地下水资源勘察.doc

地下水资源勘察
地下水资源勘察
绪　言
　　水是人类赖以生存、社会发展不可缺少的资源，按其分布的空间可分为大气水资源（即大气降水）、地表水资源（即江河湖海等地表水）和地下水资源（即储存于地表以下岩土空隙中的水）。　　地下水资源是指有使用价值的各种地下水量的总称。　　地下水资源是水资源的重要组成部分，是生产生活用水的主要来源。　　为了使地下水资源得到合理的开发、利用，充分发挥其资源优势，必须进行地下水资源勘察和评价。

一、地下水资源勘察的任务和要求
　　（一）地下水资源勘察的任务
　　地下水资源勘察的基本任务是综合运用不同的勘探方法，按着一定的勘察程序和勘察阶段，调查研究勘察区的水文地质条件，分析评价地下水资源的分布与其质量、数量特征，提出开采利用建议；预测可能引发的环境地质问题，提出防治对策建议。
　　根据具体的勘察目的，又可分为区域性地下水资源勘察、水源地地下水资源勘察和专门性地下水资源勘察。
　　（二）地下水资源勘察范围
　　地下水资源的勘察范围应根据勘察阶段和勘察目的以与地下水资源评价的要求确定，一般条件下应包括一个相对完整的水文地质单元。
（三）地下水资源勘察阶段的划分
　　根据《地下水资源勘察规范》SL454-2010的规定，地下水资源勘察划分为普查、初勘、详勘、开采四个阶段。
（四）地下水资源勘察的基本工作内容
　　地下水资源勘察的基本工作内容包括气象水文调查、基础地质调查、水文地质调查、勘探试验、地下水动态观测、地下水资源评价等。

二、地下水资源勘察的主要技术方法
　　（一）水文地质测绘
　　水文地质测绘是地下水资源勘察的重要基础方法。
　　通过水文地质测绘可以全面了解勘察区地形地貌、地层岩性、地质构造、以与水文、气象条件。通过对测绘资料的综合分析研究，揭示地下水的形成、分布与富集规律，初步查明勘察区的水文地质条件，对地下水资源的分布状况作出初步评价，同时为进一步布置勘探工作提供依据。
1、水文地质测绘的主要内容
　　1）水文、气象调查
　　降水是地下水主要补给源。地表水与地下水之间存在着密切的水力联系，它们控制了地下水的补给与排泄条件，并影响地下水的动态特征，也是水资源综合利用的重要条件。因此，应进行水文、气象调查。
　　2）地貌、第四纪地质调查
　　地形、地貌特征是内外营力综合作用的结果，它反映了地质构造与近代沉积物之间的内在成因联系，控制着地下水的埋藏分布与补给排泄。第四纪沉积物是地下水分布储存的主要场所。因此，是水文地质测绘的重要内容。主要包括：

　 3）地层调查
　　地层岩性是地下水赋存、运动的介质。地层的成因、分布特征与岩石的性质、特征与含水层的分布与富水性有着直接的关系。因此，在水文地质测绘中要重视对地层岩性，特别是含水地层和岩石含水性的调查研究。
　　4）地质构造调查
　　地质构造对地下水的埋藏、分布、运移和富集有着控制性的影响，大的构造体系控制着区域水文地质条件。因此要进行地质构造调查。
　　5）地下水露头调查。地下水露头（泉、井）是认识地下水与其含水层的“窗口”。因此水文地质测绘要注意对地下水露头的调查。
　6）地表水体调查
　　在自然界水循环中地表水（河流、湖泊、渠道、水库等）和地下水之间经常发生联系而互相转化，查明它们之间的转化条件和转化关系，对阐明地下水资源的开采条件，进行地下水资源评价是十分必要的。
　　7）水质调查。水质是评价地下水质量的依据，是水文地质测绘的主要内容。
　　8）地植物调查
　　地植物即水文地质指示植物。利用地植物寻找地下水，判明地下水的某些特征，在干旱、半干旱地区和滨海平原地区，往往有较好的效果。
　　9）地下水开采利用现状调查
　　地下水开采利用现状调查对评价地下水的储存量、可开采量具有直接意义。
　　10）与地下水有关的环境地质问题调查。地下水是导致许多环境地质问题的重要因素，不合理的地下水开采可能引发环境地质问题。
2、不同地区水文地质测绘的重点
　　1）山前冲洪积扇地区应重点调查上游山区与冲洪积扇的接触性质、洪积扇的边界、规模、岩性组成以与下游地下水溢出带的位置、溢出量等。
　　2）山间河谷与冲洪积平原地区，河谷阶地与古河道是其调查的重点。
　　3）滨海地区查明咸淡水的分布范围与其彼此间的关系，寻找淡水透镜体是测绘的主要任务。
4）黄土地区应重点调查黄土地貌形态特征和黄土地层岩性结构特征，分析地下水的赋存条件。
　　5）沙漠地区测绘应查明河道（近代河道与古河道）、潜蚀洼地和砂丘、草滩、湖岸、天然堤等的分布与其与地下淡水层的分布关系；调查喜水植物的分布与地下水埋藏深度与和化学成分的关系等。
　　6）基岩山区。（1）碎屑岩分布区；（2）可溶岩分布区；（3）岩浆岩与变质岩分布区。
4、遥感技术在水文地质测绘中的应用
　　1）水文地质遥感工作流程和内容；2）水文地质遥感的类型与方法；3）遥感影像资料的选用；4）遥感图像的解译：（1）遥感图像解译的基本方法；（2）遥感图像水文地质判译的基本要求。5）我国水文地质测绘遥感影像资料的应用。（1）多波段卫星象片和普通航片的应用；（2）红外成像的应用。
5、同位素技术在水文地质测绘中的应用
　　1）利用稳定同位素2H——18O 判别地下水的成因与补给源，查明地表水与地下水的补、排关系与含水层之间的越流问题。
　　2）利用放射性同位素3H和14C测定地下水的年龄。
　　3）利用放射性同位素3H、51Cr、60Co、82Br、131l、137Cs 等，确定岩溶通道的分布与连通情况，测定地下水流速，测定包气带中水分的运移，估算入渗补给率；在井、孔中测定水文地质参数等。
（二）水文地质物探
　　1.水文地质物探的作用：

　　2.常用物探方法与其适用条件与应用范围
　　目前比较成熟的水文物探方法，主要有直流电法勘探（自然电场法、电剖面法、高密度电法、电测法、激发极化法）、电磁法勘探（瞬变电磁法、地质雷达、大地电测深法）、地震勘探（折射波法、反射波法）、声波探测、放射性勘探、测井等等。
　　3.水文地质人员的任务：

（三）水文地质钻探
　　水文地质钻探是地下水资源勘察的重要手段，通过钻探可以更直接的了解含水层的埋藏深度、厚度、岩性、分布情况、水位和水质等，并验证测绘与物探的成果；利用钻井进行抽水试验、注水试验，从而确定含水层的富水性和水文地质参数。水文地质钻探工作布置：
1）水文地质钻探工作布置的一般要求
　　2）不同地区钻孔布置的具体要求：（1）山前冲洪积扇地区；（2）山间河谷地区；（3）冲洪积平原地区；（4）滨海地区；（5）基岩地区：①构造裂隙发育地段。②碎屑岩分布区。③岩浆岩、变质岩分布区。④玄武岩分布区。⑤可溶岩地区。
（四）抽水试验
　　抽水试验是水文地质勘察中的重要环节。抽水试验的主要目的是测定含水层的水文地质参数，同时，利用抽水试验对勘察区局部或整体渗流场的人工激发形成人工降深场，揭示水文地质条件，为资源评价与取水构筑物设计提供依据。
　　1、抽水试验的主要任务
2、抽水试验的类型和方法选择
　　1）类型：（1）单孔抽水试验。（2）多孔抽水试验。（3）群孔干扰抽水试验。（4）试验性开采抽水。（5）稳定流抽水试验。（6）非稳定流抽水试验。
2）方法选择：（1）普查阶段；（2）初勘、详勘阶段；（3）专门性试验；（4）完整孔、非完整孔抽水试验；（5）分段抽水试验；（6）分层抽水试验；（7）大流量、大降深群孔抽水试验。
3.抽水试验的技术要求
　　1）一般要求
　　（1）抽水孔的布置：①抽水孔的布置，应根据勘察阶段，地质、水文地质条件和地下水资源评价方法等多因素确定。②为求取水文地质参数抽水孔的布置；③为查明含水层边界性质、边界补给量抽水孔的布置；④探采结合孔的布置；⑤抽水孔占勘探孔（不包括观测孔）总数的百分比（%），宜不少于50% 。
　（2）观测孔的布置：①观测孔布置的意义；②观测孔的布置。③观测与测量。

　　2）稳定流抽水试验的要求
　　（1）降深；（2）出水量；（3）动水位和出水量的观测。（4）稳定标准和延续时间。
3）非稳定流抽水试验的要求
　　（1）降深与出水量。（2）动水位和出水量观测。（3）延续时间，延续时间应按水位下降与时间[s（或Δh2）—lgt]关系曲线确定。
　　4）群孔干扰抽水试验的要求：
　　5）开采性抽水试验的要求；4.现场观测、记录和取样
4、现场观测、记录和取样

5、试验资料整理
　　1）现场资料整理
　　根据抽水试验资料绘制出的Q—S曲线，常有以下几种形式，如图2所示。
　　曲线Ⅰ——一般情况下表明地下水具有承压性，因承压水符合直线渗透规律。

　曲线Ⅱ——一般情况下表明地下水是没有承压性的潜水，符合抛物线渗透规律。
　　曲线Ⅲ——表明地下水源不足，没有充足的补给来源，抽水时主要消耗的是地下水的固定储存量。曲线Ⅳ——表明抽水试验时，测量中有错误或洗井工作未做好，致使单位出水量在抽水过程中逐渐增大。这种资料不能应用，必须重新进行抽水试验。
2）室内资料整理
　　（1）绘制各种综合图表。（2）计算水文地质参数。（3）编写抽水试验报告。

（五）地下水动态观测
　　地下水动态是指地下水的水位、水量、水温与水质（化学成分和气体成分）在各种因素综合影响下随着时间而有规律的变化。
1、地下水动态观测的意义
　　2、地下水动态观测的内容和要求：地下水观测的内容包括测定地下水的水位、水温、泉的涌水量、采取水样测定地下水化学成分的变化。

三、地下水资源评价
　　对地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件做出科学的、全面的分析和估计，称为地下水资源评价。进行地下水资源量的评价时，应计算、确定允许开采量，分析开采条件下截获的补给量和夺取的补给量以与溢出与蒸发的减量（排泄量），分析开采动态类型、论证在整个开采期内开采和补给的平衡。据气象、水文多年观测资料，论证开采量的保证程度，预报区域动水位情况，分析地下水开采后可能对环境产生的不良影响。
（一）地下水资源的特点
　　1.可恢复性；2.调节性；3.转化性。
（二）地下水资源分类
1、补给量。补给量是指在天然状态下或在人工开采条件下，在单位时间内由大气降水和地表水体渗入、相邻含水层径流流入、越流补给与人工补给等流入含水层的水量。按补给量的形成条件又可分为天然补给量和开采补给量。
2、储存量。储存量是指储存于含水层内重力水体积，根据含水层埋藏条件的不同，又分为容积储存量和弹性储存量。
3、排泄开采量。排泄开采量是指从含水层的补给区到排泄区的整个范围内地下水总的减少量。按照排泄消耗的形式可分为天然排泄量、开采排泄量和人工开采量。
　　 人工开采量可分为实际开采量和允许开采量。
　　（1）实际开采量是指在一定技术条件下，采用各种抽水设备从含水层中实际取出的地下水量。（2）允许开采量是指通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和水温变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性的环境地质问题并符合现行规定的前提下，从水文地质单元或水源地范围内能够取得的地下水资源。
　（三）地下水资源评价的原则
　　 1.三水转化、相互联系的原则；2.以丰补欠、调节平衡的原则；3.水质、水量统一评价的原则；4.充分考虑环境地质问题的原则。
（四）地下水资源评价的基本要求：

　　（五）水文地质参数的确定
　　水文地质参数是表征含水层性质特征与地下水资源评价计算的重要参数，其数值大小是含水层各种性能的综合反映。常采用的水文地质数有渗透系数、导水系数、释水系数、给水度、降雨入渗系数、影响半径、压力传导系数、越流系数等。
1、渗透系数。渗透系数（K）是表示含水层渗透性能的参数。
　　2、导水系数（T）。导水系数（T）是表示含水层导水能力大小的参数，其数值为含水层的渗透系数与厚度的乘积。
　　3、给水度（μ）。给水度（μ）是表示潜水含水层给水能力的参数。即饱水岩土在重力作用下，可自由流出的最大水体积与整个岩土体积之比值。
4、储水系数（μ*）。储水系数（μ*）是指单位面积的承压含水层柱体，在水头降低1m时，释放的水体与柱体体积之比值。表示承压含水层的弹性释放能力的参数，也称释水系数。
5、降水入渗系数（α）。降水入渗系数（α）是降水入渗量与降水量的比值。
　　降水入渗系数α的经验值
名称
α
名称
α
黏土
0.01~0.02
半坚硬岩石（裂隙较少）
0.10~0.15
粉质黏土、粉土
0.02~0.05
裂隙岩石（裂隙率中等）
0.15~0.18
粉砂
0.05~0.08
裂隙岩石（裂隙率较大）
0.18~0.20
细砂
0.08~0.12
裂隙岩石（裂隙率大）
0.20~0.25
中砂
0.12~0.18
岩溶化极弱的灰岩
0.01~0.10
粗砂
0.18~0.24
岩溶化较弱的灰岩
0.10~0.15
砂砾石
0.24~0.30
岩溶化中等的灰岩
0.15~0.20
砂卵石
0.30~0.35
岩溶化较强的灰岩
0.20~0.30
坚硬岩石（裂隙极少）
0.01~0.10
岩溶化极强的灰岩
0.30~0.50
注：根据其它资料，此表数值可能偏小。
6、影响半径（R）。影响半径（R）是表示含水层补给条件的参数，综合地反映了含水层的规模、补给类型、补给能力。
　　影响半径R经验值
岩性
主要颗粒粒径（mm）
R（m）
粉砂
0.05~0.1
25~50
细砂
0.1~0.25
50~100
中砂
0.25~0.5
100~200
粗砂
0.5~1.0
300~400
极粗砂
1.0~2.0
400~500
细砾
2.0~3.0
500~600
中砾
3.0~5.0
600~1500
粗砾
5.0~10.0
1500~3000
　7、水位传导系数（a=г/μ）。水位传导系数a=г/μ表示含水层中水位传导速度的参数。对于承压含水层为压力传导系数a=г/μ*。
（六）地下水资源量评价（计算）方法
　　1、补给量的计算
　　地下水补给量计算应包括由地下水径流的流入、降水入渗、地表水入渗、越流补给等途径进入含水层（带）的水量。
　　1）地下水径流补给量
　　（1）地下径流补给量可按达西公式计算：　Q=KIBM 
　　式中 Q —— 地下水径补给量（m3/d）；
　　K —— 含水层渗透系数（m/d）；
　　I—— 自然状态或开采条件下的地下水水力坡度；
　　B—— 计算断面宽度（m）；
　　M—— 计算断面含水层厚度（m）。
（2）岩溶区可采用地下径流模数法确定地下径流补给量：　Q=MF
　　式中Q——岩溶水补给量（m3/d）；
　　M——地下径流模数，M=暗河流量Qi/暗河补给面积Fi；
　　F——计算面积（m2）。
　　2）降水入渗补给量
　　（1）采用降水入渗系数计算：　　Q=Fαx/365 
　　式中 Q——降水入渗补给量（m3/d）；
　　α——年平均降水入渗系数；
　　F——降水入渗面积（m2）；
　　X——年降水量（m）。
（2）地下水径流条件较差，以垂直补给为主的潜水分布区可采用给水度计算降水入渗补给量：　　Q=μF∑Δh/365 
　　式中 Q——降水入渗补给量（m3/d）；
　　∑Δh——一年内每次降水后，地下水位升幅之和（m）；
　　μ——含水层给水度；
　　F——计算面积（m2）。
　　 （3）地下水径流条件良好的潜水分布区可采用数值法计算降水入渗补给量。
3）地表水渗入补给量
　　（1）河（渠）双侧渗入补给量可根据河（渠）上、下游断面的流量资料采用水文分析法按下式计算：

　　式中 Q——河（渠）渗入补给量（m3）；
　　Q 上Q 下——河（渠）上、下游水文断面实测流量（m3）；
　　Q 区入——河（渠）上、下游水文断面区间汇入该河（渠）段的流量（m3）；
　　Q 区出——河（渠）上、下游水文断面区间引出该河（渠）段的流量（m3）;
　　——修正系数，一般取0.2~0.4；
　　L——计算河（渠）段的长度（m）；
　　——河（渠）上、下游水文断面间河（渠）段的长度（m）。
（2）河（渠）单侧渗入补给量可采用达西公式计算。
　　（3）湖（塘）渗入补给量可采用水量平衡法按下式计算：

　　（4）灌溉水的入渗补给量可按下列方法计算：
　　 ①利用灌溉定额资料计算：　　Q=α0mFg/365 
　　式中 Q——灌溉水入渗补给量（m3/d）；
　　α0——灌溉水入渗率；
　　m——灌溉定额（m3/亩）；
　　Fg——灌溉面积（亩）。
　 　②利用地下水动态观测资料计算：　　Q=μFg∑Δh/365 
　　式中 ∑Δh——一年内灌溉引起的地下水水位升幅之和（m）。
　　Fg——灌溉面积（m2）
　　其它符号同前。
　 　4）相邻含水层的垂向越流补给量可按下列方法计算：
　　（1）能够确定相邻弱透水层的有关参数时：

　　h——计算含水层的水位或开采漏斗的平均水位（m）。
　　（2）具有分层动态观测资料时可采用数值法确定。
　 　5）全排型泉水，可根据泉水流量的长期观测资料，进行频率计算，以不同频率的排泄量作为补给量。
　　6）地下水主要以地表径流的形式排泄时，可利用计算区下游水文观测资料，采用基流分割法确定补给量，但应考虑计算断面处地下水径流排泄的情况。
2、储存量的计算
　　1）潜水含水层的储存量可按下列公式计算：　 
　　式中 W—— 地下水储存量（m3）；
　　μ—— 潜水含水层的给水度；
　　V——潜水含水层的体积（m3）。
　　2）承压水含水层的弹性储存量可按下列公式计算：　　W=F·S·h 
　　式中 W—— 地下水的弹性储存量（m3）；
　　F——含水层的面积（m2）；
　　S——弹性释水系数；
　　h——承压水含水层自顶板算起的压力水头高度（m）。
3、排泄量的计算
　　地下水排泄量计算应包括由潜水蒸发蒸腾、地下水径流排泄、地表水排泄、越流排泄、人工开采等途径从含水层（带）排泄的水量。
　　1）潜水蒸发量可利用下列经验公式计算：

　　△——潜水位埋深（m）；
　　△0——潜水蒸发极限埋深（m）；
　　n——经验指数，一般取1~3。
　　2）利用潜水蒸发系数计算：

　　C——潜水蒸发系数，系潜水蒸发量ε与潜水蒸发强度ε0之比，即C=ε/ε0。
　　3）地下水径流排泄量、地表水排泄量、越流排泄量可按地下水径流补给量、地表水渗入补给量和越流补给量的方法反运算确定。
　　4）利用各单项排泄量之和确定总排泄量时，应对各单项排泄量进行具体分析，并避免重复。
　5）全排型泉水，可根据泉水流量的长期观测资料，计算不同频率的排泄量。
　　6）河川基流量可采用水文分割法确定。
　　4、允许开采量计算和确定
　　计算和确定地下水的允许开采量是地下水资源评价的核心问题，计算和确定允许开采量的方法也称为地下水资源评价方法。
　1）水量均衡法
　　水量均衡法是全面研究均衡区（计算区、评价区），在一定时段（均衡期）内地下水补给量、储量和排泄量之间数量转化关系的方法，通过均衡计算得到地下水允许开采量。水量均衡法是地下水资源评价中常用的基本方法。
　　（1）基本原理
　　一个均衡区内的含水层系统，在任一时间段（Δt）内的补给量与排泄量之差，恒等于含水层系统中水体积的变化量（ΔQ）。即：　　Q补-Q排=ΔQ
　　若要保持均衡区内的地下水资源可持续开采，则地下水允许开采量为区内补给量与排泄量之和。即：　　Q允= Q补+ΔQ排
（2）方法和步骤
　　①建立水文地质概念模型——确定均衡要素
　　②划分均衡计算区
　　③确定水文地质参数
　　水文地质参数一般包括降水入渗系数、地表水渗漏系数、灌溉入渗系数、潜水蒸发系数与含水层的给水度、渗透系数、导水系数和导压系数等。
　　④确定均衡期、分项计算各补给量和排泄量
　　⑤利用地下水动态资料计算储存量的变化量
　　⑥利用储存量的变化值检验计算年的地下水补给量
⑦确定和评价地下水补给资源量
　　⑧评价地下水可开采资源量
　　应结合实际水文地质条件，综合考虑现状开采量、开采技术条件、水位埋深状况和地质环境约束条件来确定地下水可开采资源。一般用单位时间内从特定研究含水层组中可以取得的地下水水量表达：　　Qk≈ΔQB+ΔQP
　　式中：Qk——均衡区内可开采量（m3/d或m3/d）;
　　ΔQB——均衡区内各种补给量之和（m3/d或m3/d）;
　　ΔQP——均衡区内各种排泄量之和（m3/d或m3/d）。
　2）数值法
　　以渗流理论为基础的一种求解微分方程定解问题的近似方法，可解决复杂水文地质条件和地下水开发利用条件下的地下水资源评价，可进行地下水补给资源量和可开采资源量的评价和预测。
　　具体计算方法主要有有限差分法，有限单元法和边界元法。常用的是有限差分法和有限单元法。基本方法和步骤如下：
　　（1）水文地质条件分析；（2）水文地质概念模型和数学模型建立；（3）空间离散（剖分）；（4）确定模拟期和预报期；（5）地下水均衡分析；（6）水文地质条件识别；（7）地下水资源评价和水位预报。
　3）解析法
　　解析法运用地下水动力学中解析解公式（井流公式）对含水层地下水可开采量进行评价的方法，适用于含水层均质程度较高，边界条件简单，可概化利用已有计算公式要求的条件模式。具体计算方法包括井群干扰法、开采强度法等。
　　基本方法和步骤如下：（1）建立水文地质概念模型；（2）选择计算公式；（3）确定所需的水文地质参数。
　　一般情况下应采用计算区勘察试验阶段所获得的水文地质参数，如渗透系数（K）、导水系数（T）、重力给水度（μ）、弹性释水系数（μ*）等。
　　（4）计算与评价。
4）其他计算方法
　　（1）可开采系数法：　　Q允=ρQ补
　　式中：Q允——地下水允许开采量；Q补——地下水总补给量；ρ——可开采系数0.4~0.9。
　　（2）水文分析法。包括地下水径流模数法、基流分割法、泉域法。
　　（3）水文地质比拟法。包括开采模数比拟法、地下水径流模数与地表径流模数之比值的方法。
　　（4）开采试验法。包括开采抽水法、试验外推法、补偿疏干法。
　　（5）相关分析法等。包括简相关、复相关、多元相关。
　　5）水文地质类比法
5、计算方法选择
　　1）地下水资源评价方法分类与适用条件
　　2）区域地下水资源评价。区域地下水资源评价，应按独立的水文地质单元进行，如层状自流水盆地、河谷地带、大型冲洪积扇、山前平原、山间盆地与结晶岩块等。
　　3）水源地地下水资源评价。计算允许开采量的方法，一般多采用解析法或数值法。水均衡法常与其他方法同时并用，相互验证。
　　扩建老水原地时，应充分利用多年开采动态资料，可用相关分析法、系统理论法和下降漏斗计算可扩大的开采量，并可用多年调节水均衡法来论证开采量的保证程度。
（七）地下水资源质量评价
　　1）根据水质测试成果，按有关规定进行评价。2）综合进行评价。3）分类评价。4）适用性评价。5）提出改善、防护措施。

四、地下水资源勘察资料整理与报告编制
　　1.收集的资料应进行综合分析，验证其合理性、可靠性。
　　2.数据资料应根据资料的类别、用途、合理选用数理统计方法、确定统计范围。
　　3.成果图表应在综合分析原始资料的基础上按水文地质条件和目的分类、分区编制。
　　4.勘察报告应满足勘察任务、勘察阶段的精度要求，充分、客观地反映勘察成果和勘察区的水文地质条件。
5.勘察报告的附图附表。
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