王雁林,郝俊卿,趙法鎖,李芳
(1.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西西安710054;2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院商學(xué)院,陜西西安710061;3.長安大學(xué)地球工程與測繪學(xué)院,陜西西安710054;4.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,陜西西安710054)
地質(zhì)災(zāi)害不僅具有自然屬性,還具有社會(huì)屬性,這就決定了地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)不能局限于傳統(tǒng)的地質(zhì)成因、工程治理等方面的技術(shù)研究,同時(shí)還應(yīng)側(cè)重地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與風(fēng)險(xiǎn)控制。自1970年代以來,美國、澳大利亞、日本等發(fā)達(dá)國家開始進(jìn)行比較系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及相關(guān)理論方法研究并應(yīng)用于工程實(shí)踐中,研究的重點(diǎn)從地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的基本概念到逐步定量化預(yù)測研究探索和實(shí)際的程度[1]。中國香港針對(duì)區(qū)域內(nèi)的切坡建立了較完整的切坡分級(jí)系統(tǒng),并應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中[2]。國內(nèi)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究起步較晚,目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究多為基本概念、基本原理、基本方法的分析和討論以及特定地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測研究,比較有代表性的研究有:殷坤龍系統(tǒng)探討了全國以及縣域?qū)用娴幕聻?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方法[1];張茂省系統(tǒng)研究了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查的方法[3];王雁林探討了省域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的思路與方法[4]。上述層面的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究促進(jìn)了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的理論與方法,但總體上地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究還不系統(tǒng),對(duì)區(qū)劃尺度、風(fēng)險(xiǎn)分析基本單元、區(qū)劃目的與原則、區(qū)劃方法、區(qū)劃實(shí)用性等方面有待加強(qiáng)。
近年來縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃的實(shí)踐表明,原有的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃精度與內(nèi)容難以滿足防災(zāi)減災(zāi)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)預(yù)測要求,開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,可以有效降低地質(zhì)災(zāi)害可能造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,是地質(zhì)災(zāi)害防治管理的重要方向之一[1-8]。陜西省的勉縣、略陽、寧強(qiáng)三縣,簡稱勉略寧地區(qū),地處秦巴山地,面積8 817 km2,處于秦嶺-大別縫合帶和揚(yáng)子板塊西北緣龍門-錦屏縫合帶的交匯區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、易發(fā)。受汶川特大地震影響,勉略寧地區(qū)遭受了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,被國家劃定為重災(zāi)區(qū)。勉略寧地區(qū)曾在2000-2003年和2006-2007年開展過1:100 000的地質(zhì)災(zāi)害普查和補(bǔ)充普查工作。受限于當(dāng)時(shí)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作精度較低,加之地質(zhì)災(zāi)害普查的工作主要是以調(diào)查核查地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)為主,以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的社會(huì)屬性重視不夠,難以滿足地質(zhì)災(zāi)害防治的需求。通過開展本項(xiàng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究工作,不僅為地震災(zāi)區(qū)重災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供了科學(xué)依據(jù),同時(shí)也是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的有益探索。
借鑒聯(lián)合國有關(guān)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定義:風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性與易損性的乘積,其中危險(xiǎn)性是災(zāi)害的自然屬性,可用災(zāi)害規(guī)模和發(fā)生概率表達(dá);易損性則是災(zāi)害的社會(huì)屬性,可用承災(zāi)體財(cái)產(chǎn)、生命、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等表達(dá)。因此地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃和地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)社會(huì)易損性區(qū)劃疊加基礎(chǔ)上形成的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,它從研究內(nèi)容上包括地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃、易損性區(qū)劃以及兩者疊加基礎(chǔ)上的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和自然災(zāi)害區(qū)劃成果[9-10],作者認(rèn)為,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃從層次上可以劃分為宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)層次。不同層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,決定了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的類型、用途、內(nèi)容以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的比例尺精度的差異性(表1)。
表1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的類型、用途、內(nèi)容與精度
宏觀層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃包括國家、重要流域或者省域空間范圍的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。這類層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的主要用途是為圈定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域、范圍,為國家戰(zhàn)略規(guī)劃提供預(yù)防措施。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的內(nèi)容要求比較概略,危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)和地質(zhì)災(zāi)害社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)要求不少于3項(xiàng),風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查的比例尺精度相對(duì)較小,一般為1∶100 000或更小比例尺;風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的服務(wù)期間一般較長,與國家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃同步。
細(xì)觀層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃包括重點(diǎn)區(qū)域、縣域范圍的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。這類層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的主要用途是明確重點(diǎn)關(guān)注和采取防治措施的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域,為重大工程或城鎮(zhèn)、集鎮(zhèn)、園區(qū)建設(shè)提供選址。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的內(nèi)容要求較詳細(xì),對(duì)于研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)不少于6項(xiàng),地質(zhì)災(zāi)害社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)不少于3項(xiàng),風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查的比例尺精度一般為1∶50 000~1∶5 000。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的服務(wù)期一般與縣域規(guī)劃、計(jì)劃相匹配。
微觀層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃主要是指單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。這類層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃主要用途是為重大地質(zhì)災(zāi)害隱患防治提供依據(jù),為場地建設(shè)或利用提供防災(zāi)減災(zāi)依據(jù)。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃內(nèi)容要求詳細(xì),危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)不低于6項(xiàng),風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查的比例尺精度應(yīng)在1∶5 000以上或更大。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的服務(wù)期一般較短,需要及時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查、評(píng)價(jià),動(dòng)態(tài)變化較快。
勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃屬于細(xì)觀層面的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。勉略寧地區(qū)作為汶川地震的重災(zāi)區(qū),地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查、評(píng)價(jià)、區(qū)劃是勉略寧地區(qū)災(zāi)后恢復(fù)重建和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。隨著勉略寧地區(qū)1∶50 000的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的開展,獲取了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的各類數(shù)據(jù),特別是開展了重點(diǎn)地區(qū)的1∶10 000的精細(xì)調(diào)查,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)區(qū)劃工作具備了相應(yīng)的條件。在本研究中,充分利用GIS平臺(tái)的空間分析功能,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、分析和建庫,開展各項(xiàng)評(píng)價(jià)工作。本研究主要思路是在分析勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征基礎(chǔ)上,綜合考慮各類地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害特征,對(duì)勉略寧地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與區(qū)劃;根據(jù)勉略寧地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況及承災(zāi)能力,進(jìn)行承災(zāi)體地質(zhì)災(zāi)害社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)與區(qū)劃,最后在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃和經(jīng)濟(jì)社會(huì)易損性區(qū)劃疊加基礎(chǔ)上,進(jìn)行勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,為地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。
地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建,是在考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成的系統(tǒng)性、實(shí)用性、規(guī)范性、科學(xué)性原則[11-15]基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際,選取地形地貌(圖1a)、地質(zhì)構(gòu)造(圖1b)、地形坡度(圖1c)、巖土體類型(圖1d)、降水等值線(圖1e)、隱患點(diǎn)分布圖(圖1f)等,作為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
圖1 勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)示意圖
計(jì)算單元采用柵格剖分。勉略寧地區(qū)總面積為8 817 km2,將全區(qū)1∶50 000地形圖范圍內(nèi)按1 cm×1 cm剖分成8 885個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)完整網(wǎng)格面積為1 km2。評(píng)價(jià)方法采取基于GIS的信息量疊加分析法。利用GIS,建立影響地質(zhì)災(zāi)害的地貌、構(gòu)造、巖土體、坡度等評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)圖件,形成因子分布圖,建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和圖形庫。在前述評(píng)價(jià)指標(biāo)分析和數(shù)據(jù)歸一化基礎(chǔ)上,利用GIS的空間疊加和統(tǒng)計(jì)功能,采用單元危險(xiǎn)程度概率模型,計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)單元的所有指標(biāo)值。
計(jì)算采用單元危險(xiǎn)程度概率模型公式:
式中:H為單元危險(xiǎn)程度概率值;FDI為單元地形地貌危險(xiǎn)程度概率值;FYAN為單元巖性危險(xiǎn)程度概率值;FGOU為單元構(gòu)造危險(xiǎn)程度概率值;FPO為單元坡度危險(xiǎn)程度概率值;FYU為單元降雨量危險(xiǎn)程度概率值;R為單元地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度,表示單元內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的處數(shù)。
經(jīng)過對(duì)各因子信息疊加,得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上采用等間距法,按照(<0.25,025~0.5,0.5~0.75,>0.75)作為危險(xiǎn)程度分區(qū)界限值,進(jìn)行危險(xiǎn)程度劃分。將區(qū)域劃分為極低危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)4個(gè)不同等級(jí)的區(qū)域。在定量計(jì)算基礎(chǔ)上,綜合考慮各種因素,得出勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度區(qū)劃。
結(jié)果按照上述危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與區(qū)劃方法,得到勉縣、寧強(qiáng)、略陽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果,見圖2。由圖2可以看出,勉略寧地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害高、中危險(xiǎn)區(qū)主要分布斷裂帶比較集中發(fā)育、巖性多為軟弱或較軟弱的巖土體地區(qū),該類地區(qū)坡度多>25°。
圖2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度區(qū)劃結(jié)果示意圖
地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失和很大程度上還取決于承災(zāi)體的承受能力,即地質(zhì)災(zāi)害的社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性。易損性評(píng)價(jià)涉及到不同類別的承災(zāi)體易損性特征的獲取以及社會(huì)承災(zāi)能力的量化與評(píng)價(jià)。易損性評(píng)價(jià)對(duì)象包括自然屬性和社會(huì)屬性的評(píng)價(jià)因子,如自然資源、財(cái)產(chǎn)、人的生命等。評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取,除了考慮前述地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)與區(qū)劃的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則外,還需要充分考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的易得性。據(jù)此,考慮到本研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取可行性及經(jīng)濟(jì)性并根據(jù)特點(diǎn),本研究選取勉縣、略陽、寧強(qiáng)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度(人/km2)、單位GDP(104元/km2)、耕地面積(ha/km2)作為易損性特征指標(biāo)(圖3)。本研究中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口、GDP、耕地面積來源于各縣資料。
3地質(zhì)災(zāi)害社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)示意圖
易損性評(píng)價(jià)涉及到評(píng)價(jià)單元的劃分問題。為便于危險(xiǎn)程度區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行疊加分析,本研究中同樣采用柵格剖分計(jì)算,計(jì)算方法同上。易損性評(píng)價(jià)取決于兩個(gè)要素即災(zāi)害強(qiáng)度和受災(zāi)體本身特性[16]??紤]到研究區(qū)調(diào)查工作程度,災(zāi)害強(qiáng)度主要考慮單元格災(zāi)害點(diǎn)密度,易損性因子主要考慮人口密度、GDP密度和耕地分布作為計(jì)算因子。
易損性計(jì)算指數(shù)采用如下計(jì)算方法:
式中:易損值為F;易損因子屬性為Ga;單元格災(zāi)害密度為G。
采用易損性指數(shù)計(jì)算方法,計(jì)算評(píng)價(jià)單元所有指標(biāo)值。采用等間距法,確定易損程度分區(qū)界限值,將區(qū)域劃分為極低易損區(qū)、低易損區(qū)、中易損區(qū)、高易損區(qū)四個(gè)不同等級(jí)的區(qū)域,并給出各單元確定的易損程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在定量計(jì)算分級(jí)分區(qū)基礎(chǔ)上,綜合考慮各種因素,得出研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損程度分區(qū)。
按照上述易損性分區(qū)原則和方法,結(jié)合前人已有的研究成果,進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性劃分,分區(qū)結(jié)果見圖4。
圖4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)結(jié)果示意圖
圖5 勉略寧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃示意圖
地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是將危險(xiǎn)性程度與易損性相乘得到地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的過程。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖是以地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度區(qū)劃圖、地質(zhì)災(zāi)害易損性區(qū)劃圖為基礎(chǔ),采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原理疊加,進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃制圖。柵格剖分計(jì)算同易發(fā)程度區(qū)劃中應(yīng)用方法。每個(gè)單元格的易損值與危險(xiǎn)值進(jìn)行疊加分析。計(jì)算公式如下:
式中:G為單元格風(fēng)險(xiǎn)度;D為單元格危險(xiǎn)值;F為單元格易損值。
采用風(fēng)險(xiǎn)度指數(shù)計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)單元的所有指標(biāo)值,得到評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。同時(shí)采用上述等間距法,確定風(fēng)險(xiǎn)程度分區(qū)值,將全區(qū)劃分為極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果見圖5。由圖5可見,地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(紅色圖斑)分布在寶成鐵路沿線、嘉陵江兩岸、漢江盆地、西漢高速沿線,面積1 890 km2。地質(zhì)災(zāi)害中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(粉紅色圖斑)分布在漢江平原周邊地區(qū),面積3 453 km2。地質(zhì)災(zāi)害低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(黃色圖斑)分布在勉略寧的周邊地區(qū),面積3 012 km2。地質(zhì)災(zāi)害極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(淡藍(lán)色圖斑)分布在漢江平原,面積160 km2。
(1)勉縣、略陽、寧強(qiáng)三縣是汶川地震陜西重災(zāi)區(qū),現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與區(qū)劃難以滿足防治需求,開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是目前地震災(zāi)區(qū)重災(zāi)縣地質(zhì)災(zāi)害防治管理的薄弱環(huán)節(jié),也是急需開展的重大課題。
(2)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃可以劃分為宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)層次。不同層次的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,決定了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的類型、用途、內(nèi)容以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的比例尺精度的差異性。認(rèn)為勉略寧地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃屬于細(xì)觀層面的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。
(3)以地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃、承災(zāi)體地質(zhì)災(zāi)害易損性區(qū)劃為基礎(chǔ),基于GIS平臺(tái),將勉略寧地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為高、中、低、極低4級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其中地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積1 890 km2,地質(zhì)災(zāi)害中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積3 453 km2,地質(zhì)災(zāi)害低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積3 012 km2,地質(zhì)災(zāi)害極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積462 km2。地質(zhì)災(zāi)害高中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占到全區(qū)總面積的60%,這些地區(qū)應(yīng)成為今后地質(zhì)災(zāi)害防治的重點(diǎn)。
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