CN111579456A - 一种土壤入渗能力监测装置以及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤入渗能力监测装置以及监测方法，该监测装置包括：用于插入砒砂岩区土壤的桶体、用于向所述桶体中注入水份的注水机构以及用于监测土壤入渗量的监测机构；所述注水机构设置在所述桶体的顶部，所述注水机构与所述桶体通过管路连通，所述监测机构设置在所述桶体的底部。通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

Description

一种土壤入渗能力监测装置以及监测方法

技术领域

本发明涉及自然监测实验设备技术领域，尤其涉及一种土壤入渗能力监测装置以及监测方法。

背景技术

砒砂岩素有地球癌症之称，其遇水成泥，土壤团聚能力差。且砒砂岩地区年降雨量低，降雨多以暴雨为主，雨后水分多以径流形式损失，能提供土壤入渗及植被需水的多为长时的弱降雨形式。因此在野外试验中对于砒砂岩区土壤水分入渗测定，长期以来是迫切需要解决的问题。现有技术中，在野外收集土壤入渗数据时，多采用土壤水分仪等。这些仪器虽然可以有效测定土壤入渗量，但仪器昂贵，布设维护困难。现有的土壤入渗能力测定，通常是通过仪器对天然降雨后的土壤水分进行监测，或将降雨后的土壤原装土，带回实验室，进行测定。前一种对仪器要求极高，需要的监测成本也高；后一种对野外土壤采集经验要求较高，且采集后的土壤样品需尽快运回实验室，多天采样数据则需要规范的土壤保存措施，带回实验室后也需要即刻测定，这些步骤都可影响监测结果的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种土壤入渗能力监测装置以及监测方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种土壤入渗能力监测装置，其包括：用于插入砒砂岩区土壤的桶体、用于向所述桶体中注入水份的注水机构以及用于监测土壤入渗量的监测机构；

所述注水机构设置在所述桶体的顶部，所述注水机构与所述桶体通过管路连通，所述监测机构设置在所述桶体的底部。

本发明的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

进一步地，所述注水机构包括：用于装载水份的水箱、用于将水箱中的水份导出的水泵，所述水箱设置在所述桶体的顶部，所述水泵设置在所述水箱中，所述水泵的输出端通过管路与所述桶体连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：水泵的设置，用于自动向桶体中注水，提高实验效率，提高监测装置的自动化。

进一步地，还包括：用于检测水箱出水流量的流量计，所述流量计设置在所述水箱和所述桶体之前的管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：流量计的设置，用于检测水箱出水流量，监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，便于获取注水量数据，提高实验效率。

进一步地，还包括：用于记录实验时间的计时器以及控制器，所述计时器以及所述控制器均设置在所述桶体的顶部，所述流量计、所述监测机构、所述水泵以及所述计时器均与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：计时器以及控制器的设置，用于记录实验时间并获取土壤水分入渗量，生成砒砂岩区土壤饱和入渗量，提高实验效率，提高实验数据的精准性。

进一步地，还包括：显示屏，所述显示屏与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：显示屏的设置，用于显示入渗量、实验时间以及注水机构的注水流量，便于用户直观获取实验数据。

进一步地，还包括：用于向桶体中喷水的花洒，所述花洒为可调节水量式花洒所述花洒设置在所述桶体的上方，所述花洒通过管路与所述水泵的输出端连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：花洒的设置，用于向桶体中喷水，模拟自然雨水以及露水，提高监测装置的真实性，提高实验数据的精准性。

进一步地，所述注水机构包括：用于装载水份的按压式注水器，所述按压式注水器设置在所述桶体的顶部，所述按压式注水器的输出端通过管路与所述桶体连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：按压式注水器的设置，用于手动向桶体中注水，用户可以通过手捏按压式注水器，将按压式注水器中的水份挤压至桶体中，便于用户根据实际需要控制水份流量，所述按压式注水器的侧壁上设置有刻度。

进一步地，还包括：盖板，所述盖板设置在所述桶体的顶端，所述盖板与所述桶体铰接，所述桶体的底部开放设置，所述桶体中设置有砒砂岩区土壤；所述监测机构为流量传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：盖板的设置，用于密封桶体，防止外界环境对桶体内部的土壤产生影响，防止土壤中的水份蒸发，提高实验数据的精准性。

此外，本发明还提供了一种土壤入渗能力监测方法，其包括：

获取桶体入口的注水流量、桶体出口的出水流量以及入渗量实验时间；

根据所述桶体入口的注水流量、所述桶体出口的出水流量以及所述入渗量实验时间，生成砒砂岩区土壤的入渗信息。

本发明的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

进一步地，所述入渗信息为入渗速率以及入渗能力。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的原型测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的监测装置的结构示意图之一。

图2为本发明实施例提供的监测装置的结构示意图之二。

图3为本发明实施例提供的监测方法的示意性流程图。

图4为本发明实施例提供的监测装置的示意性电路结构框图。

图5为本发明实施例提供的监测装置的电路结构示意图。

附图标号说明：1-桶体；2-注水机构；3-监测机构；4-水箱；5-水泵；6-流量计；7-计时器；8-控制器；9-显示屏；10-花洒；11-按压式注水器；12-盖板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图5所示，图1为本发明实施例提供的监测装置的结构示意图之一。图2为本发明实施例提供的监测装置的结构示意图之二。图3为本发明实施例提供的监测方法的示意性流程图。图4为本发明实施例提供的监测装置的示意性电路结构框图。图5为本发明实施例提供的监测装置的电路结构示意图。

本发明实施例提供了一种土壤入渗能力监测装置，其包括：用于插入砒砂岩区土壤的桶体1、用于向所述桶体1中注入水份的注水机构2以及用于监测土壤入渗量的监测机构3；

所述注水机构2设置在所述桶体1的顶部，所述注水机构2与所述桶体1通过管路连通，所述监测机构3设置在所述桶体1的底部。

本发明的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

本发明实施例通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，为砒砂岩区土壤入渗近自然监测提供一种简单、经济的装置，为砒砂岩区水壤水分高效利用提供技术支持。

所述土壤水分入渗监测装置主体为土壤地表水密连接的无底桶，入渗桶的顶部设置水密连接盖板，入渗无底桶靠近上缘安装可调节流速的洒水器(上面带有流量传感器)、所述的入渗无底桶靠近地面的位置设置入渗量监测传感器，所述的洒水器流量传感器、入渗流量传感器依次与数据采集器、带有时间计数器的数据处理控制器连接，所述的入渗桶透光性能好。桶体材料可以为玻璃钢或者玻璃或者塑料，所述的入渗无底桶及盖板需要有效隔热、隔光。

本发明通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的原型测定，为砒砂岩区土壤入渗近自然监测提供一种简单、经济的装置，为砒砂岩区水壤水分高效利用提供技术支持。

进一步地，所述注水机构2包括：用于装载水份的水箱4、用于将水箱4中的水份导出的水泵5，所述水箱4设置在所述桶体1的顶部，所述水泵5设置在所述水箱4中，所述水泵5的输出端通过管路与所述桶体1连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：水泵的设置，用于自动向桶体中注水，提高实验效率，提高监测装置的自动化。

其中，管路可以为软管，水箱4上可以设置有用于标识水面高度的刻度。

进一步地，还包括：用于检测水箱出水流量的流量计6，所述流量计6设置在所述水箱4和所述桶体1之前的管路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：流量计的设置，用于检测水箱出水流量，监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，便于获取注水量数据，提高实验效率。

进一步地，还包括：用于记录实验时间的计时器7以及控制器8，所述计时器7以及所述控制器8均设置在所述桶体1的顶部，所述流量计6、所述监测机构3、所述水泵5以及所述计时器7均与所述控制器8连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：计时器以及控制器的设置，用于记录实验时间并获取土壤水分入渗量，生成砒砂岩区土壤饱和入渗量，提高实验效率，提高实验数据的精准性。

控制器用于根据桶体入口的注水流量、桶体出口的出水流量以及入渗量实验时间，计算土壤的入渗速率以及入渗能力。此外，控制器还可以在预设时间内控制注水机构的启停，即在预设时间内控制水泵的启停，提高自动化。其中，控制器可以通过监测机构获取桶体出口的出水流量，通过流量计获取桶体入口的注水流量，通过计时器获取入渗量实验时间。计时器可以与控制器一体设置，计时器也可以与控制器各自独立设置。具体地，控制器可以根据考斯加可夫公式计算土壤入渗速率以及入渗速度。可以根据公式：平均入渗通量＝时段入渗量/(入渗仪断面面积×入渗时段)，计算平均入渗通量。可以根据公式：地表径流＝降雨量-蒸发量-洼地积水量-地表滞水量-植物截留量，计算地表径流。可以根据霍顿入渗公式：f＝fc+(f0-fc)e-kt，式中：f为入渗率，fc为稳定入渗率，f0为初始入渗率，t为时间，к为与土壤特性有关的经验常数。霍顿入渗公式是计算入渗曲线的一种经验公式。

土壤入渗率，又称土壤入渗速率或土壤渗透速率，是指单位时间内地表单位面积土壤的入渗水量。入渗率与入渗过程有关。土壤入渗率在初期非常大，这时的入渗率称为最初入渗率，简称初渗率。又继随降雨的延续和增加，入渗率由大变小，最后保持一定的稳定值，此值称为最后入渗率或稳渗率，可用以表征土壤的渗透特性。这是因为由于降水的继续，而使得土壤中大小孔隙均被填满，而无法继续使土壤中的水保持快速的流动。土壤入渗是降雨、灌溉等水分经山地表进入土壤，在重力势、基质势等作用下运移、存储变为土壤水的动态过程，是地表水与地下水相互转化、消耗过程的重要环节，也是影响坡面产汇流的重要因素。土壤对水的入渗能力，简称入渗能力。

本发明土壤入渗能力监测装置包括设置在桶体顶部的流量计以及用于监测土壤入渗量的监测机构(即监测电路)，当水分渗透时流量计对注水流量进行检测，监测机构对土壤入渗量进行检测。

土壤入渗能力监测装置电路包括微控制器U1流量计以及监测机构，其中，在一种优选实施方式中，微控制器(即控制器)U1采用单片机(即控制器)MSP430F449。进一步的，流量计包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，其中，所述微控制器U1的第一引脚与第一电感L1的一端和第二电容C2的一端相连接，所述第一电感L1的另一端与第二电容C2的另一端、第二电阻R2的一端、第二场效应管Q2的漏极、第一电容C1的一端相连接，所述第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端相连接，所述第一电阻R1的另一端与所述微控制器U1的第二引脚相连接；所述第二电阻R2的另一端与第一场效应管Q1的漏极相连接，所述第一场效应管Q1的源极和第二场效应管Q2的源极共同接地；所述第一场效应管Q1的栅极与所述微控制器U1的第四引脚相连接，所述第二场效应管Q2的栅极与所述微控制器U1的第三引脚相连接。其中，所述微控制器U1的第一引脚和第四引脚用于控制所述第一电感L1的充电；所述微控制器U1的第三引脚用于控制所述第一电感L1的放电；所述微控制器U1的第二引脚用于接收所述第一电感L1和第二电容C2之间产生振荡信号。同理，监测机构的电路与流量计的电路相同，监测机构中的各个部件的连接关系效仿流量计电路中的部件即可。

上述电路的工作原理如下：1、对电感L1进行充电：由单片机U1控制打开场效应管Q1，关闭场效应管Q2，单片机U1的引脚1输出电流经电感L1、电阻R2、场效应管Q1形成回路给电感L1进行充电。

2、单片机U1识别振荡信号波形：充电完成后关闭场效应管Q1，单片机U1的引脚1不输出电流，电感L1与电容C2进行自由振荡。当电感L1下方存在钢片时会产生阻尼效应，振幅衰减速度速度快。相反，当电感L1下方不存在钢片时振幅衰减速度慢，产生的波形经电容C1、电阻R1输入到单片机U1，单片机U1内部设有比较器，通过脉冲个数的变化来得到电感L1下方是否存在钢片。

3、计量电路进行放电：检测完成后单片机U1控制打开场效应管Q2，电感L1中电流经Q2到地进行释放。

在一种优选实施方式中，本装置还包括无线通信模块U2，所述无线通信模块U2与微控制器U1相连接，用于将本装置计量的流量值传输到远程终端。

在一种优选实施方式中，所述无线通信模块U2采用Lora无线模块。进一步的，无线通信模块U2与微控制器U1之间通过SPI接口进行数据通信。其中，模块复位引脚RST、中断引脚DIO0、中断引脚DIO1、中断引脚DIO2、中断引脚DIO3、中断引脚DIO4、SPI接口传输引脚SCK、SPI接口传输引脚NSS、SPI接口传输引脚SI、SPI接口传输引脚SO与单片机U1连接，单片机U1通过SPI接口对无线通信模块U2进行数据交互，模块实现对数据帧听、数据接收、数据发送功能。

进一步地，还包括：显示屏9，所述显示屏9与所述控制器8连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：显示屏的设置，用于显示入渗量、实验时间以及注水机构的注水流量，便于用户直观获取实验数据。

进一步地，还包括：用于向桶体1中喷水的花洒10，所述花洒10为可调节水量式花洒所述花洒10设置在所述桶体1的上方，所述花洒10通过管路与所述水泵5的输出端连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：花洒的设置，用于向桶体中喷水，模拟自然雨水以及露水，提高监测装置的真实性，提高实验数据的精准性。

进一步地，所述注水机构2包括：用于装载水份的按压式注水器11，所述按压式注水器11设置在所述桶体1的顶部，所述按压式注水器11的输出端通过管路与所述桶体1连通，所述按压式注水器的侧壁上设置有刻度。

采用上述进一步方案的有益效果是：按压式注水器的设置，用于手动向桶体中注水，用户可以通过手捏按压式注水器，将按压式注水器中的水份挤压至桶体中，便于用户根据实际需要控制水份流量。

进一步地，还包括：盖板12，所述盖板12设置在所述桶体1的顶端，所述盖板12与所述桶体1铰接，所述桶体1的底部开放设置，所述桶体1中设置有砒砂岩区土壤；所述监测机构3为流量传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：盖板的设置，用于密封桶体，防止外界环境对桶体内部的土壤产生影响，防止土壤中的水份蒸发，提高实验数据的精准性。

此外，本发明还提供了一种土壤入渗能力监测方法，其包括：

S1、获取桶体入口的注水流量、桶体出口的出水流量以及入渗量实验时间；

S2、根据所述桶体入口的注水流量、所述桶体出口的出水流量以及所述入渗量实验时间，生成砒砂岩区土壤的入渗信息。

本发明的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的近自然测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

进一步地，所述入渗信息为入渗速率以及入渗能力。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过监测入土式无底桶内的土壤水分入渗量，得到砒砂岩区土壤饱和入渗量，实现砒砂岩区土壤入渗能力和入渗速率的原型测定，降低用户劳动强度，提高实验数据的精准性。

本发明实施例可以采用双环法测定土壤水分入渗率，内环直径为20cm，外环直径为35cm，高30cm，用橡皮锤将内环和外环均垂直打入土壤，深度为12cm。开始测定时向内环和外环同时注水，并使水层深度始终保持8cm，利用医用注射器随时往内环内注水，以此保持内环水位一定，测定单位时间内内环所加的水量。测定开始时，每5min记录1次消耗的水量，直到入渗达到稳定，总入渗时间为120min，进而计算土壤水分入渗速率，入渗率的计算式[10]为：f＝v/a，(1)式中：f为入渗率(mm/min)；v为单位时间加水量(mm³/min)；a为内环面积(mm²)，a为31415.926mm²。选取土壤初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率作为评价土壤入渗性能的基本指标，其中土壤初始入渗速率(mm/min)为最初入渗时土壤的入渗速率，本试验选择前5min的平均入渗速率作为初始入渗速率；平均入渗速率(mm/min)为测定时段内各入渗速率的平均值；稳定入渗速率(mm/min)为入渗达到稳定时土壤水分的入渗速率。

在不同植被覆盖区内用环刀采集原状土，同时采集混合土样，采样深度均为0～20cm，采集后带回实验室内进行土壤体积质量、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及土壤含水率的测定。其中，体积质量采用环刀法的测定，总孔隙度根据体积质量计算，计算公式为：土壤总孔隙度＝[(土壤比重-土壤体积质量)/土壤比重]×100％；毛管孔隙度、非毛管孔隙度采用圆筒浸透法的测定；含水率采用烘干法的测定。

可以选择Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型对不同土壤入渗过程进行模型拟合。Philip：f(t)＝(1/2)St^(-1/2)+fc，S为土壤吸水系数；fc为土壤稳定入渗速率(mm/min)；f(t)为入渗速率(mm/min)；t为入渗时间/(min)。Horton：f(t)＝fc+(f0-fc)e^-ktf0与fc分别为初始入渗速率和稳定入渗速率；k为经验参数；f(t)为入渗速率(mm/min)；t为入渗时间/(min)。Kostiakov：f(t)＝at^-b，a为初始入渗率(mm/min)；b为衰减系数；f(t)为入渗速率(mm/min)；t为入渗时间/(min)。

采用Philip模型、Horton模型和Kostiakov模型对不同植被覆盖区土壤水分入渗过程进行拟合，比较不同模型的拟合优度。Philip模型中，S表示土壤吸渗率，反映了土壤入渗能力的大小，S值越大，表示土壤入渗能力越强。从拟合结果来看，S值大小依次为大豆区最大，其次为自然生草区，清耕区最小，与实测值存在一定偏差。

Horton模型中，f0代表初始入渗速率，土壤初始入渗速率分别为4.543mm/min，4.594mm/min与实测值相差极小。土壤稳定入渗速率fc清最大为2.006mm/min，其拟合结果与实测值大小顺序一致且偏差较小。Kostiakov模型中，参数a为经验入渗系数，a的主要影响因素有土壤含水率、结构、质地和有机质等，a值的大小与初始入渗速率呈正比，a值为6.102。

本仪器的研制可解决以往野外监测土壤入渗的高人力耗费的弊端，作用是提高野外工作效率。本装置可长期放置进行野外监测土壤入渗能力和入渗速率。且对于砒砂岩地区不同立地条件均可适用。现有的土壤入渗分为雨后及时测定和长期(定期)监测装置，将两种功能集中的监测系统未见。而根据不同研究需求，实际野外操作中，两种监测数据作为土壤入渗能力的不同表现都需要采集。为了这两种需求能够同时满足，本装置设计了两种测定模式可实现目的。本装置设计的可控洒水器和耗水量传感器，可以有效的控制水分入渗量和入渗强度，传感器自动监测并记录土壤水分入渗数据，无需采样、保存、运输、试验测定，即可获得近自然土壤入渗能力数据。大大提高了野外工作效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，包括：用于插入砒砂岩区土壤的桶体、用于向所述桶体中注入水份的注水机构以及用于监测土壤入渗量的监测机构；

所述注水机构设置在所述桶体的顶部，所述注水机构与所述桶体通过管路连通，所述监测机构设置在所述桶体的底部。

2.根据权利要求1所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，所述注水机构包括：用于装载水份的水箱、用于将水箱中的水份导出的水泵，所述水箱设置在所述桶体的顶部，所述水泵设置在所述水箱中，所述水泵的输出端通过管路与所述桶体连通。

3.根据权利要求2所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，还包括：用于检测水箱出水流量的流量计，所述流量计设置在所述水箱和所述桶体之前的管路上。

4.根据权利要求3所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，还包括：用于记录实验时间的计时器以及控制器，所述计时器以及所述控制器均设置在所述桶体的顶部，所述流量计、所述监测机构、所述水泵以及所述计时器均与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，还包括：显示屏，所述显示屏与所述控制器连接。

6.根据权利要求2所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，还包括：用于向桶体中喷水的花洒，所述花洒为可调节水量式花洒所述花洒设置在所述桶体的上方，所述花洒通过管路与所述水泵的输出端连通。

7.根据权利要求1所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，所述注水机构包括：用于装载水份的按压式注水器，所述按压式注水器设置在所述桶体的顶部，所述按压式注水器的输出端通过管路与所述桶体连通，所述按压式注水器的侧壁上设置有刻度。

8.根据权利要求1所述的一种土壤入渗能力监测装置，其特征在于，还包括：盖板，所述盖板设置在所述桶体的顶端，所述盖板与所述桶体铰接，所述桶体的底部开放设置，所述桶体中设置有砒砂岩区土壤；所述监测机构为流量传感器。

9.一种土壤入渗能力监测方法，其特征在于，包括：

获取桶体入口的注水流量、桶体出口的出水流量以及入渗量实验时间；

根据所述桶体入口的注水流量、所述桶体出口的出水流量以及所述入渗量实验时间，生成砒砂岩区土壤的入渗信息。

10.根据权利要求9所述的一种土壤入渗能力监测方法，其特征在于，所述入渗信息为入渗速率以及入渗能力。

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