王鵬全,張麗娟,吳元梅,曹進(jìn)軍
(1. 青海民族大學(xué)建筑工程學(xué)院, 西寧 810007;2. 青海省水利水電科學(xué)研究所 青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)試驗(yàn)室,西寧 810001;3. 甘肅省水利廳石羊河流域管理局,甘肅 武威 733000)
我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源稟賦不足,經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)水資源的剛性需求日益增加,人均水資源占有量不斷下降,水生態(tài)、水環(huán)境問題日趨嚴(yán)重,部分流域水資源開發(fā)利用程度已超出其承載能力,水危機(jī)成為建設(shè)生態(tài)文明和發(fā)展區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的“瓶頸”。水資源可持續(xù)承載力的研究能夠有效地規(guī)劃區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模,合理開發(fā)水土資源,對(duì)水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供決策指導(dǎo)和參考價(jià)值[1,2]。
自1989年水資源承載力這一概念提出以來,國內(nèi)學(xué)者從水資源開發(fā)規(guī)模和水資源支持可持續(xù)發(fā)展能力等角度對(duì)水資源承載力的定義不盡相同[3-5],并提出了指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法[6]、生態(tài)足跡法[7,8]、VAR模型法[9]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型法[10]、多目標(biāo)優(yōu)化模型分析法[11]等多種評(píng)價(jià)水資源承載能力的研究方法。但由于水資源承載力研究涉及的因素多、范圍廣且系統(tǒng)復(fù)雜,目前常用的各種評(píng)價(jià)方法都難以全面刻畫水資源開發(fā)利用的高效性、公平性、協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性。
水權(quán)制度是最嚴(yán)格水資源管理制度和水資源資產(chǎn)化管理的具體體現(xiàn),基于水權(quán)的用水總量控制、用水效率控制及水功能區(qū)限制納污“3條紅線”管理是以市場機(jī)制、政府協(xié)調(diào)和民主參與的形式對(duì)稀缺水資源進(jìn)行優(yōu)化配置和提高水資源承載能力的有效途徑[12]。目前,利用水權(quán)理論研究水資源可持續(xù)承載力的研究較少,水權(quán)理論則更多應(yīng)用于研究水資源的優(yōu)化配置和管理。例如王學(xué)鳳[13]、吳丹[14]、肖淳[15]等通過建立多目標(biāo)水權(quán)配置模型研究了流域初始水權(quán)在各區(qū)域及其各行業(yè)之間的合理配置。
西北內(nèi)陸干旱地區(qū)水資源在不同水權(quán)主體間進(jìn)行配置和使用時(shí)容易引起利益沖突。水權(quán)制度作為水資源管理的“活鑰匙”,通過政府宏觀調(diào)控和市場微觀調(diào)節(jié),設(shè)置行業(yè)用水優(yōu)先權(quán),形成用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)納污3條紅線“倒逼”機(jī)制,實(shí)現(xiàn)水資源的產(chǎn)權(quán)化管理和用途管制,提高水資源利用的效率和效益。水權(quán)管理的根本目標(biāo)是促進(jìn)水資源公平、高效、永續(xù)利用及協(xié)調(diào)水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,動(dòng)態(tài)調(diào)整水資源在時(shí)間、空間、數(shù)量和質(zhì)量上的要求,創(chuàng)造良好的用水秩序,從而實(shí)現(xiàn)水資源的二次優(yōu)化配置,提高水資源的可持續(xù)承載能力[16]。
水資源的優(yōu)化配置、承載能力和可持續(xù)利用都闡述了社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系,3者是相輔相成的。水資源優(yōu)化配置是指利用科學(xué)手段使有限的水資源進(jìn)行合理配置,實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用,保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,強(qiáng)調(diào)水資源的有效利用;可持續(xù)觀念強(qiáng)調(diào)了水資源開發(fā)利用的可持續(xù)性、協(xié)調(diào)性、公平性以及水資源的價(jià)值觀;承載能力則是以水資源優(yōu)化配置為出發(fā)點(diǎn),以可持續(xù)發(fā)展為原則,強(qiáng)調(diào)水資源能夠支持人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與規(guī)模的極限值[17]。顯然,水資源優(yōu)化配置是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的技術(shù)手段,可持續(xù)發(fā)展是水資源合理配置與承載能力研究的指導(dǎo)思想,承載能力是可持續(xù)發(fā)展理論的結(jié)論[18]。要使水資源的開發(fā)利用達(dá)到可持續(xù)發(fā)展,必須進(jìn)行水資源優(yōu)化配置和承載能力研究。
本文將水資源可持續(xù)承載力界定為:在未來時(shí)空尺度上,以可預(yù)見的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù),以水權(quán)(Water Right)管理為手段,以水資源“3條紅線”為約束,以水資源開發(fā)利用的公平(Equity)、高效(Efficiency)和生態(tài)(Ecology)安全為目標(biāo),區(qū)域水資源可供人口和生產(chǎn)規(guī)模(工業(yè)增加值、農(nóng)業(yè)灌溉面積)可持續(xù)發(fā)展的極限值。研究基于水權(quán)管理建立WR-3E水資源配置模型,設(shè)計(jì)不同的水資源開發(fā)利用預(yù)案和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展模式,提出相應(yīng)的水資源配置方案。由于不同水資源開發(fā)利用預(yù)案下的承載能力不同,通過層次分析模糊優(yōu)選理論選取可持續(xù)發(fā)展程度較高的水資源配置方案,并在此基礎(chǔ)上測評(píng)區(qū)域水資源的可持續(xù)承載能力,以期對(duì)西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源的可持續(xù)承載力評(píng)價(jià)提供借鑒。本文的研究框架見圖1。
圖1 研究框架
針對(duì)本文對(duì)水資源可持續(xù)承載力的界定,以及對(duì)水權(quán)制度、水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展關(guān)系的分析,基于水權(quán)管理建立以公平性、效益性和生態(tài)安全性為目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模型(簡稱WR-3E模型)如下:
f(x)=opt[f1(x),f2(x),f3(x)]x∈X
(1)
f1(x)為公平性目標(biāo),以滿足不同區(qū)域間、行業(yè)間以及用戶間對(duì)水資源及其效益的合理分配利用,體現(xiàn)水資源使用權(quán)的優(yōu)先級(jí)。鑒于公平性目標(biāo)的模糊性,研究用行業(yè)缺水率均方差描述水資源空間分配的公平性:
(3)
f2(x)為效益性目標(biāo),表現(xiàn)為水資源開發(fā)利用對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的價(jià)值。研究以水資源、水環(huán)境調(diào)整后的綠色GDP(EDP)最大作為效益性目標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn):
(4)
式中:bi為行業(yè)用水效益系數(shù),元/m3;ci為行業(yè)用水費(fèi)用系數(shù),元/m3,包括供水成本費(fèi)用、水環(huán)境保護(hù)支出費(fèi)用、水資源耗減價(jià)值和水環(huán)境退化價(jià)值。
f3(x)為生態(tài)環(huán)境目標(biāo),區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的保障條件。研究以區(qū)域污水排放中主要污染物BOD含量最小作為生態(tài)環(huán)境目標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)[19]:
(5)
式中:di為用水行業(yè)i的污水排放率;pi為用水行業(yè)污水排放量中重要污染因子BOD的含量,mg/L。
模型的約束條件主要有取水總量控制約束、行業(yè)用水總量約束、用水效率指標(biāo)約束和水功能區(qū)納污限制指標(biāo)約束等。WR-3E模型則由以上公平性目標(biāo)、效益性目標(biāo)、生態(tài)安全性目標(biāo)以及約束條件組合而成,用于求解各方案下的水資源配置結(jié)果。由于上述3個(gè)目標(biāo)具有對(duì)立統(tǒng)一性,利用權(quán)函數(shù)法統(tǒng)一協(xié)調(diào)公平、效率和生態(tài)目標(biāo)的利弊關(guān)系,并將各目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理。將綜合目標(biāo)表示為:
maxf(x)=-λ1f1(x)+λ2f2(x)-λ3f3(x)
(6)
式中:λ1、λ2、λ3分別是公平、效率、生態(tài)穩(wěn)定性目標(biāo)的權(quán)重。
1.2.1 水資源配置方案集
在水權(quán)制度的驅(qū)動(dòng)下,區(qū)域不同的發(fā)展模式對(duì)應(yīng)的水資源配置方案各異,受社會(huì)發(fā)展、政策水平、生活習(xí)慣等因素的影響,水資源承載力處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中。西北內(nèi)陸干旱區(qū),農(nóng)業(yè)用水比例大,用水效率低,生態(tài)環(huán)境用水被嚴(yán)重剝奪。因此,依托水權(quán)管理作為頂層設(shè)計(jì),科學(xué)處理開源與節(jié)流的關(guān)系,調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),減壓農(nóng)業(yè)耕地面積,推廣高效節(jié)水技術(shù),控制GDP增長速率,促進(jìn)水權(quán)交易,貫徹生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展的理念是該地區(qū)實(shí)現(xiàn)有限水資源優(yōu)化配置和提高水資源可持續(xù)承載力的主要措施。將以上措施進(jìn)行情景組合,并采用WR-3E模型求解,則得到若干個(gè)水資源配置方案集。
1.2.2 層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
研究借鑒國內(nèi)水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系的相關(guān)研究[20],以水資源可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)層,選取發(fā)展程度、協(xié)調(diào)程度和公平程度3個(gè)準(zhǔn)則層和12個(gè)分指標(biāo)層,利用層次分析法建立區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[21],見圖2。圖2中:I1為人口增長率;I2為城市化水平;I3為工業(yè)增加值增長率;I4為人工生態(tài)面積;I5為BOD超標(biāo)倍數(shù);I6為水資源開發(fā)利用程度;I7為人均水資源量;I8為工業(yè)萬元增加值用水量;I9為農(nóng)業(yè)萬元產(chǎn)值用水量;I10為生態(tài)用水比例;I11為行業(yè)缺水率均方差;I12為GDP增加值。
圖2 可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)評(píng)價(jià)體系
1.2.3 方案優(yōu)選模型
可持續(xù)發(fā)展程度是一個(gè)模糊概念,不能用確定性的指標(biāo)量化。研究采用系統(tǒng)層析模糊優(yōu)選理論,以水資源利用的發(fā)展性、協(xié)調(diào)性和公平性的綜合優(yōu)屬度衡量可持續(xù)發(fā)展程度,從而篩選可持續(xù)發(fā)展程度較高的水資源配置方案。具體計(jì)算過程如下。
設(shè)由WR-3E模型組合計(jì)算得到n個(gè)水資源配置方案集,按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系準(zhǔn)則層數(shù)目劃分p個(gè)評(píng)價(jià)塊,每個(gè)評(píng)價(jià)塊有mi個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。則對(duì)第i個(gè)評(píng)價(jià)塊第j個(gè)待選方案可用特征向量表示為:
S(i)j=(S(i)1j,S(i)2j,…,S(i)mij)T
(7)
于是第i個(gè)評(píng)價(jià)塊待優(yōu)選的n個(gè)方案可用mi×n階特征矩陣表示為:
(8)
式中:S(i)kj表示第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中方案j評(píng)價(jià)指標(biāo)k對(duì)應(yīng)的特征值,i=1,2,…,p;j=1,2,…,n;k=1,2,…,m。
為了計(jì)算方便,將[S(i)kj]中的評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值歸一化,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的隸屬度,得到其模糊指標(biāo)特征矩陣為:
(9)
對(duì)于正相關(guān)指標(biāo):
對(duì)于負(fù)相關(guān)指標(biāo):
式中:inf、sup分別表示指標(biāo)行向量中特征值的最小值和最大值。
考慮到n個(gè)水資源配置方案優(yōu)選的相對(duì)性,從各方案中選取優(yōu)等方案和劣等方案。則第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中優(yōu)等水資源配置方案用行向量表示為V(i)1=(v(i)11,v(i)12,…,v(i)1mi);劣等水資源配置方案用行向量表示為V(i)2=(v(i)21,v(i)22,…,v(i)2mi)。v(i)1k表示第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中mi個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度是n個(gè)水資源配置方案中相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的最大值;v(i)2k表示第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中mi個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度是n個(gè)水資源配置方案中相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的最小值。
采用陳守煜[22]提出的待選方案與優(yōu)等方案和劣等方案間歐氏權(quán)距離的概念,得到第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中第j個(gè)待選方案的優(yōu)屬度為:
(10)
式中:ω(i)k表示第i個(gè)評(píng)價(jià)塊中第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
通過將從屬于發(fā)展、協(xié)調(diào)和公平3個(gè)評(píng)價(jià)塊的優(yōu)屬度加權(quán)求和則得到每個(gè)水資源配置方案的綜合優(yōu)屬度,即水資源可持續(xù)發(fā)展程度。
(11)
式中:ω(i)表示第i個(gè)評(píng)價(jià)塊的權(quán)重;μj表示第j個(gè)待選方案的水資源可持續(xù)發(fā)展程度。
水資源可持續(xù)承載力是一個(gè)動(dòng)態(tài)性概念,隨技術(shù)和管理水平的發(fā)展而變化,相同的水資源量在不同時(shí)空尺度上具有不同的承載能力。本文探究的水資源可持續(xù)承載力基于水權(quán)管理和可持續(xù)發(fā)展程度較高的水資源配置方案上,承載能力的量化指標(biāo)可以描述為:
Cw(t)={C1,C2,C3}
(12)
式中:Cw(t)表示水資源承載力量化指標(biāo)的集合;C1、C2、C3分別表示人口總數(shù)、工業(yè)增加值和農(nóng)業(yè)灌溉面積對(duì)水資源的承載力的指標(biāo)。
根據(jù)本文對(duì)水資源可持續(xù)承載力的界定,提出水資源可持續(xù)承載力量化指標(biāo)的計(jì)算模型如下:
(13)
式中:Wj,i表示水資源配置方案j下用水行業(yè)i的水權(quán)水量;qj,i表示水資源配置方案j下用水行業(yè)i的用水定額,反映特定水資源開發(fā)利用模式下的用水效率。
利用以上模型測算石羊河流域下游民勤縣不同水平年的水資源可持續(xù)承載力。石羊河流域水資源匱乏,生態(tài)問題十分敏感,農(nóng)業(yè)用水比例大且耗水量高,水資源利用效率和效益整體較低??紤]到以上問題,重點(diǎn)從生態(tài)治理,高效節(jié)水,經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和提高用水效率和效益等方面設(shè)置水資源開發(fā)利用情景預(yù)案。Ⅰ: 調(diào)整農(nóng)業(yè)內(nèi)部種植結(jié)構(gòu),推廣節(jié)水技術(shù),低GDP增長;Ⅱ: 實(shí)行水資源產(chǎn)權(quán)化管理與水權(quán)交易等措施調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),壓田節(jié)水,高GDP增長;Ⅲ:調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),壓田節(jié)水,較高GDP增長,強(qiáng)化生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展;Ⅳ:開源節(jié)流,控制人口增長,強(qiáng)化生態(tài)建設(shè)。采用WR-3E模型求解上述預(yù)案則得到若干個(gè)水資源配置方案集,通過WR-3E子模型求解各預(yù)案在不同水平年的水資源優(yōu)化配置結(jié)果見表1。利用2020年的水資源配置結(jié)果,采用系統(tǒng)層次分析模糊優(yōu)選理論篩選可持續(xù)發(fā)展程度最高的預(yù)案。選取上文所述I1,I2,…,I12共12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建民勤縣水資源配置預(yù)案評(píng)價(jià)指標(biāo)特征矩陣見表2。
表1 民勤縣各預(yù)案不同水平年的水資源配置結(jié)果
注:配水總量為紅崖山水庫出庫水量與井口可供水量。
表2 民勤縣2020年水資源配置預(yù)案評(píng)價(jià)指標(biāo)特征矩陣
按照?qǐng)D2所示的層次分析結(jié)構(gòu)劃分發(fā)展、協(xié)調(diào)、公平3個(gè)評(píng)價(jià)塊,采用satty指標(biāo)法確定各評(píng)價(jià)塊的權(quán)重為ω(i)=(0.540,0.163,0.297);各評(píng)價(jià)塊的指標(biāo)權(quán)重分別是ω(1)k=(0.066,0.096,0.347,0.152,0.164,0.175);ω(2)k=(0.094,0.330,0.205,0.371);ω(3)k=(0.667,0.333)。通過方案優(yōu)選子模型得到各水資源配置預(yù)案的優(yōu)屬度計(jì)算結(jié)果見圖3。其中將綜合優(yōu)屬度作為水資源可持續(xù)發(fā)展程度的量化指標(biāo),即各預(yù)案的可持續(xù)發(fā)展程度為μj=(0.097,0.673,0.634,0.380)。故以最優(yōu)預(yù)案Ⅱ和次優(yōu)預(yù)案Ⅲ的水資源配置結(jié)果分別計(jì)算區(qū)域不同水平年的水資源可持續(xù)承載力指標(biāo)。
圖3 2020年各預(yù)案的優(yōu)屬度計(jì)算結(jié)果
根據(jù)本文提出的水資源可持續(xù)承載力計(jì)算子模型分別求解最優(yōu)預(yù)案Ⅱ和次優(yōu)預(yù)案Ⅲ下民勤縣水資源可承載人口、工業(yè)增加值和農(nóng)業(yè)灌溉面積的指標(biāo)見表3。選取2020年的計(jì)算結(jié)果,通過與文獻(xiàn)[23,24]的研究成果對(duì)比,最優(yōu)預(yù)案Ⅱ所得到的人口承載力指標(biāo)增加2.02%,工業(yè)增加值指標(biāo)增加10.94%,農(nóng)業(yè)灌溉面積減少10.12%;次優(yōu)預(yù)案Ⅲ所得到的人口承載力指標(biāo)增加1.16%,工業(yè)增加值指標(biāo)增加4.30%,農(nóng)業(yè)灌溉面積減少7.68%。研究的計(jì)算結(jié)果提高了人口與工業(yè)增加值的承載容量,這與石羊河流域調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),壓田節(jié)水,促進(jìn)水權(quán)從農(nóng)業(yè)向工業(yè)流轉(zhuǎn)等一系列水資源管理制度相適應(yīng),證明本文所建立的水資源可持續(xù)承載力測算模型具有較強(qiáng)的可靠性和操作性。
表3 預(yù)案Ⅱ和預(yù)案Ⅲ的民勤縣水資源可持續(xù)承載力指標(biāo)
(1)以水資源開發(fā)利用“3E”目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn),基于水權(quán)管理的水資源優(yōu)化配置模型、方案優(yōu)選模型和水資源可持續(xù)承載力測評(píng)模型組成的集成模型能夠較全面的刻畫水資源開發(fā)利用的高效性、公平性、協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性,在一定程度上克服了以往對(duì)水資源承載能力評(píng)價(jià)的局限性,這是本文價(jià)值所在。
(2)石羊河流域水資源匱乏,農(nóng)業(yè)用水比例大,耗水量高,要實(shí)現(xiàn)稀缺水資源的高效利用,有必要以水權(quán)交易制度 “倒逼”農(nóng)業(yè)用水由“粗放”到“精細(xì)”轉(zhuǎn)變,使農(nóng)業(yè)耕地面積與農(nóng)業(yè)水權(quán)相適應(yīng),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化與規(guī)?;?,從而調(diào)整水資源在各產(chǎn)業(yè)間的分配比例,提高用水效率和效益,防治生態(tài)用水被剝奪。因此,預(yù)案Ⅱ具有一定的合理性。
(3)模型應(yīng)用實(shí)例成果與已有成果進(jìn)行對(duì)比,最優(yōu)預(yù)案Ⅱ所得到的人口承載力指標(biāo)增加2.02%,工業(yè)增加值指標(biāo)增加10.94%,農(nóng)業(yè)灌溉面積減少10.12%,水資源承載能力得到了極大改善。驗(yàn)證了本文對(duì)水資源可持續(xù)承載力界定的合理性及其計(jì)算模型的實(shí)用性。
(4)水資源匱乏的民勤地區(qū),在開源有限的條件下,通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),壓田節(jié)水,強(qiáng)化生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展,實(shí)現(xiàn)水資源產(chǎn)權(quán)化管理與水權(quán)交易等措施是進(jìn)一步提高水資源可持續(xù)承載力的主要途徑。
本文通過總結(jié)眾人的研究成果建立了水資源可持續(xù)承載力測評(píng)模型,該模型考慮了社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的對(duì)立統(tǒng)一性,在一定程度上克服了以往對(duì)水資源承載能力評(píng)價(jià)的局限性,但是對(duì)于生態(tài)承載力及生態(tài)足跡的描述有所不足,需要進(jìn)一步討論。其次,評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)發(fā)展程度的指標(biāo)體系需要進(jìn)一步補(bǔ)充完善。研究基于最嚴(yán)格水資源管理制度和水權(quán)制度,通過水資源的可持續(xù)承載力研究,制定科學(xué)合理的水資源開發(fā)利用方案,將對(duì)西北內(nèi)陸干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模的規(guī)劃及水資源的科學(xué)管理提供參考和指導(dǎo)價(jià)值。
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