(中原工學(xué)院 a.系統(tǒng)與工業(yè)工程技術(shù)研究中心；b.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，鄭州 450007)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，城鄉(xiāng)生活用水、工農(nóng)業(yè)用水迅速增加，水資源供需矛盾已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。目前水資源供需平衡的研究方法主要是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，在預(yù)測(cè)供需時(shí)主要采用動(dòng)態(tài)仿真模擬、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色預(yù)測(cè)方法。2006年范英英等采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了北京市水資源動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真模擬進(jìn)行供需水預(yù)測(cè)[1]；2009年趙軍凱等以開(kāi)封市為例，運(yùn)用灰色系統(tǒng)原理，對(duì)開(kāi)封市水資源進(jìn)行了供需平衡及預(yù)測(cè)分析[2]；2011年邵全忠基于灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)河南省需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[3]。

本文從河南省水資源現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合華中地區(qū)特點(diǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)理論，構(gòu)建GM(1，1)模型，對(duì)不同水平年不同保證率下河南省供水量和需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)河南省水資源進(jìn)行了供需平衡分析，以期為河南省政府和水行政主管部門(mén)制定水資源可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 河南省水資源供需現(xiàn)狀

河南省位于我國(guó)中東部，地處南暖溫帶和北亞熱帶地區(qū)，氣候有明顯的過(guò)渡性特征。河南省河川徑流地表水資源主要由降雨形成。全省多年平均降水量為784 mm，多年平均河川天然徑流量為312.7億 m3，多年平均淺層地下水資源量為208.3億 m3，多年平均水資源總量為413.4億m3，占全國(guó)水資源總量的1.47%，居全國(guó)第19位。河南省水旱災(zāi)害頻繁，而且旱災(zāi)范圍廣，洪澇災(zāi)害重，為全國(guó)重災(zāi)區(qū)之一。

以2011年為例。根據(jù)2011年河南省水資源公報(bào)[4]，2011 年全省平均降水量736.2 mm，折合降水總量1218.602億 m3，較上年減少12.5%，較多年均值減少4.6%，省轄海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江流域降水量分別為630.9 mm、792.1 mm、715.3 mm和786.6 mm，與多年均值相比，海河、黃河流域有所增加，增幅分別為3.4%、25.1%；淮河、長(zhǎng)江流域有所減少，減幅分別為15.1%和 4.3%。2011年屬稍偏枯年份。

2011 年全省地表水資源量222.5億 m3，折合徑流深134.4 mm，比多年均值304.0億 m3偏少26.8%。全省地下水資源量為 191.80 億 m3，地下水資源模數(shù)為11.6 萬(wàn) m3/km2，比多年均值減少 2.1%。2011年全省水資源總量為 327.94 億 m3，比多年均值偏少18.7%，人均水資源量349 m3，只相當(dāng)于全國(guó)的1/5，遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均1 700 m3的水資源緊張警戒線(xiàn)，平均產(chǎn)水模數(shù) 19.8 萬(wàn) m3/km2，產(chǎn)水系數(shù) 0.27。

2011 年末全省 22 座大型水庫(kù)和 104 座中型水庫(kù)蓄水總量57.43 億 m3。其中，大型水庫(kù)年末蓄水量 46.29 億 m3,中型水庫(kù) 11.14 億 m3。2011 年末全省平原區(qū)淺層地下水位與上年末相比略有下降，平均降幅 0.18 m，相應(yīng)地下水儲(chǔ)存量與上年相比減少 5.7 億 m3;全省平原區(qū)淺層地下水漏斗區(qū)總面積為 7 346 km2，約占平原總面積的 8.7%，比上年減少 150 km2。

2011年全省總供水量為 229.04 億 m3。其中地表水源供水 96.86 億 m3，占總供水量的 42.3%；地下水源供水 131.30 億 m3，占總供水量的57.3%；集雨及其他水源工程供水 0.88億 m3，占總供水量的 0.4%。在地表水開(kāi)發(fā)利用中，引用入過(guò)境水量為 35.50 億 m3(包括引黃河干流水量 34.22 億 m3)，其中流域間相互調(diào)水 20.63 億 m3。在地下水利用中，開(kāi)采淺層地下水120.27 億 m3，中深層地下水 11.03 億 m3。

2011 年全省總用水量為229.04 億 m3。其中農(nóng)、林、漁業(yè)用水124.61 億 m3(農(nóng)田灌溉114.52 億m3)，占 54.4%；工業(yè)用水56.81 億 m3，占 24.8%；城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水 47.62 億 m3(其中城鎮(zhèn)生活、環(huán)境綜合用水 29.36 億 m3)，占 20.8%。全省用水消耗總量 130.42 億 m3，占總用水量的 56.9%，其中農(nóng)林漁業(yè)用水消耗量占 66.2%，工業(yè)用水消耗占 10.3%，城鄉(xiāng)生活、環(huán)境用水消耗占 23.5%。

2011年全省人均用水量為 237 m3。萬(wàn)元 GDP 用水量為 64 m3；農(nóng)田灌溉畝均用水量為 164 m3；噸糧用水量約 148 m3；萬(wàn)元工業(yè)增加值取水量為 39 m3，工業(yè)企業(yè)重復(fù)用水率86.59%，與《中國(guó)城市節(jié)水2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》所要求的工業(yè)用水率大于75%、工業(yè)萬(wàn)元增加值取水量小于40 m3相比，工業(yè)節(jié)水水平較高，但與先進(jìn)國(guó)家與地區(qū)工業(yè)用水水平相比，仍有工業(yè)節(jié)水潛力。

2 灰色預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)介

灰色預(yù)測(cè)是指利用GM模型對(duì)系統(tǒng)行為特征的發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要用灰色系統(tǒng)理論中的GM(1，1)模型進(jìn)行處理[5-6]。

GM(1，1)模型的構(gòu)建如下：

(1)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與處理

設(shè)某指標(biāo)近期多年的實(shí)測(cè)值為數(shù)列x(0)：

x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))

計(jì)算數(shù)列的級(jí)比

做AGO生成數(shù)列：

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))，

求均值數(shù)列：

z(1)(k)=(z(1)(2),z(1)(3),…,z(1)(n))=

0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1) (k=2,3,…,n)

(2)建立GM(1，1)模型

GM(1，1)的灰微分方程為：

x(0)(k)+az(1)(k)=b(k=2,3,…,n)

相應(yīng)的白化微分方程為：

求解白化微分方程，可得預(yù)測(cè)值為：

且

Y1=(x(0)(2),x(0)(3)，…，x(0)(n))T,

(3)精度檢驗(yàn)

3 河南省水資源供需預(yù)測(cè)分析

3.1 河南水資源需水量預(yù)測(cè)

3.1.1 農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)

農(nóng)業(yè)需水量包括灌溉需水量、漁業(yè)需水量及牲畜需水量。以現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以保障社會(huì)發(fā)展和提高農(nóng)民收入為目標(biāo)，根據(jù)2006-2011年的農(nóng)林漁業(yè)用水量數(shù)據(jù)，利用GM(1，1)模型，結(jié)合河南省人民政府2011年1月21日印發(fā)的《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，參照河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》(DB41/T 385-2004)，同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展所導(dǎo)致的用水需求增長(zhǎng)、節(jié)水技術(shù)應(yīng)用和推廣等降低農(nóng)業(yè)需水量因素的綜合影響，對(duì)河南省2015年、2020年、2025年和2030年的農(nóng)業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)[3-7]。

3.1.1.1 灌溉需水預(yù)測(cè)

灌溉需水取決于灌溉面積和毛灌溉定額。毛灌溉定額與灌溉水利用系數(shù)密切相關(guān)。灌溉面積的發(fā)展與區(qū)域的自然地理狀況、水資源條件、農(nóng)產(chǎn)品需求量以及農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口量有著密切的關(guān)系。河南省耕地面積總體呈減少趨勢(shì)，建設(shè)占用是導(dǎo)致耕地減少的主要因素。不同規(guī)劃水平年河南省有效灌溉面積及農(nóng)田灌溉定額預(yù)測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同水平年河南省有效灌溉面積預(yù)測(cè) 萬(wàn)畝

表2 不同水平年不同保證率下河南省灌溉定額預(yù)測(cè) m3/畝

由表1和表2可得，不同水平年河南省灌溉需水預(yù)測(cè)結(jié)果，如表3所示。

表3 不同水平年不同保證率下河南省灌溉需水預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.1.1.2 漁業(yè)需水預(yù)測(cè)

漁業(yè)需水指單位養(yǎng)殖水面一年內(nèi)維持某一適宜范圍水深所需的補(bǔ)水量。結(jié)合《河南省現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)測(cè)不同水平年魚(yú)塘補(bǔ)水量，如表4所示。

表4 不同水平年不同保證率下河南省魚(yú)塘補(bǔ)水量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.1.1.3 牲畜需水預(yù)測(cè)

牲畜需水量采用日需水定額法預(yù)測(cè)，將牲畜分為大牲畜和小牲畜兩類(lèi)。根據(jù)河南省畜牧業(yè)用水定額，目前大牲畜和小牲畜日需水定額分別為40 L和6 L。根據(jù)河南省畜牧業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及牲畜日需水定額，預(yù)測(cè)不同水平年牲畜需水量，如表5所示。

表5 不同水平年河南省牲畜需水預(yù)測(cè)結(jié)果 億 m3

3.1.1.4 農(nóng)業(yè)需水總量預(yù)測(cè)

由以上分項(xiàng)預(yù)測(cè)結(jié)果可得，不同水平年不同保證率下河南省農(nóng)業(yè)需水總量預(yù)測(cè)結(jié)果，如表6所示。

表6 不同水平年不同保證率下河南省農(nóng)業(yè)需水總量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

總體而言，河南省農(nóng)業(yè)用水量將呈下降趨勢(shì)。一方面，是由于農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的推廣和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整；另一方面是隨著城鎮(zhèn)化率的提高，有一部分農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，城市面積擴(kuò)大，農(nóng)村面積和耕地縮小，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水量下降。

3.1.2 工業(yè)需水預(yù)測(cè)

隨著工藝水平提高和節(jié)水措施的增加，工業(yè)用水定額大幅下降，2011現(xiàn)狀年工業(yè)產(chǎn)值萬(wàn)元取水量為39 m3，工業(yè)企業(yè)重復(fù)用水率為86.59%。根據(jù)河南省政府《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施意見(jiàn)》及河南省2015年用水效率控制目標(biāo)，2015年工業(yè)產(chǎn)值萬(wàn)元取水量將控制在30 m3，到2030年用水效率將達(dá)到或接近全國(guó)先進(jìn)水平。根據(jù)2006-2011年的工業(yè)用水量數(shù)據(jù)，利用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)河南省不同水平年工業(yè)需水，預(yù)測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 不同水平年河南省工業(yè)需水預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.1.3 生活需水預(yù)測(cè)

生活需水包括城鎮(zhèn)居民生活需水和農(nóng)村居民生活需水。隨著城鎮(zhèn)化率的提高，城鎮(zhèn)生活用水定額有所提高，農(nóng)村生活需水增長(zhǎng)相對(duì)較慢。2011年城市人均日生活用水量206 L，城鎮(zhèn)人口數(shù)為4 255萬(wàn)人；農(nóng)村人均日生活用水量83 L，農(nóng)村人口數(shù)為6 234萬(wàn)人；城鎮(zhèn)化率為40.60%。按照《河南生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃指標(biāo)》，2020年河南城鎮(zhèn)化率要達(dá)到55%，2030年要達(dá)到60%。此外，《河南省人口發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出年均人口自然增長(zhǎng)率要控制在7.1‰以?xún)?nèi)，人口控制在1.05億以?xún)?nèi)。2012年7月22日，河南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、河南省發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合下發(fā)通知，在全省范圍內(nèi)開(kāi)展節(jié)水型城市創(chuàng)建活動(dòng)，以進(jìn)一步推進(jìn)河南省城市節(jié)約用水工作，提高城市用水效率，改善城市水環(huán)境，加快資源節(jié)約型社會(huì)建設(shè)。河南省規(guī)劃2030年節(jié)水型衛(wèi)生器具普及率達(dá)到80%，用水器具改造率達(dá)到90%，公共生活冷卻水循環(huán)利用率達(dá)到96%以上。

根據(jù)2006-2011年河南省生活用水量數(shù)據(jù)，利用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)不同水平年居民生活用水定額及人口數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表8和表9所示。

表8 不同水平年河南省居民生活用水定額預(yù)測(cè)結(jié)果 L/d

表9 不同水平年河南省人口數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果 萬(wàn)人

由以上結(jié)果可得不同水平年河南省生活需水總量預(yù)測(cè)結(jié)果，如表10所示。

表10 不同水平年河南省生活需水預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.1.4 生態(tài)需水預(yù)測(cè)

生態(tài)需水包括河道內(nèi)生態(tài)用水和河道外生態(tài)用水。河道內(nèi)生態(tài)用水包括河湖補(bǔ)水、河流沖沙用水、非汛期生態(tài)流量等；河道外生態(tài)用水包括城市綠化、人工生態(tài)林草地用水等。加強(qiáng)水資源管理、促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)，是保障和改善民生的重要任務(wù)。2010年河南省正式啟動(dòng)生態(tài)省建設(shè)，擬通過(guò)20年的生態(tài)文明建設(shè)，到2030年全面完成生態(tài)省規(guī)劃建設(shè)任務(wù)。根據(jù)《河南生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃綱要》，2015年全省綠化覆蓋率要達(dá)到39%,2020年要達(dá)到40.5%。不同水平年河南省生態(tài)需水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表11所示。

表11 不同水平年河南省生態(tài)需水預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.1.5 不同保證率需水總量

根據(jù)以上結(jié)果可得不同水平年不同保證率下河南省需水總量預(yù)測(cè)結(jié)果，如表12所示。

表12 不同水平年不同保證率下河南省需水總量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.2 河南水資源可供水量預(yù)測(cè)

可供水量是指在不同水平年、不同保證率的情況下，考慮需水要求，供水工程設(shè)施可能提供的水量。供水預(yù)測(cè)要充分考慮來(lái)水條件、用水條件、水質(zhì)條件及工程條件的影響。工程的棄水和不能為用戶(hù)所利用的水量都不能作為工程可能提供的水量。在區(qū)域水資源分析計(jì)算中供水預(yù)測(cè)能反映出水資源的余缺程度，能適應(yīng)現(xiàn)狀、近期和遠(yuǎn)景各種不同水平年的供需分析。河南省近遠(yuǎn)期的可供水量，包括水庫(kù)、塘堰、河流渠道引水工程、南水北調(diào)中線(xiàn)工程、地下水、污水處理回用等提供的水量。

3.2.1 蓄水工程可供水量預(yù)測(cè)

結(jié)合一些資料齊全的不同調(diào)節(jié)能力的典型水庫(kù)的可供水量，根據(jù)2006-2011年的已知數(shù)據(jù)，利用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)不同水平年不同保證率下河南省蓄水工程可供水量，預(yù)測(cè)結(jié)果如表13所示。

表13 不同水平年不同保證率下河南省蓄水工程可供水量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.2.2 引、提水工程可供水量預(yù)測(cè)

由2006-2011年的已知數(shù)據(jù)，考慮已成引、提水工程經(jīng)過(guò)挖潛、改造及水量的合理調(diào)配后新增的可供水量，同時(shí)考慮工程老化、損壞、淤積等對(duì)供水能力的衰減影響，利用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)不同水平年河南省引、提水工程可供水量，預(yù)測(cè)結(jié)果如表14所示。

表14 不同水平年河南省引、提水工程可供水量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.2.3 地下水可供水量預(yù)測(cè)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，加之地表水和淺層地下水受到污染，中深層地下水成為主要供水水源。目前河南省每年抽取地下水近140億m3，占供水量的59%。地下水超采區(qū)達(dá)10 000 km2，超采區(qū)中心水位每年以近1 m的速率下降，豫北平原超采尤為嚴(yán)重，引發(fā)了水質(zhì)惡化、地面沉降等一系列地質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題，已嚴(yán)重影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，隨著《河南省地下水保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》等各項(xiàng)措施的落實(shí)，地下水源得到了一定保護(hù)，但由于用水需求增長(zhǎng)，地下水開(kāi)采仍處于日益增長(zhǎng)的狀態(tài)。不同水平年不同保證率下河南省地下水可供水量預(yù)測(cè)如表15所示。

表15 不同水平年不同保證率下河南省地下水可供水量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.2.4 南水北調(diào)中線(xiàn)工程可供水量

在南水北調(diào)中線(xiàn)工程中，河南省既是水源地，又是受水區(qū)。河南省是我國(guó)人均水資源量嚴(yán)重短缺的省份之一，南水北調(diào)中線(xiàn)工程的實(shí)施，將從根本上緩解人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的水資源短缺壓力。

南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程計(jì)劃于2013年底建成，2014年10月通水，規(guī)劃年調(diào)水量95億 m3，分配給河南省37.69億 m3，占39.7%，扣除南陽(yáng)引丹灌區(qū)分水量和總干渠輸水損失后，河南省總干渠城市分水口門(mén)水量為29.94億 m3。后期進(jìn)一步擴(kuò)大從漢江丹江口水庫(kù)引水規(guī)模，年均調(diào)水量將達(dá)到130億 m3，工程預(yù)計(jì)在2030年完成。因此，2015-2030年南水北調(diào)中線(xiàn)工程年可供水量29.94億 m3。

3.2.5 污水處理回用

根據(jù)《河南省水污染防治條例》及《河南省“十二五”城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，河南省“十二五”期間將投入325億元治理城鎮(zhèn)污水，但由于人口增長(zhǎng)與工業(yè)發(fā)展，污水排放量仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

根據(jù)2006-2011年污水排放量數(shù)據(jù)，用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)不同水平年河南省污水排放量，預(yù)測(cè)結(jié)果如表16所示。

表16 不同水平年河南省污水排放量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

根據(jù)《河南省“十二五”城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，到2015年，縣級(jí)以上城市污水處理率達(dá)到85%以上,再生水利用率達(dá)到30%以上。不同水平年河南省污水回用量預(yù)測(cè)結(jié)果如表17所示。

表17 不同水平年河南省污水回用量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

3.2.6 可供水總量

根據(jù)以上結(jié)果，不同水平年不同保證率下河南省可供水總量預(yù)測(cè)結(jié)果如表18所示。

表18 不同水平年不同保證率下河南省可供水總量預(yù)測(cè)結(jié)果 億m3

4 河南省水資源供需平衡分析

水資源供需平衡分析的目的是在沒(méi)有新增供水和節(jié)水等投入下，定量確定區(qū)域水資源供需的前景，暴露發(fā)展進(jìn)程中水資源的供需矛盾[8]。需水量指規(guī)劃水平年社會(huì)經(jīng)濟(jì)按照當(dāng)?shù)刂贫ǖ哪繕?biāo)發(fā)展、節(jié)水措施正常投入、生態(tài)保護(hù)目標(biāo)正常增長(zhǎng)下的需水量。以現(xiàn)有水利設(shè)施不變?yōu)榍疤?，扣除不合理的供水量，在外延式發(fā)展形勢(shì)下供水量展示了區(qū)域水資源供需矛盾。河南省不同水平年供水能力與需水量平衡分析如表19所示，其中缺水量=可供水量-需水量。

表19 不同水平年河南省水資源供需平衡分析表 億m3

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以2011年為現(xiàn)狀水平年，將河南省各行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)與用水定額相結(jié)合，運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)出不同水平年不同保證率下的需水量與供水量，并進(jìn)行水資源供需平衡分析。結(jié)果表明，河南省水資源利用既存在危機(jī)又存在潛力。造成這種局面的主要原因是工業(yè)快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，需水量增加過(guò)快，導(dǎo)致供需矛盾。如果不做好水資源的開(kāi)發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)和優(yōu)化配置，必將加劇供需矛盾，制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，河南省水資源的利用又存在較大潛力。從分析結(jié)果可以看出，缺水量總體呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明未來(lái)隨著河南綜合實(shí)力的提高，各項(xiàng)保護(hù)措施的落實(shí)，水資源的供需矛盾可得到有效緩解。此外，南水北調(diào)中線(xiàn)工程建成通水后，可有效解決河南水資源短缺的問(wèn)題，同時(shí)，地下水開(kāi)采量將會(huì)大幅減少。

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