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Case 专家观点

薛志钢 | 我国大气污染源排放清单发展历程和对策建议

日期: 2019-10-31
来源: 环境科学研究
作者:

薛志钢1, 杜谨宏1, 任岩军1, 张新民1, 陈雯1, 营娜1, 张鹤丰1,2

1. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;

2. 国家大气污染防治攻关联合中心, 北京 100012

摘要:为进一步推动我国大气污染源排放清单的发展,详细回顾了我国大气污染源排放清单的发展历程及面临的挑战.我国大气污染源排放清单起步于20世纪80年代,2000年之后尤其是2014年,原环境保护部发布了一系列大气污染源排放清单编制技术指南,使我国大气污染源排放清单工作得到了迅速发展.30多年来基本形成了结合我国实际情况的大气污染源分类、大气污染物排放系数、大气污染物排放量确定方法等大气污染源排放清单相关技术方法.但目前我国尚未建立起排放清单编制的规范化工作程序,国家、省级和城市级环保部门在大气污染源排放清单工作中的分工尚不明晰,清单编制没有融入日常环境管理工作中,现有排放清单工作和研究成果相对分散、缺乏系统性,排放清单对环境管理的支撑作用尚未得到充分发挥.在综合分析了我国大气污染源排放清单取得的进展和面临挑战的基础上,提出如下建议:进一步完善我国大气污染源排放清单技术体系,使排放清单工作制度化、程序化、规范化,明确国家、省级和城市级环保部门在大气污染源排放清单工作中发挥的作用,使大气污染源排放清单成为各级环保部门每年必须完成的工作;进一步推广结合网格化管理、基于区县和乡镇调研的城市大气污染源排放清单编制技术;加强排放清单校核和不确定性分析研究等.

大气污染源排放清单是大气环境研究和大气环境管理的重要基础,对城市和区域摸清自身大气污染来源、分析污染成因并提出合理管控措施具有十分重要的意义.欧美国家早在20世纪80年代就建立了完善的大气污染源排放清单编制技术体系. US EPA(美国环境保护局)于1993年制定了排放清单改进计划(Emission Invertory Improvement Program,EIIP),在此框架下统筹各级排放清单的编制工作,建立了全国性的大气污染源排放清单[1].欧盟于1990年发布了第1版《大气污染物排放清单指南》(简称“《指南》”),作为各成员国建立排放清单的技术导则,欧盟依据《指南》建立了覆盖欧洲30多个国家的大气污染源排放清单[2].法国跨行业大气污染研究所基于《指南》编制了大气污染物和温室气体排放清单,成功地将大气污染物和温室气体排放清单融合起来[3]. 2007年日本国立环境研究院开发了亚洲地区排放清单REAS1980-2020,该清单包括了整个亚洲地区的2000年排放清单、1980—2003年历史排放数据以及2010—2020年排放量预测,包含区域内燃料燃烧和工业生产排放源的NOx、SO2、NMVOC、CO、碳黑(BC)和有机碳(OC)等污染物排放量,提供了0.5°×0.5°的网格化排放数据[4].韩国国立环境科学研究院借鉴欧美大气污染源排放清单技术方法,建立了国家大气污染源排放清单技术系统,每年对外发布国家大气污染源排放清单作为韩国官方大气污染源排放数据[5].泰国、以色列、印度、土耳其等国家的学者编制了覆盖全国或一些工业化区域和城市的大气污染源排放清单[6-11].

目前,我国大多数城市尚未建立起业务化的排放清单编制工作机制和流程,也没有建立污染源和污染物种类齐全的高时空分辨率排放清单,环境管理部门尚缺乏较为精准的大气污染源排放数据,尚不能满足环境空气质量亟待改善的强烈需求,因此急需进一步加强我国大气污染源排放清单技术研究和排放清单编制技术规范的制定及推广应用工作.该文分析了国外排放清单发展概况,详细回顾了我国大气污染源排放清单发展历程,从大气污染源分类、大气污染源排放系数、大气污染物排放量确定方法以及排放清单相关技术指南和手册等4个方面综述了我国大气污染源排放清单相关技术方法,并提出了我国大气污染源排放清单的发展方向和建议,旨在进一步推动我国大气污染源排放清单技术的深入研究和实际应用,以期为京津冀及周边地区、汾渭平原等大气污染严重区域进一步精准治污提供技术支撑,以及为我国大气科学研究和大气环境管理奠定基础.

01我国大气污染源排放清单发展历程

自20世纪80年代以来,随着我国经济的飞速发展,煤炭、石油等能源消耗日趋增加,大气污染物排放量也迅速增长,我国政府对大气污染越来越重视,环保工作者和环境科研工作者逐步开展了城市、区域以及全国层面的大气污染源排放清单编制工作.我国不同时期大气污染源排放清单文献统计结果(见图 1)显示,20世纪80年代我国大气污染源排放清单研究工作还很少;20世纪90年代,大气污染源排放清单研究开始起步,该时期文献数量较少,仅8篇,且主要是中文文献;2000—2013年,大气污染源排放清单研究引起了国内学者的广泛关注,文献总量增至257篇,其中中文期刊论文数量为113篇,SCI期刊论文数量为144篇;2014—2019年,大气污染源排放清单研究得到迅猛发展,相关讨论层出不穷,该时期文献数量达到447篇(截至2019年7月15日),其中英文期刊论文数量比上一时期多出1倍,可见2000年以后我国大气污染源排放清单研究工作得到了迅速发展.综合分析,我国大气污染源排放清单编制工作经历了4个阶段.

薛志钢 | 我国大气污染源排放清单发展历程和对策建议

图 1 我国不同时期大气污染源排放清单文献统计结果

Fig.1 The number of literatures on air pollutant emission inventory in different periods in China

第1阶段是20世纪80年代,该时期原国家环境保护局主管和推动了环境统计、排污申报和排污收费工作,这些排放数据的主要目的是服务环境管理的需求.环境统计的对象为污染物排放量占全社会污染物总排放量85%的重点企业,每年依据环境统计范围内企业的年生产及污染物排放数据发布《环境统计年报》. 《环境统计年报》中主要包含企业基本情况、废气排放情况、废水排放情况、工业固废排放情况、环境污染治理投资情况五大部分,其中,废气排放仅统计SO2、NOx、烟粉尘这3种污染物,近年来又增加了VOCs排放量.总之,这期间我国只有环保部门的环境统计等工作可以为环境管理和大气环境研究提供部分大气污染物排放数据,这些数据已经开始运用于大气环境研究,同时也应用到城市和区域大气环境规划和空气质量模拟工作中,但专门针对大气污染源排放清单的研究工作还很少.

第2阶段是20世纪90年代,我国科研工作者开始了SO2、NOx等主要大气污染物的排放清单编制工作.白乃彬[12]估算了中国大陆CO2、SO2和NOx的1°×1°网格排放量.在“八五”“九五”酸雨攻关项目中,我国科研工作者开始着手酸雨主要前体物排放清单的编制工作,如XUE等[13]编制了1995年我国SO2、NOx的排放清单,该清单应用于“九五”酸雨控制规划中. LI等[14]编制了山西省燃料燃烧和工业生产1/6°×1/4°的SO2排放清单.但该时期排放清单的编制主要基于能源统计数据和部门活动水平统计数据,时空精度还较低.

第3阶段始于2000年前后,北京市、上海市和珠三角地区基于环境空气质量管理和大气环境研究的需要,于2000年前后开始结合我国实际、借鉴美国和欧盟等的经验,编制大气污染源排放清单,针对扬尘、船舶等典型污染源和VOCs、NH3等典型污染物开展了研究,大气污染源清单包括的污染源类别和污染物种类更加齐全[15-21].我国各科研机构和高校在2000年以后的“十五”攻关、“863”计划等科研项目中初步建立了清单编制方法和基于技术及设备信息的高精度排放清单.中国环境科学研究院在“十五”科技攻关计划课题“区域大气污染物总量控制技术与示范研究”中,提出了包括天然源和各类无组织排放源在内的大气污染物排放量核算方法[22].该时期,中国环境科学研究院在深圳市、成都市以及辽宁中部城市群等地负责或指导当地科研团队开展了大气污染源清单编制工作.清华大学于2006—2010年在国家“863”计划课题“区域大气污染源识别与动态源清单技术及应用”中建立了高时空分辨率大气污染源排放清单,之后对数据不断进行更新和完善,发布了中国多尺度排放清单模型(MEIC)[23],该清单被国内外大量研究工作引用.该时期,由于大气污染问题越来越引起广泛的关注,大气环境科研投入加强,我国大气污染源排放清单工作得到了很大的发展[24-34].

第4阶段开始于2014年,2014年原环境保护部发布了8项大气污染源排放清单编制技术指南及其编制说明[35-42],这一系列指南中,一部分是针对特定污染物,另一部分是针对特定污染源,使我国大气污染源排放清单编制方法得到了进一步完善.在此基础上,原环境保护部于2014—2015年组织开展了城市大气污染源排放清单编制试点工作,选择了北京市、上海市、广州市、深圳市、南京市、天津市、武汉市、济南市、沈阳市、石家庄市、成都市、乌鲁木齐市、福州市、长沙市等14个试点城市,编制了这些城市2014年大气污染源排放清单. 2017年原环境保护部要求京津冀大气污染传输通道上的“2+26”城市编制大气污染源排放清单. 2017年7月大气重污染成因与治理攻关项目启动后,“2+26”城市大气污染源排放清单研究课题组基于大量实地调研、测试和城市清单编制实践,研究建立了结合网格化管理、基于区县和乡镇调研的城市大气污染源排放清单编制技术,在“2+26”城市进一步完善了2016年排放清单,编制了2017年和2018年大气污染源排放清单[43],并把大气重污染成因与治理攻关项目形成的排放清单编制技术推广到汾渭平原11个城市.该时期我国大气污染源排放清单研究得到了迅速发展,我国科研工作者开展了城市、区域和全国尺度的不同污染物排放清单研究,污染源类延伸到航空、船舶、农业机械等,研究手段采用了卫片解译、隧道测试等,清单的时空分辨率得到进一步提升[44-56].

02我国大气污染源排放清单相关技术方法和规范

2.1大气污染源分类

由于大气污染源排放清单涉及工业、农业、交通、生活等人类活动的方方面面,每一类污染源又可以细分成若干子类,形成十分复杂的污染源分级分类体系.北京市、上海市和珠三角地区自2000年前后结合当地实际、借鉴国际经验,建立了城市和区域排放清单,形成了各具特色的大气污染源分类.北京市是国内较早开展大气污染源排放清单的城市,1999年北京市环境保护科学研究院借鉴US EPA AP-42、结合大量调研和实测开展了大气污染源排放清单编制工作,该排放清单为北京市大气污染成因和控制对策研究提供了重要基础数据.北京市环境保护科学研究院基于多年大气污染源排放清单编制经验,于2012年5月编制了《北京市大气污染源排放清单编制技术指南》,该指南将污染源分为点源、面源、移动源3类,其中,点源依据国民经济行业分类来划分,主要包括采矿业,制造业,电力、热力、燃气以及水生产和供应业等[57].为统一评估污染物排放量和监察减排进度的方法,粤港双方参考了US EPA AP-42、欧盟CORINAIR、联合国IPCC等国际认可的排放清单编制方法,于2005年联合编写了《珠江三角洲地区空气污染物排放清单编制手册》,并基于该手册编制了珠江三角洲经济区和香港特别行政区1997年、2003年大气污染源排放清单,并预测了2010年大气污染物排放量,这些排放清单将污染源分为发电厂源、工业源、交通源、含VOC产品源和其他排放源,为开展珠江三角洲地区空气质素管理计划提供了重要基础数据[58].2017年贺克斌主编了《城市大气污染物排放清单编制技术手册》,2018年进行了更新[59].该手册由清华大学、中国环境科学研究院、生态环境部环境规划院(原环境保护部环境规划院)、中国环境监测总站等单位的大气污染源排放清单专家,基于国内大气污染源排放清单研究成果和编制工作经验编写完成,该手册将大气污染源分为化石燃料固定燃烧源、工艺过程源、移动源、溶剂使用源、农业源、扬尘源、生物质燃烧源、储存运输、废弃物处理源和其他排放源等10类,并编制了四级污染源分类的编码,涉及部门/行业、燃料/产品、燃烧/工艺技术和末端控制技术,为城市大气污染源排放清单的编制提供了重要技术支撑.

2.2大气污染物排放系数

大气污染物排放系数是大气污染源排放清单编制中经常使用的参数.排放系数是指使用污染控制设备或措施后单位活动水平排放的大气污染物的量,无污染控制措施时排放系数等于产生系数[59].在我国大气污染源排放清单编制工作中,经常用到产生系数和排放系数,但不同源类的情况略有不同:如化石燃料固定燃烧源和工艺过程源通常先用污染物产生系数算出污染物产生量,再基于污控措施控制效率计算排放量;移动源排放量计算通常是基于车型和排放标准选取排放系数计算排放量,而我国第一次污染源普查工作中使用了产污系数和排污系数的概念,第二次污染源普查则是基于产污系数、污染治理技术的去除效率和实际运行系数进行计算. 1996年原国家环境保护局出版了《工业污染物产生和排放系数手册》[60],给出我国7个工业部门不同产品、不同生产工艺、不同生产规模和不同技术水平下的产生和排放系数,以及主要燃煤设备燃煤的污染物产生系数和乡镇工业的污染物排放系数. 2007年为开展全国第一次污染源普查,原国家环境保护总局编制了《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》,该手册在2011年得到了更新并正式出版,内容涉及工业污染源产排污系数[61]. 2014年原环境保护部发布的8个大气污染源排放清单编制技术指南[35-42],分别给出了PM2.5、PM10、VOCs、NH3的排放系数以及道路机动车、非道路移动源、扬尘以及生物质燃烧源的主要污染物排放系数. 2017年贺克斌主编的《城市大气污染物排放清单编制技术手册》[59],基于国内污染源排放特征研究领域的大量研究成果和原环境保护部发布的一系列清单编制技术指南,给出了各类污染源9种污染物的排放系数. 2017年我国开始了第二次污染源普查工作,原环境保护部组织专家团队针对工业源、移动源、农业源和生活源进行了产排污系数研究,对火电、锅炉、钢铁、焦化、医药等41个工业行业的产污系数进行了更新,每个行业都要基于大量实测和调研数据对本行业污染物的产生系数、污染治理技术的去除效率和实际运行系数进行重新核定,使污染源排放系数更加贴近实际,充分体现第一次污染源普查结束10年来,我国各行业生产工艺和污染物排放控制技术的进步.总体上,目前我国已经初步建立了各类大气污染源的污染物排放系数,但不同行业不同污染物的排放系数质量差别很大,一些排放系数基于大量测试且测试方法比较成熟规范,但也有一些行业和污染物的排放系数仅仅基于少量测试数据得出.因此需要进一步加强污染物排放测试方法研究,基于科学的方法开展大量测试,建立真正能反映我国不同行业生产工艺和控制技术水平的国家大气污染物排放系数数据库,对我国现有大气污染物排放系数进行进一步修改和完善.

2.3大气污染物排放量确定方法

我国大气污染物排放量的计算方法通常有实测法、排放系数法、物料衡算法和模型法4种.

2.3.1实测法

采用被认可的监测方法和仪器测量排放气体的流速、流量、污染物浓度等基础数据,通过开展实测获取污染物排放参数,经计算得到相应的污染物排放量,计算方法:

薛志钢 | 我国大气污染源排放清单发展历程和对策建议

式中:Ei为污染物i的单位时间排放量,kg/h;Vn为废气体积流量,m3/h;Ci为实测得到的污染物i的质量浓度,mg/m3.

2.3.2排放系数法

排放系数法是源排放清单计算中使用最为广泛的方法之一,通过将人类生产生活的活动水平数据与单位活动水平的排放量(即排放系数)结合起来,进行污染物排放量计算:

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式中,A为活动水平数据,EFi 为i污染物排放系数.

2.3.3物料衡算法

物料衡算法是基于质量守恒定律,对生产过程中物料变化情况进行定量分析的一种方法,计算公式:

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式中,M为投入物料总量,P为生产出的产品总量,E为物料和产品流失总量.

2.3.4模型法

源排放清单估算模型是基于现有实测或特定试验获取的污染源排放特征数据,利用数学统计方法对污染源和污染物的排放特性进行归纳与总结,从而建立起一套各参数间的数学统计关系模型,然后利用计算机编制出固定的输入和输出模型程序,用于特定行业的污染物排放量计算.如US EPA针对储罐VOCs排放研发了TANKS模型,针对道路移动源污染物排放研发了MOBILE5a模型,在大气污染源排放清单编制中发挥了重要作用[1].

2.4排放清单相关技术方法和手册

近年来,原环境保护部、各科研单位和高等院校编写和发布了一系列大气污染源排放清单编制技术指南和手册(见表 1),对我国城市和重点区域开展大气污染源排放清单编制提供了重要技术依据. 2014年原环境保护部为贯彻落实国务院印发的《关于加强环境保护重点工作的意见》和《大气污染防治行动计划》,进一步增强大气污染防治工作的科学性、针对性和有效性,基于“十五”以来大气环境领域主要公益项目研究成果出版了一系列大气污染源排放清单编制技术指南,主要包括《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》[35]、《大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南(试行)》[36]、《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》[37]《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》[38]、《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》[39]、《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[40]、《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[41]、《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[42],这些指南分别针对特定污染物和特定污染源制定了大气污染源排放清单编制方法,为我国大气污染源排放清单工作提供了重要技术支撑. 2016年原环境保护部为进一步推进民用散煤治理,委托北京市环境保护科学研究院和中国环境科学研究院编制了《民用煤大气污染源排放清单编制技术指南》[62],该指南基于近年来国内外学者的大量测试数据,归纳了我国民用煤燃烧排放的SO2、NOx、PM2.5、VOCs以及OC、BC等主要大气污染物排放系数,在散煤污染排放量的估算和科学治理方面发挥了重要作用.

表 1 我国大气污染源排放清单相关技术指南和手册

Table 1 Technical guidelines and manuals related to air pollutant emission inventory of China

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《城市大气污染物排放清单编制技术手册》包括污染源分类分级、各类污染源排放量计算方法、活动水平数据调查和收集、质量控制和质量保证等内容,可为城市大气污染源排放清单的编制提供重要技术支撑[59].

2017年大气重污染成因与治理攻关项目正式启动,为统一和规范“2+26”城市开展“一市一策”综合治理方案研究,中国环境科学研究院编写了《“2+26”城市大气污染防治跟踪研究工作手册》[63],该手册对排放清单团队组建、活动水平数据调查和收集、排放量核算、排放清单数据和方法一致性审核、清单数据库和清单报告等进行了详细的规定,具有很强的操作性.

03结论

近年来我国大气污染源排放清单技术取得了长足的发展,基本构建了包括污染源分类、排放污染源排放系数、活动水平获取方法等在内的一整套清单编制技术,但当前我国大气污染源排放清单编制工作仍然面临着一些问题,急需统一方法、规范程序:

    a由于尚未建立排放清单编制的规范化工作程序,国家、省级和城市级环保部门在大气污染源排放清单工作中的分工尚不明晰,清单编制没有融入日常环境管理工作中,导致现有清单工作和相关研究成果相对分散、缺乏系统性,排放清单对环境管理的支撑作用尚未得到充分发挥.
    b需要建立规范的活动水平数据获取途径和动态更新方法.
    c进一步完善排放系数技术方法,建立国家排放系数数据库定期更新机制.
    d急需建立一套科学合理的排放清单质量控制、不确定性分析及校核方法.
    04对策建议

4.1建立国家大气污染源排放清单技术体系,使排放清单工作制度化、程序化、规范化

大气污染源排放清单是各地大气污染防治的基础,建立一定时间间隔的排放清单编制及更新体系十分重要.基于我国行政管理制度现状,建议从国家、省级、城市级这三级环保部门建立逐级汇总的排放清单编制业务化工作体系(见图 2),使排放清单编制制度化、程序化、规范化,成为各级环保部门每年必须完成的工作.由国家层面下达排放清单编制任务和工作要求,统一制定排放清单编制技术规范,进一步规范污染源排放测试方法,基于大量实测,建立并不断更新国家排放系数库,制定清单数据质量标准,开展排放清单校核及一致性审核,保证清单数据质量.省级环保部门负责传递清单编制工作任务及技术要求,负责督促各城市按期完成排放清单编制工作,负责省级排放清单数据的汇总和审核.各城市负责组建排放清单编制工作组及排放清单编制技术支撑团队,开展城市排放清单活动水平数据调研收集、典型污染源排放特征测试、污染源排放量核算和排放清单技术报告编写.同时,运用大数据、云计算等现代信息技术,融合大气污染源排放清单编制技术,构建适合我国城市和区域实际情况的大气污染源排放清单大数据平台,对于排放清单工作的制度化、程序化、规范化具有重要的促进作用.

薛志钢 | 我国大气污染源排放清单发展历程和对策建议

图 2 国家大气污染源排放清单技术体系

Fig.2 National air pollutant emission inventory technical system

4.2进一步推广结合网格化管理、基于区县乡镇调研的城市大气污染源排放清单编制技术

大气重污染成因与治理攻关项目“‘2+26’城市大气污染源排放清单研究”课题组基于在菏泽市、太原市、临汾市等地的实践,建立了结合网格化管理、基于区县乡镇调研的城市大气污染源排放清单编制技术,并将该技术在“2+26”城市及汾渭平原11个城市进行了推广和运用.目前,天津市、山东省、河北省、山西省等地初步建立了网格化环境管理体系.各区县设立网格员,网格员由乡镇环保部门工作人员、基层环保员组成,每个网格员负责1~2个乡镇的污染源监管.基于以上实际情况,可以依托乡镇网格化管理系统,开展污染源调查,由网格员负责该区域的污染源调查和监管,做到责任到人,由网格员负责本网格范围内污染源信息的更新,如增加新建企业、删除关停倒闭企业,由于一个网格通常是一个乡镇或街道,范围较小,便于开展工作,可以使污染源统计更加精准.将排放清单活动水平数据收集的信息渠道延伸到环境管理的最后1 km,延伸到环境管理的毛细血管.数据来自基层,数据流畅通才能保证清单数据的全面性和准确性,才能够保持排放清单的动态更新.

4.3加强排放清单校核和不确定性分析研究

排放清单结果的数据质量是排放清单应用的保证,目前我国排放清单编制技术已经逐渐成熟,但是排放清单校核及不确定性分析仍然有待完善,需要充分借鉴发达国家的方法和经验,结合我国排放清单编制工作实际,开展排放清单数据审核及不确定性分析的深入研究.建立适合我国国情的大气污染源排放清单校核和不确定性分析方法和模型,构建大气污染源排放清单校核和不确定性分析数据平台,为我国大气污染源排放清单的校核和不确定性分析提供技术支撑.

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名誉主任委员吴明红,浙江东阳人,上海大学党委常委、副校长,长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,上海大学211工程重点建设学科环境工程学科带头人,俄罗斯工程院外籍院士,俄罗斯自然科学院外籍院士。2006年获国家自然科学奖二等奖,2012年获中国工程院光华工程科技奖。担任国家自然基金委专家评审组成员、上海市学位委员会学科评议组成员、中国环境科学学会特邀常务理事、中国核学会核技术应用分会常务理...
2017 - 11 - 22
总顾问王德辉,资深环保专家,现任中华环保联合会理事兼VOCs污染防治专业委员会总顾问。国家环境保护部环境工程评估中心常聘值班专家,环境保护部自然生态保护司原副司长(正司级)。于1980年开始在中国环境科学研究院从事环境保护科学研究,1989年起在国家环境保护局从事环境保护行政管理工作,曾在日本、英国学习和工作过。王德辉先生在大气环境科学和光化学烟雾研究,环境保护规划与计划,自然保护区建设与管理,生...
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