CN106517530B - 一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构，所述河道系统结构包括沿河道水流方向自前向后依次设置在河床基底上的生态过滤堰坝单元、砾石石笼生态挡墙单元及河底生物栖息地单元，所述生态过滤堰坝单元包括拦截河道设置的坝体、填充在所述坝体内部的生态过滤层、设置在所述坝体上部的进水口、至少两个设置在所述坝体后下部的出水口，所述河底生物栖息地单元包括自下而上依次铺设的砾石‑建筑垃圾基底层、卵石‑改性底泥层以及种植土层，所述种植土层中种植有沉水植物。本发明的河道系统结构可有效去除河流来水中的颗粒物、大分子有机物、COD、BOD和N、P等污染物，并可恢复清淤河段的河流生态系统。

Description

一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构
技术领域
本发明涉及一种河道系统结构，特别是涉及一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构，尤其适合于城市中小河流河道拦截清淤后的河流净水和生态系统的重建。
背景技术
目前，城市河流面临的生态问题主要是河道水污染严重、生态系统退化，只靠河道本身自净能力不足以保持水质和恢复生态。城市河道生态治理的目的在于保证河流河水通过能力的前提下，净化河流环境，恢复河流生态系统。目前河流生态治理的主流理念是将生态修复工程和市政工程相结合，并集成多种治理措施，对河道开展综合治理。其中，针对河流水体净化的治理工程，大多采取河道清淤和河流换水等市政工程手段，在短期内具有一定的净水效果。
但是，这些工程手段不能从根本上恢复河道的自净能力，在清淤和净化工程完毕后，河道仍将接受含有污染物的水体，城市河道污染问题难以被根治。而针对河流生态修复工程，大多采取生态护岸、护坡的构建与治理。但是生态护岸、护坡的主要功能是截留和净化城市面源污染，无法在河道内形成连续的生态廊道，对河道内河流本身的污染物净化效果较差。另外，截留清淤等工程手段又会干扰河道原生生态系统，对河道生态造成严重破坏。工程结束后短期内无法重建良好的河流生态系统，导致河道自净能力进一步下降。
虽然很多河流已经采取市政工程对河流进行截污处理，但是河道来水中仍含有一定浓度的污染物，对河道生物造成不良影响，河道治理后生态系统的恢复仍存在困难。针对自净能力较差的城市中小河流，有必要采取更加适宜的治理方法。
发明内容
本发明的目的是针对上游来水水质较差的城市中小河流河水净化和河道生态恢复问题，提出一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构，所述河道系统结构包括沿河道水流方向自前向后依次设置在河床基底上的生态过滤堰坝单元、砾石石笼生态挡墙单元及河底生物栖息地单元，所述生态过滤堰坝单元包括拦截河道设置的坝体、填充在所述坝体内部的生态过滤层、设置在所述坝体上部的进水口、至少两个设置在所述坝体后下部的出水口，所述砾石石笼生态挡墙单元包括至少一排拦截河道设置的上窄下宽的石笼框架以及填充在所述石笼框架内部的第一砾石层，所述河底生物栖息地单元包括自下而上依次铺设的砾石-建筑垃圾基底层、卵石-改性底泥层以及种植土层，所述种植土层中种植有沉水植物。
优选地，所述生态过滤层包括自上而下依次设置的光触媒纳米材料层、毛石层、第二砾石层、火山岩层、卵石基底层。
优选地，所述光触媒纳米材料层与毛石层之间设有第一隔板，所述毛石层与第二砾石层之间设有第二隔板，所述第二砾石层与火山岩层之间设有第三隔板，所述火山岩层与卵石基底层之间设有第四隔板，所述第一隔板的后部、第二隔板的前部、第三隔板的后部、第四隔板的前部均设有开口。
优选地，所述进水口内设有截面为直角梯形的石笼，所述光触媒纳米材料层填充在所述石笼的内部。
优选地，所述坝体底部嵌入河床基底内10cm，所述坝体高于所述河床基底150cm；所述坝体底部的宽度为250cm，所述坝体顶部的宽度为50cm。
优选地，所述进水口设置在所述坝体的顶部和前侧顶部，所述出水口间隔设置在所述卵石基底层的后部；所述进水口、出水口均覆盖有钢筋网。
优选地，所述光触媒纳米材料层由含有纳米二氧化钛的复合纤维填充而成；所述毛石层由粒径为10～15cm的毛石铺设而成；所述第二砾石层由粒径为5～10cm的砾石铺设而成；所述火山岩层由粒径为5～10cm的火山岩铺设而成；所述卵石基底层由粒径为10～15cm的卵石铺设而成。
优选地，所述石笼框架的外形为横向设置的等边三棱柱形；所述砾石石笼生态挡墙单元包括前排边长为100cm的等边三棱柱形石笼框架与后排边长为75cm的等边三棱柱形石笼框架。
优选地，所述砾石-建筑垃圾由砾石、建筑垃圾以7:3的体积比混合铺设而成，厚度为15cm；所述卵石-改性底泥层由粒径为3～5cm卵石、改性的河道清淤底泥以2:8的体积比混合铺设而成，厚度为15cm；所述种植土层由种植土铺设而成，厚度为5cm。
优选地，所述改性的河道清淤底泥由河道清淤底泥在初步脱水后与粉煤灰以8:2的体积比混合而成。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的河道系统结构由生态过滤堰坝单元、砾石石笼生态挡墙单元及河底生物栖息地单元共同构成。其三者具有密切的联系，河底生物栖息地单元是河流生态系统恢复的基础，是恢复河流自净能力、维护河水水质的重要保证。生态过滤堰坝单元对河水的净化是保证水生生物良好生长的重要前提，良好的水质是生物栖息地的有效运行的必要条件。砾石石笼生态挡墙单元则是为了保护人工构建的河底生物栖息地单元不会受到河水过度冲刷，同时，经过充分充氧的河水也可使水生生物更好的生长。具体效果如下：
生态过滤堰坝单元作用于城市中小河流河道内，可以对河流上游来水进行进一步的过滤与净化，使经过生态过滤堰坝单元的河水水质有较为明显的提升，防止河流补水水源对治理河道的再次污染。同时良好的水质更有利于河道水生生物的生长与繁殖，可更好地恢复水生生态系统。
砾石石笼生态挡墙单元可有效减缓经过生态过滤堰坝单元的河水流速并形成自然充氧。河水流速减缓可以避免河水冲刷河底生物栖息地单元的基底，保证水生生物栖息地安全稳定存在。
河底生物栖息地单元可以重建遭拦截清淤破坏的河流沉水植被，提供水生生物栖息地，为恢复河流整体生态稳定奠定基础。同时，生物多样性良好的沉水植物湿地也可进一步去除河水的污染物质，提高河流自净能力。
本发明的河道系统结构可有效去除河流来水中的颗粒物、大分子有机物、COD、BOD和N、P等污染物，并可恢复清淤河段的河流生态系统，结构清晰、效果明显、易于推广。本发明设置在清淤河段上游处，亦可用于湖泊、湿地出水口处，可在河道源头有效地去除污染物、恢复河道生态系统，最大程度地减少污染物对治理后的河道产生二次污染，极大地降低河道清淤治理过程对河道生态的破坏作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为河道系统结构示意图；
图2为生态过滤堰坝单元俯视示意图；
图3为石笼框架示意图；
图4为河底生物栖息地单元截面示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。需要说明的是，本发明中所述的“前”、“后”均是以河道水流方向为基准，“前”是指河道水流的上游方向，“后”是指河道水流的下游方向。
本发明提供了一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构，其主要由生态过滤堰坝单元、砾石石笼生态挡墙单元及河底生物栖息地单元共同构成。通过构建生态过滤堰坝单元在河道中对河流来水进行净化，使治理河道内河流水质有利于水生生物的生长，并在此基础上构建水生生物栖息地单元，为河道治理后的水生态恢复奠定基础，形成城市中小河流河道内水体净化和生态恢复系统结构。如图1～图4所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。
具体地，所述河道系统结构包括沿河道水流方向自前向后依次设置在河床基底17上的生态过滤堰坝单元1、砾石石笼生态挡墙单元2及河底生物栖息地单元3，所述生态过滤堰坝单元1包括拦截河道设置的坝体4、填充在所述坝体4内部的生态过滤层、设置在所述坝体4上部的进水口7、至少两个设置在所述坝体4后下部的出水口16，所述砾石石笼生态挡墙单元2包括至少一排拦截河道设置的上窄下宽的石笼框架18以及填充在所述石笼框架18内部的第一砾石层19，所述河底生物栖息地单元3包括自下而上依次铺设的砾石-建筑垃圾基底层20、卵石-改性底泥层21以及种植土层22，所述种植土层22中种植有沉水植物。
其中，所述生态过滤堰坝单元1可以对河流补水中的污染物进行净化处理，由生态过滤堰坝单元1流出的河水需要减速和充氧才能较好的保护河底生物栖息地单元3，保证水生生物的良好生长。因此在生态堰坝后侧设立砾石石笼生态挡墙单元2，可以减缓经过堰坝过滤后的水流流速、制造漩涡和跌水对河水进行充氧。河底生物栖息地单元3内种植沉水植物，为水生生物提供栖息地。经过砾石石笼生态挡墙单元2流入生物栖息地的河水，以较缓的流速和较多的溶解氧供沉水植物生长，并为其他水生生物提供庇护场所，恢复因河道清淤被破坏的河流生态系统。
如图1所示，所述生态过滤堰坝单元1可于截流清淤后的河道内修筑。优选地，所述坝体4底部嵌入河床基底17内10cm，所述坝体4高于所述河床基底17在150cm；所述坝体4底部的宽度为250cm，所述坝体4顶部的宽度为50cm，整体截面为梯形结构。所述进水口7设置在所述坝体4的顶部和前侧顶部，所述出水口16间隔设置在所述卵石基底层15的后部。
如图2所示，所述出水口16每隔50cm设置一个，其规格为高度为40cm、宽度为50cm，使得出水更为均匀。所述进水口7在坝体4前侧顶部护坡处高度为30cm，位于坝体4顶部的宽度为50cm，以孔径约为5cm的钢筋网覆盖其上，所述出水口16上则可覆盖孔距为2～5cm的细钢筋网。优选地，所述进水口7内设有截面为直角梯形的石笼5，直角梯形的石笼5高度为30cm、上底宽度为50cm，下底宽度为70cm，所述光触媒纳米材料层6填充在所述石笼5的内部。
优选地，所述生态过滤层包括自上而下依次设置的光触媒纳米材料层6、毛石层9、第二砾石层11、火山岩层13、卵石基底层15。其中，所述光触媒纳米材料层6由含有纳米二氧化钛的复合纤维填充而成，复合纤维由纳米二氧化钛利用静电丝纺法络合PVP制备而成，光触媒纳米材料层6后侧与坝体4之间的空隙由少量毛石填充。所述毛石层9由粒径为10～15cm的毛石铺设而成，厚约30cm。所述第二砾石层11由粒径为5～10cm的砾石铺设而成，厚约为30cm。所述火山岩层13由粒径为5～10cm的火山岩铺设而成，厚约为30cm。所述卵石基底层15由粒径为10～15cm的卵石铺设而成，厚约为40cm。
如图1所示，所述生态过滤层相邻的两层之间均设有隔板，厚度为3～5cm。所述隔板的材质为防渗混凝土，所述隔板一端设有开口，所述开口的宽度为20cm，长度与生态过滤层的长度相等。河道水流从进水口7流入，由于隔板一端设有开口并采用交替设置的方式，河道水流依次蛇形流经光触媒纳米材料层6、毛石层9、第二砾石层11、火山岩层13、卵石基底层15，并从出水口16流出。所述坝体4除进水口7和出水口16外，均以防渗混凝土覆盖，防止渗漏。
具体地，所述光触媒纳米材料层6与毛石层9之间设有第一隔板8，所述毛石层9与第二砾石层11之间设有第二隔板10，所述第二砾石层11与火山岩层13之间设有第三隔板12，所述火山岩层13与卵石基底层15之间设有第四隔板14。所述第一隔板8的后部、第二隔板10的前部、第三隔板12的后部、第四隔板14的前部均设有开口，使得河道水流能够依次蛇形流经各层。
在所述生态过滤堰坝单元1中，光触媒纳米材料层6中的纳米二氧化钛光催化剂在自然光照中的近紫外光激发下，能激活水分子产生高氧化能力的羟基自由基，将河水中的大分子有机污染物降解成小分子的无机氮和矿化物。毛石层9可对河水中的污染物质进行初步过滤和吸附。隔板的设置可保证水流完全经过毛石层9过滤进入第二砾石层11。砾石粒径小于毛石，表面粗糙，可进一步过滤河水中的污染物质并在砾石间形成好氧生物膜，硝化去除水中的NH4 +-N等营养盐，消耗水中溶解氧。而火山岩层13由于火山岩多空隙的特点，可形成较大面积的厌氧生物膜，通过反硝化作用去除河水中的NO3 --N。同时多空隙的火山岩也可以通过过滤和吸附去除磷营养盐；底层的卵石基底层15可以保护坝体4的基底，防止河水过渡冲刷对生态过滤堰坝产生危害。
生态过滤堰坝单元作用于城市中小河流河道内，可以对河流上游来水进行进一步的过滤与净化，使经过生态过滤堰坝单元的河水水质有较为明显的提升，防止河流补水水源对治理河道的再次污染。同时良好的水质更有利于河道水生生物的生长与繁殖，可更好地恢复水生生态系统。
进一步，所述砾石石笼生态挡墙单元2包括至少一排拦截河道设置的上窄下宽的石笼框架18以及填充在所述石笼框架18内部的第一砾石层19。所述砾石石笼生态挡墙单元2在生态过滤堰坝单元1下游50～75cm处构建，其目的是为了减缓水流流速并制造阶梯跌水充氧。为保证挡墙的稳定性，石笼框架18应为上窄下宽的梯形或三角形。如图3所示，优选地，所述石笼框架18的外形为横向设置的等边三棱柱形。
砾石石笼生态挡墙单元2与生态过滤堰坝单元1之间的河床基底17上覆盖粒径为10～15cm的卵石，厚约40cm。石笼框架18可铺设多排，并根据治理河道河床特点适当增加或减少。优选地，砾石石笼生态挡墙单元2可由两排侧面为等边三角形的石笼框架18铺设而成。具体地，所述砾石石笼生态挡墙单元2包括前排边长为100cm的等边三棱柱形石笼框架18与后排边长为75cm的等边三棱柱形石笼框架18，如有更多级石笼框架18，其边长规格可逐步减小。石笼框架18的空隙为3cm，填充粒径3～5cm的砾石层19，优选为5cm，石笼框架18的底部均嵌入河床基底17的内部10cm。
在河水由出水口16排出后，因堰坝两侧水位差和重力作用，会形成较高流速的水流，砾石石笼生态挡墙单元2可以阻挡流速过快的水流，制造漩涡紊流区。当水位较高时，水流越过各级石笼框架18，可以形成跌水，以进一步对河水充氧，使进入到生态栖息地的河水拥有较慢的流速和较丰富的溶解氧。砾石石笼生态挡墙单元可有效减缓经过生态过滤堰坝单元的河水流速并形成自然充氧。河水流速减缓可以避免河水冲刷河底生物栖息地单元的基底，保证水生生物栖息地单元安全稳定存在。
进一步，所述河底生物栖息地单元3在砾石石笼生态挡墙单元2后构建，长度为河床宽度的5～10倍。如图4所示，所述河底生物栖息地单元3包括自下而上依次铺设的砾石-建筑垃圾基底层20、卵石-改性底泥层21以及种植土层22，所述种植土层22中种植有沉水植物。
优选地，所述砾石-建筑垃圾基底层20由砾石、建筑垃圾以7:3的体积比混合铺设而成，厚度为15cm。所述卵石-改性底泥层21由粒径为3～5cm卵石、改性的河道清淤底泥以2:8的体积比混合铺设而成，厚度为15cm。所述种植土层22由种植土铺设而成，厚度为5cm，所述沉水植物可优选当地种沉水植物。
进一步，所述改性的河道清淤底泥为在河道清淤工程中挖出的底泥改性而成，改性材料优选为粉煤灰。优选地，所述改性的河道清淤底泥由河道清淤底泥在初步脱水后与粉煤灰以8:2的体积比混合而成。粉煤灰中含有的CaO、Al2O3等活性物质可以耦合去除河道底泥中的含重金属离子，同时还可有效改善底泥的物理结构，使底泥层成为可为水生植物提供养分的营养基质。根据河道特征的差异，若河道清淤底泥中的重金属污染物较多，则还可在改性材料中加入活性炭、沸石等强吸附能力的材料。
砾石-建筑垃圾基底层20为隔离保护层，可以隔离和延缓河床基底17中的污染物扩散对河流造成二次污染。卵石-改性底泥层21可以进一步改善底泥结构，卵石表面形成生物膜，可以对底泥中的污染物进行降解。种植土层22可为沉水植物生长提供基质；种植土覆盖于卵石-改性底泥层21之上，也可以起到阻止改性底泥中污染物扩散到水体中。此外底泥中还有大量河道原生植物种子，种子萌发成长后可以增强生物栖息地生物多样性。
河底生物栖息地单元可以重建遭拦截清淤破坏的河流沉水植被，提供水生生物栖息地，为恢复河流整体生态稳定奠定基础。同时，生物多样性良好的沉水植物湿地也可进一步去除河水的污染物质，提高河流自净能力。
本发明的河道系统结构由生态过滤堰坝单元、砾石石笼生态挡墙单元及河底生物栖息地单元共同构成。其三者具有密切的联系，河底生物栖息地单元是河流生态系统恢复的基础，是恢复河流自净能力、维护河水水质的重要保证。生态过滤堰坝单元对河水的净化是保证水生生物良好生长的重要前提，良好的水质是生物栖息地的有效运行的必要条件。砾石石笼生态挡墙单元则是为了保护人工构建的河底生物栖息地单元不会受到河水过度冲刷，同时，经过充分充氧的河水也可使水生生物更好的生长。
本发明的用于水体净化与生态恢复的河道系统结构可通过如下步骤进行构建与使用：
A、在经过拦截清淤的河流的河道的上、下游构建橡胶坝，并对河床基底17下挖，形成基础作业面。
B、在所述基础作业面上构建生态过滤堰坝单元1，将河道河岸浇筑为一体，其中，在所述坝体4内部填充生态过滤层，并在所述坝体4上部设置进水口7、在坝体4后下部设置至少两个出水口16。
C、在生态过滤堰坝单元1下游50～75cm处构建砾石石笼生态挡墙单元2，其中，依据河宽铺设至少一排拦截河道设置的上窄下宽的石笼框架18，石笼框架18之间通过钢丝缠绕固定，所述石笼框架18内部填充有第一砾石层19。
D、在砾石石笼生态挡墙单元2后平整的河床基底17上构建河底生物栖息地单元3，其中，在河床基底17上自下而上依次铺设砾石-建筑垃圾基底层20、卵石-改性底泥层21以及种植土层22，并在所述种植土层22中种植沉水植物。
E、利用上游橡胶坝调节生态过滤堰坝单元1上游河水水位，使水流缓速流入生态过滤堰坝单元1，并依次流经砾石石笼生态挡墙单元2及河底生物栖息地单元3。
F、在河流平水期和枯水期，利用橡胶坝调节生态过滤堰坝单元1所处河段河水水位；在河流汛期，河水从生态过滤堰坝单元1上侧通过，并保持生态过滤堰坝单元1所处河段的河水水位处于安全水位以下。
本发明的河道系统结构可有效去除河流来水中的颗粒物、大分子有机物、COD、BOD和N、P等污染物，并可恢复清淤河段的河流生态系统，结构清晰、效果明显、易于推广。本发明设置在清淤河段上游处，亦可用于湖泊、湿地出水口处，可在河道源头有效地去除污染物、恢复河道生态系统，最大程度地减少污染物对治理后的河道产生二次污染，极大地降低河道清淤治理过程对河道生态的破坏作用。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种用于水体净化与生态恢复的河道系统结构，其特征在于：所述河道系统结构包括沿河道水流方向自前向后依次设置在河床基底（17）上的生态过滤堰坝单元（1）、砾石石笼生态挡墙单元（2）及河底生物栖息地单元（3），所述生态过滤堰坝单元（1）包括拦截河道设置的坝体（4）、填充在所述坝体（4）内部的生态过滤层、设置在所述坝体（4）上部的进水口（7）、至少两个设置在所述坝体（4）后下部的出水口（16），所述砾石石笼生态挡墙单元（2）包括至少一排拦截河道设置的上窄下宽的石笼框架（18）以及填充在所述石笼框架（18）内部的第一砾石层（19），所述河底生物栖息地单元（3）包括自下而上依次铺设的砾石-建筑垃圾基底层（20）、卵石-改性底泥层（21）以及种植土层（22），所述种植土层（22）中种植有沉水植物；所述生态过滤层包括自上而下依次设置的光触媒纳米材料层（6）、毛石层（9）、第二砾石层（11）、火山岩层（13）、卵石基底层（15），所述光触媒纳米材料层（6）与毛石层（9）之间设有第一隔板（8），所述毛石层（9）与第二砾石层（11）之间设有第二隔板（10），所述第二砾石层（11）与火山岩层（13）之间设有第三隔板（12），所述火山岩层（13）与卵石基底层（15）之间设有第四隔板（14），所述第一隔板（8）的后部、第二隔板（10）的前部、第三隔板（12）的后部、第四隔板（14）的前部均设有开口，使得河道水流依次蛇形流经各层。
2.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述进水口（7）内设有截面为直角梯形的石笼（5），所述光触媒纳米材料层（6）填充在所述石笼（5）的内部。
3.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述坝体（4）底部嵌入河床基底（17）内10cm，所述坝体（4）高于所述河床基底（17）150cm；所述坝体（4）底部的宽度为250cm，所述坝体（4）顶部的宽度为50cm。
4.根据权利要求2所述的河道系统结构，其特征在于：所述进水口（7）设置在所述坝体（4）的顶部和前侧顶部，所述出水口（16）间隔设置在所述卵石基底层（15）的后部；所述进水口（7）、出水口（16）均覆盖有钢筋网。
5.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述光触媒纳米材料层（6）由含有纳米二氧化钛的复合纤维填充而成；所述毛石层（9）由粒径为10~15cm的毛石铺设而成；所述第二砾石层（11）由粒径为5~10cm的砾石铺设而成；所述火山岩层（13）由粒径为5~10cm的火山岩铺设而成；所述卵石基底层（15）由粒径为10~15cm的卵石铺设而成。
6.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述石笼框架（18）的外形为横向设置的等边三棱柱形；所述砾石石笼生态挡墙单元（2）包括前排边长为100cm的等边三棱柱形石笼框架（18）与后排边长为75cm的等边三棱柱形石笼框架（18）。
7.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述砾石-建筑垃圾基底层（20）由砾石、建筑垃圾以7:3的体积比混合铺设而成，厚度为15cm；所述卵石-改性底泥层（21）由粒径为3~5cm卵石、改性的河道清淤底泥以2:8的体积比混合铺设而成，厚度为15cm；所述种植土层（22）由种植土铺设而成，厚度为5cm。
8.根据权利要求1所述的河道系统结构，其特征在于：所述改性的河道清淤底泥由河道清淤底泥在初步脱水后与粉煤灰以8:2的体积比混合而成。
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