氮是引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)退化及水資源安全問題的關(guān)鍵要素。  

淮河流域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)和增產(chǎn)核心區(qū)。流域內(nèi)河南、安徽兩省承擔(dān)著至2020年增產(chǎn)300億斤和220億斤的重任。在無(wú)后備耕地資源儲(chǔ)備的情況下，化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品的高投入是實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)目標(biāo)的重要途徑。但是，在我國(guó)化肥利用率低、流失率高，據(jù)統(tǒng)計(jì)其平均利用率一般為30%~35%，有近45%左右的氮將通過降雨、徑流和滲流進(jìn)入地表水、地下水，對(duì)河流和地下水水質(zhì)造成污染。根據(jù)淮河流域394個(gè)全國(guó)重要江河湖泊水功能區(qū)、585個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面近五年統(tǒng)計(jì)資料，自2012年以來，淮河流域主要水質(zhì)斷面氨氮的超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)都顯著高于高錳酸鹽。根據(jù)《淮河流域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告（2012年）》，流域內(nèi)埋深小于20m的淺層地下水污染超標(biāo)因子中氮的超標(biāo)率及其超標(biāo)倍數(shù)最大，硝酸鹽的超標(biāo)倍數(shù)最高達(dá)6.69，污染分布范圍也最廣。因此，氮已成為淮河流域的首要污染因子。  

隨著淮河流域水環(huán)境治理的不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)面源尤其是隨地表徑流帶來的面源污染問題已得到廣泛重視。但是，對(duì)于地下徑流，由于缺少對(duì)其與地表水之間輸移機(jī)制及補(bǔ)排關(guān)系的科學(xué)認(rèn)識(shí)，尚未采取任何控制措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，淮河流域除某些年份的汛期地表水補(bǔ)給地下水外，地表水常年接受地下水補(bǔ)給，本課題利用數(shù)字濾波系統(tǒng)分析方法，對(duì)長(zhǎng)序列水文資料進(jìn)行河川基流分析，研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)地下水多年平均補(bǔ)給量約占徑流總量的26.5%，在淺層地下水硝酸鹽污染現(xiàn)狀下，地下水補(bǔ)給地表水的氮負(fù)荷通量卻占徑流氮通量的40%左右，如不能有效防控地下徑流對(duì)河流水體的污染，淮河流域水環(huán)境污染控制效果將會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，科學(xué)識(shí)別淮河流域農(nóng)業(yè)面源、地下水及地表水之間氮源轉(zhuǎn)化機(jī)制、定量評(píng)價(jià)其補(bǔ)排關(guān)系與通量過程，開發(fā)農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水綜合防控關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于淮河流域農(nóng)業(yè)面源深度截留、水環(huán)境氮污染總量控制以及地下水污染防治具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和示范意義。為此，“淮河流域水質(zhì)改善及生態(tài)重建關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范”項(xiàng)目經(jīng)多次專家論證，前瞻性地布置了“淮河流域地表與地下水氮源補(bǔ)排及防控關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”課題。  

在課題行政責(zé)任單位淮河流域水資源保護(hù)局組織協(xié)調(diào)下，由南京大學(xué)阮曉紅教授帶領(lǐng)的“流域氮循環(huán)過程與調(diào)控研究”團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)及淮河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，發(fā)揮學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染隨機(jī)性大、隱蔽性強(qiáng)及控制難度大等特征，以“科學(xué)辨識(shí)、優(yōu)控劃分、管控結(jié)合”為指導(dǎo)思想，通過對(duì)流域內(nèi)34個(gè)重要控制斷面58年長(zhǎng)序列徑流資料及近5年地表水、地下水氮污染資料的統(tǒng)計(jì)分析，在充分認(rèn)識(shí)流域內(nèi)地下水與地表水時(shí)空補(bǔ)排規(guī)律基礎(chǔ)上，劃分了流域地下水氮污染優(yōu)先控制區(qū)，并以優(yōu)控區(qū)為防治重點(diǎn)，基于農(nóng)田水分循環(huán)過程中氮的層層攔蓄和削減，構(gòu)建了“農(nóng)業(yè)面源氮污染地下水與地表水一體化管控技術(shù)體系”。課題組在沙潁河子流域、新汴河子流域、里下河地區(qū)開展了約6萬(wàn)km2的實(shí)地踏勘調(diào)研與采樣分析，在重點(diǎn)研究區(qū)完成了9條地質(zhì)雷達(dá)剖面勘探，測(cè)線總長(zhǎng)25km，鉆取地下水監(jiān)測(cè)井92口，總進(jìn)尺626m，取原狀土柱樣253m，完成190個(gè)樣品巖土分類及級(jí)配分析。綜合考慮地表水—地下水補(bǔ)排關(guān)系、氮污染現(xiàn)狀、土壤代表性、配套工程及其地方需求等要素，在新汴河子流域宿州淮河種業(yè)糧食產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體旱作農(nóng)業(yè)區(qū)建立了技術(shù)示范區(qū)，對(duì)研發(fā)的農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)，包括集硝化抑制和吸附固持為一體的氮污染物高效復(fù)合阻控技術(shù)和滲透式反應(yīng)墻與河濱緩沖帶耦合的淺層地下水氮污染聯(lián)合阻斷技術(shù)進(jìn)行了集成示范，取得了很好的示范效果，為示范企業(yè)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐，為農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)的推廣及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。  

■科學(xué)辨析、定量評(píng)估，識(shí)別淮河流域農(nóng)業(yè)面源控氮關(guān)鍵問題  

針對(duì)流域尺度復(fù)雜的氮污染輸移過程，課題組通過穩(wěn)定同位素示蹤、室內(nèi)外試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，在代表性研究區(qū)域進(jìn)行了地表水及地下水氮的溯源，追蹤了農(nóng)業(yè)面源氮污染物在農(nóng)田水分循環(huán)過程中垂向淋失及水平輸移過程。在流域尺度上，探究了河川基流時(shí)空變化特征，評(píng)估了地下水側(cè)向補(bǔ)給地表水的氮通量過程，并結(jié)合水文地質(zhì)背景與人類活動(dòng)影響下的淺層地下水氮污染脆弱性分析，進(jìn)行了淮河流域農(nóng)業(yè)面源控氮關(guān)鍵問題識(shí)別。  

課題選擇代表性研究區(qū)域新汴河子流域旱作農(nóng)業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，利用氮、氧（δ15N-NO3-、δ18O-NO3-、  

δ18O-H2O）穩(wěn)定同位素值及Cl-惰性離子示蹤技術(shù)，進(jìn)行了氮污染物溯源研究。研究結(jié)果表明，該區(qū)域淺層地下水硝酸鹽主要來源為農(nóng)業(yè)氮肥、土壤有機(jī)氮及畜禽污水氨氮的氧化產(chǎn)物。同時(shí)，選擇占流域耕地面積46%的潮土和砂姜黑土，開展了非飽和帶硝氮淋失通量模擬與原位觀測(cè)研究，結(jié)果顯示砂姜黑土的硝化與反硝化潛力均大于潮土，受灌溉及降雨影響，研究區(qū)域夏玉米季和冬小麥季潮土和砂姜黑土的硝氮淋失率差別較大，一般潮土的硝氮淋失率大于砂姜黑土，并與土壤水分深層滲漏顯著相關(guān)，區(qū)域內(nèi)土壤硝態(tài)氮淋失量約占施肥總量的18%~40%。  

課題組在沙潁河子流域及淮河全流域分別采用物理過程模型及系統(tǒng)分  

析方法，進(jìn)行了地下水補(bǔ)給地表水的時(shí)空分布特征分析及其氮通量評(píng)估。在沙潁河子流域構(gòu)建了地表—地下水氮污染運(yùn)移模擬技術(shù)，該技術(shù)耦合分布式水文模型SWAT、地下水水流模型MODFLOW及地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型MT3DMS，將水文響應(yīng)單元在地下水差分網(wǎng)格尺度上進(jìn)行空間離散，實(shí)現(xiàn)邊界交互模擬。在淮河流域利用流域長(zhǎng)序列天然月均徑流數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于遞歸數(shù)字濾波法的河川基流分割模型。利用上述模型技術(shù)及流域內(nèi)（1956年~2014年）34個(gè)重要控制斷面徑流資料（站點(diǎn)分布于12個(gè)三級(jí)水文分區(qū)，8個(gè)地下水系統(tǒng)分區(qū)），實(shí)現(xiàn)了淮河流域91.5%面積的地表—地下水補(bǔ)排通量及地下水對(duì)地表水氮污染負(fù)荷貢獻(xiàn)的定量評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明，淮河水系的基流模數(shù)空間分布受地形、季節(jié)及水系分布密度影響，一般為0.42~6.2L/km2/s，總體上淮河干流以南地區(qū)高于以北地區(qū)、上游高于中下游、山丘區(qū)高于平原區(qū)。在枯水季節(jié)和枯水年份，河川基流可達(dá)徑流總量的40%以上，年平均貢獻(xiàn)約26.5%，地下水補(bǔ)給地表水的氮負(fù)荷通量占徑流氮通量的40%左右。其中，沙潁河流域地下水對(duì)地表水的年均凈補(bǔ)給水量為3.18億m3，氮的年均排泄量為0.38萬(wàn)t。因此，地下水對(duì)地表水氮的補(bǔ)給是地表水氮負(fù)荷的重要來源之一。  

綜上，由于流域內(nèi)土壤及地下水與地表水交換的差異性，淮河流域農(nóng)業(yè)面源控氮關(guān)鍵問題主要為地下水—地表水氮污染控制區(qū)的識(shí)別，以及針對(duì)農(nóng)業(yè)面源氮污染發(fā)生特征的地表水與地下水一體化控制技術(shù)構(gòu)建。  

■源頭阻控、輸移阻斷，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制  

本課題基于農(nóng)田水分循環(huán)過程及氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以“源頭阻控、輸移阻斷”為核心，綜合考慮土壤類型、養(yǎng)分組成、水肥條件、水文情境等，有效集成了集硝化抑制和吸附固持一體的氮污染物高效復(fù)合阻控技術(shù)、多形式滲透式反應(yīng)墻與河濱緩沖帶相耦合的淺層地下水氮污染輸移阻斷技術(shù)，構(gòu)建了“農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)”，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源在農(nóng)田水分循環(huán)過程中的層層削減及地下水水質(zhì)與地表水水質(zhì)的雙重改善。  

“源頭阻控”，即從源頭削減和控制農(nóng)田氮肥用量，優(yōu)選和配施集硝化抑制和吸附固持為一體的氮污染物高效復(fù)合阻控劑，減緩氨氮的硝化過程和增強(qiáng)材料對(duì)硝氮的吸附功能，提高氮肥利用率，減少氮肥使用量，達(dá)到土壤氮素?fù)p失控制的目的，形成氮素源頭阻控、土壤淋失控制和作物高效利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的氮素綜合阻控技術(shù)模式。“輸移阻斷”，即以阻斷淺層地下水向地表水氮源輸移為目的，研發(fā)了基于農(nóng)業(yè)廢棄物再利用的氮污染阻斷復(fù)合緩釋功能材料，構(gòu)建了多形式滲透式反應(yīng)墻與河濱緩沖帶相耦合的淺層地下水氮污染輸移阻斷技術(shù)。同時(shí)，根據(jù)河流水系分級(jí)特征，結(jié)合地下水與地表水界面介質(zhì)特征、淺層地下水埋深、河濱帶地形地貌結(jié)構(gòu)，因地制宜地構(gòu)建河濱緩沖帶，攔蓄和阻控地表、地下徑流向河道的氮源輸運(yùn)，營(yíng)造河濱生態(tài)棲息地，兼具景觀美化、防洪等重要的水文及生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)氮源輸運(yùn)的“多級(jí)控制”。  

上述技術(shù)體系在新汴河子流域宿州淮河種業(yè)糧食產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體旱作農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行了集成示范，通過地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等水文地質(zhì)背景勘察，進(jìn)行了示范工程布置。其中，農(nóng)田氮源阻控2000畝，在施氮減量30%情景下，配施一次性投入每公頃3噸的錳改性生物炭吸附劑和作物期投入氮肥總量10%的雙氰胺，實(shí)現(xiàn)了下滲進(jìn)入淺層地下水硝酸鹽氮污染物總量削減40%以上，田間投入成本約3322元/公頃/年，相比常規(guī)技術(shù)減少物資投入848元/公頃/年。根據(jù)示范區(qū)水系分布及其補(bǔ)排關(guān)系，布置淺層地下水—地表水氮污染運(yùn)移阻斷滲透式反應(yīng)墻1000m，墻體深3~6m、平均厚1.5m，復(fù)合功能材料使用年限可達(dá)15余年，滲透式反應(yīng)墻對(duì)硝酸鹽氮的平均削減效率達(dá)到70%~85%。同時(shí)，依托《宿州城區(qū)新汴河景觀工程》，在新汴河干流及一級(jí)支流實(shí)施河濱緩沖帶運(yùn)移阻斷10km，緩沖帶平均寬度分別為35m及10m。其中，示范段滲透式反應(yīng)墻在深度小于6m條件下，單位建設(shè)成本約1250元/m，低于新汴河河濱緩沖帶1500元/m的建設(shè)成本。  

作為國(guó)家科技重大專項(xiàng)，水專項(xiàng)一直致力于技術(shù)創(chuàng)新及其產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，以期產(chǎn)生可持續(xù)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在以廢治廢、高效利用的指導(dǎo)思想下，課題組就地取材，以小麥秸稈、玉米芯、木屑為基料，增加凹凸棒土、硅藻土等礦物材料及零價(jià)鐵，應(yīng)用滾動(dòng)造粒技術(shù)，研發(fā)了具有內(nèi)核、外殼雙層結(jié)構(gòu)的生物—化學(xué)阻斷復(fù)合緩釋功能系列材料，實(shí)現(xiàn)了碳源緩釋、抗壓增強(qiáng)、高吸附性及淺層地下水硝酸鹽氮脫除反應(yīng)體系的快速啟動(dòng)，該功能材料也可用于其他有機(jī)污染物脫除的原位修復(fù)工程填料。根據(jù)原料置備及材料粉碎、材料配制及混合攪拌、內(nèi)核滾動(dòng)造粒及外殼包裹成型等生產(chǎn)過程，自主建立了集粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、滾動(dòng)造粒機(jī)為一體的復(fù)合功能材料生產(chǎn)流水線，月生產(chǎn)能力可達(dá)400余噸，為產(chǎn)業(yè)化提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，針對(duì)無(wú)支護(hù)滲透式反應(yīng)墻施工過程中存在的塌方、涌水、回填不均、地表土地利用不可持續(xù)性等問題，融合區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，設(shè)計(jì)了一套集墻體分級(jí)分段開挖、功能材料多形式原位填充、場(chǎng)地高效回填及監(jiān)測(cè)井群布設(shè)為一體的淺層地下水氮污染原位處置滲透式反應(yīng)墻快速施工技術(shù)，在保證墻體連續(xù)性的基礎(chǔ)上，有效降低了施工成本，開創(chuàng)了我國(guó)多形式滲透式反應(yīng)墻建設(shè)的新技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于我國(guó)污染場(chǎng)地地下水修復(fù)的工程設(shè)計(jì)及實(shí)施也具有重要的參考價(jià)值。  

■因地制宜、綜合防控，提出淮河流域地下水—地表水氮污染優(yōu)控區(qū)綜合防控策略  

在流域尺度，由于土壤類型、農(nóng)業(yè)耕作制度、水分循環(huán)、水文地質(zhì)條件的差異性，導(dǎo)致了不同程度的農(nóng)業(yè)面源氮流失風(fēng)險(xiǎn)，如何在流域尺度上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水污染一體化控制？本課題基于地下水與地表水相互作用理論，率先提出了“地下水—地表水氮污染優(yōu)先控制區(qū)”的理念，制訂了“優(yōu)控識(shí)別”、“分級(jí)防控”、“分區(qū)治理”的綜合防控策略，在流域尺度構(gòu)建了“地下水—地表水氮污染優(yōu)先控制區(qū)識(shí)別與管控技術(shù)”。  

“優(yōu)控識(shí)別”，即綜合考慮地下含水層富水性、地下水埋深、土壤類型等自然因素和土地利用類型、地下水開采量等人為因素，利用改進(jìn)的DRASTIC評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行了流域內(nèi)淺層地下水氮污染脆弱性分區(qū)，脆弱性評(píng)級(jí)高的區(qū)域淺層地下水更易遭受農(nóng)業(yè)面源氮污染，也將給地表水帶來更高的氮負(fù)荷補(bǔ)給。其次，將地下水按單元離散化，根據(jù)流域淺層地下水氮污染脆弱性評(píng)價(jià)、地下水與地表水補(bǔ)給排泄關(guān)系及地下水氮污染現(xiàn)狀，篩選出地下水高風(fēng)險(xiǎn)排氮區(qū)，將其定義為優(yōu)先控制區(qū)。  

“分級(jí)防控”，即依據(jù)地下水遭受氮污染的難易度，分區(qū)域、分等級(jí)、分策略地在流域內(nèi)開展地下水氮污染面源控制。依據(jù)優(yōu)先治理氮污染負(fù)荷大、優(yōu)先防控氮污染脆弱性強(qiáng)的原則，識(shí)別和區(qū)劃三級(jí)優(yōu)控區(qū)，將流域尺度的地下水氮污染防治縮減至不同等級(jí)的優(yōu)先控制區(qū)�；春恿饔虻廴緝�(yōu)先控制區(qū)分級(jí)區(qū)劃中，Ⅰ級(jí)優(yōu)控區(qū)占流域面積的1.69%，Ⅱ級(jí)優(yōu)控區(qū)占15.26%，Ⅲ級(jí)優(yōu)控區(qū)占14.34%。進(jìn)一步地結(jié)合流域氮均衡量及地下水功能區(qū)劃，確定氮污染控制目標(biāo)及各級(jí)優(yōu)先控制區(qū)氮污染削減量。在考慮公平性與可操作性的基礎(chǔ)上，以市為界線，按“流域—優(yōu)控區(qū)—行政區(qū)”這一順序，進(jìn)行逐步、逐級(jí)分配，提出優(yōu)控目標(biāo)，極大地提高了流域尺度氮污染綜合防控的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)效益。  

“分區(qū)治理”，即針對(duì)不同的優(yōu)控區(qū)劃、不同的防控目標(biāo)，提出不同的防控策略。具體來說，Ⅰ級(jí)優(yōu)控區(qū)，以農(nóng)田水分循環(huán)過程中氮的層層削減為核心，全面實(shí)施農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)，進(jìn)行從源頭削減、入滲阻斷、排泄阻控的系統(tǒng)治理；Ⅱ級(jí)優(yōu)控區(qū)，有選擇性地進(jìn)行源頭削減、入滲阻斷、排泄阻控；Ⅲ級(jí)優(yōu)控區(qū)，建立長(zhǎng)期的氮污染負(fù)荷監(jiān)測(cè)，防止其污染惡化。  

本研究依據(jù)“地下水—地表水氮污染優(yōu)先控制區(qū)識(shí)別與管控技術(shù)”，提出的淮河流域農(nóng)業(yè)面源地表水與地下水氮污染綜合防控策略，已納入水利部部署的全國(guó)水資源保護(hù)規(guī)劃—《淮河流域水資源保護(hù)規(guī)劃》，為提升淮河流域綜合控氮能力提供了支撐。  

■結(jié)束語(yǔ)  

淮河流域是我國(guó)地下水向地表水排氮的典型區(qū)，本課題在科學(xué)辨識(shí)淮河流域地表與地下水氮源補(bǔ)排空間分布特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的源頭阻控與輸移阻斷相結(jié)合的“農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)”，提出的大數(shù)據(jù)分析與GIS耦合的“地下水—地表水氮污染優(yōu)先控制區(qū)識(shí)別與管控技術(shù)”以及流域尺度上“優(yōu)控識(shí)別、分級(jí)防控、分區(qū)治理”的綜合防控策略，為提升流域綜合控氮能力及水質(zhì)改善與修復(fù)提供了技術(shù)支撐、能力保障及產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，課題目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與國(guó)家“水體污染控制與治理”專項(xiàng)第二階段目標(biāo)—突破水體“減負(fù)修復(fù)”關(guān)鍵技術(shù)高度一致。  

課題研發(fā)的“農(nóng)業(yè)面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術(shù)”，經(jīng)濟(jì)、高效、操作簡(jiǎn)單，與農(nóng)田水利工程建設(shè)相結(jié)合，具有極大的可復(fù)制性及推廣潛力。研發(fā)的“地下水—地表水氮污染優(yōu)先控制區(qū)識(shí)別與管控技術(shù)”，可大幅度提高流域尺度農(nóng)業(yè)面源氮污染綜合防控的針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，有望在我國(guó)流域水環(huán)境面源污染控制領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。本課題研發(fā)的以緩釋碳源復(fù)合功能材料為核心的地下水污染PRB修復(fù)工藝及快速施工技術(shù)，為地下水滲透式反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用提供了成功范例，對(duì)于我國(guó)污染場(chǎng)地地下水修復(fù)的工程設(shè)計(jì)及實(shí)施具有重要的參考價(jià)值和很好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，并已在我國(guó)蘇南地區(qū)污染場(chǎng)地地下水修復(fù)中進(jìn)行了初步應(yīng)用。課題實(shí)施過程中培育了南京南大索益盟環(huán)境研究院有限公司、安徽中原土壤—地下水修復(fù)工程有限公司等環(huán)保企業(yè)，通過企業(yè)的社會(huì)服務(wù)，將進(jìn)一步推廣輻射本課題研發(fā)成果。

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