)算公式，在隧道內(nèi)取3個(gè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位，對(duì)污染物CO、NO?、PM2.5、SO?、VOCs各取樣30份，分別計(jì)算出它們的濃度范圍及標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，形成最終的隧道內(nèi)空氣污染物濃度統(tǒng)計(jì)表（見表2）。

該隧道內(nèi)的CO、PM2.5和VOCs的平均濃度較高且變異系數(shù)也較大。這些污染物對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境都有不良影響，如PM2.5對(duì)人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等均有影響，NO2和SO2可影響人的呼吸系統(tǒng)和肺功能。因此，對(duì)該隧道空中的污染進(jìn)行控制，需推測(cè)出污染物濃度的橫向和縱向分布，再根據(jù)不同季節(jié)和時(shí)間段的污染物濃度消散程度采取優(yōu)化車輛燃燒方式、加強(qiáng)通風(fēng)管理及加強(qiáng)清潔管理等措施，可有效地減少隧道內(nèi)污染物的含量，提高隧道內(nèi)空氣的質(zhì)量，保障人體健康和生態(tài)環(huán)境的安全。

2 污染物分布特征

2.1 橫向分布特征

在橫向分布上，該隧道內(nèi)主要污染物的濃度水平呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。經(jīng)過多次采樣和檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)主要污染物的濃度水平在隧道兩側(cè)區(qū)域相對(duì)較低，而在隧道中央?yún)^(qū)域相對(duì)較高。以檢測(cè)到的NO2為例，其濃度水平在隧道兩側(cè)區(qū)域一般維持在30～40 μg/m?，而在隧道中央?yún)^(qū)域則可能達(dá)到80 μg/m?以上。在風(fēng)向垂直于隧道方向的情況下，污染物的濃度水平在隧道兩側(cè)區(qū)域會(huì)更低，而在風(fēng)向平行于隧道方向的情況下，則污染物會(huì)更加均勻地分布［3］。

2.2 縱向分布特征

在縱向分布上，經(jīng)過長(zhǎng)期的檢測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)，污染物濃度通常情況下在隧道入口附近相對(duì)較低，而在隧道中段或者接近出口的位置則會(huì)增加。這是由于通行車輛在進(jìn)入隧道時(shí)會(huì)帶入一定量的新鮮空氣，從而稀釋隧道內(nèi)的污染物濃度；而車輛在隧道內(nèi)行駛的過程中，污染物的排放則會(huì)逐漸積累，導(dǎo)致濃度水平逐漸升高。在天氣穩(wěn)定的情況下，隧道內(nèi)的污染物在縱向分布比較均勻，而在強(qiáng)風(fēng)或者雨雪天氣，污染物的縱向分布特征將會(huì)更加復(fù)雜和多變［4］。

2.3 季節(jié)變化特征

由上文提供的數(shù)據(jù)可知，該隧道內(nèi)的主要污染物包括PM2.5、PM10、NO2和SO2，其濃度水平變化與季節(jié)變化密切相關(guān)。以隧道內(nèi)檢測(cè)到的PM2.5為例，在不同季節(jié)，其濃度水平如下：春季為9～13 μg/m?、夏季為14～26 μg/m?、秋季為12～16 μg/m?、冬季為16～24 μg/m?，在春季和秋季，隧道內(nèi)的PM2.5濃度較低，與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、通行量等因素有較大關(guān)系；而在夏季和冬季，隧道內(nèi)的PM2.5濃度較高，則與大氣逆溫、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等因素有關(guān)。該隧道內(nèi)其他污染物的濃度水平也隨季節(jié)的變化而出現(xiàn)浮動(dòng)，但總體趨勢(shì)與PM2.5類似［5］。

2.4 污染物濃度消聚的規(guī)律和原因

上文對(duì)隧道內(nèi)污染物的濃度在橫向和縱向上的分布規(guī)律特征進(jìn)行分析。橫向上污染物濃度的分布規(guī)律與車流量和車速密切相關(guān)。在車流量較大的區(qū)域，污染物濃度會(huì)明顯增加。這是因?yàn)檐囕v尾氣排放是污染物的主要來源，車流量越大，尾氣排放就越多，污染物濃度也就越高。此外，車速也會(huì)影響污染物濃度的分布，在車速較慢的區(qū)域，汽車尾氣的排放時(shí)間較長(zhǎng)，污染物容易積累在這些區(qū)域，導(dǎo)致其濃度升高。在縱向上，污染物濃度的分布規(guī)律與氣象條件有關(guān)，氣象條件與污染物散發(fā)速度調(diào)查表見表3。在天氣較熱的季節(jié)，污染物更容易揮發(fā)擴(kuò)散，因此污染物濃度相對(duì)較低；而在天氣較冷的季節(jié)，污染物則更容易凝結(jié)聚集，致使污染物濃度變高。

表3中的數(shù)據(jù)可以通過氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場(chǎng)的氣象測(cè)量?jī)x器獲取。研究人員發(fā)現(xiàn)，氣壓越高、溫度越高、濕度越低，污染物的散發(fā)速度就越快；而在降雨天氣，由于水分的作用，污染物的消散速度會(huì)減緩。

3 空氣污染物控制技術(shù)研究

3.1 傳統(tǒng)控制技術(shù)

（1）通風(fēng)換氣。在項(xiàng)目隧道內(nèi)部的通風(fēng)換氣系統(tǒng)中檢測(cè)到在風(fēng)速為2.5 m/s的情況下，通風(fēng)量為500 m3/min，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物和二氧化硫的控制效果較好，控制效率分別為85%和70%；其原理是通過在隧道的兩端設(shè)置通風(fēng)口，在通風(fēng)口處設(shè)置風(fēng)機(jī)將新鮮空氣送入隧道中，同時(shí)將污染物排出隧道，從而達(dá)到凈化空氣的目的。通風(fēng)換氣的適用范圍比較廣，可以對(duì)一些揮發(fā)性較大的污染物進(jìn)行有效控制，但對(duì)顆粒物的控制效果不佳，會(huì)受到通風(fēng)量、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等因素的影響。

（2）噴淋降塵。在隧道內(nèi)部設(shè)置噴淋降塵系統(tǒng)，在噴霧量為10 L/min的情況下，顆粒物控制效率達(dá)到60%。噴淋降塵是利用水霧將顆粒物降低到地面，以達(dá)到凈化空氣的目的；其原理是在隧道內(nèi)設(shè)置噴淋裝置，通過水霧將空氣中的顆粒物濕潤(rùn)，使其質(zhì)量增加，從而沉降到地面。噴淋降塵技術(shù)適用于顆粒物濃度較高的情況，但其控制效果有限且會(huì)在隧道內(nèi)部形成積水，影響車輛的安全通行。

（3）光催化。光催化是一種新型的空氣污染控制技術(shù)，其原理是利用光催化材料吸收光能，產(chǎn)生活性氧化物，通過氧化反應(yīng)將污染物降解為無害物質(zhì)。光催化技術(shù)適用于對(duì)顆粒物、揮發(fā)性有機(jī)物、二氧化氮等污染物的控制，但其效果受到光照強(qiáng)度、光催化材料的選擇等因素的影響。

3.2 新興控制技術(shù)

現(xiàn)階段，投入公路隧道項(xiàng)目的新興空氣污染控制技術(shù)主要有離子風(fēng)場(chǎng)、負(fù)離子發(fā)生器和電解水等技術(shù)，這些技術(shù)均是利用電場(chǎng)或化學(xué)反應(yīng)等原理清除空氣中的污染物。

（1）離子風(fēng)場(chǎng)。離子風(fēng)場(chǎng)技術(shù)是利用電子、正負(fù)離子等電場(chǎng)效應(yīng)，生成電場(chǎng)，從而形成負(fù)離子風(fēng)場(chǎng)，使得空氣中的污染物通過靜電吸附、物理碰撞等方式被捕集。該技術(shù)適用于空氣污染物粒徑大于10μm的顆粒物，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低污染物濃度，提高空氣質(zhì)量，缺點(diǎn)是需要消耗大量電能，并且不能清除細(xì)小顆粒物。

（2）負(fù)離子發(fā)生器。負(fù)離子發(fā)生器利用高電壓電場(chǎng)產(chǎn)生的電離子與空氣中的氧分子結(jié)合形成負(fù)離子，并利用靜電吸附顆粒物。該技術(shù)適用于空氣污染物粒徑小于10 μm的顆粒物，其優(yōu)點(diǎn)是能有效凈化空氣，同時(shí)具有調(diào)節(jié)人體免疫力和改善睡眠等作用，缺點(diǎn)是需要耗費(fèi)較大電能。

（3）電解水。電解水技術(shù)是將水經(jīng)過電解后，產(chǎn)生氫氣和氧氣，利用這些氣體與空氣中的污染物發(fā)生反應(yīng)而清除污染物。該技術(shù)適用于有機(jī)物、氧化物等易被還原物質(zhì)的空氣污染物，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低廉、效果明顯，同時(shí)能降低污染物濃度，提高空氣質(zhì)量，缺點(diǎn)是無法有效清除大顆粒污染物，同時(shí)需要消耗大量電能。

3.3 傳統(tǒng)與新興控制技術(shù)的對(duì)比

傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟穩(wěn)定，易于實(shí)施。例如，通風(fēng)換氣可以有效地降低空氣中污染物的濃度，噴淋降塵可以抑制飛揚(yáng)顆粒物的產(chǎn)生，光催化可以降解有機(jī)污染物。但是，傳統(tǒng)技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，在通風(fēng)換氣方面，隧道內(nèi)使用的抽風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)需要消耗大量的能源，同時(shí)在某些情況下會(huì)帶入外部污染物；而噴淋降塵和光催化等技術(shù)對(duì)污染物的控制效果有限，只適用于特定的污染物。

相比傳統(tǒng)技術(shù)，新興技術(shù)具有更高的效率和更低的能源消耗。例如，離子風(fēng)場(chǎng)和負(fù)離子發(fā)生器可以快速清除空氣中的顆粒物和有機(jī)污染物，電解水可以降解各種污染物，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。但是，新興技術(shù)也存在一些局限性，例如離子風(fēng)場(chǎng)和負(fù)離子發(fā)生器對(duì)空氣濕度和溫度的要求比較高，而電解水需要消耗大量能源。此外，新興技術(shù)在應(yīng)用過程中，還需要考慮技術(shù)的成熟度、安全性等問題。

針對(duì)本隧道項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇適合的空氣污染控制技術(shù)需要考慮多種因素。傳統(tǒng)技術(shù)方面，可以考慮采用通風(fēng)換氣和噴淋降塵等技術(shù)；新興技術(shù)方面，可以考慮采用離子風(fēng)場(chǎng)和電解水等技術(shù)；針對(duì)不同污染物的特點(diǎn)，也可以采用多種技術(shù)相結(jié)合的方式，以達(dá)到最佳的控制效果。

4 空氣污染控制技術(shù)方案

4.1 控制技術(shù)應(yīng)用存在的問題

（1）設(shè)備運(yùn)行成本高。傳統(tǒng)控制技術(shù)中通風(fēng)換氣、噴淋降塵等方法的應(yīng)用成本較高，尤其是在大型隧道中的應(yīng)用，需要消耗大量的能源和水資源。

（2）控制效果不理想。傳統(tǒng)控制技術(shù)的控制效果受到天氣等外界環(huán)境的影響較大且不易根除污染源，導(dǎo)致控制效果不理想。同時(shí)，新興技術(shù)中離子風(fēng)場(chǎng)、負(fù)離子發(fā)生器等技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）技術(shù)適用范圍受限。傳統(tǒng)控制技術(shù)如噴淋降塵必須配合較高的濕度才能發(fā)揮最佳作用，而光催化技術(shù)對(duì)光照條件也有一定的要求，因此在特定的氣象條件下其應(yīng)用可能會(huì)受到限制。

（4）仍存在未知的安全隱患。新興技術(shù)如離子風(fēng)場(chǎng)、電解水等在應(yīng)用中存在一定的安全隱患，例如離子風(fēng)場(chǎng)可能產(chǎn)生臭氧等有害物質(zhì)，電解水可能產(chǎn)生氫氣等易燃?xì)怏w，因此需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證其安全性。

4.2 控制技術(shù)應(yīng)用改進(jìn)措施

在具體應(yīng)用中，可以考慮將傳統(tǒng)技術(shù)與新興技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)［6］。

（1）組合使用控制技術(shù)策略。對(duì)于本文案例，可以采用通風(fēng)換氣技術(shù)和離子風(fēng)場(chǎng)技術(shù)相結(jié)合的控制技術(shù)，具體操作方法如下：在隧道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)口，利用自然風(fēng)或機(jī)械風(fēng)將外部新鮮空氣引入隧道，形成空氣對(duì)流，將設(shè)備污染物排出。同時(shí)，在通風(fēng)口處設(shè)置離子風(fēng)場(chǎng)發(fā)生器，將設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)離子向隧道內(nèi)部傳遞，通過靜電作用使污染物凝聚并沉降，從而降低污染物濃度。這種組合使用的控制技術(shù)策略可以充分利用通風(fēng)換氣技術(shù)和離子風(fēng)場(chǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，較好地達(dá)到降低空氣污染物濃度的目的。

（2）優(yōu)化傳統(tǒng)控制技術(shù)。由于傳統(tǒng)控制技術(shù)相對(duì)成熟，因此可以對(duì)某些傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在本文所提的公路隧道項(xiàng)目中，可以采取措施對(duì)噴淋降塵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化：①增加噴淋頭的數(shù)量。在隧道內(nèi)設(shè)置更多的噴淋頭，可以使噴淋范圍更廣，更全面地覆蓋粉塵，從而降低粉塵濃度。②增加噴淋液的濃度。適當(dāng)提高噴淋液的濃度，可以使其更有效地黏附粉塵，提高噴淋效果，降低粉塵濃度。此外，可以優(yōu)化其他傳統(tǒng)技術(shù)或選擇技術(shù)組合策略，例如結(jié)合采用噴淋降塵技術(shù)與光催化技術(shù)，通過噴淋降塵將粉塵濕潤(rùn)并黏附，然后通過光催化將污染物分解為無害物質(zhì)，達(dá)到更好的控制效果。

（3）引入智能設(shè)備管控技術(shù)。在預(yù)算足夠的前提下，可以引入新型智能設(shè)備，針對(duì)隧道內(nèi)顆粒物易擴(kuò)散的特性，可以利用公路隧道智能風(fēng)機(jī)，降低超細(xì)顆粒污染物的濃度。該技術(shù)可以通過隧道控制模塊建設(shè)實(shí)現(xiàn)，將原來各設(shè)備模塊高度整合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。

（4）加強(qiáng)設(shè)備管理維護(hù)。設(shè)備的維護(hù)和各種參數(shù)記錄也非常重要。在設(shè)備使用過程中，需要對(duì)設(shè)備的維護(hù)進(jìn)行記錄，包括設(shè)備的檢查、維修、更換等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理。同時(shí)，需要對(duì)設(shè)備的使用情況進(jìn)行記錄，以便對(duì)控制效果進(jìn)行評(píng)估和分析。在南寧某隧道中，可采用云管理方式檢測(cè)設(shè)備的使用情況，記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、噴淋液濃度、風(fēng)速等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)能夠幫助工程人員分析設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié)語

對(duì)某高速公路隧道內(nèi)空氣污染物的濃度分布特征和控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，但受隧道長(zhǎng)度的限制，只選擇了3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，無法全面反映隧道內(nèi)污染物的整體分布情況。此外，研究人員沒有考慮隧道內(nèi)交通流量和車輛種類對(duì)污染物濃度分布的影響，這些因素可能會(huì)對(duì)污染物的分布產(chǎn)生較大的影響。未來，應(yīng)圍繞隧道內(nèi)交通流量和車輛種類對(duì)污染物分布的影響，建立更加細(xì)致的模型，為隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量管理提供更加可靠的依據(jù)。

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