劉社堂

摘要? ? 水資源平衡分析是進(jìn)行土地整治的前提和基礎(chǔ)，只有摸清整治土地的水資源狀況，才能因地制宜地對整治土地科學(xué)規(guī)劃有效實施，確保經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益最優(yōu)與協(xié)調(diào)統(tǒng)一。以定邊縣鄭寨子村土地整治項目為例，通過計算項目區(qū)域地下水補給量、排泄量、地下水可開采量、需水資源、可供水資源，定量模擬分析了該區(qū)域水資源平衡狀況，結(jié)果表明，項目具有可實施性。實證分析的水資源平衡計算方法，為區(qū)域水資源均衡分析評價提供了可推廣的理論支持。

關(guān)鍵詞? ? 土地整治;水資源;平衡分析;陜西定邊;鄭寨子村

中圖分類號? ? S273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0203-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract? ? The balance analysis of water resource is the precondition and foundation for land consolidation and rehabilitation.The scientific planning for land consolidation and rehabilitation can only be effectively implemented in the manner of adjusting measures to local conditions on the base of finding out the water resources status of land consolidation and rehabilitation，and ensure the optimal and coordinated economic benefits，social benefits and ecological benefits.Taking the land consolidation and rehabilitation project of Zhengzhaizi Village in Dingbian County as an example，the quantitative simulation analysis of the water resources balance in the region was conducted by calculating the groundwater recharge，excretion，groundwater recoverable amount，water resource demand and water availability in the project area.The result revealed that the project is implementable.The empirical analysis of the calculation method of the water resources balance provided the propagable theoretical support for regional water resources equilibrium analysis and evaluation.

Key words? ? land consolidation and rehabilitation;water resources;balance analysis;Dingbian Shaanxi;Zhengzhaizi Village

土地整治工程是為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，運用工程技術(shù)、物理、化學(xué)、生物等手段對低效、退化、未利用土地進(jìn)行整理、修復(fù)、改良，使其發(fā)揮效用的科學(xué)手段，包括土地平整、水利灌溉、田間道路、農(nóng)田保護和生態(tài)環(huán)境工程等。其中，水利灌溉、農(nóng)田保護和生態(tài)環(huán)境工程都是為了改善水土資源匹配，合理有效地利用水資源。水資源是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素，無論是缺水造成的農(nóng)田干旱，還是植被覆蓋率低造成的水土流失，都會影響生產(chǎn)發(fā)展收益。因此，解決水資源問題是土地整治工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水資源平衡分析可以防止出現(xiàn)地下水超采導(dǎo)致水位持續(xù)下降，或因過量開發(fā)利用地下水引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象[1]。因此，依據(jù)項目區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)、水土資源制約等，利用現(xiàn)狀及潛力分析，才能因地制宜地對水資源量化均衡情況進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，確保項目綜合效益最優(yōu)[2]。

本文以陜西省定邊縣鄭寨子村土地整治項目為例，運用定量模擬分析法對項目水資源狀況進(jìn)行探討分析，以期為項目的水資源平衡分析提供借鑒。

1? ? 項目區(qū)水文水資源概況

定邊縣地處陜西省北部，榆林市西端，黃土高原北側(cè)與內(nèi)蒙古草原過渡地帶，位于毛烏素沙漠的南側(cè)風(fēng)沙灘區(qū)。項目區(qū)為半干旱地區(qū)，水資源特點是降水資源少，蒸發(fā)量大，地表徑流貧乏，水質(zhì)較差。定邊縣石洞溝鄉(xiāng)鄭寨子村位于縣城東南方向22 km，區(qū)域內(nèi)主要河流為八里河，河水含氮素高，灌溉石洞溝、安邊以及堆子梁等3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的灘地4 000 hm2，是當(dāng)?shù)刂匾墓喔人础?/p>

項目區(qū)位于祁呂賀山子型構(gòu)造體系伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶的復(fù)合部位，基底穩(wěn)定，構(gòu)造作用微弱，褶皺、斷裂不發(fā)育，巖層微傾向西北。區(qū)域內(nèi)第四系最厚達(dá)到20～164 m。境內(nèi)地下水分布極不均勻，富水性相差懸殊。其中，第四系松散層潛水水資源較豐富，水位淺，水質(zhì)一般;區(qū)內(nèi)下伏基巖潛水一般水資源較小，但水質(zhì)好。項目區(qū)承壓水分布廣泛，水資源微弱。5 m左右的地下水含鹽量為1 518～1 640 mg/L，20～250 m的地下水含鹽量為604～740 mg/L，水質(zhì)好，適宜農(nóng)田灌溉。

2? ? 水資源平衡模擬分析計算

2.1? ? 水資源均衡分析法

水資源均衡法是全面研究一定地區(qū)在一定時間內(nèi)地下水的補給量、儲存量和排泄量之間的數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的平衡計算，即對一個均衡區(qū)或水資源系統(tǒng)，在補給和消耗的不平衡發(fā)展過程中，任一時間段Δt內(nèi)的補給量和排泄量之差，恒等于該系統(tǒng)中水體積（嚴(yán)格地說是水質(zhì)量），如承壓水的彈性釋放和儲存的變化量。分析評價主要依據(jù)是測定區(qū)域天然補給量和開采條件下的補給增量。

選擇有代表性的地段做小范圍均衡試驗，測定各項均衡要素數(shù)值，取計算所需參數(shù)，然后用以計算整個均衡區(qū)的各種補給量[3];如果某些消耗量在開采時仍然存在，不能完全截取，則應(yīng)分別計算補給量的增加量（ΔQ補）與消耗量的減少量（ΔQ消）。

2.2? ? 分析要素及模擬計算

2.2.1? ? 分析基礎(chǔ)因素。一是目標(biāo)含水層組和地下取水水源地的平面位置，根據(jù)水文地質(zhì)條件、取水資源和區(qū)域地下水資源調(diào)查評價的成果等實際要求確定;二是目標(biāo)含水層組的空間分布，根據(jù)必要的地質(zhì)勘探孔資料確定;三是項目所在地區(qū)的實際情況，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水質(zhì)的要求、取水量、灌溉用水分布特征等[4]。

2.2.2? ? 定量模擬計算。將各項均衡要素值代入均衡方程式中，計算出各均衡區(qū)的各項補給量和各項排泄量，進(jìn)而計算灌溉工程需要補充的開采量等。即：建立模型雛形來研究和掌握計算區(qū)域的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，包括含水層的介質(zhì)條件、地下水的流動條件以及含水層的邊界條件等3個方面，從而明確水文地質(zhì)概念模型。同時，根據(jù)生態(tài)狀況，對計算模型予以校驗，使模型雛形符合實際水文地質(zhì)條件，并根據(jù)地下水水位動態(tài)資料檢驗?zāi)Ｐ褪欠裾_，即數(shù)學(xué)運算中的解逆問題，經(jīng)過校正的模型還要用不同時段的資料對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證（即模型檢驗階段）。在此基礎(chǔ)上，運用模型進(jìn)行水位預(yù)報和資源評價。開采動態(tài)預(yù)報核算時，應(yīng)綜合考察邊界條件和地下水的補給、排泄條件可能發(fā)生變化等因素。

3? ? 項目區(qū)灌溉水源總量核算

3.1? ? 地表水資源量分析

鄭寨子土地整治項目區(qū)位于八里河下游。八里河屬內(nèi)流河，發(fā)源于境內(nèi)白于山北麓，流至石洞溝鄉(xiāng)馬家梁以東消失，流長54.5 km，流域面積384 km2，常流量0.2～1.0 m3/s，年徑流量1 698萬m3。但由于項目距八里河約8 km，距離較遠(yuǎn)，且八里河只有在春季時才有水通過。除此以外，項目區(qū)內(nèi)無河流流經(jīng)，地表水資源無法保障。可知，地表水源不能作為本項目灌溉水源。

3.2? ? 地下水水源分析

項目區(qū)內(nèi)地下水按賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征，可分為第四系松散層孔隙潛水、下伏白堊系基巖孔隙—裂隙潛水、承壓水。地下水類型及補徑排條件具體如下。

3.2.1? ? 項目區(qū)第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)《定邊縣風(fēng)沙灘區(qū)地下水資源評價》《榆林市定邊縣地下水勘查報告》資料、陜西省1∶50萬水文地質(zhì)圖等資料成果分析及實地調(diào)查結(jié)果分析，薩拉烏蘇組地下水在項目區(qū)分布[5]。巖性為褐黃色、淺棕黃色間夾灰綠色、灰白色粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂，夾棕紅色泥土透鏡體，具水平層理及魚鱗狀結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙灘地區(qū)厚度一般40～80 m，古河槽中部最厚可達(dá)160 m，近起伏梁崗及黃土斜坡地帶，厚度漸薄為0～20 m。區(qū)域最主要含水層為薩拉烏素組沉積細(xì)、中砂，含水巖組厚20～60 m，據(jù)調(diào)查和相關(guān)資料成果，水位埋深8～10 m，機井水位降深6 m，單井出水資源一般為10～20 m3/h，最大達(dá)46 m3/h，中等富水。

薩拉烏蘇組含水層地下水主要接受降雨入滲、灌溉回歸、側(cè)向徑流補給，降雨入滲補給約占總補給量的70%以上，沙漠灘地區(qū)地形開闊，呈舒緩狀起伏，上覆透水性強的現(xiàn)代風(fēng)積砂，大氣降水不易形成地表徑流而易滲入地下補給潛水，是最主要的地下水補給源。潛水地下水總體上由西南向東北徑流，水力坡度1.5‰～12.5‰。

薩拉烏蘇組地下水水流系統(tǒng)水化學(xué)空間分布差異較大，主要為HCO3類型水。根據(jù)項目區(qū)附近機井調(diào)查，可作為灌溉使用。

3.2.2? ? 下伏白堊系基巖孔隙—裂隙潛水。項目區(qū)白堊系基巖孔隙—裂隙潛水主要為洛河組含水巖（組）（k1Z2），巖性為細(xì)砂巖，粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖。被第四系含水層覆蓋，鉆孔揭露含水層厚度80～1 000 m，頂板埋深一般在40～80 m之間，受含水層巖性及厚度、上覆地層有隔水層分布等因素的影響，含水層賦存條件、補給條件差，屬弱富水區(qū)。其中，在王灘子—白土崗子一線受上覆地層富水性等因素影響，富水性較弱，水位埋深4.4～20.0 m，單井出水資源500～1 000 m3/d。如B6號孔揭露白堊系厚度108.7 m、水位埋深4.4 m、降深22.59 m時，涌水資源870 m3/d，滲透系數(shù)為0.452 m/d。

白堊系地下水的補給主要有大氣降水入滲補給、地表水線狀入滲補給、農(nóng)田灌溉水入滲補給和側(cè)向邊界的斷面徑流補給。接受補給后，白堊系地下水在白于山、子午嶺、四十里梁等地表分水嶺及馬蓮河、延河、明水湖（還有分布于區(qū)內(nèi)西、北部等地的鹽湖）等排泄基準(zhǔn)面控制下，沿分水嶺向河谷或鹽湖徑流排泄、人工開采和側(cè)向斷面徑流排泄。

白堊系地下水水流系統(tǒng)水化學(xué)空間分布差異較大，礦化度多為300～700 mg/L，總體表現(xiàn)為水平方向上水質(zhì)差異大;垂向上受沉積相影響，水化學(xué)類型具有極其復(fù)雜的特征，水質(zhì)情況較好。結(jié)合項目區(qū)的地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點及成井結(jié)構(gòu)調(diào)查分析，研究測定區(qū)域第四系和下伏白堊系之間未發(fā)育存在完整的隔水層，兩者之間互相貫通。上部第四系潛水水資源10～20 m3/h，水質(zhì)可作為灌溉使用，項目區(qū)白堊系地下水為八里河地下水系統(tǒng)，屬弱富水區(qū)，水資源100～500 m3/d，水質(zhì)較好。

綜合考慮到水資源、水質(zhì)可靠性與可行性、項目實施的經(jīng)濟性及保護項目區(qū)水資源的動態(tài)平衡等因素，設(shè)計灌溉水源井取水層以第四系和下伏白堊系砂巖孔隙—裂隙水為開采目的層。

3.3? ? 地下水資源評價

由于灌溉設(shè)計采用項目區(qū)第四系潛水和白堊系碎屑巖孔隙—裂隙潛水，所以應(yīng)對項目區(qū)的四系和白堊系碎屑巖孔隙—裂隙地下水進(jìn)行資源評價。計算公式為：

Q補-Q排=Δω

式中：Q—補給量（降雨入滲補給，側(cè)向徑流補給，凝結(jié)水補給），Q—排泄量（潛水蒸發(fā)，人工開采，下游斷面流出），Δω—儲量變化量。

3.3.1? ? 補給量計算。項目區(qū)主要是大氣降水入滲補給，側(cè)向徑流補給，灌溉入滲和凝結(jié)水補給。

（1）降雨入滲量。項目區(qū)多年平均降雨量根據(jù)降雨等值線圖和相鄰項目資料確定為316.9 mm，降雨入滲系數(shù)參考項目區(qū)附近已實施的同類項目計算值及《陜北能源化工基地地下水勘查報告》等資料[5]，α取0.23。水源地項目區(qū)白堊系地下水的補給主要是基巖裸露的梁岡區(qū)，補給量較小，第四系的補給面積根據(jù)水文地質(zhì)圖確定，總匯水面積（均衡區(qū)計算面積）為1 433 854.8 m2。按下列公式計算降水入滲補給量：

Q降=a降·F·P

式中：Q降—降水入滲補給量（m3/a）;a降—降水入滲補給系數(shù)，取0.23;P—年降水資源（mm）;F—均衡區(qū)計算面積（m2）。

根據(jù)《榆林市水文手冊》，Cv=0.27，Cs/Cv=2.5，模比系數(shù)KP通過查P-Ⅲ曲線，則KP=75%=0.804。

（2）側(cè)向徑流補給量。項目區(qū)地下水接受來自西南邊界的地下水側(cè)向徑流補給。地下水側(cè)向徑流補給量主要是均衡區(qū)周邊對此均衡區(qū)內(nèi)的補償量。計算公式如下：

Q側(cè)補=K·I·B·H

式中：Q側(cè)補—側(cè)向徑流補給量（104 m3/a）;I—水力坡度，按影響半徑的距離上的水位差，取0.2;K—滲透系數(shù)，取區(qū)域中值，8.54 m/d;H—含水層厚度，根據(jù)區(qū)域含水層厚度一般在40～80 m，本次取60 m;B—補給寬度，項目區(qū)西北補給方向邊長，取為2 700 m。

計算結(jié)果：側(cè)向徑流補給量Q側(cè)補=27.67×104 m3/a。

（3）凝結(jié)水補給量。計算公式如下：

Qn=C2·F·t

式中：Qn—凝結(jié)水補給量（m3/d）;C2—凝結(jié)水補給模數(shù)，127.94 mm/km2·d;F—均衡區(qū)計算面積（km2）;t—年補給天數(shù)，取95 d。

計算結(jié)果：凝結(jié)水補給量Qn=17.43×104 m3/a。

由上述計算結(jié)果可知，項目區(qū)的75%保證率總補給量為53.49×104 m3/a，多年平均總補給量為56.07 m3/a。

3.3.2? ? 排泄量計算。區(qū)內(nèi)蒸發(fā)極限深度：參照地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)工程勘查院在項目區(qū)同水文地質(zhì)單元所做的均衡試驗場成果及其他均衡試驗場成果資料，所確定的粉細(xì)砂土蒸發(fā)極限深度為6 m。本項目區(qū)地下水埋深在7 m以下，因而不考慮蒸發(fā)排泄量。項目區(qū)只有側(cè)向徑流排泄量和潛水向下部承壓水的越流排泄量。

（1）側(cè)向徑流排泄量計算。計算區(qū)地下水側(cè)向徑流排泄自東北邊界的地下水側(cè)向排泄。計算公式如下：

Q側(cè)排=K·I·B·H

式中：水力坡度（I）為0.1，斷面寬度（B）為2 000 m。

經(jīng)計算，項目區(qū)側(cè)向排泄量：Q側(cè)排=11.96×104 m3/a。

（2）越流排泄量計算。計算公式如下：

Q越排=K·T·F·ΔH/M

式中：K—下伏地層滲透系數(shù)，取0.115 m/d;M—含水層厚度，區(qū)域資料含水層厚度100～240 m，本次取150 m;ΔH—相鄰2個含水層的水頭差1 m;F—計算區(qū)面積（m2）;T—計算時間，365 d。

經(jīng)計算，Q越排=40.12×104 m3/a。

項目區(qū)總排泄量：Q總排=E+Q側(cè)排+Q越排=52.08×104 m3/a。

項目區(qū)地下水多年平均總補給量56.07×104 m3/a，75%保證率總補給量53.49×104 m3/a，多年平均總排泄量52.08×104 m3/a，多年平均補排差2.58×104 m3/a，75%保證率補排差1.41×104 m3/a?？梢钥闯觯椖繀^(qū)補給量略大于排泄量，基本平衡。

（3）地下水可開采量計算。采用可開采系數(shù)法，

計算公式為：Q可=ρ·Wa

式中：Q可—可開采量（m3/a）;ρ—可開采系數(shù)，參考相類似地區(qū)取0.55;Wa—總補給量（m3/a）。

計算的項目區(qū)潛水多年平均可開采量為30.84×104 m3/a，75%保證率下可開采量為29.42×104 m3/a。

3.4? ? 供水資源總量確定

項目區(qū)灌溉水源為開采項目區(qū)地下水潛水，考慮項目區(qū)生態(tài)用水，生態(tài)年用水資源按可開采水資源的10%取值，年平均3.08萬m3/a，75%保證率下為2.94×104 m3/a。

項目區(qū)為天然牧草地、沙地及其他草地，由于未開發(fā)，所以沒有已建成的機井，也沒有其他用水戶。因此，本次設(shè)計項目區(qū)的可供水資源視同為地下水可開采量減去預(yù)留的生態(tài)用水資源。即：年平均地下水可供水資源為27.76×104 m3/a;75%保證率下可供水資源為26.48×104 m3/a。

4? ? 灌溉需水總量預(yù)測

4.1? ? 區(qū)域灌溉制度設(shè)計

依據(jù)《陜西省土地開發(fā)整理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，并考慮項目區(qū)自然和社會經(jīng)濟情況，土地整治項目區(qū)設(shè)計水平年為一般干旱年，設(shè)計灌溉保證率為75%。

根據(jù)項目區(qū)地形及灌溉設(shè)施條件，結(jié)合當(dāng)?shù)厝罕姷囊庖姡椖繀^(qū)田塊規(guī)劃為高效節(jié)水示范區(qū)，一部分發(fā)展中心支軸式噴灌，噴灌覆蓋不到的區(qū)域，則采用滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，即噴灌區(qū)和滴灌區(qū)兩大方面。

4.2? ? 作物種類及種植面積

項目區(qū)作物復(fù)種指數(shù)為1.0，噴灌區(qū)設(shè)計耕地面積24.130 4 hm2，滴灌區(qū)設(shè)計耕地面積30.686 9 hm2，總耕地面積為54.817 4 hm2，全部種植玉米。

4.3? ? 灌溉參數(shù)設(shè)計與定額

4.3.1? ? 利用系數(shù)。噴灌區(qū)噴灑水利用系數(shù)80%，設(shè)計灌溉保證率75%。滴灌區(qū)滴灌要求灌溉水利用系數(shù)不小于90%，取值為95%。

4.3.2? ? 灌溉定額確定。依據(jù)《陜西省作物需水資源與分區(qū)灌溉模式》中對玉米灌溉模式分析可知，玉米的生長階段為播前、育苗、拔節(jié)、抽穗及乳熟期。項目完成后，鹽堿土被改良為砂壤土，根據(jù)陜北地區(qū)測定土壤含水資源的經(jīng)驗：田間持水率，根據(jù)項目區(qū)土壤特點，取25%;土壤計劃濕潤層深度，取40 cm;土壤適宜含水資源（重量百分比）上限，取90%;土壤適宜含水資源（重量百分比）下限，取64%;壤干容重取1.4 t/m3;水容重取1 t/m3。

核算：灌溉凈需水資源=10×1.4×40×25%×（90%-64%）=36.4 mm（折合364.5 m3/hm2），項目噴灌的噴灑水利用系數(shù)為80%。

4.4? ? 需水資源總量核定

根據(jù)需水資源公式W=m·A/η，毛需水資源為364.5/0.8=455.625 m3/hm2。

結(jié)合實際，確定項目噴灌灌水定額為450 m3/hm2，全生育期灌溉5次;滴灌灌水定額為330 m3/hm2，全生育期灌溉5次（表2）。

根據(jù)作物灌溉定額，噴灌區(qū)設(shè)計耕地面積24.130 4 hm2，需水資源為5.43×104 m3/a;滴灌區(qū)設(shè)計耕地面積30.686 9 hm2，需水資源為5.06×104 m3/a。

經(jīng)計算，灌溉區(qū)域內(nèi)玉米需水資源總量為10.49×104 m3/a。

5? ? 水資源供需平衡分析

5.1? ? 水資源平衡計算

項目實施后，井灌水對地下水有回歸補給，依據(jù)供需平衡差公式：

ΔQ=Q可-Q需

式中：ΔQ—供需平衡差（104 m3/a）;Q可—可供水資源（104 m3/a）;Q需—總需水資源（104 m3/a）。

項目區(qū)多年平均可供水資源27.76×104 m3/a，75%保證率可供水資源26.48×104 m3/a，項目區(qū)1、項目區(qū)2灌溉需水資源分別為10.49×104、10.3×104 m3/a，多年平均供需平衡差為6.96×104 m3/a，75%保證率供需平衡差為5.68×104 m3/a?？梢钥闯?，多年平均可供水資源、75%保證率可供水資源（已預(yù)留生態(tài)用水）均能滿足項目的灌溉用水資源。同時，項目實施后灌溉可產(chǎn)生農(nóng)田灌溉回滲補給量，可進(jìn)一步保障灌溉的供水保證率。

綜上所述，項目實施后無論多年平均或75%保證率下，項目區(qū)地下水可供水資源能滿足灌溉用水資源。

5.2? ? 結(jié)論與討論

通過對陜西省定邊縣鄭寨子村土地整治項目區(qū)水資源供需平衡的定量模擬計算，可以看出，項目區(qū)年均地下水可開采量能夠滿足灌溉水資源需求。同時，土地開發(fā)項目實施后，水資源供需平衡，并略有節(jié)余。水資源的綜合利用能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域補排平衡，項目的實施不會對水資源平衡體系和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

水資源平衡分析是土地整治規(guī)劃設(shè)計的重要組成部分，也是決定項目能否實施規(guī)劃設(shè)計的依據(jù)，是水資源高效利用的前提和基礎(chǔ)[6]。后期，在土地開發(fā)工程實踐中，應(yīng)有效地運用科學(xué)的水資源平衡分析方法，合理規(guī)劃與設(shè)計，調(diào)整區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，真正實現(xiàn)土地工程經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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