基于GIS的乡村生态敏感性分析——以长沙县湘丰村为例.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:李煜(),女,硕士研究生,研究方向为园艺景观设计.通讯作者:陈亮明(),男,教授,研究方向为观赏园艺,环境景观规划设计.基基于于GG II SS的的乡乡村村生生态态敏敏感感性性分分析析 以以长长沙沙县县湘湘丰丰村村为为例例李 煜,陈亮明(中南林业科技大学,湖南 长沙 )摘要:由于生态敏感性评价能够预测生态环境遭到干扰和破坏的程度,可为区域土地资源合理利用和生态环境保护提供依据.以长沙县湘丰村为研究对象,从地形地貌、生境资源和人类活动个方面筛选项影响因子并进行综合赋权,采用加权叠加法对长沙县湘丰村进行了综合生态敏感性分析并探究了其生态建设策略.结果表明:研究区整体生态敏感性较高,土地利用类型和植被覆盖度是其主要的敏感因素;高敏感区、较高敏感区、中度敏感区、较低敏感区和低敏感区分别占总面积的 、.该研究结果可为湘丰村土地资源合理开发利用提供科学依据,促进区域生态保护和经济发展双赢.关键词:乡村景观;生态敏感性评价;生态建设;土地利用类型中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()G I S b a s e dE c o l o g i c a l S e n s i t i v i t yA n a l y s i so fV i l l a g e sA nE x a m p l eo fX i a n g f e n gV i l l a g e i nC h a n g s h aC o u n t yL iY u,C h e nL i a n g m i n g(C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t yo fF o r e s t r ya n dT e c h n o l o g y,C h a n g s h a,H u n a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee c o l o g i c a l s e n s i t i v i t ya s s e s s m e n tc a np r e d i c tt h ee x t e n to fd i s t u r b a n c ea n dd a m a g et ot h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t a n dp r o v i d eab a s i sf o rt h er a t i o n a lu s eo f l a n dr e s o u r c e sa n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ni nt h er e g i o n T a k i n gX i a n g f e n gV i l l a g ei nC h a n g s h aC o u n t ya st h er e s e a r c ho b j e c t,e i g h t i m p a c t f a c t o r sw e r es e l e c t e df r o mt o p o g r a p h ya n d l a n d f o r m,h a b i t a t r e s o u r c e sa n dh u m a na c t i v i t i e sa n da s s i g n e dc o m p r e h e n s i v ew e i g h t s,a n d t h ew e i g h t e ds u p e r p o s i t i o nm e t h o dw a su s e d t oc o n d u c t ac o m p r e h e n s i v ee c o l o g i c a l s e n s i t i v i t ya n a l y s i s o fX i a n g f e n gV i l l a g e i nC h a n g s h aC o u n t ya n de x p l o r e i t s e c o l o g i c a l c o n s t r u c t i o ns t r a t e g y T h e r e s u l t so f t h e s t u d ys h o wt h a t t h eo v e r a l l e c o l o g i c a l s e n s i t i v i t yo f t h e s t u d ya r e a i sh i g h,w i t hl a n du s et y p e sa n dv e g e t a t i o nc o v e rb e i n gt h em a i ns e n s i t i v ef a c t o r s;,a n d o ft h et o t a la r e ai sh i g h l ys e n s i t i v e,m o r es e n s i t i v e,m o d e r a t e l ys e n s i t i v e,l e s ss e n s i t i v ea n d l e s s s e n s i t i v e r e s p e c t i v e l y T h e r e s u l t so f t h i s s t u d ya r e i n t e n d e d t op r o v i d e as c i e n t i f i cb a s i s f o r t h er a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n du s eo f l a n dr e s o u r c e s i nX i a n g f e n gV i l l a g e,a n dt op r o m o t eaw i n w i ns i t u a t i o nf o rb o t he c o l o g i c a l p r o t e c t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nt h er e g i o n K e yw o r d s:r u r a l l a n d s c a p e s;e c o l o g i c a l s e n s i t i v i t ya s s e s s m e n t;e c o l o g i c a l c o n s t r u c t i o n;l a n du s e t y p e s 引言随着乡村振兴战略的实施,乡村建设进程的加快促进了乡村经济的发展,一系列快速的变化也导致了传统的乡村景观遭到破坏,出现了过度开发、原生景观破坏等问题,其生态问题不容忽视.对 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期乡村的生态敏感性进行正确评价,可以分析区域内的生态问题,为区域开发和保护提供较为严谨的科学依据,为乡村的规划建设提供参考依据.生态敏感性是指在生态环境质量不受破坏的前提下,生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的适应能力,可以用来描述该地区的生态系统受到影响 时 发 生 生 态 环 境 问 题 的 类 型、难 度 和 概率.随着对乡村景观研究的逐渐深入和地理信息技术的不断完善,在生态环境评价、生态分区及生态保护等方面制定了相应的规范,也完善了评价体系的基本形式与相关环境评价指数的选择依据.生态敏感性评价对大范围空间地域环境系统分析具有较强的适切性,针对地区的生态敏感性评价多从自然环境视角切入,多集中于生态环境、生态服务功能、旅游适宜性开发建设等方面的研究,但综合考虑自然环境与社会人为因素的研究尚不多见,缺乏基于生态敏感性评价指导的乡村景观规划研究.此外,在评价方法与因子赋权上,常采用层次分析法、模糊赋值法、变异系数法、主成分分析法 等进行定量分析,但评价方法主观性过重且评价体系的选取与构建未形成统一标准.湘丰村位于长沙县金井镇西北部,是长沙县最大的行政建制村,近年来,该村依托较好的产业基础、充实的人才储备、深厚的文化底蕴、优美的生态环境和强力的基层组织,聚力农业农村现代化先行目标,以发展壮大特色农业、旅游服务业、制造加工业、电力服务业“四大产业”为抓手,推动村集体经济收入逐年稳步增长.在此前进行的一系列乡村规划建设过程中,湘丰村的乡村景观环境以及基础设施建设都得到明显的提升,但仍存在着村庄内生动力不足等问题.因此,如何在乡村振兴的大背景下,深入挖掘乡村生态资源与产业资源,已成为湘丰村发展的现实诉求.鉴于此,本研究从自然环境与社会人为角度构建评价体系并对湘丰村进行生态敏感性分析,提出生态建设策略,推动区域生态环境高水平保护和经济高质量发展协同并进.研究区域概况与数据来源 研究区域概况湘丰村位于湖南省长沙县金井镇西部,占地面积为 h m,由原脱甲村、脱甲社区、东山村至组、西山村合并而成,并村后的湘丰村为长沙县最大的行政建制村.湘丰村处于长沙、平江县、浏阳市、泊罗市四县(市)交界处,承载了长沙东北门户的功能,也是湘鄂赣的重要门户和黄金通道.距离长沙市区约 k m、距离浏阳约 k m,距离较短均在h车程范围内,湘丰村的西侧是京港澳高速,便利的交通有利于城市消费客流的快捷运输,便于人们周末出行.数据来源本研究获取数据主要有:m分辨率D EM数据(来源:地理空间数据云),L a n d s a t O L I遥感数据(来源:U S G S),高德地图P O I,卫星影像数据(来源:G o o g l ee a r t h),村域行政边界图(来源:长沙县林业事务中心),依靠已有数据为基础,并通过现场调查,获得研究区域的 年现状土地利用数据,建立相应空间数据库.研究方法 因子的选取与分级体系的确定本研究根据文献研究法、实地踏勘法、专家评分研究法、实例研究法,并参照 年发布的 全国生态功能区划(修编版)中规定的生态敏感性评价的内容,针对湘丰村内的生态环境问题,从地形地貌、生境资源以及人类活动等多个角度出发,进行评价因子的选择.从地形地貌因子中提取高程、坡度、坡向共个因子;从生境资源因子中提取植被覆盖度和水域环境个因子;从人类活动因子中提取土地利用类型、村庄建筑以及现状道路个因子,共个因子进行分析来建立生态敏感性评价体系(图),并对湘丰村进行生态敏感性分析(表).图评价指标层次框架李煜,等:基于G I S的乡村生态敏感性分析生态文明建设:自然与生态表生态敏感因子分级标准敏感等级高敏感性较高敏感性中敏感性较低敏感性低敏感性高程因子/m坡度因子/坡向因子土地利用因子植被覆盖度因子现状道路因子/m水域环境因子/m村庄建筑因子/m 北纯林地、水域 东北、西北混交林 东、西竹林 东南、西南灌草地 无坡向、南建筑用地 因子权重的确定与计算生态环境是由多因子构成的复合环境,由于不同地区自然环境及利用方式差异较大,致使因子对生态环境的影响及敏感程度有所区别.在进行生态敏感性等相关评价时,常用多因子综合分析法确定权重.本研究分别运用层次分析法和熵值法计算因子权重,并采用综合赋权公式对数据进行整合,使评价结果更具客观性与准确性.层次分析法基本计算步骤 构建层次分析结构模型将目标和决策设定为最高层,将大类因素设定为中间层,并将决策对象设定为最底层.确立各层次之间 的 逻 辑 关 系,并 以 思 维 导 图 的 形 式 展 示出来.构建因子之间的比较矩阵采用逐级构建的方法,确定每一级指数与上一级指数之间的关系.结论矩阵的值由调查资料、专家意见和结论共同决定.评价体系中各因子的重要性是通过相互比较对数据进行处理.计算各因子在判断矩阵中的权重通过使用构建的判断矩阵D,计算出其最大特征值m a x和相应的特征向量Wi,对所得的特征向量进行归一化处理.最大特征值m a x代表了每个生态敏感性因子的权重分配,而向量分量Wi则表示了每个因子相对于上一层因子的相对权重,这个过程可以对因子的重要性进行排序,其方程为:Dwm a xW()一致性指标检验为了评估矩阵的一致性,需要计算一致性指标C I和一致性比例C R.当阶数n时,矩阵总是具有完全一致性.当阶数n时,若一致性比例C R 时,矩阵具有满意的一致性;否则需要重新调整矩阵.一致性指标C I的计算公式为:C I(m a x)/(n)()一致性比例C R计算公式为:C RC I/R I()R I为判断矩阵的平均随机一致性指标,阶的判断矩阵的R I值见表.表平均随机一致性指标R I对应值nR I 熵值法基本计算步骤熵值法的工作原理是根据各因素自身的相对效果值来分配权重.熵值法的计算步骤如下:()对判断矩阵x进行标准化处理,标准化后的矩阵数据为:xi jxi jm i nxjm a xxjm i nxj()对于负值的数据,运用平移法消除负值,H为评价因子的平移幅度,公式如下:xi jHxi j()()计算第i个样本中第j项评价因子的比重,标准化后的判断矩阵为Y:Yi jxi jnixi j,Yyi jn,m()式()中,n为因子具有的因子数据数量,m为判断矩阵中因子的个数,根据相关计算方法,求得第j项评价因子的熵值及差异系数为:ejn mniyi jl nyi j()gjej()()计算评价因子指标权重与指数:wjgjnigj()综合赋权基本计算步骤层次分析法中的权值的确定主要依据的是人的主观判断和经验以及理论上的认识.而熵值法则是从评价指标自身所包含的信息量出发,对评价指标的权重进行了客观评价.在此基础上,利用上述种方法结合对各指标进行综合赋权,以期实现各指标的动态、准确计算,从而得到更加符合实际 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期的生态敏感度.综合赋权法主要采用两种不同的权重赋值方法对同一判断矩阵中的因素进行综合权重分配.通过使最终获得的综合权重与使用层次分析法得出的权重以及使用熵值法得出的权重尽可能接近,实现对判断矩阵的合理分析.进一步地,通过使用相对信 息 熵 最 小 化 方 法,对 综 合 权 重 进 行 精 确计算:m i nF njwj(l nwjl nwj)njwj(l nwjl nwj)()st njwj,wj()根据拉格朗日乘数法,将公式化简并求得因子综合赋权权重为:wjWjwj/njWjwj()表综合赋权法权重目标层A综合评价层B评价因子层指标AH P赋值熵值法赋值综合赋权生态敏感性A地形地貌因子B 生境资源因子B 人类活动因子B 高程C 坡度C 坡向C 植被覆盖度C 水域环境C 土地利用类型C 村庄建筑C 现状道路C 结果与分析 单因子生态敏感性分析 地形地貌因子 高程高程是影响生态环境的重要因子,其中植被分布情况受高程影响较大.根据分析结果与统计,湘丰村高程在 m,其中低敏感区域所占面积最大,为 h m,占总面积的 ;其次为较低敏感区,占总面积的 ;高敏感区占地面积最小,为 h m,占总面积的 ;较高敏感区与中敏感区差距较小,分别占总面积的 和 .由图看出 图(a),湘丰村的海拔因子以低敏感区和较低敏感区为主,总体上适宜作为村庄开发,但在开发过程中,必须加强生态保护,尽量减少对高敏感性地区的影响.坡度在生态环境中地表径流率、土壤含水量以及土壤肥力等都会受到坡度的影响,坡度越大的区域敏感性越高.湘丰村自然地形较为平整,较低敏感区面积最大,为 h m,占总面积的 ;其次为中敏感区域,面积为 h m,占总面积的 ;高敏感区面积最少,为 h m,占总面积的 图(b).可见湘丰村内总体坡度较小,大部分为平原地形,适宜开发建设.坡向湘丰村位于北半球,南向日照时间较长,通过对坡向的分析,从日照率和温度的变化来分析不同坡向的场地的生态问题.在研究区内,以较低的敏感度区域占比最大,其面积为 h m,占总面积 ;其次是中敏感区,所占面积为 h m,占总面积 ;北向的高敏感区占比低于南向及平地的低敏感度区 图(c).可见湘丰村大多区域的坡地生态敏感度属于中等敏感度,能满足正常的人为建设及生产生活需要.生境资源因子 植被覆盖度植被覆盖度因子作为评价场地内植被生长保育、生境营造、防风固沙等能力的重要指标,对生态敏感性评价系统的建设有着至关重要的作用.由分析可知,高敏感区面积最大,为 h m,占总面积 的 ;其 次 为 较 高 敏 感 性,面 积 为 h m,所占比例为 ;中敏感区与低敏感区,两者占比面积的差异不大;但是,相对于其他地区,较低的敏感性地区所占的土地面积只有 h m,占总面积 图(a).湘丰村的植被覆盖率较高,且以村庄的北部、东北部为主,而植被覆盖率因素的敏感性较低的区域位于湘丰村的东南部,村域总体生态资源较为丰富.水域环境本研究区域内水域环境主要指水库、水网及坑塘的缓冲距离.水域环境敏感性依次划分高敏感区、较高敏感区、中敏感区、较低敏感区、低敏感区个等 级,分 别 占 研 究 区 域 的 、,其中低敏感区面积最大 图(b).村域内水域范围相对较少,但水域高敏感生态环境脆弱,需加强对水域环境的修复和保护.李煜,等:基于G I S的乡村生态敏感性分析生态文明建设:自然与生态图湘丰村地形地貌单因子生态敏感性分区图湘丰村生境资源单因子生态敏感性分区 人类活动因子 土地利用类型湘丰村内的土地利用类型主要分为林地、耕地及建设用地三大类.由分析结果可知,其中较高敏感区以林地为主,面积约为 h m,占总面积的 ;高 敏 感 区 以 水 体 为 主,面 积 为 h m,仅占总面积的 ;适合发展的低敏感度地区占总面积的 ,较低敏感度地区占总面积的 图(a).现状道路湘丰村内的主要道路呈东南西北走向,连接着重要景点和基本服务设施.经过实地考察、数据收集和分析,发现该村现有的道路大多是长期修建的乡村道路,周边的生态环境已经趋于稳定,靠近道路的整体生态环境形成了较强的恢复能力,而远离道路的地区常年人类活动较少,生态系统较为脆弱.由分 析 结 果 可 知,高 敏 感 区 面 积 最 大,为 h m,占总面积的 ;其次为中敏感区和较低敏感区,两者差距较少,分别总面积的 和 ;而 低 敏 感 区 面 积 最 少 为 h m,仅占总面积的 图(b).可见道路建设对周边生态环境有着重要影响,因此要进行科学合理的交通规划.村庄建筑村庄建筑区是村庄内部人为活动最为集中的区域,由 分 析 结 果 可 知,高 敏 感 区 面 积 最 大,为 h m,占总面积的 ;其余区域则只占到总面积的 .由此可见,村庄建筑因子整体上具有较高的生态敏感性 图(c).结合对湘丰村的现场调研,发现村庄内公共服务用地、基础设施用地等都比较集中;而远离聚落的地区则拥有丰富的自然资源.因此,在后续的村庄建设中对聚落周边进行适度的开发,在高生态敏感区采取相应的生态修复措施,以保护天然资源,避免生态环境的破坏.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期图湘丰村人类活动单因子生态敏感性分区 生态敏感性综合评价分析通过对单因子生态敏感性进行加权叠加,得到了敏感性综合分级图和综合生态敏感性分析表(图、表).研究区整体的生态敏感性较高,按照敏感性等级面积的大小排序,较高敏感性高敏感性较低敏感性低敏感性中敏感性.具体分析得出以下结论:高敏感区和较高敏感区分别占研究区域的 和 ,多为林地和水体,植被覆盖度高,生物多样性丰富,人类活动干扰较小,但生态系统的稳定性差,容易受到人类活动的影响;较低敏感区占总面积的 ,主要分布在农田、林地和草地,能够承受一定程度的干扰;低敏感区占总面积的 ,主要集中在村庄东南部,人类活动对该区域的干扰较大.基于生态敏感性分析的生态建设策略湘丰村位于长沙县北部,属于都市近郊传统村落.由生态敏感性分析结果可知,湘丰村内生态敏感性较高,主要以高敏感性和较高敏感性为主.纵观生态敏感性分布,根据等级的高低,将较高敏感和高敏感区划分为适宜生态保护区,中度敏感、较低敏感区划分为适宜农业生产区,低敏感区则划分为适宜建设 区(表).其 开发类型占比 分 布 为 、.图综合生态敏感性分级表综合生态敏感性分析敏感等级高敏感性较高敏感性中敏感性较低敏感性低敏感性合计面积/h m百分比/表开发类型分析敏感等级面积/h m占比/开发类型面积/h m占比/高敏感性 适宜生态保护区 较高敏感性 中敏感性 适宜农业生产区 较低敏感性 低敏感性 适宜建设区 李煜,等:基于G I S的乡村生态敏感性分析生态文明建设:自然与生态 适宜生态保护区 高敏感区和较高敏感区高敏感区和较高敏感区在村庄开发建设中可划分为适宜生态保护区.该区域是自然修复和自愈功能的核心,应当作为重点保护区,采取生态防范措施增加对其全方位保护.除了必要的基础设施外,禁止在生态保护区域进行开发建设,要做好生态修复工作,采取措施保护原生植被和物种,加强管理力度和生态保护宣传;对于军民水库等水域区域,严禁排放污水,以确保水质安全和生态补水;同时,逐步增加重点绿色空间的植被覆盖率,提高生物多样性,丰富植物群落结构,为动植物提供更多 的 生 长 和 生 存 空 间,从 而 促 进 生 态 良 性循环.适宜农业生产区 中度敏感区和较低敏感区中度敏感区和较低敏感区在村庄开发建设中可划分为适宜农业生产区.在该区域中应当积极进行生态评估,合理调整空间布局,优化生态资源结构,将资源利用与生态保护相协调.严格控制该区的城市建设用地性质的开发,可在农业生产区设置低干扰的体验活动,因地制宜开展农业生产,开放部分农田、果林、花卉养殖园,发展特色农业园区和生态示范区,为高敏感区域提供一定的缓冲的同时增加部分休闲观光功能.中敏感区要格外注重对基本农田和耕地的保护;此外,要合理排放工业废水、生活污水和农业废弃物,控制人口规模,创造人与自然和谐发展的居住环境.适宜建设区 低敏感区低敏感区为适宜建设区.该区域可以作为乡村建设中人为干预度较高的板块,采取适当建设开发的方式,设置旅游观赏景点以及游客服务中心,但同时开发过程中禁止大范围的施工建设,防止该区域生态环境进一步恶化.合理利用裸地、废弃地,通过拆违还绿、见缝插绿、破墙透绿等手段提高绿化覆盖率,同时,广泛种植乡土植物,合理增植乔木、灌木和草本植物,丰富绿化形式,增加生物多样性.长沙县湘丰村生态资源较好,在乡村建设过程中,生态环境建设应作为村庄的发展重心.通过生态敏感性分析的指引,可以针对不同敏感性等级提出相应的生态建设策略,结合村庄产业人文规划形成乡村景观规划,为乡村的生态建设提供有效策略和建议.结论与讨论基于湘丰村的生态环境特征,选取高程、坡度、坡向、植被覆盖度、土地用地类型、现状道路、水域环境、村庄建筑个指标构建生态敏感性评价体系,采用层次分析法与熵值法相结合的综合赋权法确定指标权重,最终得到生态敏感性综合分析图,以下是关于湘丰村生态敏感性分析的结论:土地利用类型因子的权重排序最高,是影响研究区生态敏感性的主要因子,其次是生境资源中的植被覆盖度和水域环境;湘丰村整体生态敏感性自南向北呈递增趋势,整体以高敏感、较高敏感性为主;通过对不同敏感区域进行全面的量化分析,提出各敏感区相应的生态建设策略,不仅可以为湘丰村的资源开发与建设活动提供有效参考,还可为其自然资源与土地资源配置提供科学依据.将G I S矢量叠加技术应用于小尺度区域生态敏感性研究,可以提高生态敏感性成分的空间叠加分析的效率和准确性.对于生态敏感性评价指标体系的构建和指标的选取,不同的研究存在着多种指标体系,尚未形成统一的标准.此外,数据获取方面存在一定限制,导致评价因子并不全面,例如评价指标中未考虑土壤污染和地质灾害等因素.为获取科学可靠的评价因子权重,采取了层次分析法和熵值法相结合的综合赋权法进行赋权,以尽量考虑客观和主观因素,但综合赋权值仍有可能存在一定的误差.这些问题应在今后的研究中加以拓展和完善.本文的结果为研究区的土地资源的合理配置和有序开发提供了重要的数据支撑,同时也为生态建设、保护和发展提供参考依据.参考文献:张荣天,焦华富中国省际城镇化与生态环境的耦合协调与优化探讨J干旱区资源与环境,():刘澜,唐晓岚,熊星,等基于G I 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邵宇航,楼少华,唐颖栋,等深圳茅洲河流域暗涵雨污分流改造实践J中国给水排水,():魏文昌,高红杰,李丹,等新阶段入河排污口排查现状及对策分析J环境保护,():刘俊逸,屈铭志无人机在入河排污口排查中的应用研究J科技视界,():孙静雯,方捷,王靖伟,等无人智能技术在排污口识别中的应用J测绘通报,(S):胡国仲,谭印月,巢波,等入河排污口排查溯源技术及应用J科技创新与应用,():徐祖信,汪玲玲,尹海龙基于水质特征因子和M o n t eC a r l o理论的雨水管网混接诊断方法J同济大学学报(自然科学版),():,K u r i s s e r yS,K a n a v i l l i lN,V e r e n i t c hS,e ta l C a f f e i n ea sa na n t h r o p o g e n i cm a r k e ro fd o m e s t i cw a s t e:As t u d yf r o m L a k eS i m c o e w a t e r s h e dJ E c o l o g i c a l I n d i c a t o r s,:K r a c h tO,G r e s c hM,G u j e rWAs t a b l e i s o t o p ea p p r o a c hf o rt h eq u a n t i f i c a t i o no fs e w e ri n f i l t r a t i o nJE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e&T e c h n o l o g y,():H o u h o uJ,L a r t i g e sBS,F r a n c eL a n o r dC,e ta l I s o t o p i ct r a c i n go fc l e a rw a t e rs o u r c e si na nu r b a ns e w e r:Ac o m b i n e dw a t e ra n dd i s s o l v e ds u l f a t es t a b l ei s o t o p ea p p r o a c hJW a t e rR e s e a r c 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