侯偉男,劉來勝,李志萍,李 琪
(1.華北水利水電大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,鄭州 450046;2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)
水源地保護(hù)區(qū)是指國家為防止水源地(多為飲用水)污染、保護(hù)水源地環(huán)境質(zhì)量而劃定并要求加以特殊保護(hù)的一定面積的水域或陸域,它分為地表和地下水飲用水水源地保護(hù)區(qū)[1]。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人口數(shù)量和人類生活水平日益增高,使得地下水的開發(fā)利用逐漸增加,水資源開發(fā)利用過程中造成的水質(zhì)污染的現(xiàn)象較為普遍,甚至有些地區(qū)出現(xiàn)了地下水降落漏斗的現(xiàn)象。因此,為了防止地下水源地的污染,進(jìn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分是今后一個(gè)時(shí)期的重要措施,也是影響人類長(zhǎng)期生存和發(fā)展的重要因素[2,3]。
發(fā)達(dá)國家對(duì)水源地建設(shè)保護(hù)區(qū)方面走在了世界前列,早在18世紀(jì)末期,德國就建立了世界上第一個(gè)水源地保護(hù)區(qū)[4],19世紀(jì)中葉,西德聯(lián)邦頒布《水法》,經(jīng)過長(zhǎng)期的探索與改進(jìn),目前被認(rèn)為最全面的地下水水源保護(hù)區(qū)條例是1994年頒布的《地下水水源保護(hù)區(qū)條例(第4版)》。德國將水源地保護(hù)區(qū)劃分為3個(gè)分區(qū),實(shí)施分級(jí)保護(hù)。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,德國已經(jīng)建立了大約兩萬個(gè)飲用水水源地保護(hù)區(qū)[5]。英國在1902年對(duì)取水口附近大約1500碼內(nèi)范圍進(jìn)行水源地保護(hù)區(qū)的建設(shè)[6]。盡管美國的水源地保護(hù)區(qū)劃分開始的時(shí)間比較晚,但是發(fā)展的速度很快,先后制定并修改完善了《安全飲用水法》[7],為了保護(hù)地下水免受一些人為因素的影響而污染,美國在各州開展了井源保護(hù)區(qū)的劃定和污染物運(yùn)移規(guī)律等研究[8]。
相比于發(fā)達(dá)國家,我國地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分起步相對(duì)較晚,20世紀(jì)80年代初,我國頒布了《中華人民共和國水污染防治法》,但法規(guī)并未強(qiáng)調(diào)劃分地下水水源地保護(hù)區(qū),只是針對(duì)地表水水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行相關(guān)說明。2002年10月1日實(shí)行的《中華人民共和國水法》中提出了建立飲用水源保護(hù)區(qū)制度的明確規(guī)定。2007年1月9日原國家環(huán)??偩诸C布了我國第一部飲用水水源地的規(guī)范,《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》給出了對(duì)于不同規(guī)模和類型的地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分原則和方法。2018年3月對(duì)規(guī)范進(jìn)行第一次修正,明確了飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分的基本方法和定義保護(hù)區(qū)邊界的技術(shù)要求[8]。
雖然技術(shù)規(guī)范指出地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分應(yīng)根據(jù)水源地所處的地理位置、開采方式、供水水量、井源類型、水文地質(zhì)條件和污染來源分布等特征,確定劃分保護(hù)區(qū)的原則并選擇最適宜的劃分方法[9,10]。但是,在實(shí)際的保護(hù)區(qū)劃分中,由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜性,導(dǎo)致地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分存在不確定性[11,12]。通過對(duì)現(xiàn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分的主要技術(shù)方法進(jìn)行梳理分析,針對(duì)不同的技術(shù)方法的局限性提出了改進(jìn)建議,為今后地下水源地保護(hù)區(qū)劃分方法研究提供借鑒。
目前,世界上絕大多數(shù)國家都參考德國的水源地保護(hù)區(qū)劃分方法,制定了相應(yīng)的水源地保護(hù)區(qū)劃分方法和標(biāo)準(zhǔn),如加拿大、瑞典、荷蘭、法國等。雖然每個(gè)國家的方法有所不同,但都是基于三分法的原理進(jìn)行保護(hù)區(qū)的劃分,即以取水口為中心,按照保護(hù)程度逐級(jí)劃分一、二、三級(jí)保護(hù)區(qū)[13]。各國保護(hù)區(qū)劃分范圍見表1。
表1 世界部分國家地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分范圍[13]
由于我國對(duì)地下水源地保護(hù)區(qū)劃分研究起步較晚,早期許多城市在劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)的方法也各不相同,大多時(shí)候依靠各自的經(jīng)驗(yàn)規(guī)定固定的半徑或者固定的邊界作為水源地保護(hù)區(qū)的范圍,亦或者借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行水源地保護(hù)區(qū)劃分,因此,不同地方所劃定的保護(hù)區(qū)范圍差距很大[14]。早期各城市保護(hù)區(qū)劃分范圍見表2。
表2 早期國內(nèi)部分城市水源地保護(hù)區(qū)劃分范圍
隨著研究的不斷深入,目前國內(nèi)外地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分方法常用經(jīng)驗(yàn)值法、公式計(jì)算法、解析模型法、數(shù)值模擬法。
經(jīng)驗(yàn)值法就是將水源井水質(zhì)作為保護(hù)對(duì)象,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定保護(hù)區(qū)半徑,并根據(jù)保護(hù)區(qū)水質(zhì)狀況對(duì)劃分的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷[15]。
經(jīng)驗(yàn)值法的代表是著名的“50日流程等值線”理論[16]。德國研究學(xué)者Knorr通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),地下飲用水中的病菌病原體最長(zhǎng)存活時(shí)間不超過50 d,因此提出了“50日流程等值線”這個(gè)概念,一些發(fā)達(dá)國家在制定地下水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范時(shí)充分應(yīng)用此概念。英國衛(wèi)生部于1948年提出了水源地保護(hù)范圍的經(jīng)驗(yàn)值是半徑應(yīng)為3 km的圓形區(qū)域,該經(jīng)驗(yàn)值也被其他國家廣泛使用[17]。
在《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》頒布以前,國內(nèi)一些城市已經(jīng)開始采用經(jīng)驗(yàn)值法劃定地下水水源地保護(hù)區(qū)。由于經(jīng)驗(yàn)值法易受制定者主觀因素的影響,導(dǎo)致劃定的范圍與實(shí)際情況差距較大[18]。直到《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》頒布,提出了地下水水源地保護(hù)區(qū)半徑經(jīng)驗(yàn)取值范圍(見表3)。但是,此經(jīng)驗(yàn)值不具有普遍適應(yīng)性,這是由于我國國土面積較大,地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,導(dǎo)致水源地差異性較大,對(duì)于一些特殊的水源地的保護(hù)區(qū)范圍值應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[19]。
表3 孔隙水潛水型水源地保護(hù)區(qū)范圍經(jīng)驗(yàn)值
公式計(jì)算法的原理是根據(jù)不同地區(qū)地質(zhì)條件存在差異性,并融合相關(guān)的水文學(xué)知識(shí),選取合適的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出保護(hù)區(qū)半徑,該方法在經(jīng)驗(yàn)值法的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步優(yōu)化提升[20]。公式計(jì)算法可根據(jù)不同類型水源地的特點(diǎn),對(duì)水源地保護(hù)區(qū)形狀、中心和延伸方向做出適當(dāng)調(diào)整。蘇聯(lián)Е·Л·Минкин將復(fù)雜的彌散方程進(jìn)行簡(jiǎn)化得到流體動(dòng)力學(xué)方程,從而得出了用于計(jì)算水源污染的近似值公式,該公式為計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)面積范圍起到了指導(dǎo)借鑒意義[21]。高秀娟等[22]通過結(jié)合國外的方法基于地下水水動(dòng)力滲流理論推導(dǎo)得出了適用于我國的預(yù)測(cè)水源地污染的計(jì)算公式,對(duì)于我國開展利用公式計(jì)算法劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍具有很大的指導(dǎo)意義。
美國在計(jì)算無越流發(fā)生的承壓型水源地保護(hù)區(qū)半徑時(shí),通常假設(shè)保護(hù)區(qū)為圓形,并假定抽水井內(nèi)流入和抽出水量體積相同,根據(jù)抽水井中濾管的長(zhǎng)度,計(jì)算得出水源地保護(hù)區(qū)相應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的半徑,這種方法稱為CFR(Calculated Fixed Radius)[23]。其計(jì)算公式為:
(1)
整理得:
(2)
式中:rt為t時(shí)間內(nèi)的保護(hù)區(qū)半徑,m;Q為抽水速率,m3/s;t為運(yùn)移時(shí)間,s;n為含水層孔隙度;b為抽水井濾管長(zhǎng)度,m。
20世紀(jì)70年代,英國在劃定水源地保護(hù)區(qū)范圍時(shí),常常運(yùn)用簡(jiǎn)單的地下水動(dòng)力學(xué)公式來計(jì)算保護(hù)區(qū)的半徑。我國將該計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)化,應(yīng)用于中小型孔隙水潛水型水源地保護(hù)區(qū)的劃分,其計(jì)算公式為:
R=αKIT/n
(3)
式中:R為保護(hù)區(qū)半徑,m;α為安全系數(shù),一般取150%;K為含水層滲透系數(shù),m/d;I為水力梯度;T為污染物水平遷移時(shí)間,d;n為有效孔隙度。
解析模型法是指將研究區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化,包括水源井分布,含水層邊界條件,含水層類型等,在給定假設(shè)條件下得到物理模型,不考慮復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程在求解過程中的困難。解析模型法以勢(shì)函數(shù)為理論基礎(chǔ),將含水層中速度勢(shì)函數(shù)轉(zhuǎn)化為流量勢(shì)函數(shù),得出承壓與非承壓含水層共同具有相同形式的拉普拉斯方程[24]。
流量勢(shì)在x和y方向上的分量由下式給出:
(4)
流量勢(shì):
(5)
將水平含水層基底作為參考面z1=0、垂向滲透系數(shù)取平均值kz=kave,潛水含水層z2=φ,承壓含水層z2=H,流量勢(shì)為:
(6)
得到勢(shì)函數(shù)的拉普拉斯方程:
(7)
20世紀(jì)90年代初,人們開始廣泛使用解析模型法來進(jìn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分。大量學(xué)者在該方法上進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究,開發(fā)出的解析模型包括CAPZONE[25]和GWPATH[26]等模型,用來計(jì)算抽水井周圍各節(jié)點(diǎn)的降深,描繪質(zhì)點(diǎn)在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡,判斷水力傳導(dǎo)系數(shù)和有效孔隙度等參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。Baire等[27]用CAPZONE和GWPATH模型對(duì)俄亥俄州的典型研究區(qū)完整井問題進(jìn)行了處理,其計(jì)算結(jié)果較為理想。Bhatt[28]通過建立地下水流解析模型依次對(duì)一系列水文地質(zhì)參數(shù)(有效孔隙度、水力傳導(dǎo)系數(shù)等)進(jìn)行分析,并總結(jié)出各水文地質(zhì)參數(shù)取值對(duì)水源地保護(hù)區(qū)范圍的影響程度。
隨著解析模型法的發(fā)展,后期還出現(xiàn)了RESSQC[29]和DREAM[30]等半解析模型,通常聯(lián)合使用兩種模型來確定保護(hù)區(qū)范圍。Evers等[31]通過利用開發(fā)的準(zhǔn)解析模型軟件,經(jīng)過計(jì)算得出水井捕獲區(qū)內(nèi)的補(bǔ)給量的多少對(duì)保護(hù)區(qū)范圍有著重要的影響。近年來,國內(nèi)外研究利用Hankel轉(zhuǎn)換和Fourier變形對(duì)解析模型法進(jìn)行了大量的論證,但是由于種種原因,導(dǎo)致論證結(jié)果始終沒有運(yùn)用到實(shí)際水源地保護(hù)區(qū)中[32]。
數(shù)值模擬法是將整個(gè)地下流場(chǎng)分割成許許多多的均質(zhì)的小單元,根據(jù)地質(zhì)條件確定相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù),最后采用數(shù)值法得到各個(gè)單元流動(dòng)方程,從而得到一個(gè)較為合理的水文地質(zhì)概念模型,為了模擬出研究區(qū)域內(nèi)的地下水流狀態(tài)和確定各級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍[33]。目前數(shù)值模擬法是針對(duì)大型水源地進(jìn)行保護(hù)區(qū)范圍劃分的主要方法。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,原始的物理模型(電模擬模型)被計(jì)算機(jī)所建立的數(shù)值模型替代,成為開始研究地下水運(yùn)動(dòng)的主要方法。常用的軟件包括Visual MODFLOW、MODPATH、Finite Element Subsurface Flow System(FEFLOW)和GMS等[34]。Georgios總結(jié)了數(shù)值模擬法劃定水源保護(hù)區(qū)的優(yōu)點(diǎn),并通過引入數(shù)值模擬法模擬了希臘Keritis河流域的水源井附近水文地質(zhì)狀況完成了該區(qū)域的保護(hù)區(qū)劃分[35]。Gurwin通過使用MODFLOW軟件對(duì)波蘭西南部的水源地地下流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬,并通過含水層中質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)距離劃定各級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍[36]。Sandip為了建立一個(gè)可以預(yù)測(cè)不同地質(zhì)條件下,各水文地質(zhì)參數(shù)存在差異的污染物軌跡概念模型,采用GMS軟件分析了含水層中污染物砷的運(yùn)動(dòng)情況,對(duì)減少地下水含水層的污染具有一定的指導(dǎo)意義[37]。kumar采用集成的地理信息系統(tǒng)(GIS)方法并結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬軟件對(duì)印度柯達(dá)加納河進(jìn)行了一系列的模擬研究,推薦了最佳的人工補(bǔ)給結(jié)構(gòu)來適用于該流域排水類型,并應(yīng)用到實(shí)際的建設(shè)工程中,證實(shí)其研究具有可行性[38]。王澎等[39]通過數(shù)值模擬的方法,綜合運(yùn)用MODFLOW和MODPATH兩個(gè)軟件,模擬了污染物在保護(hù)區(qū)地下水流網(wǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡并預(yù)測(cè)了污染物的臨界值,對(duì)指導(dǎo)地下水源地保護(hù)區(qū)的劃分具有現(xiàn)實(shí)的意義。肖杰等[40]建立崇州市飲用水源地地下水滲流場(chǎng),并應(yīng)用MODFLOW軟件下的MODPATH模塊,采用粒子逆向示蹤技術(shù)對(duì)各個(gè)水源井內(nèi)粒子在不同時(shí)間內(nèi)運(yùn)移的距離并結(jié)合實(shí)際地界確定各級(jí)保護(hù)區(qū)范圍。李星宇等[41]基于GMS建立非穩(wěn)定流地下水?dāng)?shù)值模型,并通過質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)距離,確定了各級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍,提出了有針對(duì)性的防控措施。汪洋等[42]基于GMS軟件構(gòu)建了巖溶水源地三維非穩(wěn)定流地下水?dāng)?shù)值模型,采用質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù),劃分了地下水水源地保護(hù)區(qū)并分析水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)于水源地保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果的影響。肖傳寧等[43]通過建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型,采用局部靈敏度分析的方法,研究水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)于模型的影響程度,大大提高了模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度。李華等[44]通過建立了地下水流場(chǎng)和運(yùn)移模型,識(shí)別出了污染源分布,分析了污染物的擴(kuò)散對(duì)周邊水庫建設(shè)的影響。由于我國地下水?dāng)?shù)值模擬開展較晚,基礎(chǔ)理論和具體地質(zhì)條件的研究重視程度不夠,使得建立的數(shù)學(xué)模型存在一定誤差[45]。
目前國內(nèi)外大多采用的幾種劃分水源地保護(hù)區(qū)的方法各有利弊,具體見表4。
表4 水源地保護(hù)區(qū)劃分方法利弊
經(jīng)驗(yàn)值法簡(jiǎn)單易行且實(shí)用性強(qiáng),常用于規(guī)模較小的潛水水源地保護(hù)區(qū)的劃分,具有成本低、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求不高和時(shí)間短等諸多優(yōu)勢(shì),但是隨著技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)驗(yàn)的積累以及當(dāng)下保護(hù)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的提高,經(jīng)驗(yàn)值法已不能滿足人們對(duì)水源地保護(hù)區(qū)范圍精度的需求。
公式計(jì)算法實(shí)際上屬于經(jīng)驗(yàn)值法的范疇,從目前國內(nèi)外對(duì)地下水水源地劃分的研究現(xiàn)狀來看,公式計(jì)算法的關(guān)鍵是選取合理的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。隨著污染來源的日益復(fù)雜化,50日流程等值線已經(jīng)不適用于當(dāng)前的實(shí)際情況。此外,公式中參數(shù)的確定非常關(guān)鍵,我國還處于探索階段,目前廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)由于綜合了多地區(qū)的普遍情況,導(dǎo)致其得出的一般均值掩蓋了區(qū)域之間的差異性。公式計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行,適用于缺少資料的地區(qū)。公式計(jì)算法具有較強(qiáng)的主觀性,劃分結(jié)果不夠準(zhǔn)確,往往與實(shí)際情況大相徑庭,常常出現(xiàn)劃定的保護(hù)區(qū)范圍過大或者過小的現(xiàn)象,尤其對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的水源地不能滿足劃分需求[46]。
解析模型法相比于經(jīng)驗(yàn)值法和公式計(jì)算法,其精確度有很大的提高,目前解析模型法廣泛應(yīng)用在水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的水源地保護(hù)區(qū)劃分領(lǐng)域,尤其對(duì)中小型規(guī)模的孔隙型或微裂隙水源地的劃分效果較好,在含水層非均質(zhì)差異性不大的情況下,可以得到具有較高可信度的劃分結(jié)果。運(yùn)用解析模型法劃分水源地保護(hù)區(qū)時(shí),為了使結(jié)果可信度較高,關(guān)鍵在于模型建立過程中的合理性。解析模型法局限性也較為明顯,建立模型所需資料較多,工作量大,較為復(fù)雜,且不能解決因開采量的增加而引起范圍過大的問題。
數(shù)值模擬法適用于邊界條件和含水層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分,借助模擬軟件可以更好的描述出水文地質(zhì)條件,結(jié)果的可靠性比其他方法更高。但是,數(shù)值模擬法在我國尚處于研究和初步應(yīng)用階段,同時(shí)該方法對(duì)水文地質(zhì)等基礎(chǔ)資料要求較為嚴(yán)格,在進(jìn)行模型概化時(shí)容易出現(xiàn)誤差,對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用也需要較高的專業(yè)技術(shù)水平,因此在應(yīng)用上受到一定限制[46]。
通過對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)的主流劃分方法對(duì)比分析結(jié)果表明,當(dāng)前,應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分是當(dāng)前的主流發(fā)展方向。綜合來看,基于近年來計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)值模擬法在解決多種地下水流問題和反映污染物的遷移規(guī)律方面較為突出,因此劃分結(jié)果較為準(zhǔn)確,已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分的主要方法。盡管如此,由于在數(shù)值模型建立過程中其參數(shù)確定的不確定性,使得模型概化存在一定誤差,導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間存在差異的可能?;跀?shù)值模擬法的局限性,對(duì)今后該技術(shù)的發(fā)展提出以下幾條措施建議。
(1)在數(shù)值模擬法中引入不確定性分析,更全面地考慮水文地質(zhì)參數(shù)以增加結(jié)果的可靠性。
(2)將數(shù)值模擬法與其他方法相結(jié)合,進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如將公式計(jì)算法與數(shù)值模擬法進(jìn)行融合,先利用公式計(jì)算法計(jì)算出保護(hù)區(qū)的大概范圍,從而確保數(shù)值模擬法調(diào)整參數(shù)時(shí)能夠較好的結(jié)合實(shí)際。
(3)促進(jìn)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科交叉融合,在水文地質(zhì)參數(shù)選取時(shí)可以提高參數(shù)精度,從而使得劃分方法與劃分準(zhǔn)確性不斷提高。此外利用同位素追蹤技術(shù)、隨機(jī)模擬分析等方法也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬結(jié)果的律定。因此,考慮溶質(zhì)之間的相互作用將會(huì)是地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的重要趨勢(shì)。
(4)將地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水?dāng)?shù)值模擬軟件更多更好地在水文地質(zhì)領(lǐng)域中廣泛的聯(lián)合應(yīng)用。不同領(lǐng)域間信息技術(shù)的連接互動(dòng),將會(huì)使數(shù)據(jù)處理的能力變強(qiáng)、可視化程度提高,同時(shí)能與GIS無縫連接的功能更優(yōu)的地下水模擬軟件系統(tǒng)也將成為必然發(fā)展趨勢(shì)。
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