呂永鵬， 楊 凱， 車(chē) 越， 謝 勝， 劉 辰， 任翔宇， 尚釗儀

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.華東師范大學(xué) 上海市城市化生態(tài)過(guò)程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 引 言

隨著城市點(diǎn)源污染的控制，非點(diǎn)源污染逐漸成為影響全球城市水環(huán)境質(zhì)量的主要因素，進(jìn)而成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.集水區(qū)是指匯集水流的區(qū)域，是研究非點(diǎn)源污染的理想單元.如何科學(xué)度量集水區(qū)尺度下非點(diǎn)源污染物對(duì)水環(huán)境的影響是有效調(diào)控非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵.

非點(diǎn)源污染一般由產(chǎn)生負(fù)荷（Load）和輸移通量（Transport flux）兩個(gè)參數(shù)來(lái)定量表征.產(chǎn)生負(fù)荷是指污染物年產(chǎn)生量，并未考慮污染物的遷移轉(zhuǎn)化，主要反映污染物對(duì)水環(huán)境的潛在影響；而輸移通量是指污染物的年入河量，反映污染物經(jīng)過(guò)遷移轉(zhuǎn)化后排入河流而對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生的直接影響.因此，研究輸移通量更有意義.輸移通量的研究方法較多，以AGNPS、ANSWERS、GWLF、HSPF、SWAT、MUSIC、SWMM 和 WWHM等模型應(yīng)用最為廣泛.然而，上述模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)的類(lèi)型和精度均有較高要求，模型參數(shù)率定困難，不適合在數(shù)據(jù)缺乏的集水區(qū)應(yīng)用.起源于20世紀(jì)70年代北美地區(qū)的輸出系數(shù)法（Export coefficient modeling approach，ECMA）［1］，經(jīng)Johnes等學(xué)者的不斷修正后［2，3］，已經(jīng)在全世界得到廣泛應(yīng)用，并已積累大量的輸出系數(shù)值［4－6］.該方法具有了數(shù)據(jù)獲取方式簡(jiǎn)單、所需參數(shù)少、結(jié)果精度較高等優(yōu)點(diǎn).

中國(guó)東部平原河網(wǎng)地區(qū)具有經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化程度高、不透水面積大、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)干預(yù)下產(chǎn)匯流機(jī)制復(fù)雜、集水區(qū)邊界模糊等顯著的區(qū)域特征.若試圖將國(guó)外的輸出系數(shù)直接應(yīng)用于平原河網(wǎng)地區(qū)，研究結(jié)果可能與實(shí)際情況偏差較大［7］.

鑒于此，本文以上海滴水湖集水區(qū)為例，根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型小集水區(qū)的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，嘗試基于平原河網(wǎng)地區(qū)集水區(qū)特征對(duì)經(jīng)典的輸出系數(shù)法進(jìn)行必要修正，以期較為客觀地度量出平原河網(wǎng)地區(qū)集水區(qū)非點(diǎn)源污染物的輸移通量，為區(qū)域非點(diǎn)源污染系統(tǒng)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 半分布式通量測(cè)算方法

完整的集水區(qū)非點(diǎn)源污染過(guò)程應(yīng)包括非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生，暴雨淋洗和沖刷，地表匯流與遷移轉(zhuǎn)化，徑流入河，入河后遷移轉(zhuǎn)化和集水區(qū)輸出等關(guān)鍵過(guò)程.早期的輸出系數(shù)法假設(shè)各類(lèi)土地利用的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量與集水區(qū)面積成正比，顯然該方法測(cè)算結(jié)果的精確度不足，且僅考慮了非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生，并未考慮污染物的其他重要過(guò)程［6］.如下式所示：

式中，L表示非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生負(fù)荷（t／a）；ci為第i類(lèi)土地產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染物的年平均負(fù)荷（t／hm2／a）；Ai為第i類(lèi)土地利用的面積（hm2）.

Johnes等學(xué)者修正并建立了較完備的模型［2，3］，但仍然強(qiáng)調(diào)非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生量.如下式所示：

式中，L表示產(chǎn)生負(fù)荷（t／a）；Ei為第i類(lèi)污染源的輸出系數(shù)；Ai為第i類(lèi)土地利用的集水區(qū)面積，或第i類(lèi)畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，或人口數(shù)；Ii為第i類(lèi)污染源的污染物輸入量；p為降雨中的污染物量.

Soranno等在測(cè)算方法中考慮了污染物來(lái)源與受納水體之間的距離，在一定程度上考慮了污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程［8］，但測(cè)算結(jié)果仍具有較大的不確定性.如下式所示：

式中，L表示非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生負(fù)荷（t／a）；m為土地利用類(lèi)型；n為GIS系統(tǒng)中劃分的網(wǎng)格數(shù)；p為網(wǎng)格與水體之間的距離；fi為污染物輸出系數(shù)；Ap，i為距離水體為p時(shí)的第i種土地利用的面積；Tip為處于0～1之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)，表征兩個(gè)網(wǎng)格之間的污染物遷移轉(zhuǎn)化系數(shù).

在前人研究的基礎(chǔ)上［2，3，7－10］，本文提出一種兼具分布式和集總式特色的半分布式城市集水區(qū)非點(diǎn)源輸移通量測(cè)算模型，并考慮了非點(diǎn)源類(lèi)型（主要關(guān)注城市集水區(qū)內(nèi)土地利用非點(diǎn)源污染，適當(dāng)考慮城市內(nèi)小范圍內(nèi)農(nóng)村和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染）、降雨條件、土地利用類(lèi)型、非點(diǎn)源遷移擴(kuò)散轉(zhuǎn)化過(guò)程及非點(diǎn)源污染物入河通量等關(guān)鍵因素.如式4—式8所示，式中符號(hào)見(jiàn)表1.

1.2 集水區(qū)概況

臨港新城是上海繼浦東開(kāi)發(fā)開(kāi)放之后獨(dú)具輔城作用的又一個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域（見(jiàn)圖1）.滴水湖是臨港新城的象征，是目前國(guó)內(nèi)在潮灘上開(kāi)挖的最大人工湖.受上游來(lái)水水質(zhì)影響，加上集水區(qū)非點(diǎn)源污染物的匯入，滴水湖目前水質(zhì)較差.滴水湖集水區(qū)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達(dá)，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū).此外，臨港新城為新開(kāi)發(fā)建設(shè)的區(qū)域，點(diǎn)源納管率很高，目前正處于快速的城市化進(jìn)程中，其面臨的非點(diǎn)源污染問(wèn)題也是我國(guó)東部平原河網(wǎng)地區(qū)郊區(qū)新城建設(shè)中存在的共性問(wèn)題.因此，研究滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染物輸移通量對(duì)其他類(lèi)似區(qū)域也有借鑒意義.根據(jù)滴水湖集水區(qū)的特征，文獻(xiàn)［12］將其劃分為13個(gè)二級(jí)集水區(qū)（B1—B13），137個(gè)三級(jí)集水區(qū)，是本文空間分析的基礎(chǔ).

表1 集水區(qū)非點(diǎn)源輸移通量測(cè)算模型符號(hào)表Tab.1 The parameters of transport flux model of NPS at the watershed scale

圖1 上海市滴水湖集水區(qū)區(qū)位及土地利用圖Fig.1 Location and land use of Lake Dishui watershed in Shanghai

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

非點(diǎn)源負(fù)荷輸出系數(shù)來(lái)源文獻(xiàn)［12，14］，降雨雨量數(shù)據(jù)由作者在該區(qū)域設(shè)立的雨量計(jì)獲得，歷史雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于上海氣象部門(mén)和上海市排水公司；1965、1989、1994、2000、2003、2006和2008年7個(gè)時(shí)相的土地利用數(shù)據(jù)由華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室解譯；點(diǎn)源數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)污染源普查.

表2 滴水湖集水區(qū)土地利用非點(diǎn)源負(fù)荷輸出系數(shù)表Tab.2 The export coefficients of NPS in Lake Dishui watershed

表3 滴水湖集水區(qū)1965—2010年的降雨數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)Tab.3 Rainfall statistics from1965 to 2010 in Lake Dishui watershed

2 結(jié)果與討論

2.1 2008年滴水湖集水區(qū)點(diǎn)源與非點(diǎn)源負(fù)荷數(shù)量特征

2008年，滴水湖集水區(qū)有631家工業(yè)企業(yè)，全年COD產(chǎn)生量1 101.77 t，氨氮產(chǎn)生量3.49 t.由于為新建區(qū)域，污水管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為完善，區(qū)域內(nèi)工業(yè)污水和集中式生活污水等點(diǎn)源全部納管，對(duì)水環(huán)境影響較小，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為影響區(qū)域水環(huán)境的主要因素.

2008年，滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源主要包括土地利用、降雨以及分散排放的農(nóng)村生活污水3類(lèi).（1）土地利用非點(diǎn)源的COD產(chǎn)生負(fù)荷為12 793.59 t，氨氮產(chǎn)生負(fù)荷為159.77 t，TP產(chǎn)生負(fù)荷為63.45 t；降雨非點(diǎn)源的COD產(chǎn)生負(fù)荷為1 328.69 t，氨氮產(chǎn)生負(fù)荷為95.35 t，TP產(chǎn)生負(fù)荷為1.56 t；分散排放的農(nóng)村生活污水的COD產(chǎn)生負(fù)荷為353.43 t，氨氮產(chǎn)生負(fù)荷為35.34 t，TP產(chǎn)生負(fù)荷為8.86 t.（2）土地利用非點(diǎn)源的COD輸移通量為12 159.28 t，氨氮輸移通量為152.58 t，TP輸移通量為60.39 t；降雨非點(diǎn)源的COD輸移通量為1 279.93 t，氨氮輸移通量為92.18 t，TP輸移通量為1.51 t；分散排放的農(nóng)村生活污水的COD輸移通量為325.15 t，氨氮輸移通量為32.52 t，TP輸移通量為8.15 t.

2.2 2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染物的輸移通量及空間分布特征

2.2.1 不同類(lèi)型非點(diǎn)源間的輸移通量差異

3種非點(diǎn)源類(lèi)型中（見(jiàn)圖2），土地利用非點(diǎn)源的污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量最大，其次是降雨和分散排放的生活污水.由此可見(jiàn)，對(duì)土地利用非點(diǎn)源的調(diào)控對(duì)區(qū)域水環(huán)境保護(hù)具有重要意義.

2.2.2 不同類(lèi)型污染物間的輸移通量差異

3種主要污染物中（見(jiàn)圖2），COD最大，氨氮次之，最小的是TP.由于氨氮和TP是影響區(qū)域水環(huán)境的關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，因此，此二指標(biāo)也不容忽視.

2.2.3 二級(jí)集水區(qū)間的輸移通量差異

3個(gè)二級(jí)集水區(qū)中（見(jiàn)圖3），污染物輸移通量較大的集水區(qū)是B11、B8、B6和B13，較小的集水區(qū)主要包括B1、B9、B12和B7.2008年，前者基本為城市化區(qū)域，而后者多以綠地、濕地和低密度住宅為主.可見(jiàn)，城市化程度是影響非點(diǎn)源輸移通量的主要因素之一.

圖2 2008年滴水湖集水區(qū)不同類(lèi)型非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生負(fù)荷與輸移通量Fig.2 Pollutants load and the transport flux of NPS in Lake Dishui watershed in 2008

圖3 2008年滴水湖二級(jí)集水區(qū)非點(diǎn)源污染輸移通量的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui second－class sub－watershed in 2008

2.2.4 二級(jí)集水區(qū)內(nèi)部的輸移通量差異

利用三級(jí)集水區(qū)來(lái)進(jìn)一步探討二級(jí)集水區(qū)內(nèi)部空間分異.137個(gè)三級(jí)集水區(qū)中，產(chǎn)生負(fù)荷較大的集水區(qū)均為城市化水平較高的區(qū)域（圖4中a—c）.

值得注意的是，從三級(jí)集水區(qū)視角來(lái)看，非點(diǎn)源的產(chǎn)生負(fù)荷與輸移通量的空間分布并不一致（圖4中（a）與（d），（b）與（e）、（c）與（f））.城市化率較大的臨港新城主城區(qū)（B8）的非點(diǎn)源污染物輸移通量反而較小，而城市化率較低的區(qū)域（如臨港森林B7）的非點(diǎn)源污染物輸移通量卻較大.究其原因，可能是綠地的源匯效應(yīng)的影響.綠地尤其是有效綠地（可以接納客地徑流的綠地）等“匯”對(duì)非點(diǎn)源污染物起到了較好的緩沖和去除作用，其對(duì)非點(diǎn)源污染物COD、氨氮、TP的總體去除率分別達(dá)到71.01%、69.00%和64.39%［12］.此外，對(duì)于臨港新城此類(lèi)新建區(qū)域而言，綠地尤其是新建綠地又同時(shí)是一種潛在的污染源.以2010年4月21日的降雨事件的EMC為例，滴水湖集水區(qū)某小區(qū)綠地和某公園綠地的COD分別為524.60 mg／L和148.65 mg／L，遠(yuǎn)超過(guò)上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限值；氨氮分別為1.37 mg／L和0.82 mg／L，TP分別為0.38 mg／L和0.65 mg／L，但部分時(shí)段污染物瞬時(shí)濃度劣于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的V類(lèi)限值［12］.

對(duì)于綠地面積較大而有效綠地面積較小的新開(kāi)發(fā)區(qū)域，由于綠地本身為非點(diǎn)源加之綠地對(duì)非點(diǎn)源污染物的削減效應(yīng)并沒(méi)有得到較好發(fā)揮，綠地降雨徑流通過(guò)分流制雨水管網(wǎng)或就近直接排入河網(wǎng)，輸移通量反而較大.因此，該類(lèi)區(qū)域的非點(diǎn)源更應(yīng)得以重視.

圖4 2008年滴水湖三級(jí)集水區(qū)非點(diǎn)源污染輸移通量的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui third－class sub－watershed in 2008

2.3 1965～2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染變化的數(shù)量特征

總體而言，滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量呈增加態(tài)勢(shì)，而輸移通量平均約為產(chǎn)生負(fù)荷的97.93%，綠地等“匯”對(duì)非點(diǎn)源的去除效應(yīng)平均僅為2.07%（見(jiàn)圖5）.此外，產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量均呈現(xiàn)如下三階段變化過(guò)程（見(jiàn)圖6）：

第一階段為解放初期至浦東開(kāi)發(fā)開(kāi)放前期（1965—1994年）.該階段區(qū)域城市化率較低，沿海部分區(qū)域尚未成陸，非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量總量較小，且變化較小.

第二階段為浦東開(kāi)發(fā)開(kāi)放前期至臨港新城成立前（1995—2003年）.受浦東開(kāi)放的輻射效應(yīng)，此階段臨港新城地區(qū)開(kāi)發(fā)速度有一定增加，特別是蘆潮港B12、書(shū)院B2、泥城B10和萬(wàn)祥B5等中心鎮(zhèn)的城市化速度加快，非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量總量呈增加態(tài)勢(shì)，非點(diǎn)源污染問(wèn)題逐步顯現(xiàn).

第三階段為臨港新城成立初期的大規(guī)模建設(shè)階段（2004—2008年）.2004—2006年，雖然非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量的增加速度有降低趨勢(shì)，總量仍呈增加態(tài)勢(shì).2006年以后的增加速度明顯加大，非點(diǎn)源污染問(wèn)題開(kāi)始凸顯.

圖5 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染變化的數(shù)量特征Fig.5 The quantitative characteristic of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

圖6 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染的年均變化速率Fig.6 The average annual rate of change of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.4 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染變化的結(jié)構(gòu)特征

如前所述，土地利用已經(jīng)成為滴水湖集水區(qū)的最主要非點(diǎn)源.因此，探討土地利用非點(diǎn)源的結(jié)構(gòu)特征具有一定的針對(duì)性.

總體而言，滴水湖集水區(qū)土地利用非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量的結(jié)構(gòu)基本一致，居住用地的COD污染最大，而農(nóng)田的氨氮和TP污染較大（見(jiàn)圖7和圖8）.

此外，不同土地利用間的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量具有顯著差異.居住用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地和綠地的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量變化幅度較大，而商服用地的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量數(shù)量較小且變化較慢.對(duì)于COD而言，居住用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖較大；對(duì)于氨氮而言，農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖較大；對(duì)于TP而言，農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖和居住用地較大.值得注意的是，2003年以后呈現(xiàn)農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖和居住用地的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而其他用地類(lèi)型的非點(diǎn)源污染則呈增加態(tài)勢(shì).需要說(shuō)明的是，綠地也是一種非點(diǎn)源，綠地非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，這可能與臨港區(qū)域有效綠地的面積較小，且新建綠地的污染物輸出大有關(guān)［12］.

圖7 1965—2008年滴水湖集水區(qū)土地利用非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生負(fù)荷的結(jié)構(gòu)特征Fig.7 The structural characteristics of the pollutants load of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

圖8 1965—2008年滴水湖集水區(qū)土地利用非點(diǎn)源污染物輸移通量的結(jié)構(gòu)特征Fig.8 The structural characteristics of the transport flux of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.5 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源污染變化的空間分布特征

總體而言，13個(gè)二級(jí)集水區(qū)之間的相對(duì)污染程度隨時(shí)間變化較?。ㄒ?jiàn)圖9—11）.從空間分布來(lái)看，1965—2008年，各二級(jí)集水區(qū)尤其是B6、B9、B11和B12的相對(duì)污染程度總體變化較小.其余二級(jí)集水區(qū)的相對(duì)污染程度有所變化.這可能與區(qū)域的功能定位有關(guān).

B8的非點(diǎn)源污染變化最為顯著.B8現(xiàn)狀為臨港新城主城區(qū)，1989年以前濱海部分未成陸，故而污染程度較小，隨著圍海造田以及其后該區(qū)域城市化的加快，B8逐漸成為二級(jí)集水區(qū)中非點(diǎn)源污染較大的區(qū)域.此外，中心鎮(zhèn)非點(diǎn)源污染相對(duì)較小但呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，這可能與中心鎮(zhèn)的低密度開(kāi)發(fā)有關(guān).

圖9 1965—2008年滴水湖二級(jí)集水區(qū)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生負(fù)荷的空間分布特征（COD）Fig.9 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（COD）

圖10 1965—2008年臨港新城二級(jí)集水區(qū)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生負(fù)荷的空間分布特征（氨氮）Fig.10 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（NH＋4－N）

圖11 1965—2008年臨港新城二級(jí)集水區(qū)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生負(fù)荷的空間分布特征（TP）Fig.11 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（TP）

3 結(jié) 論

基于經(jīng)典的輸出系數(shù)法，初步探討了適合于中國(guó)東部平原河網(wǎng)地區(qū)的半分布式集水區(qū)非點(diǎn)源輸移通量測(cè)算方法.研究結(jié)果如下.

（1）上海滴水湖集水區(qū)內(nèi)點(diǎn)源污染已經(jīng)逐步得到控制，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為集水區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素.滴水湖集水區(qū)非點(diǎn)源類(lèi)型主要包括土地利用、降雨以及分散排放的農(nóng)村生活污水3類(lèi)，其中土地利用是最主要的.

（2）集水區(qū)非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量相差較小，綠地等“匯”對(duì)非點(diǎn)源的去除效應(yīng)平均僅為2.07%，土地利用的“匯”的作用有待提升.

（3）集水區(qū)非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量均呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢(shì)，可初步劃分為三個(gè)變化階段.第一階段為1965—1994年，非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量總量較小，且變化較小；第二階段為1995—2003年，非點(diǎn)源污染問(wèn)題逐步顯現(xiàn)；第三階段為2004—2008年，非點(diǎn)源污染問(wèn)題開(kāi)始凸顯.

（4）13個(gè)二級(jí)集水區(qū)的相對(duì)污染程度總體上隨時(shí)間變化較小，與區(qū)域功能定位、城市化程度以及有效綠地面積比例有關(guān).

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