随着城市化、 工业化进程的不断加快和城市建设用地规模的不断扩大,来自工业、 生活、 交通等领域的污染物排放量显著增加,导致城市景观水体污染日趋加重,水质不断恶化[1, 2, 3]. 其中,水体富营养化就是一个极为典型的问题[4]. 大量调查和研究表明,水域功能是否能够满足相应的水质目标要求,很大程度上是由氮、 磷生境要素所属水质类别所决定,表明氮磷污染对于地表水质的重要影响[5, 6]. 景观水体是城市人居环境中重要的组成部分,主要包括小型的天然湖库、 人造湖泊、 与房地产开发相配套的人造景观湖以及各种景观用河道等. 由于城市景观水体大都地处城区的中心地域,面积相对较小、 且被街区包围,除少数城市的景观水体能够引流入内外,绝大多数都处于一种近似封闭或半封闭的状态,水体流动性较差,容易发生富营养化[7]. 目前,针对小型景观水体污染和富营养化问题的研究,引起人们的关注[8, 9, 10, 11, 12].
合肥市是安徽省省会,因东淝河与南淝河由此发源而得名,特别是其绵延8.7 km、 面积达137.6 hm2的敞开式环城公园,构成了一幅“园在城中、 城在园中”的城景交融格局. 1992年,合肥市与北京、 珠海一道被评为全国首批3个“园林城市”. 同全国其他很多城市一样,近年来合肥市也面临景观水体污染和富营养化的困扰. 虽然主城区已实现污水截流,但排水管网渗漏及城市非点源污染依旧威胁景观水体水质安全. 李如忠等[13]曾对合肥市主城区地表灰尘氮、 磷含量开展较为系统的调查,发现灰尘中TN、 TP平均含量分别高达1 418.21 mg ·kg-1、 948.34 mg ·kg-1,表明城市非点源污染具有很高的潜在风险. 目前,合肥市已初步完成环城公园水系补水中水回用工程建设,但由于受生产规模和水质处理能力等的限制,补水效果还不能令人满意. 尽管合肥市政府关注城区景观水体的水环境问题,但对景观水体的水质状况,仍还缺乏专门、 系统的调查和深入研究. 鉴于此,本研究以该市环城水系中6个典型景观水体为对象,在连续11个月水样采集和分析测试基础上,开展水体氮磷污染特征分析与富营养化状况评估,并探究影响景观水体水环境质量和导致不同水体间水质显著差异性的主要原因,以期为景观水体水环境保护和水质状况改善提供科学依据.
1 研究区概况
合肥市地处安徽省中部,位于巢湖之滨,属亚热带湿润季风气候,年均气温15.7℃,降雨量近1 000 mm. 市域总面积7 029 km2,户籍总人口480万. 位于主城区的环城公园有着合肥市“翡翠项链”的美誉,它是由南淝河及古护城河围成的敞开式环城公园,主要包括包河公园、 银河公园、 逍遥津公园、 雨花塘景区、 黑池坝景区等若干相对独立的湖泊型景观单元. 除南淝河水体具有较高的开放程度外,其它景观水体几乎都处于相对封闭状态,虽然部分水体之间也有涵管联通,但由于缺乏水动力条件,彼此交换能力相当弱.
南淝河是巢湖水体主要入湖河流之一,河道上游从合肥市中心地带穿过,为老城区北部和东部环城水系的构成主体. 尽管城区内已基本实现管道截污,但由于老城区排水管网渗漏、 城区非点源污染输入、 沉积层内源释放及来自四里河、 板桥河等支流未经处理的污水汇入等影响,使得南淝河水体水质一直较差. 根据合肥市环境状况公报,南淝河水质常年处于劣Ⅴ类,主要超标污染物为COD、 TN、 TP和NH+4-N. 环城水系中6个主要水体的基本水力参数见表 1[14]. 不难看出,除南淝河外,其它5个水体都为小型景观水体.
![]() | 表 1 景观水体的基本特征 Table 1 Basic physical characteristic of each landscape water body |
2.1 采样点的布设
根据景观水体的基本特征,在包河公园、 银河公园、 逍遥津公园以及雨花塘、 黑池坝景区等湖泊型景观水体上,各筛选3个具有代表性的采样点位. 对于南淝河城市段,考虑在蒙城路桥至屯溪路桥之间布置4个采样点,整个研究共设置19个采样点,见图 1. 在数据处理上,每次均以水体内多个采样点位的平均值代表该水体水质.
![]() | 图 1 各景观水体采样点分布示意 Fig. 1 Sketch-map of sampling sites in each landscape water body |
2012年9月~2013年7月,按每旬1次的采样频次采集水样,且水样采集工作安排在同一天内进行. 水样在水面以下0.3 m采集,立即送往实验室低温保存. 实验室测定指标主要包括总氮(TN)、 氨氮(NH+4-N)、 硝酸盐氮(NO-3-N)、 亚硝酸盐氮(NO-2-N)、 总磷(TP)、 磷酸盐(PO3-4-P)、 化学需氧量(COD)及叶绿素a(Chl-a)等. 其中,仅在2013年6月和7月开展了Chl-a浓度的分析测试. 现场测定指标主要有pH值、 电导率(EC)、 氧化还原电位(ORP)及水温(WT)等.
2.2.2 分析测试方法 水样预处理及分析测试,参照国家相关标准方法[15]. 其中,TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,TP采用过硫酸钾消解紫外分光光度法,NH+4-N为纳氏试剂比色法,NO-3-N为紫外分光光度法,PO3-4-P为钼锑抗分光光度法,NO-2-N为N-(1-萘基)-乙二胺光度法,COD采用快速催化消解分光光度法,Chl-a采用冷冻浸提法测定等. pH、 WT和EC使用哈纳HI98130pH/EC/TDS/℃测试笔测定; 水体ORP采用ORP-986高精度笔式ORP计测定. 2.3 数据处理采用SPSS 17.0统计软件进行数据处理及方差分析(ANOVA)和聚类分析,并用Origin 8.0和SPSS 17.0软件进行图形绘制.
3 结果与分析 3.1 景观水体氮磷浓度的统计分析6个景观水体氮磷浓度的统计结果见图 2所示. 不难看出,不同景观水体水质指标的差异性较为明显. 就TN浓度来看,黑池坝水体不仅浓度高而且变化范围大,平均浓度达14.83 mg ·L-1; 南淝河水体次之,为11.84 mg ·L-1; 其次是银河和雨花塘,平均值分别为4.29和4.99 mg ·L-1; 而包河公园和逍遥津公园水体仅为1.0 mg ·L-1左右. 除了包河公园、 逍遥津公园水体外,其它水体TN平均浓度均达《国家地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的劣Ⅴ类水平. 在NH+4-N方面,南淝河、 黑池坝和银河公园水体浓度较高,平均值分别达8.62、 6.37和2.46 mg ·L-1,均为劣Ⅴ类; 雨花塘水体则为1.37 mg ·L-1; 而包河公园和逍遥津公园平均浓度分别仅为0.70 mg ·L-1和0.62 mg ·L-1. 在NO-3-N浓度方面,黑池坝水体浓度相对最高,平均达6.18mg ·L-1,其次是雨花塘和南淝河水体,平均浓度分别为2.58 mg ·L-1和2.00 mg ·L-1,而包河公园、 逍遥津公园水体平均浓度则仅为0.18 mg ·L-1和0.27 mg ·L-1. 南淝河、 黑池坝水体NO-2-N浓度稍高于其它4个水体,但平均浓度均不超过0.42 mg ·L-1.
![]() | 图 2 各景观水体氮磷浓度的统计结果 Fig. 2 Statistical results of nitrogen and phosphorus concentrations in each landscape water 从上到下的横线分别代表 90%、 75%、 50%、 25%和10%数据信息 |
从TP浓度来看,南淝河平均值最高,达0.71 mg ·L-1,为劣Ⅴ类; 雨花塘和包河公园水体相对较低,平均浓度分别为0.05 mg ·L-1和0.06 mg ·L-1,恰好对应于地表水的Ⅲ、 Ⅳ类标准(以湖、 库计,下同); 黑池坝和逍遥津公园平均浓度分别为0.13 mg ·L-1和0.19mg ·L-1,达Ⅴ类标准; 银河公园水体平均浓度为0.29mg ·L-1,为劣Ⅴ类. 从PO3-4-P浓度看,南淝河水体的平均浓度高达0.62 mg ·L-1,不仅明显高于其它景观水体,而且浓度变化相当显著; 银河公园和逍遥津公园水体分别为0.22 mg ·L-1和0.15 mg ·L-1,黑池坝水体为0.09 mg ·L-1,包河公园和雨花塘公园则仅有0.03 mg ·L-1和0.02 mg ·L-1.
与国内其他一些城市的景观水体相比,包河公园、 逍遥津公园与上海市的中山公园、 黄兴公园水体水质相当,黑池坝水体污染比和平公园严重一些[16]; 南淝河水体TN、 TP平均浓度分别是南京秦淮河的3.5和4.6倍[17]. 从统计数据来看,合肥市各景观水体TN、 TP平均浓度均远超过国际上广泛认可的发生水体富营养化临界浓度:TN为0.2 mg ·L-1,TP为0.02 mg ·L-1,表明氮磷生源要素完全可以满足藻类生长的需要,一旦温度、 光照、 水动力条件等合适,藻类就可能快速生长、 繁殖,从而导致水质恶化[18]. 事实上,上述景观水体每年夏、 秋季节频频出现的“水华”现象,便是很好的佐证. 在COD平均浓度方面,6个景观水体非常接近,平均浓度仅为30.93~43.99 mg ·L-1.
3.2 景观水体氮磷动态变化性分析不妨对每个月内的3次采样结果取平均值,开展景观水体氮磷动态变化性分析.
3.2.1 氮的动态变化性各景观水体不同形态氮的逐月变化曲线见图 3. 不难看出,除逍遥津公园和包河公园水体TN浓度较低和变幅较小外,其它水体均表现出先增大再逐步下降的变化态势. 而且,银河公园、 雨花塘、 黑池坝和南淝河水体的TN月平均浓度基本都处在劣Ⅴ类水平,尤其是冬季. 黑池坝水体TN浓度最高,而且动态变化也最剧烈,呈现出明显的单峰型特征. 由图 3,包河公园和逍遥津公园水体NH+4-N浓度随时间的波动性很弱,黑池坝浓度变化则最为剧烈,呈明显的单峰型特征. 雨花塘和银河公园的NH+4-N浓度先逐步上升,并在翌年1月或2月达到峰值后再迅速下降. 南淝河水体NH+4-N浓度总体呈稳步增加态势,但在2013年2月后表现出一定的波动. 整个采样期间,包河公园和逍遥津公园水体NH+4-N浓度均未超出地表水Ⅴ类水质,而其它水体则不同程度地超标.
![]() | 图 3 各景观水体氮浓度的逐月变化特征 Fig. 3 Monthly variation of nitrogen concentrations for the six landscape waters |
在NO-3-N浓度方面,包河公园和逍遥津公园波动性较小,而黑池坝水体则呈明显的“M”形变化特征,两个峰值分别出现在2012年11月和2013年6月,低值则出现在2013年的冬季; 南淝河水体在2013年1月前表现出上升态势,随后迅速下降并在翌年3月后趋于稳定; 雨花塘水体在冬季时,NO-3-N浓度达到最高值,且变化过程明显有别于其它水体. 总的来看,各景观水体NO-2-N浓度变化情况较为简单(见图 3),仅黑池坝和南淝河水体在部分月出现明显的动态变化性.
3.2.2 磷的动态变化性TP和PO3-4-P浓度的跨年度逐月变化情况见图 4. 显然,在整个采样期间,南淝河水体TP浓度处于0.58~0.95 mg ·L-1范围内波动,且明显高于其它水体. 银河景区水体TP浓度一直处于波动状态,并在2013年1月后波动上升态势明显,最高浓度达0.62 mg ·L-1,单次采样浓度变化范围为0.09~0.78 mg ·L-1. 逍遥津和黑池坝水体TP浓度也表现出明显的波动性,但变幅相对都不大,浓度一般都不超过0.23 mg ·L-1. 相比而言,雨花塘和包河景区水体不仅TP浓度低且都较为平稳. 采样过程中发现,银河景区夏季“水华”现象严重,并因水体缺氧,经常出现死鱼现象. 2013年4月以后银河景区水体TP浓度快速上升,可能与水体缺氧导致沉积物中磷释放有关[19,20].
![]() | 图 4 各景观水体磷浓度的逐月变化特征 Fig. 4 Monthly variation of phosphate concentrations for the six landscape waters |
从图 4不难看出,PO3-4-P与TP变化趋势基本一致. 这是因为,南淝河、 银河、 逍遥津和黑池坝等景观水体PO3-4-P占TP的比重都相当大,大致为74.07%~84.51%,致使PO3-4-P与TP具有极为相似的逐月变化特征. 包河公园和雨花塘水体PO3-4-P占TP比重虽然均仅有40%左右,但由于PO3-4-P和TP含量都不高,因此PO3-4-P和TP逐月变化差异不是很明显.
3.2.3 TN/TP比值的动态变化性TN/TP比值对于藻类的暴发性生长具有重要的意义,是水体中浮游植物营养结构特点的重要反映[21]. 一些研究指出,当湖水TN和TP浓度比在 10∶1~25∶1 时,藻类生长与氮、 磷浓度存在直线相关关系[22]. 在6个景观水体中,雨花塘与黑池坝水体TN/TP比值相对最高(见图 5),分别为104.7和158.3,远高于一般湖库水体[22]; 而包河公园、 银河公园、 逍遥津公园和南淝河水体的TN/TP平均值分别仅为16.8、 18.7、 6.4和16.8,单次采样大部分结果也都介于10 ∶1~25 ∶1 范围,与北京城市湖泊氮磷浓度比(即10 ∶1~21 ∶1)[12]相近,属于有利于藻类生长的营养条件. 即便是按TN/TP比值在8~30范围适合藻类生长的标准[23],包河公园、 银河公园和南淝河水体TN/TP依旧归属于这一范畴. 根据Guildford等[24]提出的水中营养物限制性分类标准,即TN/TP≥22.6(质量比)为磷限制性状态,TN/TP≤9.0(质量比)为氮限制性状态,则可初步判定雨花塘、 黑池坝水体处于磷限制性水体,逍遥津公园为氮限制性水体.
TN/TP比值的逐月动态变化情况见图 5. 雨花塘和黑池坝水体大部分时段TN/TP≥100,而在气温较高的夏、 秋季(9月和次年5~7月)相对较低,这可能因为夏季水体生物活动较为旺盛,导致水底缺氧,从而促使沉积物中磷释放的缘故. 大体上,黑池坝水体TN/TP比值变化曲线呈“M”形状,冬季比值降至100左右,而雨花塘水体除在夏、 秋季相对较低外,其余时段较为平稳. 其它水体TN/TP比值变化幅度基本不大. 由营养物限制性分类标准,雨花塘和黑池坝水体处于磷限制性状态,逍遥津公园水体处于氮限制性状态,其它水体则只在短时间内出现磷或氮限制性.
![]() | 图 5 各景观水体TN/TP平均值及逐月变化特征 Fig. 5 Average values and monthly variation of TN/TP rates for the six landscape waters |
水体Chl-a浓度是指示水体富营养化程度的关键参数[25, 26, 27],常被用于估测藻类及其它浮游生物的生物量和初级生产力. 图 6展示了2013年6、 7月各景观水体叶绿素含量情况. 不难看出,银河公园水体Chl-a浓度相对最高,6月Chl-a浓度达157.99 mg ·m-3,7月甚至达到1 049.25 mg ·m-3. 从实地调查的情况看,7月大部分湖面都聚集着厚厚的一层蓝藻. 除逍遥津公园外,其它景观水体则均表现为6月Chl-a浓度高于7月. 大体上,南淝河、 包河公园、 逍遥津公园、 雨花塘、 黑池坝和银河公园水体Chl-a平均浓度分别为16.86、 20.46、 30.72、 41.01、 60.21和603.62 mg ·m-3. 根据OECD富营养化单因子(Chl-a)评价标准(Chl-a<3 mg ·m-3为贫营养; Chl-a 介于3~11 mg ·m-3为中营养; Chl-a 介于11~78 mg ·m-3为富营养; Chl-a>78 mg ·m-3为严重富营养)[28],除银河公园水体属于严重富营养外,其它各个水体均属富营养化水平.
![]() | 图 6 各景观水体Chl-a浓度 Fig. 6 Mean chlorophyll contents for each landscape water |
方差分析是用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验,又称“变异数分析”或“F检验”. 这里,选择TN、 NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 TP、 PO3-4-P、 COD、 EC、 ORP、 pH和WT等作为因素变量,以各指标的月均值为水平,利用最小显著性差异法(LSD法)进行水体差异性分析,筛选出每两个景观水体之间差异性相对较大的指标,结果见表 2. 可以看出,作为开放性流动水体的南淝河与作为封闭性滞留水体的各湖泊型景观水体之间,在很大一部分水质指标上存在较为显著的差异性. 在湖泊型景观水体中,黑池坝水体又与其它水体存在较多的差异性指标.
![]() | 表 2 各景观水体之间差异性比较 Table 2 Difference compared with the ANOVA method on water quality among the six landscape waters |
3.3.2 聚类分析
根据整个采样阶段各水质指标的实测数据信息,采用欧氏距离平方,按照样本之间的相似程度对各景观水体进行聚类,结果见图 7. 这里,黑池坝和南淝河归为一类,两者不仅污染程度相对最为严重,水质常年处于Ⅴ类~劣Ⅴ类,而且黑池坝和南淝河也是方差分析结果中,与其它景观水体水质指标差异性最大的2个水体; 其它4个湖泊型封闭水体归为另一类,其中污染相对较轻的包河公园和逍遥津公园水体归为一个子类,污染相对较重的银河公园和雨花塘水体则归入了另一子类. 事实上,十多年以来,银河公园与雨花塘水体在每年的夏、 秋季几乎都会出现明显的蓝藻水华,尤其是银河公园. 不难看出,聚类结果与实际情况是吻合的.
![]() | 图 7 各公园景观水体聚类分析结果 Fig. 7 Results of clustering among the total six landscape waters |
根据2013年6、 7月水质数据,选取TN、 TP和Chl-a为评价指标,采用文献[29]推荐的营养状态指数法,开展景观水体富营养化评价. 营养状态指数计算公式为: EI=Nn=1En/N 式中,EI为营养状态指数,En为评价指标赋分值,N表示评价指标个数. 相应的营养状态分级标准为:0≤EI≤20,贫营养; 20≤EI≤50,中营养; 50≤EI≤60,轻富营养; 60≤EI≤80,中富营养; EI≥80,重富营养. 6个景观水体富营养化程度评价结果,见图 8.
![]() | 图 8 各景观水体富营养化评价结果 Fig. 8 Evaluation results of eutrophication degree for the six landscape waters |
显然,每个水体基本都处于富营养化状态,且富营养化程度呈现一定的时间变化性,除银河公园7月水体富营养化最重外,其它水体都表现为6月富营养化相对更重. 根据营养状态指数大小,得到水体富营养化程度排序:银河公园>黑池坝>南淝河>逍遥津公园>雨花塘>包河公园. 其中,银河公园水体属于中富-重富营养、 黑池坝和南淝河水体均属于中富营养水平,逍遥津公园介于轻富营养-中富营养等级之间,雨花塘水体在轻富营养等级上、 下限附近徘徊,包河公园为中营养-轻富营养水平. 根据美国EPA在水质富营养化研究中所采用的Gekstatter提出的标准值(TP>0.02 mg ·L-1,Chl-a>10 mg ·m-3)[30],也可以认定所有6个景观水体均处于富营养化水平.
5 讨论
目前,合肥市已投入运行和在建的城市污水处理厂有10多座,城市排水管网系统建设取得了很大进步,基本实现了城区生活污水和工业废水的集中处理. 但老城区排水管网设计能力偏低,加之管材老化、 堵塞不通等原因,导致部分生活污水和工业废水渗漏,并在一定程度上影响了城区地表水环境质量. 事实上,降雨形成的地表径流在流经商业区、 住宅区、 街道、 停车场时,地表聚集的一系列污染物,如氮、 磷、 盐分、 有毒物质及杂物等,经地表径流和排水管网的传输,进入了城市景观水体中. 根据文献[13],合肥城区地表灰尘TN、 TP平均含量甚至高于一些污染严重的河流水体沉积物[31,32],分别达1 418.21 mg ·L-1、 948.34 mg ·kg-1,对城区景观水体水质构成潜在危害. 徐微等[33]对合肥市典型城区非渗透性铺面地表径流污染特征的研究发现,径流中TP事件平均浓度(EMC)为0.066~1.953 mg ·L-1,平均为0.893 mg ·L-1; NH+4-N的EMC达0.864~6.220 mg ·L-1,平均为2.857 mg ·L-1; TN的EMC值达5.021~19.570 mg ·L-1,平均为10.016 mg ·L-1. 不仅如此,在生活区和商业区地表径流中,TN甚至出现了高达34.916 mg ·L-1的瞬时平均浓度. 林莉峰等[34]得到了上海市城区非渗透性径流中TP、 NH+4-N和TN的EMC均值,分别为0.57、 4.85和7.74 mg ·L-1. 显然,与上海市相比,合肥城区非点源氮磷污染似乎更为严重一些.
整个采样期间,包河公园、 逍遥津公园的TN浓度单次采样最大值颇为接近,分别为1.80、 1.85 mg ·L-1,均显著低于其它水体,在NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N指标上也存在类似特点. 包河公园和逍遥津公园水体在氮元素方面表现出的迥异现象,可能与这两个景观水体2004年开展的底泥清淤有关. 但在磷元素方面,逍遥津公园表现出明显高于雨花塘的特点,究其原因,可能与逍遥津公园东南角动物园的动物粪尿随雨水径流汇入水体,以及游人长期向景观水体中观赏鱼群投加鱼饵等活动有关. 毫无疑问,适时开展底泥清淤对于改善城市景观水体水质有着重要意义. 总体上,各景观水体TN浓度最大值基本都出现在冬季,可能与枯水季节,降水量偏少有关. 进入春季后,合肥地区降水量开始有所增加,尽管有非点源径流污染负荷的补充,但因水量的大量增加而使水体TN浓度依然表现出下降态势. 而景观水体表现出冬季NH+4-N浓度偏高的特点,除与降水偏少有关外,可能还与低温环境下硝化细菌或微生物活性较低,对NH+4-N降解转化能力较弱有一定的关系.
合肥市主城区的6个不同景观水体在营养元素限制状态方面,具有显著的差异性,可能与大部分水体的水面面积较小且处于较为封闭状态、 彼此间缺乏有效的沟通与联络有关系. 在水体指标差异性方面,南淝河与其它5个湖泊型封闭性景观水体间差异性都较大,笔者以为,一方面可能因为南淝河为开放性流动水体,而其它水体处于相对封闭状态,存在流动性差、 换水周期长的局限性; 另一方面,南淝河不仅接受城市排水管网渗漏和城区非点源污染影响,同时还接纳上游以及沿河支流污水的汇入,这与其它景观水体明显不同. 同大多数城市一样,近年来合肥市对城市生活污水、 工业废水等点源污染的控制颇为重视,但在城市非点源污染控制方面则还相对空白[33]. 由于合肥市的年均降雨量高达1 000 mm左右,雨水径流造成的污染比降雨量小的城市要严重得多,因此推进城市非点源污染控制,对合肥市景观水体水质改善更具实际意义.
6 结论
(1)黑池坝、 南淝河、 雨花塘和银河公园水体氮污染较为严重,南淝河水体TP 和PO3-4-P浓度显著偏高,而且所有水体TN、 TP平均浓度均远超国际认可的发生水体富营养化临界值.
(2)南淝河、 黑池坝和雨花塘水体氮浓度表现出显著的逐月变化特征,银河公园水体TP 和PO3-4-P浓度波动性上升趋势明显,而南淝河水体TP 和PO3-4-P则处在较高浓度状态下波动. 根据TN/TP比值,判定雨花塘与黑池坝水体属于磷限制性状态,其它水体属于氮限制性状态.
(3)方差分析表明,流动水体与湖泊型封闭景观水体之间在多项水质指标上差异性显著. 根据富营养化评价结果,城区6个景观水体均处于富营养化状态,其富营养化程度排序为:银河公园>黑池坝>南淝河>逍遥津公园>雨花塘>包河公园.
(4)包河公园和逍遥津公园水体氮磷污染情况表明,开展内源清淤对于改善景观水体水质至关重要. 此外,城市非点源污染控制是合肥市景观水体水质改善和保护必须认真对待的问题.
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