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8. agua del suelo xxxxxxxxxxxx sdfsdfdfdfdf
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FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL
AGUA DEL SUELO
POR: CHRISTIAN LUIS POMA CHAVEZ
LA HIDRÓSFERA
Es el conjunto de aguas de nuestro planeta, que permite la existencia de vida e influye en el equilibrio del ecosistema.
LA HIDRÓSFERA
Actualmente es fundamental para todas las formas de vida conocida.
Los humanos consumen agua potable.
LA HIDRÓSFERA
Los recursos naturales se han vuelto escasos con la creciente población mundial y su disposición en varias regiones habitadas
El agua representa entre el 50 y el 90% de la masa de los seres vivos.
Aproximadamente el 75% del cuerpo humano es agua; en el caso de las algas, el porcentaje ronda el 90%.
IMPORTANCIA ELEMENTAL DEL AGUA
Es un excelente disolvente, de sustancias tóxicas y compuestos bipolares. Incluso moléculas biológicas no solubles (p.e lípidos) forman con el agua, dispersiones coloidales.
Participa como agente químico reactivo, en las reacciones de hidratación, hidrólisis y oxidación-reducción.
Permite la difusión, es decir el movimiento en su interior de partículas sueltas, constituyendo el principal transporte de muchas sustancias nutritivas.
IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA
Constituye un excelente termorregulador (calor específico), permitiendo la vida de organismos en una amplia variedad de ambientes térmicos. Ayuda a regular el calor de los animales. Tiene un importante papel como absorbente de radiación infrarroja, crucial en el efecto invernadero.
Interviene (plantas) en el mantenimiento de la estructura celular.
Proporciona flexibilidad a los tejidos.
Actúa como vehículo de transporte en el interior de un ser vivo y como medio lubricante en sus articulaciones.
IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
EL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO
ES
Sin COLOR
Sin OLOR
Sin SABOR
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
El AGUA bajo CONDICIONES NATURALES
PUEDEESTAR
Vapor
Sólido
Líquido
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Está formado
Por 2 HIDRÓGENOS (H+)
Por 1 OXÍGENO (O=)
Un MOL de AGUA
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Un VOLUMEN ligeramente > a 18 cm3
6.02*1023 moléculas individuales
Un diámetro de tres unidades Angstrom (3*10-10m)
Un MOL de AGUA
TIENE
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Debido a una distribución no balanceada de las cargas eléctricas en la molécula
Formando ángulos de 105º
aproximadamente
Los ÁTOMOS de H+
Están orientados
Dicha molécula resulta POLARIZADA
+ Carga POSITIVA
- Carga NEGATIVAEs decir:
Se llaman DIPOLARES
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Hace
Esta DIPOLARIDAD
Que el AGUA sea atraída a SUPERFICIES ELÉCTRICAMENTE ACTIVAS (Cargadas)
Y resulta
Que el agua se ABSORBE fácilmente en la SUPERFICIE de ARCILLAS y otros COLOIDES
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
También hace
Esta DIPOLARIDAD
Que el agua resulte un buen SOLVENTE
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Tienen
Mayor Libertad de movimiento
Las moléculas del AGUA LÍQUIDA
Liberan 335 julios (80 calorías) de energía calorífica cuando el agua cambia de líquido a sólido.
Y
ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA
Además
Presenta mayor desorden que en el sólido
Las moléculas del AGUA LÍQUIDA
Que el grado de desorden (ENTROPÍA) es mayor del agua líquida que el agua sólida.
O sea
CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO
Sucede
Que los poros del suelo se saturan con agua.
Cuando el SUELO recibe agua sea por pp o riego
CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO
ADHESIÓN
COHESIÓN
AGUA DE ADHESIÓN
ADHESIÓN
La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.
ADHESIÓN
El Agua de ADHESIÓN se distribuye en forma de película.
Ejemplo de ADHESIÓN
ADHESIÓN
EL AGUA DE ADHESIÓN PRODUCE
a) Una reducción en el movimiento de las moléculas del agua.
b) Una reducción en el contenido de energía del agua.
c) Liberación de calor asociado con la transformación del agua a un nivel de energía más bajo.
ADHESIÓN
Por tanto
a) Se mueve nada o muy poco.
b) Esta agua no es disponible para las plantas.
AGUA DE ADHESIÓN
AGUA DE COHESIÓN
ADHESIÓN
COHESIÓN
La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.
AGUA DE COHESIÓN
ADHESIÓN
COHESIÓN
Las moléculas de esta agua
a) Se encuentran en mayor movimiento.
b) Tienen un nivel de energía más elevada.
c) Se mueven con mucha facilidad.
ENERGÍA DEL AGUA
El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía.
ENERGÍA DEL AGUA
El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa).
Los tipos de energía más importantes son:
Energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza).
Energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional).
Energía cinética (debida al movimiento).
Energía calorífica.
Energía química.
Energía atómica.
Energía eléctrica.
ENERGÍA DEL AGUA
La energía libre será la suma de todas estas energías.
Energía libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..
Entonces
ENERGÍA DEL AGUA
Un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo.
El grado de energía de una sustancia representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo.
Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía.
Energía libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..
Como resultado de estas energías
ENERGÍA DEL AGUA
Potencial mátrico (Ψm).
Potencial soluto u osmótico (Ψo ó s).
Potencial de presión (Ψp)
Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión.
Tenemos
Por lo tanto Ψ suelo = Ψm + Ψp + Ψo ó s
ENERGÍA DEL AGUA
También puede definirse igualmente como compuesto por campos de fuerzas externas tales como la gravedad.
Por lo tanto tenemos
Ψ suelo = Ψm + Ψp + Ψo ó s + Ψg
ENERGÍA DEL AGUA
El potencial de succión tiene un sentido negativo, mientras que el potencial gravitacional tiene signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas.
Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros del suelo,
Y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo.
Y acontece que:
POTENCIAL MÁTRICO
Molécula de AGUA con carácter DIPOLAR
Atracción de molécula de AGUA por ADSORCIÖN
Partículas de suelo con cargas SUPERFICIALES
POTENCIAL MÁTRICO
N
N
N
N
N
N
N
N
Nn
Potencial matricial es debido a dos fuerzas, adsorción y capilaridad.
La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente.
Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.
N
N
N
N
POTENCIAL MÁTRICO
En esta zona existe fuerte atracción
N
n
N
n
N
N
N
N
N
N
+ - H2OExiste una atracción débil
Potencial del agua es muy bajo
El agua tiene menos capacidad de trabajo.
En esta zona el Ψm = (-)
Las fuerzas capilares son débiles. Potencial del agua más alto En esta zona el Ψm = 0
POTENCIAL MÁTRICO
En esta zona existe fuerte atracción
N
n
N
n
N
N
N
N
N
N
+ - H2OExiste una atracción débil
“Cuanto más bajo es el potencial de agua, más firmemente es ADSORBIDA EL AGUA a las partículas del suelo.
POTENCIAL DE PRESIÓN
La presión del agua disminuye con el incremento de la distancia sobre la superficie de la NAPA FREÁTICA
-20
-10
0
+10
+20
Tubo capilar
Suelo SATURADO
Suelo NO SATURADO
Columna de SUELO
Película de agua continua
Alta PRESIÓN
POTENCIAL DE PRESIÓN
Suelo SATURADO
Columna de SUELO
-20
-10
0
+10
+20
Tubo capilar
Suelo NO SATURADO
Película de agua continua
Si esta base fuera de 100 cm2
Fuerza 2000 gP = -------------------- = ------------------ = 20 g.cm-2
Área 100 cm2
POTENCIAL DE PRESIÓN
Suelo SATURADO
Columna de SUELO
-20
-10
0
+10
+20
Tubo capilar
Suelo NO SATURADO
Película de agua continua
En este caso la PRESIÓN del AGUA en un suelo NO SATURADO es de -20 g.cm-2 a una altura de 20 cm.
POTENCIAL DE PRESIÓN
En este caso la PRESIÓN del AGUA en un suelo NO SATURADO es de -20 g.cm-2 a una altura de 20 cm.
Entonces
En un suelo NO SATURADO podemos realizar las siguientes aseveraciones:
En un suelo NO SATURADO el agua tiene una presión negativa, o se encuentra bajo TENSIÓN.
En un suelo NO SATURADO la presión del agua disminuye con el aumento de la distancia arriba de la SUPERFICIE de la NAPA FREÁTICA.
En un suelo SATURADO el agua tiene una presión menor y un NIVEL de ENERGÍA, a nivel del AGUA FREÁTICA con relación al suelo no saturado.
POTENCIAL OSMÓTICO
Potencial osmótico es debido a las sales. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración la disolución más concentrada atrae al agua para diluirse. Sólo es importante en el caso de suelos salinos.
Fase Sólida
Fase Gaseosa
Fase Líquida
AGUA
+SALES
SOLUBLES
POTENCIAL OSMÓTICO
En 2 sitios electronegativos CATIONES
En 2 sitios electropositivos ANIONES
Ca2+
Mg2+
K+
Na+
Al3+
H+
Cu2+
Mn2+
Fe3+
Fe2+
etc.
SO4=
CO3=
NO3-
Cl-
Etc.
Fase Sólida
Fase Gaseosa
Ψo De la HIDRATACIÓN de IONES en la solución del suelo
Resulta
Ψo Viene a serEl TRABAJO requerido para separar el agua de estos IONES.
PRESIÓN OSMÓTICO
Equilibrio HIDROSTÁTICO
POTENCIAL GRAVITATORIO
•
•
Nivel FREÁTICOEl agua tiene MOVIMIENTO LIBRE
Ψg + Ψm = 0
Punto de referencia
Altura elegida Ψg ( - )
Altura elegida Ψg ( + )
De manera general
El Ψ del agua puede ser expresado en diferentes unidades.
La UNIDAD OFICIAL aceptada por las publicaciones científicas es el MEGA PASCAL (MPa).
Todavía es común el uso del término antiguo bar que equivale a 0.1 Mpa y es algo menor que una ATMÓSFERA.
Para simplificar usaremos el término BAR ó ATMÓSFERA.
TENSIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO (THS)
La PRESIÖN NEGATIVA de 20 g.cm-2 (del ejemplo anterior) se convierte en una tensión de humedad (THS) de 20 g.cm-2.
(Presión del agua) * (-1) = Tensión de Hº del suelo (THS)
La tensión del suelo comúnmente se expresa en ATMÓSFERAS.
1 atmósfera = a una columna de agua de 1036 cm de altura = 1036 g.cm-2.
Para convertir la THS de la parte superior de la columna anterior a atmósferas hay que dividir 20 entre 1036.
TENSIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO (THS)
20 g.cm-2
THS = ------------------------- = 0.01 Atmósferas
1036 g.cm-2
Si es BAR casi equivale a una atmósfera, su valor es de 1023 cm de columna de agua.
Para que una raíz pueda mover el agua del suelo a su interior debe ejercer una tensión o succión superior a 0.019 ATMÓSFERAS
ENTONCES
TIPOS DE AGUA EN EL SUELO
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
10 000 Atm
31 Atm 1/3 Atm
TIPOS DE AGUA EN EL SUELO
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
10 000 Atm
31 Atm
PMP
1/3 Atm
CC1 000 Atm
TFA
15 Atm
PMTN
N
N
N
N
N
N
N
Agua de ADHESIÓN
(fuertemente retenida)
Agua de COHESIÓN
(fuertemente retenida)
Agua de COHESIÓN
(débilmente retenida)
Exceso de agua drena hacia afuera
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO10 000
Atm31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Tipos de
agua
Constantes de
HUMEDAD
Agua HIGROSCÓPICA
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓN
Coeficiente HIGROSCÓPICO
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Tipos de
agua
10 000 Atm
31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Agua HIGROSCÓPICA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓNCoeficiente
HIGROSCÓPICO
Es el contenido de HUMEDAD que retiene el suelo a una tensión de -31 atmósferas.
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Tipos de
agua
10 000 Atm
31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Agua HIGROSCÓPICA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓNCoeficiente
HIGROSCÓPICO
Es el contenido de HUMEDAD del suelo en el cual la planta se marchita, el agua en el suelo en este punto es retenido a una tensión de -15 atmósferas.
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Tipos de
agua
10 000 Atm
31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Agua HIGROSCÓPICA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓNCoeficiente
HIGROSCÓPICO
Es el contenido de HUMEDAD del suelo luego de que sus macroporos han drenado completamente; se llega a esta condición de humedad luego de dejar de drenar el suelo saturado entre 24, 48 y 72 horas. el agua está retenida a tensiones comprendidas entre -0,1 y 0,3atmósferas.
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Tipos de
agua
10 000 Atm
31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Agua HIGROSCÓPICA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓNCoeficiente
HIGROSCÓPICO
Es la cantidad de agua del suelo que ha rebasado la CAPACIDAD de CAMPO.
En un suelo con buen drenaje se le denomina AGUA GRAVITACIONAL, por que el agua percola a través del perfil.
En un suelo con deficiencia de drenaje se denomina AGUA DE INUNDACIÓN.
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
Agua de COHESIÓN
Agua disponible para las plantas Agua
GRAVITATORIA
Tipos de
agua
10 000 Atm
31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm
0 % 15 % 25 % 50 %
Agua HIGROSCÓPICA
Secado al HORNO
Punto de MARCHITAMIENTO
Capacidad de CAMPO
SATURACIÓNCoeficiente
HIGROSCÓPICO
Es la cantidad de agua en el suelo retenida entre el punto de marchitez y la capacidad de campo.
Viene a ser la máxima cantidad de agua que puede extraer las plantas del perfil del suelo.
También se le denomina AGUA UTIL.
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO
CC 33 KPa (0.33 Atm.)
PM 1,5 MPa (15 Atm)
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
La ESTRUCTURA
Como
La TEXTURA
En la cantidad de AGUA ÚTIL
Influyen
La ESTRUCTURA
Su importancia en el contenido de capacidad de campo, porque, la presencia de grietas, fisuras y canales pueden determinar en la cantidad de agua retenida
Manifiesta
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
Tipo de TEXTURATipo de TEXTURA % cc% cc% pmt % pmt
(15 Atm)(15 Atm)
%%
Promedio Promedio CCCC
%%
Promedio Promedio PMTPMT
%%
Agua útilAgua útil
Arena gruesaArena gruesa
Arena finaArena fina
Limo arenosoLimo arenoso
FrancoFranco
Limo arcillosoLimo arcilloso
ArcillosoArcilloso
9 – 109 – 10
15 – 2015 – 20
20 – 2520 – 25
25.725.7
25 – 3025 – 30
30 – 4030 – 40
2 – 52 – 5
5 – 75 – 7
66
1010
13 – 1513 – 15
23 – 2723 – 27
9.59.5
17.517.5
22.522.5
25.725.7
27.527.5
3535
3.53.5
66
66
1010
1414
2525
66
11.511.5
16.516.5
15.515.5
13.513.5
1010
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
El AGUA ÚTIL puede incrementarse ligeramente aumentando M. O. al suelo.
En Inglaterra se realizó 93 aplicaciones de ESTIÉRCOL de 35 Mg.ha-1.
Aumentó el AGUA ÚTIL en la capa arable de 0 – 25 cm de profundidad en 18 mm.
Esto equivale a 180 m3.ha-1. en un suelo Franco Arenoso.
Otro experimento: han incorporado 50 Mg.ha-1 de estiércol en capa arable de 0 a 15 cm de profundidad, durante 9 años en un suelo Franco Arenoso.
Incrementó el AGUA ÚTIL en la capa arable de 0 – 15 cm de profundidad en 5 mm.
Esto equivale a 50 m3.ha-1. en un suelo Franco Arenoso.
INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL
MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO
MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
TEXTURA FRANCO ARCILLOSO
Esta TEXTURA tiene más cantidad de MICROPOROS.
El rozamiento de las paredes del microporo disminuye la velocidad y la presión del agua
Cuanto más pequeño son los tubos capilares existe más reducción de velocidad y presión, o sea, más pérdida de movimiento de agua.
MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
TEXTURA FRANCO ARCILLOSO
Esto permite moverse más lateralmente o en diferentes direcciones al agua.
O sea, a mayor presencia de tubos capilares el movimiento del agua es lateralmente.
MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
TEXTURA FRANCO ARENOSO
En cambio en tubos capilares gruesos existen burbujas de aire.
Esto no permite que el agua fluya por el suelo lateralmente.
MEDICIÓN DEL AGUA EN EL SUELO
Existen cuatro (4) métodos comunes:
1) Medidas gravimétricas
2) Medidas potenciométricas
3) Medidas bloques de resistencia
4) Medidas de sondas de neutrón
MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Mide el % de peso del suelo que corresponde al agua
Como peso base se pesa la muestra con toda la humedad y se seca en el horno a 105 ºC por 24 horas
Peso mojado – Peso seco% Hº = ----------------------------------------- x 100
Peso seco
EJEMPLO DEL MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Se toma una muestra después de dos días de una intensa lluvia
Muestra mojada = 150 g
Muestra seca = 127 g
150 g – 127 g% Hº = ----------------------- x 100 = 18 %
127 g
EJEMPLO DEL MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Volumen BASE:
Se utiliza la densidad del suelo y del agua, si el suelo tuviera 1,5 g.cm-3 de densidad
Dap% H2O por volumen = % H2O por peso x ---------
DH2O
18 x 1,5 = 27 % de H2O
Entonces el 27% del volumen del suelo es ocupado por H2O o sea casi el 50% del ESPACIO POROSO
EJEMPLO DEL MÉTODO GRAVIMÉTRICO
En una ha a una profundidad de 20 cm tendremos:
M.S. = 10 000 m2 x 1,5 Mg.m-3 x 0,20 m = 3 000 000 Kg
M.S. = 3 000 000 kg de suelo
3 000 000 x 0,27 = 810 000 Litros de agua
EJEMPLO DEL MÉTODO GRAVIMÉTRICO
También este porcentaje de humedad volumétrica puede ser expresado en lámina de agua, que es muy util en el suministro de riego
% volumenL = -------------------------- x h
100
Donde: L = lámina de agua
h = espesor del suelo
% Hº = (150 – 127) / 1,5 x 100 = 18 %
% Volumen 18 x 1,5 = 27 %
L = 27% / 100 x 20 cm = 5,4 cm
MÉTODO DEL TENSIÓMETRO
Mide el Ψ a la que el agua está sujeta
Actúa como una raíz artificial de esa forma mide la cantidad de agua disponible
MÉTODO DE LA SONDA DE NEUTRÓN
Es un tubo largo que contiene material radiactivo que emite un chorro de neutrones.
Es preciso pero muy costoso
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