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黄河下游生态型引黄灌区水资源承载力研究

杜雪芳 李彦彬 张修宇

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黄河下游生态型引黄灌区水资源承载力研究

    作者简介: 杜雪芳(1994—),女,河北邯郸人,博士研究生,主要从事农业水资源方面研究。E-mail:928101510@qq.com.
    通讯作者: 张修宇(E-mail:zhangxiuyu@ncwu.edu.cn
  • 基金项目: 河南省科技攻关项目(192102110201);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(2016GGJS-075);河南省高等学校重点科研项目(20A570004)

Study on water resources carrying capacity of ecological diversion irrigation district in the lower reaches of the Yellow River

    Corresponding author: ZHANG Xiuyu, zhangxiuyu@ncwu.edu.cn
  • 摘要: 黄河流域生态型灌区建设是当下生态文明建设的重要组成部分,以生态型灌区水资源承载力理论为研究基础,采用模糊集对分析法对黄河下游典型引黄灌区进行水资源承载力综合评价。评价结果表明,2010—2013年大功灌区水资源承载力形势不容乐观,2014—2016年大功灌区近三分之二的区域水资源承载力形势有较大好转,直至2017年大功灌区整体水资源承载力达到承载状态。
  • 图 1  河南省大功引黄灌区概化图

    Figure 1.  General map of Dagong Yellow River diversion irrigation area in Henan Province

    图 2  2010—2017年大功引黄灌区水资源承载力综合评价结果

    Figure 2.  Results of comprehensive assessment of water resources carrying capacity in Dagong irrigation area from 2010 to 2017

    表 1  评价指标分级标准

    Table 1.  Grading standard of evaluation index

    目标层系统及权重指标层分级指标权重指标类型
    1级2级3级4级
    生态型灌区
    水资源承载力
    社会经济系统(0.296 6)平均城镇化率X1(%)<3535~4040~55>550.027 6
    人均GDP X2(元/人)50 00030 000~50 00010 000~30 00010 0000.082 8+
    有效灌溉面积率X3(%)6040~6020~40200.186 2+
    水资源系统(0.372 4)灌溉水有效利用数 X40.650.60~0.650.55~0.600.550.165 5+
    人均水资源可利用量X5(m3/人)>500400~500300~400<3000.041 4+
    水资源开发利用率X6(%)<4040~6060~70>700.165 5
    生态环境系统(0.331 0)缺水率X7(%)<1010~2020~30>300.027 6
    浅层地下水超采率X8(%)<1010~17.517.5~25>250.055 2
    生态环境用水率X9(%)>53~51~3<10.248 2+
    注:指标类型中“+”为正向指标,对灌区发展起积极作用;“−”为负向指标,抑制灌区的发展。
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    表 2  2015年各集对H(Ai, B1)的联系度计算

    Table 2.  Calculation of association degree of each set pair H (Ai, B1) in 2015

    联系度滑县内黄浚县
    ab1b2cab1b2cab1b2c
    101.00000000.3200.68000.7600.2400
    21.0000000001.00000.7110.2890
    3000.8880.11200.4740.526000.670.3300
    40001.0000001.0000.2350.76500
    51.0000001.0000000.2900.71000
    60001.0000001.0000001.000
    70001.0000001.000000.9040.096
    81.00000000.1200.8800000.1780.822
    90001.0000001.0000001.000
    联系度长垣封丘
    ab1b2cab1b2c
    1000.4800.52000.5600.4400
    20.2920.708000.8680.13200
    300.2560.744000.2120.7880
    41.0000001.000000
    51.0000001.000000
    60.0300.970000001.000
    70001.000000.3420.658
    80.2430.7570000.8220.1780
    90001.0000001.000
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-09
  • 网络出版日期:  2020-03-25

黄河下游生态型引黄灌区水资源承载力研究

    通讯作者: 张修宇, zhangxiuyu@ncwu.edu.cn
    作者简介: 杜雪芳(1994—),女,河北邯郸人,博士研究生,主要从事农业水资源方面研究。E-mail:928101510@qq.com
  • 华北水利水电大学,河南 郑州 450046

摘要: 黄河流域生态型灌区建设是当下生态文明建设的重要组成部分,以生态型灌区水资源承载力理论为研究基础,采用模糊集对分析法对黄河下游典型引黄灌区进行水资源承载力综合评价。评价结果表明,2010—2013年大功灌区水资源承载力形势不容乐观,2014—2016年大功灌区近三分之二的区域水资源承载力形势有较大好转,直至2017年大功灌区整体水资源承载力达到承载状态。

English Abstract

  • 农业作为国民经济的基础,支撑着国民经济社会的稳定发展。近年来,随着我国新兴农产业不断壮大,农村经济得到了飞速发展。据统计,我国高效经济作物三分之一以上产于大中型灌区,出口农产品更多依赖于灌区。灌区发展模式应遵循自然生态演变规律和社会经济发展的方向,朝着现代化生态型灌区迈进。引黄灌区是黄河下游农业经济发展和生态建设的重要基础设施,对保障下游两岸供水及粮食安全具有重要作用。目前,黄河下游共建有引黄灌区86处,其中大型灌区有48处,设计灌溉面积6 269万亩(约4.18×104 km2)。近年来,黄河水资源供需矛盾不断加剧,部分灌区的地下水漏斗仍有扩大的趋势,抑制了引黄灌区的可持续发展[1]。许多学者针对灌区水资源承载力、水资源高效配置、水安全评价等方面已经开展了大量研究[2-3],但对黄河流域生态型灌区的研究相对较少。目前,黄河流域生态保护和高质量发展已上升为国家战略,为了实现美丽乡村的建设目标,使灌区水资源得到合理高效利用,建设生态型灌区势在必行。

    • 生态型灌区是以生态文明建设和经济社会协调发展为基础的复合型生态系统,灌区生态系统健全、功能完善、效益显著、资源利用率高,具有先进的生产力水平。生态型灌区建设的目的是为了优化农业生产结构、改善人居环境质量、修复脆弱的生态系统,使整个灌区生态系统持续稳定地发展,并形成良性循环[4]。生态型灌区水资源承载力是基于变化环境和人类活动的影响,在特定发展阶段,以可持续发展为原则,以促进生态环境良性循环为前提,把经济和社会的发展与现代技术相融合,在满足水资源合理配置和高效利用的条件下,水资源支撑社会经济系统可持续发展的能力[5-6]

    • 生态型灌区水资源系统以农业增产为主,同时承担灌区内水安全、水生态环境协调发展的任务。灌区基本特点表现在:①现代性,灌区建设过程中将社会经济发展与现代技术相融合,强化灌区信息化建设,实现灌区的综合管理规划;②发展性,灌区的建设和发展是一个动态演变过程,管理机制和管理能力逐步实现现代化,各方面的发展能够与时俱进,具备先进的社会生产力;③协调性,生态型灌区建设可以很好地促进资源开发利用与生态环境保护之间的关系,使生态型灌区优势得到最大化体现[7]

    • 社会经济的发展对水资源系统的影响逐渐增强,原有的自然水资源系统循环被破坏,水循环过程已经从“自然”一元驱动过渡到“自然-人工”二元水循环[8]。水资源形成和时空分布受社会经济发展影响显著,当人水矛盾产生时,可以通过采取技术手段干预,使水资源问题得到有效解决,并使水资源系统的循环再次适应社会经济的发展。

      过去在灌区建设和运行方面,各地对水资源的开发利用和管理不够重视,灌区生态系统功能恶化,致使我国农业生态经济的可持续发展受到影响。对水资源承载力影响较大的因素,大致可以分为三类:一是水资源系统本质特征;二是人类活动能力及意识形态;三是定义“是否可承载”的目标差异。生态型灌区建设没有统一化的标准,在建设时需要考虑当地社会经济发展情况、灌区工程建设、灌溉制度及管理水平、生态环境现状、引调水来源等影响因素[7]。主要考虑的影响因素有以下4种。①生态环境因素:全球气候变暖导致植株蒸散发量增加,作物需水量也随之增大,加之农田中化肥等养料的使用对地下水体和灌区河湖水造成不同程度的污染。生态型灌区的建设与可持续发展,生态环境因素起到决定性作用[9]。②社会经济因素:灌区生产力水平影响着灌区经济发展和社会效益,同时关系到灌区内人民生活水平和幸福感。③灌区工程建设和管理因素:工程设施的建设和管理影响着灌区水资源利用效率,是建设生态型灌区的基础工作。完备的灌区工程设施和高质量的灌溉管理可在提高灌区粮食生产的同时有效排除灌区安全隐患[10]。④可持续发展因素:生态型灌区生产和发展的可持续性是灌区建设的初心,生态型灌区的建设有效促进“社会经济-水资源-生态环境”复合大系统实现良性的循环发展。

    • 水资源承载力主要评价方法有:经验公式法[11]、综合评判法[12-13]和系统动力学法[14-15]三大类。灌区水资源承载能力综合评价就是定量描述灌区所在区域的水资源开发利用状况[16]。本文选用综合评判法中的模糊集对分析评价法对大功引黄灌区进行生态水资源承载力评价。

    • 1989年,我国学者赵克勤基于哲学中的对立统一和普遍联系的观点提出了集对分析理论。该理论的核心思想是对不确定性系统的两个有关联的集合构建集对,再对集对的特性做同一性、差异性和对立性分析,然后建立集对的同异反联系度[15-17]

      评价生态型灌区水资源承载力,实际上是具有确定性的评价标准与不确定性的评价因子权重相结合的决策过程,在处理水循环系统中确定与不确定性问题时可以采用模糊集对分析评价模型。为充分考虑等级标准边界的模糊性和各评价指标的影响力,对一般集对分析改进后提出模糊集对分析法(fuzzy set pair analysis assessment method,简称FSPAAM法)[18-20]。较一般集对分析而言,模糊集对分析法综合考虑了等级边界的模糊性,对所选特征性指标进行权重计算,使得计算结果更加准确,客观性更强。

    • 从系统性和代表性的角度选择水文水资源系统评价指标体系并确定等级评价标准,具体评价过程如下:

      (1)构建评价指标体系。分析影响灌区发展的因素,建立生态型灌区水资源承载力评价指标体系xii=1,2,3,$ \cdots$mm为评价指标数)。

      (2)建立评价等级标准。确定评价等级标准有标准法、参考法、专家判断法,根据研究区实际情况,综合考虑确定生态型灌区水资源承载力评价等级标准skk=1,2,3,$\cdots $KK为评价等级数)。

      (3)构造集对计算联系度。将评价样本第i指标值xi(i=1,2,3,$\cdots $m)看成一个集合,第k级等级标准看成集合Bk,则AiBk构成一个集对H(Ai Bk)。为了提高评价结果的分辨率,评价时将Bk视为1级评价标准构成的集合B1,由式(1)和(2)计算模糊联系度。

      模糊联系度计算式如下:

      ①反向指标(越小越优指标),当K>2时集对的K元联系度为(${s_1} \leqslant {s_2} \leqslant \cdots \leqslant {s_{k - 1}}$):

      ${\mu _{{A_i}\sim {B_1}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1 + 0{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\qquad{x_i} \leqslant {s_1}}\\ {\dfrac{{{s_1} + {s_2} - 2{x_i}}}{{{s_2} - {s_1}}} + \dfrac{{2{x_i} - 2{s_1}}}{{{s_2} - {s_1}}}{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{s_1} < {x_i} \leqslant \dfrac{{{s_1} + {s_2}}}{2}}\\ {0 + \dfrac{{{s_2} + {s_3} - 2{x_i}}}{{{s_3} - {s_1}}}{I_1} + \dfrac{{2{x_i} - {s_1} - {s_2}}}{{{s_3} - {s_1}}}{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\;\;\;\dfrac{{{s_1} + {s_2}}}{2} < {x_i} \leqslant \dfrac{{{s_2} + {s_3}}}{2}}\\ { \cdots \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad \cdots }\\ {0 + 0{I_1} + \cdots + \dfrac{{2{s_{k - 1}} - 2{x_i}}}{{{s_{k - 1}} - {s_{k - 2}}}}{I_{k - 2}} + \dfrac{{2{x_i} - {s_{k - 2}} - {s_{k - 1}}}}{{{s_{k - 1}} - {s_{k - 2}}}}J\;\;\;\;\qquad\dfrac{{{s_{k - 2}} + {s_{k - 1}}}}{2} < {x_i} \leqslant {s_{k - 1}}}\\ {0 + 0{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 1J\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\qquad{s_{k - 1}} < {x_i}} \end{array}} \right.$

      (1)

      ②正向指标(越大越优指标),当K>2时集对的K元联系度为(${s_1} \geqslant {s_2} \geqslant \cdots \geqslant {s_{k - 1}}$):

      ${\mu _{{A_i}\sim {B_1}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1 + 0{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\qquad{x_i} \geqslant {s_1}}\\ {\dfrac{{2{x_i} - {s_1} - {s_2}}}{{{s_1} - {s_2}}} + \dfrac{{2{s_1} - 2{x_i}}}{{{s_1} - {s_2}}}{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\;\;\dfrac{{{s_1} + {s_2}}}{2} \leqslant {x_i} < {s_1}}\\ {0 + \dfrac{{2{x_i} - {s_2} - {s_3}}}{{{s_1} - {s_3}}}{I_1} + \dfrac{{{s_1} + {s_2} - 2{x_i}}}{{{s_1} - {s_3}}}{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 0J\;\;\;\;\;\dfrac{{{s_2} + {s_3}}}{2} \leqslant {x_i} < \dfrac{{{s_1} + {s_2}}}{2}}\\ { \cdots \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad \cdots }\\ {0 + 0{I_1} + \cdots + \dfrac{{2{x_i} - 2{s_{k - 1}}}}{{{s_{k - 2}} - {s_{k - 1}}}}{I_{k - 2}} + \dfrac{{{s_{k - 2}} + {s_{k - 1}} - 2{x_i}}}{{{s_{k - 2}} - {s_{k - 1}}}}J\;\;\;\qquad{s_{k - 1}} \leqslant {x_i} < \dfrac{{{s_{k - 2}} + {s_{k - 1}}}}{2}}\\ {0 + 0{I_1} + 0{I_2} + \cdots + 0{I_{k - 2}} + 1J\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\qquad{x_i} < {s_{k - 1}}} \end{array}} \right.$

      (2)

      式中:I为差异度系数,I∈[−1,1];J为对立度系数,一般情况下J=−1。

      (4)评价样本集合指标联系度的计算:

      $ {\mu _{A\sim B}} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{\mu _{{A_i}\sim {B_1}}} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{a_i} + \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{b_{i,1}}{I_1} + \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{b_{i,2}}{I_2} + \cdots + \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{b_{i,k - 2}}{I_{k - 2}} + \mathop \sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{c_i}J $

      (3)

      式中:ωi为指标i的权重;ai为指标xi与该指标第k级标准sk的同一度;${b_{i,1}}$为指标xi与该指标第k级标准sk相差一级的差异度,${b_{i,2}}$为指标xi与该指标第k级标准sk相差两级的差异度,其余类推;ci为指标xi与该指标第k级标准sk相差k-1级的对立度。

      ${f_1} = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{a_i}$${f_2} = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{b_{i,1}}, \cdots $${f_{k - 1}} = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{b_{i,k - 2}}$${f_k} = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^m {\omega _i}{c_i}$,则式(3)可以变为:

      ${\mu _{A\sim B}} = {f_1} + {f_2}{I_1} + \cdots + {f_{k - 1}}{I_{k - 2}} + {f_k}J$

      (4)

      式中:f1为评价样本隶属于1级标准的可能性;fk为评价样本隶属于k级标准的可能性。

      (5)水资源承载力综合评价。为避免联系度差异不确定分量系数(${I_1},\;{I_2},\; \cdots,\;{I_{k - 2}}$)确定时的主观性影响评价结果,采用置信度准则判断评价样本所属等级:

      ${h_k} = \left( {{f_1} + {f_2} + \cdots + {f_k}} \right) > \lambda ,\;k = 1,2, \cdots ,K$

      (5)

      式中:λ为置信度,取值不宜过大或过小,一般建议为[0.50,0.70][18]

    • 大功引黄灌区位于黄河下游豫北平原区,灌区主要涉及安阳市内黄县、鹤壁市浚县、省直管县滑县、新乡市长垣县和封丘县,共3市5县的部分地区(见图1),总设计灌溉面积18.9万hm2。灌区渠首设计引水流量70 m3/s,同时设有12个应急取水口,可以在枯水期保障灌区的正常供水。本文评价数据来源于河南省水资源公报、河南省第3次全国水资源调查评价开发利用阶段性成果及各行政区(区)水资源数据资料,其中包含灌区有效水利用系数、水资源开发利用率、浅层地下水超采率、生态环境用水率、平均城镇化率、人均GDP等相关的数据信息。

      图  1  河南省大功引黄灌区概化图

      Figure 1.  General map of Dagong Yellow River diversion irrigation area in Henan Province

    • 本文遵循系统性、动态性、典型性、综合性等原则,结合相应的衡量标准和研究区实际情况,最终确定适于生态型灌区水资源承载力的评价指标(见表1)。

      表 1  评价指标分级标准

      Table 1.  Grading standard of evaluation index

      目标层系统及权重指标层分级指标权重指标类型
      1级2级3级4级
      生态型灌区
      水资源承载力
      社会经济系统(0.296 6)平均城镇化率X1(%)<3535~4040~55>550.027 6
      人均GDP X2(元/人)50 00030 000~50 00010 000~30 00010 0000.082 8+
      有效灌溉面积率X3(%)6040~6020~40200.186 2+
      水资源系统(0.372 4)灌溉水有效利用数 X40.650.60~0.650.55~0.600.550.165 5+
      人均水资源可利用量X5(m3/人)>500400~500300~400<3000.041 4+
      水资源开发利用率X6(%)<4040~6060~70>700.165 5
      生态环境系统(0.331 0)缺水率X7(%)<1010~2020~30>300.027 6
      浅层地下水超采率X8(%)<1010~17.517.5~25>250.055 2
      生态环境用水率X9(%)>53~51~3<10.248 2+
      注:指标类型中“+”为正向指标,对灌区发展起积极作用;“−”为负向指标,抑制灌区的发展。

      根据灌区社会经济、水资源、生态环境发展现状,参考相似灌区指标等级划分标准,将指标分为4个等级,其中1级为承载、2级为临界承载、3级为超载、4级为严重超载;采用层次分析法确定指标权重,并根据9项指标属性与水资源承载力的关系确定指标类型。评价指标分级标准、指标权重及指标类型见表1

    • 设大功引黄灌区水资源承载力评价指标值构成集合A,9个指标的1级标准构成集合B,各集对联系度计算结果见表2(以2015年为例)。根据置信度准则评判灌区水资源承载力所属等级,即由式(4)~(5)计算hk值,取λ=0.55。得到浚县2015年水资源承载力h1=0.085<0.55,h2=0.504<0.55,h3=0.650>0.55,由置信度准则可判断出浚县2015年水资源承载力评价结果为超载。

      表 2  2015年各集对H(Ai, B1)的联系度计算

      Table 2.  Calculation of association degree of each set pair H (Ai, B1) in 2015

      联系度滑县内黄浚县
      ab1b2cab1b2cab1b2c
      101.00000000.3200.68000.7600.2400
      21.0000000001.00000.7110.2890
      3000.8880.11200.4740.526000.670.3300
      40001.0000001.0000.2350.76500
      51.0000001.0000000.2900.71000
      60001.0000001.0000001.000
      70001.0000001.000000.9040.096
      81.00000000.1200.8800000.1780.822
      90001.0000001.0000001.000
      联系度长垣封丘
      ab1b2cab1b2c
      1000.4800.52000.5600.4400
      20.2920.708000.8680.13200
      300.2560.744000.2120.7880
      41.0000001.000000
      51.0000001.000000
      60.0300.970000001.000
      70001.000000.3420.658
      80.2430.7570000.8220.1780
      90001.0000001.000

      依据前述方法,可以得出大功引黄灌区近八年水资源承载力综合评价结果,详见图2。图中4个柱状条分别代表水资源承载力4种状态,若4种状态中某一状态值达到或超过置信度(0.55),则该年当地水资源承载力为这一状态。由图2可知,2010—2013年大功引黄灌区水资源承载力整体状态为严重超载,说明在此期间对水资源没有足够重视,灌区水资源开发已经远超灌区可利用水资源量,导致水资源可持续性差,承载能力很弱;河南省开始实施最严格水资源管理制度后,2014年灌区内长垣和封丘地区水资源承载力情况开始有较好的转变,到2015年灌区整体摆脱了严重超载的窘境,2017年除内黄、浚县外,灌区水资源承载力有所好转,水资源形势较为稳定。

      图  2  2010—2017年大功引黄灌区水资源承载力综合评价结果

      Figure 2.  Results of comprehensive assessment of water resources carrying capacity in Dagong irrigation area from 2010 to 2017

      经过近几年对水资源开发利用、规划调度及管理等方面的不断改进,灌区整体水资源承载状况得到改善。滑县从2007年开始引黄水量约7 000万m3,除满足正常供水外,将多余水量储蓄到引黄调蓄水库中(库容480万m3),解决了十几万亩农田灌溉问题,改善了40多万亩农田用水条件,并为县城大工业提供充足水源,改善了县城生态环境,同时对县域经济社会可持续发展起到重要的支撑作用。但内黄、浚县两地仍处于水资源超载区,分析其原因可能是当地为满足社会经济发展需求,多年的地下水超采使地下水漏斗的扩张没有得到有效遏制,加之两县处于大功灌区渠系下游末端,上游供水指标无法满足下游用水需求,导致当地水资源承载力无法得到显著增长。按照生态型灌区建设标准以及国家对生态文明建设的重视,管理部门应进一步完善大功引黄灌区内水资源调度和水资源调配等相关工作,确保生活用水和工业用水的同时,实现汛期有水补源、非汛期有水灌溉。本文评价结果与灌区现状水资源承载力状况相符。

    • 按水资源承载力评价准则,选取能够代表生态型灌区水资源承载力的评价指标,采用模糊集对分析理论对灌区进行水资源承载力综合评价,结果表明2015—2017年灌区水资源承载力相比2013年之前有大幅提升。为了达到生态型灌区的建设标准,大功引黄灌区作为黄河下游重要的大型灌区应以水资源可持续利用为中心,加强生产、生活、生态用水之间的合理调配,加大生态建设力度,以确保“社会经济-水资源-生态环境”复合大系统良性运转。此外,在今后的研究中,应该着重考虑计算评价指标权重和模型优化方面的研究工作,以便更好地权衡计算时主观性与客观性对评价指标权重的影响,从而提高评价结果的可靠性,使研究结论更具有指导意义。

参考文献 (20)

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