CN110543984B - 一种基于水安全的城市水面率规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水安全的城市水面率规划方法,包括:测量DEM地形高程数据;划定雨水管控分区;建立水力模型,识别积水区域;通过积水面积比例,定义每个雨水管控分区内涝风险等级;通过地区暴雨参数图集查算暴雨径流量;计算蓄水容积与水面率。本发明充分考虑各雨水管控分区积水区域面积、深度和内涝风险,根据城市暴雨数据和城市蓄水量,计算得出基于水安全的最大水域面积及水面率,可操作性强,结果合理,极具参考性。以模型计算、雨洪计算、水位安全计算为主要手段,作为城市水安全布局规划、规模设计的重要支撑,提高了城市水安全规划的科学性。
Description
技术领域
本发明涉及城市规划的技术领域,尤其是指一种基于水安全的城市水面率规划方法。
背景技术
城市水面率是通常指城市一定区域范围内河流(江、河、渠等)、湖泊(天然或人工湖泊)、湿地(天然或人工湿地)等承载水域功能的区域面积占区域总面积的比率。城市水面具有多种服务功能和经济价值(何俊仕,吴迪,魏国.城市适宜水面率及其影响因素分析[J].干旱区资源与环境),城市水面率是影响城市生态系统、防洪排涝系统的关键指标,对城市防灾能力、环境品质、经济发展等各方面具有重要影响。目前已有水面率判定方法主要包括:
(1)试做方案法:通过设计多个土地利用方案,在方案对比过程中兼顾、平衡土地开发与城市水域功能之间的空间关系,确定方案后量算城市水面率数值。该方法在城市水面率判定的实践中较多采用,其判定结果存在较大的主观性,受方案对比过程专业融合程度及试做方案者的经验和水平。
(2)经验判断法。主要由相关专家和专业技术人员通过借鉴相关城市经验,考虑城市开发需求、城市景观建设需求、现状水面率等情况直接估算。该方法在城市水面率应用较少且估算的主观性较强,估算的准确性受专业技术人员配置、水平及案例选择影响较大。
(3)规范标准。《城市水系规划规范》(GB 50513-2009)(2016年版))以省/自治区为单位,将全国划为三个分区适宜水面率方向性意见。该判定方法存在问题包括:1)针对性不足,各地区下垫面差异较大,部分地区难以满足规范要求;2)难以确定水面率统计的单元边界,实践中受边界范围线影响较大;3)科学性不足。该方法在实践中应用较少,指导性不强。
此外,赵璧奎,黄本胜,邱静,等(海绵城市建设中区域适宜水面率研究及应用[J].广东水利水电)以海绵城市径流控制的指标计算城市适宜水面率[3],通过确定河湖水系水位涨幅目标从而计算各个雨水管控分区的适宜水面率。该方法仅从城市防洪排涝及水安全保障的角度明确了雨水管控分区的适宜水面率域值,而对于城市水安全考虑不周。
由上可见,现有技术中城市水面率的计算方法均存在以下问题:
1、水面率受主观和经验的影响很大;
2、现有技术中没有有效手段以城市水安全为目的对城市水面率进行规划。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足,提出了一种基于水安全的城市水面率规划方法,通过各雨水管控分区的水域面积的计算为城市水面规划提出解决方案。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种基于水安全的城市水面率规划方法,包括以下步骤:
1)测量DEM地形高程数据;
2)建立水力模型,识别积水区域;
3)通过积水面积比例,定义每个雨水管控分区内涝风险等级;
4)通过地区暴雨参数图集查算暴雨径流量;
5)计算蓄水容积与水面率。
在步骤1)中,采用大地测量方法测量城市规划区域地形高程数据,测图精度不低于1:200,成图精度不低于1:500;测图高程精度不低于水准V。
在步骤2)中,建立水力模型,识别积水区域,具体过程如下:
以DEM地形高程数据为基础,通过GIS和计算水力学软件对数据进行转换,并建立地形的闭边界,使模型降雨落入边界范围内,避免模型发散;
设计降雨:采用2h降雨或24h降雨;2h降雨主要针对小排水系统规划,用芝加哥法推求;24h降雨主要针对大排水系统规划,用同频率分析方法推求;
根据地区标准设计雨型及降雨数据制作时间序列文件,模型模拟不受雨峰系数的影响,在推求设计降雨时能够做成前峰型降雨,也能够做成后峰型降雨;
设计一种综合糙率的估算方法,使得在计算中快速逼近真实糙率;采用的估算方法包括以下步骤:
2.1)划定雨水管控分区:
2.1.1)利用步骤1)测量得到的DEM地形高程数据,基于GIS的3D分析模块进行不规则三角网(TIN)的建立,并转化为网格型连续高程表面,得到所需的DEM数据;
2.1.2)以DEM数据为基础,采用GIS的水文分析模块,通过洼地填充——水流方向计算——流量计算——汇流提取——汇点识别——流域分区,形成初步的模拟汇流路径与流域分区边界;
2.1.3)输入现状河流水系及已确定的规划河流水系数据,重新优化水文分析模型,重新生成汇流路径,重新生成流域分区边界;
2.1.4)输入不可穿越边界,包括:堤围、铁路、高速公路,定义汇流路径不得穿越上述设施,进一步优化水文分析模型,调整汇流路径与流域分区的边界;其中,所述的进一步优化水文分析模型是指:设置铁路地基的透水率和区域汇流时间及设置高速公路地基的透水率和区域汇流时间;
2.1.5)从行政管理角度,结合道路路网、行政边界、规划管理单元边界调整分区边界,形成最终的雨水管控分区,单个分区面积为1-5平方公里;
2.2)在每个雨水管控分区内获取所有雨水排水口的最大汇水距离,具体是以雨水排水口为圆心及以DEM网格最小尺度为半径,向外侧做圆,直到某个圆与地形高程的交点从上升趋势转为下降趋势位置,选择上升与下降之间的拐点作为该雨水排水口的最大汇水距离;而后测量拐点到雨水排水口的距离和高差计算其坡度;
2.3)计算所有雨水排水口的坡度,取其平均值作为糙率计算坡度Ja;
2.4)概化水力半径Ra的取值,分为两类:绿地和硬化地面;
对于绿地取为植草高度的0.5-1.5倍,对于硬化地面取值为公路路沿高度的一半;
其中居住用地、商业用地、工业用地、公用设施用地均采用其绿化率与硬化地面的加权值,对于道路广场用地采用硬化地面取值,即为公路路沿高度的一半;对于公园绿地取值为公园绿地植草高度的0.5-1.5倍;将计算区域的所有面积加权平均得到概化水力半径;
综合糙率n的计算公式为:
确定综合径流系数:研究区域的流域范围内综合径流系数按照各下垫面种类径流系数加权平均计算得出;
管道排水能力概化值的计算方法:雨水管道排除能力值通过概化计算方式获取:
上式中,i为雨水管道排除能力,mm/min;s为汇水面积,hm2;Q为排水管渠的设计流量,m3/s;v为水流断面的平均流速,m/s;n为粗糙系数;A为管渠断面面积,m2;R为管渠按满流设计的水力半径,m;I为出水口管道坡度;
依据上述数据,可利用计算水力学软件建立水力学概化模型,并模拟最大积水深度图,提取积水深度大于0.80m的积水面积。
在步骤3)中,积水深度大于0.80m的积水点为严重积水;计算出每个雨水管控分区严重积水区域的面积占比;
上式中,Pi为不同雨水管控分区严重积水区域面积占比,Ji为不同雨水管控分区严重积水区域面积,Si为对应雨水管控分区面积;
定义内涝风险区:
高风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比≥30%;
中风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比为10%-30%;
低风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比<10%。
在步骤4)中,根据内涝防治标准与地区暴雨统计参数图集,通过地区最大1h、2h、6h点雨量均值等值线图及地区最大1h、2h、6h点雨量变差系数Cv等值线图,获取地区最大1h、2h、6h点雨量均值及对应变差系数Cv,利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线获取模比系数Kp值,计算地区最大1h、2h、6h的暴雨量,并根据综合径流系数,计算每个雨水管控分区最大1h、2h、6h的暴雨径流量分别如式(6)、式(7)、式(8)所示;
上式中,L1、L2、L6为最大1h、2h、6h的暴雨径流量,Hp1、Hp2、Hp6为最大1h、2h、6h的暴雨点流量,Kp1、Kp2、Kp6为最大1h、2h、6h的对应模比系数,为综合径流系数,F为流域面积;
在步骤5)中,蓄水容积的计算方法为:
高风险区:蓄存容积为最大6小时暴雨径流量,即为式(8)计算结果;
中风险区:蓄存容积为最大2小时暴雨径流量,即为式(7)计算结果;
低风险区:蓄存容积为最大1小时暴雨径流量,即为式(6)计算结果;
确定河湖水系水位安全变幅值ΔH:河湖水系水位安全变幅值ΔH受设计雨量、综合径流系数、地区河湖水系常水位以上的水位安全调蓄变幅的相互影响,取值为0.5-0.8m;
根据蓄水总容积V及水位安全变幅值ΔH,计算各管控分区水域面积:
上式中,Ai水为各雨水管控分区水域面积也就是规划水面面积,其分布也就是城市规划水面,Vi为各雨水管控分区积水容积,ΔH为河湖水系水位安全变幅值;
水域面积与雨水管控分区总面积的比值,即为水面率。
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
1、本发明充分考虑各雨水管控分区积水区域面积、深度和内涝风险,根据城市暴雨数据和城市蓄水量,计算得出基于水安全的最大水域面积及水面率,可操作性强,结果合理,极具参考性。
2、以模型计算、雨洪计算、水位安全计算为主要手段,作为城市水安全布局规划、规模设计的重要支撑,提高了城市水安全规划的科学性。
附图说明
图1为本发明实施例模拟区域地形图。
图2为本发明实施例雨水管控分区图。
图3为本发明实施例5年一遇2h历时降雨时间序列图。
图4为本发明实施例模拟最大积水深度图。
图5为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面以一个具体实施案例对本发明的技术方案进行详细说明。
如附图5所示,某地区基于水安全的城市水面率规划包括以下步骤:
步骤1、获取该地区DEM高程数据
采用大地测量方法测量城市规划区域地形高程数据,测图精度不低于1:200,成图精度不低于1:500;测图高程精度不低于水准V。
步骤2、建立水力模型,识别积水区域;
以DEM地形高程数据为基础,通过GIS和计算水力学软件对数据进行转换,并建立地形的闭边界;
设计降雨采用5年一遇2h历时降雨,根据地区标准设计雨型及降雨数据,用芝加哥法推求制作时间序列文件(dfs0)。模型模拟不受雨峰系数的影响,在推求设计降雨时可以做成前峰型降雨,也可以做成后峰型降雨,如附图3。
设计一种综合糙率的估算方法,使得在计算中快速逼近真实糙率;采用的估算方法包括以下步骤:
2.1)划定该地区的雨水管控分区
2.1.1)利用上述测量过程得到的DEM地形高程数据,基于GIS的3D分析模块进行不规则三角网(TIN)的建立,并转化为网格型连续高程表面(DEM),如附图1;
2.1.2)以DEM数据为基础,采用GIS的水文分析模块,通过洼地填充——水流方向计算——流量计算——汇流提取——汇点识别——流域分区,形成初步的模拟汇流路径与流域分区边界;
2.1.3)地形数据生成的汇流与实际河流有一定的差别,城市规划中河网水系也会有一定的调整。输入现状河流水系或已确定的规划河流水系等重要排水通道数据,在同一流域输入数据替代初步生成的模拟汇流,优化水文分析模型,通过新生成的汇流路径重新生成流域分区;
2.1.4)城市中人工环境的干预对场地雨水汇流有直接的影响,输入堤围、铁路、高速公路(非架空)等数据,定义汇流路径不得穿越上述设施,结合实际情况人工进一步优化水文分析模型,调整汇流路径与流域分区的边界;
输入不可穿越边界,包括:堤围、铁路、高速公路,定义汇流路径不得穿越上述设施,进一步优化水文分析模型,调整汇流路径与流域分区的边界;上述的进一步优化水文分析模型是指:a.设置铁路地基的透水率和区域汇流时间;b.设置高速公路地基的透水率和区域汇流时间;
2.1.5)从行政管理角度,结合道路路网、行政边界、规划管理单元边界适当调整分区边界,形成最终的雨水管控分区,如附图2,单个分区面积为1-5平方公里。
雨水管控分区信息表
管控分区序号 | 面积(km<sup>2</sup>) | 综合径流系数 | 管控分区序号 | 面积(km<sup>2</sup>) | 综合径流系数 |
1 | 4.26 | 0.67 | 4 | 2.23 | 0.61 |
2 | 3.52 | 0.23 | 5 | 1.67 | 0.38 |
3 | 1.06 | 0.34 | 6 | 3.26 | 0.41 |
2.2)在每个雨水管控分区内获取所有雨水排水口的最大汇水距离,其具体方法为以雨水排水口为圆心以DEM网格最小尺度为半径,向外侧做圆,直到某个圆与地形高程的交点从上升趋势转为下降趋势位置,选择上升与下降之间的拐点作为该雨水排水口的最大汇水距离;测量拐点到雨水排水口的距离和高差计算其坡度;
2.3)计算所有雨水排水口的坡度,取其平均值作为糙率计算坡度Ja=0.005;
2.4)概化水力半径Ra的取值分为两类:绿地和硬化地面;
对于绿地取为植草高度的1倍为0.07m,对于硬化地面取值为公路路沿高度的一半为0.125m;
其中居住用地、商业用地、工业用地、公用设施用地均采用其绿化率与硬化地面的加权值,对于道路广场用地采用硬化地面取值,即为公路路沿高度的一半;对于公园绿地取值为公园绿地植草高度的0.5-1.5倍;将计算区域的所有面积加权平均得到概化水力半径Ra=0.276;
综合糙率n的计算公式为:
确定综合径流系数:
广州市某地区的流域范围内综合径流系数按照各下垫面种类径流系数加权平均计算得出。
上式中,为综合径流系数,为不同下垫面对应径流系数,Fi为不同下垫面面积,F为流域面积。建设用地径流系数:中高密度居住用地:0.55;商业用地:0.75;工业用地、公用设施用地:0.65;道路广场用地:0.8;公园绿地0.05。
综合径流系数计算表
管道排水能力概化值的计算方法:
雨水管道排除能力值通过概化计算方式获取:
Q=vA (3)
上式中,i为雨水管道排除能力,mm/min;s为汇水面积,hm2;Q为排水管渠的设计流量,m3/s;v为水流断面的平均流速,m/s;n为粗糙系数;A为管渠断面面积,m2;R为管渠按满流设计的水力半径,m;I为出水口管道坡度。
采用历史淹水位置处管网参数,v取1m/s,计算雨水排除能力值,i=0.3mm/min。
依据上述数据,可利用计算水力学软件建立水力学概化模型,并模拟最大积水深度图,提取积水深度大于0.80m的积水面积,见附图4。
步骤3、计算每个雨水管控分区严重积水区域面积占比
积水深度大于0.80m的积水点为严重积水。可计算出每个雨水管控分区严重积水区域的面积占比。
上式中,Pi为不同雨水管控分区严重积水区域面积占比,Ji为不同雨水管控分区严重积水区域面积,Si为对应雨水管控分区面积。
以管控分区1为例:
各雨水管控分区严重积水区域面积占比
步骤4:定义内涝风险区
高风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比≥20%;
中风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比为10%-20%;
低风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比<10%。
各雨水管控分区内涝风险评估
管控分区序号 | 风险评估 | 管控分区序号 | 风险评估 |
1 | 低风险区域 | 4 | 低风险区域 |
2 | 高风险区域 | 5 | 中风险区域 |
3 | 中风险区域 | 6 | 中风险区域 |
步骤5:通过地区暴雨统计参数图集查算暴雨径流量
根据内涝防治标准与地区暴雨统计参数图集,通过地区最大1h、2h、6h点雨量均值等值线图及地区最大1h、2h、6h点雨量变差系数Cv等值线图,获取地区最大1h、2h、6h点雨量均值及对应变差系数Cv,利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线获取模比系数Kp值,计算地区最大1h、2h、6h的暴雨量,并根据步骤1计算的径流系数,计算每个雨水管控分区最大1h、2h、6h的暴雨径流量分别如式(6)、式(7)、式(8)所示。
上式中,L1、L2、L6为最大1h、2h、6h的暴雨径流量,Hp1、Hp2、Hp6为最大1h、2h、6h的暴雨点流量,Kp1、Kp2、Kp6为最大1h、2h、6h的对应模比系数,为综合径流系数,Yi为各雨水管控分区面积。
步骤6:计算蓄水总容积目标
高风险区:蓄存最大6小时暴雨径流量,即为式8计算结果。
中风险区:蓄存最大2小时暴雨径流量,即为式7计算结果。
低风险区:蓄存最大1小时暴雨径流量,即为式6计算结果。
以管控分区1为例:
各雨水管控分区蓄水总容积
步骤7、计算蓄水容积与水面率
河湖水系水位安全变幅值ΔH受设计雨量、综合径流系数、地区河湖水系常水位以上的水位安全调蓄变幅的相互影响,取值为0.5-0.8m。
步骤8、计算每个管控分区最大水域面积
根据蓄水总容积V及水位安全变幅值ΔH,计算各管控分区的最大水域面积。
上式中,Ai水为各雨水管控分区水域面积也就是规划水面面积,Vi为各雨水管控分区积水容积,ΔH为河湖水系水位安全变幅值取0.7。
以管控分区1为例:
各雨水管控分区水面率
由于各管控分区的空间位置是已知的,因此获得城市中不同空间位置的水面分布情况,也就是获得了基于水安全的城市水面规划方案。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于水安全的城市水面率规划方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)测量DEM地形高程数据;
2)建立水力学概化模型,识别积水区域,具体过程如下:
以DEM地形高程数据为基础,通过GIS和计算水力学软件对数据进行转换,并建立地形的闭边界,使水力学概化模型降雨落入边界范围内;
设计降雨:采用2h降雨或24h降雨;2h降雨针对小排水系统规划,用芝加哥法推求;24h降雨针对大排水系统规划,用同频率分析方法推求;
根据地区标准设计雨型及降雨数据制作时间序列文件,水力学概化模型模拟不受雨峰系数的影响,在推求设计降雨时,设计为前峰型降雨或后峰型降雨;
设计一种综合糙率的估算方法,采用的估算方法包括以下步骤:
2.1)划定雨水管控分区
2.1.1)利用步骤1)测量得到的DEM地形高程数据,基于GIS的3D分析模块进行不规则三角网TIN的建立,并转化为网格型连续高程表面,得到所需的DEM地形高程数据;
2.1.2)以DEM地形高程数据为基础,采用GIS的水文分析模块,依次通过洼地填充、水流方向计算、流量计算、汇流提取、汇点识别和流域分区,形成初步的模拟汇流路径与流域分区边界;
2.1.3)输入现状河流水系及已确定的规划河流水系数据,重新优化水文分析模型,重新生成汇流路径,重新生成流域分区边界;
2.1.4)输入不可穿越边界,包括堤围、铁路、高速公路设施,定义汇流路径不得穿越上述设施,优化水文分析模型,调整汇流路径与流域分区的边界;其中,优化水文分析模型是指设置铁路地基的透水率和区域汇流时间及设置高速公路地基的透水率和区域汇流时间;
2.1.5)结合道路路网、行政边界、规划管理单元边界调整分区边界,形成最终的雨水管控分区,单个分区面积为1-5平方公里;
2.2)在每个雨水管控分区内获取所有雨水排水口的最大汇水距离,具体是以雨水排水口为圆心及以DEM网格最小尺度为半径,向外侧做圆,直到某个圆与地形高程的交点从上升趋势转为下降趋势位置,选择上升与下降之间的拐点作为该雨水排水口的最大汇水距离;而后测量拐点到雨水排水口的距离和高差计算其坡度;
2.3)计算所有雨水排水口的坡度,取其平均值作为糙率计算坡度Ja;
2.4)概化水力半径Ra的取值,分为两类:绿地和硬化地面;
对于绿地取为植草高度的0.5-1.5倍,对于硬化地面取值为公路路沿高度的一半;
其中,居住用地、商业用地、工业用地、公用设施用地均采用绿化率与硬化地面的加权值,对于道路广场用地采用硬化地面取值,即为公路路沿高度的一半;对于公园绿地取值为公园绿地植草高度的0.5-1.5倍;将计算区域的所有面积加权平均得到概化水力半径;
综合糙率n的计算公式为:
确定综合径流系数:研究区域的流域范围内综合径流系数按照各下垫面种类径流系数加权平均计算得出;
管道排水能力概化值的计算方法:雨水管道排除能力值通过概化计算方式获取:
Q=vA (3)
上式中,i为雨水管道排除能力,单位为mm/min;s为汇水面积,单位为hm2;Q为排水管渠的设计流量,单位为m3/s;v为水流断面的平均流速,单位为m/s;A为管渠断面面积,单位为m2;R为管渠按满流设计的水力半径,单位为m;I为出水口管道坡度;
依据上述数据,利用计算水力学软件建立水力学概化模型,并模拟最大积水深度图,提取积水深度大于0.80m的积水面积;
3)通过积水面积比例,定义每个雨水管控分区内涝风险等级,具体如下:
积水深度大于0.80m的积水面积为严重积水,计算出每个雨水管控分区严重积水区域的面积占比;
上式中,Pi为不同雨水管控分区严重积水区域面积占比,Ji为不同雨水管控分区严重积水区域面积,Si为对应雨水管控分区面积;
定义内涝风险区:
高风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比≥30%;
中风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比为10%-30%;
低风险区域:雨水管控分区内严重积水区域占比<10%;
4)通过地区暴雨参数图集查算暴雨径流量,具体如下:
根据内涝防治标准与地区暴雨统计参数图集,通过地区最大1h、2h、6h点雨量均值等值线图及地区最大1h、2h、6h点雨量变差系数Cv等值线图,获取地区最大1h、2h、6h点雨量均值及对应变差系数Cv,利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线获取模比系数Kp值,计算地区最大1h、2h、6h的暴雨量,并根据综合径流系数,计算每个雨水管控分区最大1h、2h、6h的暴雨径流量分别如式(6)、式(7)、式(8)所示;
上式中,L1为最大1h的暴雨径流量,L2为最大2h的暴雨径流量,L6为最大6h的暴雨径流量,Hp1为最大1h的暴雨点流量,Hp2为最大2h的暴雨点流量,Hp6为最大6h的暴雨点流量,Kp1为最大1h的对应模比系数,Kp2为最大2h的对应模比系数,Kp6为最大6h的对应模比系数,为综合径流系数,F为流域面积;
5)计算蓄水容积与水面率,具体如下:
蓄水容积的计算方法为:
高风险区:蓄存容积为最大6小时暴雨径流量,即为式(8)计算结果;
中风险区:蓄存容积为最大2小时暴雨径流量,即为式(7)计算结果;
低风险区:蓄存容积为最大1小时暴雨径流量,即为式(6)计算结果;
确定河湖水系水位安全变幅值ΔH:河湖水系水位安全变幅值ΔH受设计雨量、综合径流系数、地区河湖水系常水位以上的水位安全调蓄变幅的相互影响,取值为0.5-0.8m;
根据蓄水总容积V及水位安全变幅值ΔH,计算各管控分区水域面积:
上式中,Ai水为各雨水管控分区水域面积也就是规划水面面积,其分布也就是城市规划水面,Vi为各雨水管控分区积水容积,ΔH为河湖水系水位安全变幅值;
水域面积与雨水管控分区总面积的比值,即为水面率。
2.根据权利要求1所述的一种基于水安全的城市水面率规划方法,其特征在于:在步骤1)中,采用大地测量方法测量城市规划区域地形高程数据,测图精度不低于1:200,成图精度不低于1:500;测图高程精度不低于水准V。
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