Caractérisation des Milieux Aquatiques du Bassin Versant de la Introduction Rivière Ibrahim, Liban Aurore ASSAKER L eau, source de vie sur terre, devient une source de mort. Aujourd hui le problème d avoir une eau potable et accessible devient plus qu un besoin indispensable à la vie humaine. Bien que l eau recouvre 70% de la planète, une fraction minime et presque négligeable est constituée d eau douce dont 0.3% est facilement accessible et renouvelable. De ce fait ces réserves demeurent insuffisantes pour répondre aux besoins des populations qui les dépassent amplement. De même la répartition inégale de ces ressources ramène plusieurs pays à connaître la pénurie d eau. Cette tendance dans le monde entier est exacerbée par la croissance démographique croissante qui requiert une demande grandissante en eau pour l activité agricole et industrielle. Ce qui fait qu aujourd hui l eau est devenue un vecteur stratégique de conflits géopolitiques, allant jusqu à provoquer des guerres. Sur un autre plan, l eau focalise l attention de la communauté scientifique à l échelle du globe qui œuvre de plus en plus à étudier les ressources hydriques. Cet effort collectif vise la préservation et la conservation de ces ressources rares pour les garantir aux générations présentes, et les préserver aux générations futures. Le Liban, un pays de 10.452 km 2, comptant près de 4.5 millions d habitants (SWEEP-Net, 2010) et connu comme région de la méditerranée riche en eau n échappe pas aux problèmes liés aux ressources hydriques. En effet son taux de croissance démographique élevé exige une production agricole abondante, pour laquelle la gestion des ressources en eau reste discutable (Zurayk, 2003). Ceci situe le pays dans une situation d instabilité hydrique (Kouyoumjian & Hamzé, 20). De plus cette situation est aggravée par l absence de schéma d aménagement et de gestion des eaux sur le territoire Libanais. Comme conséquences plusieurs aspects de pénurie et de dégradation commencent à apparaître. Cela est en grande partie lié à la mauvaise gestion dans le secteur de l eau qui manque de système de contrôle, de surveillance et de suivi de l eau ainsi que les données insuffisantes pour contrôler la qualité et la quantité de l eau. De plus, les mauvaises pratiques agricoles, l industrialisation et l urbanisation résultent en une pollution anthropique de l eau de plusieurs types (physiques, chimiques et microbiologiques) amenant à la dégradation de ces ressources. Comme résultat, des milliers de substances chimiques arrivent dans les rivières entraînant la dégradation de ressources (UNEP/GEMS, 2006). Certes, certaines de ces substances existent naturellement dans des concentrations données, mais une fois leurs concentrations naturelles dépassées, elles commencent à devenir nuisible pour les organismes vivants. De plus, d autres substances entrent indirectement via les résidus des rejets agricoles et industriels. Ces substances peuvent affecter la population toute entière ainsi que la composition chimique et biologique de l écosystème. Ces substances relarguées peuvent sous certaines conditions être entraînées dans la colonne d eau et ainsi seront piégés dans les sédiments de rivière. Ce phénomène constitue une barrière à l auto amélioration ou autoépuration de la rivière. Or, l interface de la colonne eau-sédiment joue un rôle primordial dans la distribution des substances chimiques naturellement présentes.
Ce travail de thèse s inscrit à l échelle d un bassin versant (BV). Il a pour but d évaluer les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques du BV tout en le fragmentant en sous bassin en fonction du mode d utilisation du sol. Cela passe au préalable par une évaluation globale de la qualité de l eau et des sédiments et leur état de contamination par les polluants (physique, chimiques et microbiologique). Toutefois il paraît également important de s intéresser à la variation spatiale et temporelle de ces polluants à l échelle du BV afin de mettre en évidence et de mieux comprendre les mécanismes d interaction entre les sédiments, l écosystème aquatique et l homme. L originalité de ce travail de recherche réside dans le fait que les analyses effectuées au laboratoire seront accompagnées d analyses spatiales avec les techniques avancées du SIG (Système d information Géographiques) du Centre National de Télédétection du Conseil National de Recherche Scientifique Libanaise. La zone d étude est Le Basin Versant de la Rivière Ibrahim (BVRI). Il s agit d'un bassin versant de 326 km 2, ayant un débit maximal (408 millions de m 3 /an) (Assaker et al., 2011) parmi les rivières libanaises. Ce BV est caractérisé par une biodiversité remarquable et classifié comme site du patrimoine mondial (Korfali et Davies, 2004). Ce site choisi pour l étude est une région typique des régions libanaises, car tous les aspects de mauvaise gestion des ressources naturelles et des risques y existent (Shaban et al., 2011). Le problème prend une autre dimension du fait que cette rivière était sujet durant les dernières décennies à des pollutions bactériologiques et chimiques, avec une augmentation des concentration de (3200 µg/l), Mn (17 µg/l), Zn (700 µg/l) et en Pb (40 µg/l) (Bou Saab et al., 2006 ; Kofali & Davies, 2003 ; 2007), en raison des rejets agricoles, industriels et domestiques non traités. Par conséquent, il devient d une importance majeure de réfléchir à la gestion de ces ressources au BVRI, typiquement car les données disponibles pour ce bassin n étaient pas toutes collectées dans un même intervalle de temps. Ainsi, la problématique abordée dans cette thèse réside dans l évaluation de l impact qu exerce l effet anthropique sur les milieux aquatiques du Bassin Versant de la Rivière Ibrahim pour mieux évaluer et comprendre le poids qu exerce l être humain sur l écosystème naturel et plus particulièrement sur l écosystème aquatique. C est ainsi que cette thèse se fixe trois objectifs : Le premier objectif de cette thèse est de mettre en lumière la présence d une activité anthropique (qui commence à se prononcer). Il s agit donc de comprendre comment la qualité des milieux aquatiques varie tout le long du bassin et quelles en sont ses propriétés. Donc en premier lieu étudier les originalités du contexte de la qualité des milieux hydriques qui se trouvent dans le BVRI et les comparer avec d autres BV Libanais. Le second objectif réside dans la mise en place d une base de données de référence pour décrire l état actuel du BV nous permettant de savoir dans quel sens cet état va varier dans les futures années. Le troisième objectif est d établir une base de référence nous permettant de savoir si la construction du Barrage (SAD) Janné (dont la finalisation est prévue en 2019) va affecter les organismes aquatiques et mieux prévenir la variation de ces caractéristiques après que la construction du barrage SAD JANNA est réalisé. Perspectives Proposition des éléments nécessaires du statut de droit sur le secteur de l Eau au Liban. 2
Méthodologie de travail - Bilan Hydrologique du BVRI - Bilan actuel et bilan au cours des 5 dernières décennies - Comparaison SIG selon l occupation/utilisation des sols et évolution du climat (pluviométrie, température) - Cartographie des risques pour la pollution hydrique (détermination des sources de pollution potentielle) - Évaluation quantitative des ressources hydriques et suivi à l échelle du bassin versant des contaminations en fonction du type d occupation du sol - Analyse des paramètres physico - chimiques de l eau et des sédiments - Caractérisation Biogéochimique du BVRI selon : L utilisation du sol Analyse des nutriments Les sous bassins - Production de carte d occupation/utilisation du sol du BVNI (2010) - Évaluation de la variation spatiale de la contamination entre les différents sites - Recherche de liens entre occupation du sol et résultats obtenus. La figure ci dessus représente le schéma général du travail entrepris. Échantillonnage Traitement des images satellitaires Visite de Terrain Analyse Laboratoire Application SIG Validation et vérification Obtention de données Production de la carte d occupation/utilisation du sol Production des cartes de Risques Figure 1 : Schéma général du travail entrepris. 3
Protocole de recherche Caractérisation Hydrologique et Biogéochimique du Bassin Versant de la Rivière Ibrahim, Liban Aurore ASSAKER Ce plan de travail couvre les trois années de travail de thèse entre le CNRSL (Conseil National de Recherche Scientifique Libanaise) et L Ecole doctorale SDU2E (Sciences de l Univers de l environnement et de l Espace) de l Université Toulouse III. Ce travail est prévu pour une période s étalant de septembre 2011 à septembre 2014. Titre: Caractérisation des Milieux Aquatiques du Bassin Versant de la Rivière Ibrahim, Liban Université: Institut National Polytechnique de Toulouse, Université Toulouse Laboratoires de rattachement - CNT Centre National de Télédétection - CNRS L - CNSM Centre National des Sciences Marines - CNRSL - CLEA Commission Libanaise de l Energie Atomique - CNRSL - ECOLAB Écologie Fonctionnelle et Environnement - ENSAT - Toulouse France Directeur de thèse en France : Dr Jean Luc PROBST Codirecteur au Liban : Dr Talal DARWISH Année de 1 ère inscription : 2011/20. Structuration du Projet Cette thèse comprend six chapitres comme suit : Introduction Chapitre 1. Etat d art sur les rivières au Liban et la rivière Ibrahim Chapitre 2. Matériels et méthodes 1. Caractérisation du BVRI (surface, habitat, type d occupation d utilisation du sol, les forêts, géologie, sol) 2. Prélèvement et échantillonnage sur terrain 3. Techniques utilisées au laboratoire pour caractériser les eaux et les sédiments 4. Traitement des données, SIG et modélisation Chapitre 3. Variation hydro climatique Relation pluie débit et leur variation pendant les années pour l année d étude et par rapport au passé, ce qui permettra de constituer cette étude et de la projeter par rapport au passé. 4
Chapitre 4. Caractérisation physico-chimiques des sédiments 1. Phases dissoutes 2. Phases particulaires et sédiments de fonds 3. Distribution entre les phases et facteurs de contrôle 4. Niveau de concentration Chapitre 5. Relation entre l évolution de la composition chimique des sédiments et les facteurs de contrôle (goût, agriculture) Chapitre 6. Introduction du SIG Conclusion Faire une estimation pour la construction du barrage. Introduction Dans cette partie les caractéristiques des ressources hydriques de la méditerranée orientale en général et celle du Liban en particulier ont été décrits, tout en mettant l accent sur les sources de pollutions continentales. Chapitre 1. Etat d art sur les rivières au Liban et la rivière Ibrahim I. Ressources Hydriques au Liban II. Dégradation des Ressources Hydriques au Liban III. Evaluation du statut de droit et des lois sur le secteur de l Eau au Liban Cette partie déjà avancée au cours de la 1ère année décrit l état d art des ressources hydriques présentes au Liban utilisant les données disponibles et informations collectées dans plusieurs références scientifiques et des études réalisées par plusieurs centres de recherches. Cette partie introduit ainsi le besoin des outils des systèmes d information géographiques (SIG). La bibliographie nous a permis d évaluer les ressources hydriques au Liban non seulement du point de vue qualitatif mais aussi quantitatif. La longueur combinée des rivières est de 730km et leur flux annuel moyen est de 3900 millions de m3 (MOE/UNDP/ECODIT, 2001), néanmoins ce flux a diminué jusqu à 186 millions de m3 en 2005. 75 % des flux s observent entre janvier et Mais, 16% entre Juin et Juillet et 9% être Août et Octobre (Shaban, 2009). Pour la majorité de ces rivières l eau est de bonne qualité à l amont mais se dégrade à l aval sous l influence anthropique liée aux rejets agricoles, urbains et industriels. Le Nahr Anthélias et le Litai font exception, dans ces deux cours la pollution se trouve depuis la source jusqu à l embouchure (Saad et al., 2004; Abed et Tabchi, 2005; Slim et al., 2005; Khalaf et al., 2007; Abou Hamda, 2004 et 2008; Khalaf et al., 2009). De plus la majorité des rivières Libanaises est affectée par une pollution bactériologique sévère, reflétée par les hauts nivaux de E. Coli et Coliformes totaux retrouvés (Houri et El Jeblai, 2007). Plus que 2750 lacs caulinaires se trouvent au Liban (CNRS, 2006). Toutefois, ces conséquences de mauvaise gestion de l eau au Liban restent en grande partie liées à l absence de normes et de lois pour gérer ces ressources. Dans ce chapitre nous exposerons les différentes lois et normes qui régissent l eau douce, l eau usée et l eau de mer (SELDAS 2007). 5
Chapitre 2. Matériels et méthodes 1. Caractérisation du BVRI En se basant sur des données (climatiques, hydrologiques et géologiques) et les cartes disponibles au CNRSL, au Service climatologique de l aéroport de Beyrouth, de L IRAL (Institut de Recherche Agronomique Libanais) avec les techniques développées de télédétection - SIG (Systèmes d information géographiques), nous avons pu caractériser le BVRI. Les cartes de la géologie, de l hydrologie, du climat et du mode d occupation/utilisation du sol ont été produites à l échelle du bassin versant complètement. Les figures ci-dessous montrent la composition spécifiques du couvert forestier (Figure 2) les cartes de la pluviométrie (Figure 3) et de la géologie (Figure 4) dans le BVRI. Source : CNRS, 2010 Figure 2. Composition du couvert forestier dans le BVRI 6
Source : Assaker, 2011 Figure 3 : Carte de la pluviométrie du BVRI. Source : Assaker, 2011 Figure 4 : Carte de la géologie du BVRI. 7
2. Prélèvement et échantillonnage sur terrain Les stations d échantillonnage ont été choisies sur les images satellitaires du LANDSAT 2005 selon le mode d occupation/utilisation du sol et ont été vérifiées sur terrain. La figure 5 représente les stations d échantillonnage dans le BVRI. De même les sous bassins ont été dessinés. Source : CNRS, 2011 Figure 5. Stations d échantillonnages dans le BVRI. 3. Techniques utilisées au laboratoire pour caractériser les eaux et les sédiments Pour réaliser le projet, nous avons procédé par le plan d échantillonnage qui suit : Sept stations d échantillonnage du BVRI ont été sélectionnées pour effectuer les analyses de l eau et des sédiments. Nous avons choisis les sites en fonction de leur accessibilité et du type d occupation du sol qu elles représentent. Et ainsi chaque station représente un type d occupation du sol spécifique. Les cours d'eau côtiers Libanais ont un régime torrentiel avec des hautes eaux entre janvier et mai et de basses eaux (étiage) entre juin et novembre. La majorité des cours d eau côtiers ont une longueur variant entre 30 et 40 km avec une forte pente. Donc concernant les sédiments (milieu intégrateur) nous avons proposé de faire deux prélèvements par an, un en période sèche entre juillet et août 20 et un en période humide entre février et mars 20. Deux échantillons de sédiment ont été prélevés de chaque station, l un, congelé et lyophilisé destiné pour analyse de la matière organique et l autre séché dans un four à 45ºC pour analyse de métaux lourds et analyses granulométriques. Ces échantillons ont été traités en France à l ECOLAB. Une fois en France les échantillons ont été écrasés avec mortier Agatha et tamisées. Les métaux lourds tel que le mercure, plomb et autres ont été 8
analysés conformément à la méthode adoptée par Probst et Hissler en 2006 ; Bur et al., 2009 and Guessan et al., 2009. Concernant la teneur en matière organique dans les sédiments, nous avons analysé celle-ci selon la méthode utilisée par Teisserenc en 2009. Les analyses de l'eau ont été faites mensuellement pendant un an. Les analyses microbiologiques et celles de la salinité ont été réalisées dans le CNSM. Le reste des analyses a été effectué au sein de CLEA. Les paramètres tels la température, pression, conductivité électrique et oxygène dissous ont été effectués sur place avec un traceur multi paramètre (La Motte 1766). Date de prélèvements : Début des prélèvements du Juin 20 jusqu'a Juin 20. Les paramètres mesurés dans l eau et les sédiments figurent en détail dans les tableaux qui suivent. Les résultats en cours pour les 6 premières campagnes d échantillonnages nous ont montré que la qualité de l eau suit d un premier point le mode d occupation des sols du fait que les métaux lourds se trouvent concentrés sur une partie du bassin et se trouvent en une quantité moindre dans d autres sous bassins. Alors que la qualité microbiologique augmente tout en descendant vers l aval de la rivière, toutefois en restant dans des concentrations inférieures que celles trouvées dans d autre rivière libanaises. Cela vérifie l hypothèse de départ de diviser le bassin en sous bassin selon le mode d occupation d utilisation du sol pour refléter la qualité des eaux. De plus les analyses nous ont permis de discerner de nouvelles espèces de diatomées qui à notre connaissance n avaient pas été relevées auparavant dans les rivières libanaises. Les analyses effectuées dans cette thèse seront comparées à des travaux effectués depuis 1988 et qui n ont jamais été refaits, formant ainsi une base de données pour l étude de la microflore végétale qui pourra ainsi valoriser le travail. Tableau 1. Analyses effectuées dans les sédiments. Métaux lourds Analyse des sédiments As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, Zn, S, Cs, Fe, Al, Ti, Th, Sc Eléments majeurs: Ca, Mg, Na, K, Al, Fe, Si, Ti La série des Terres Rares. Carbone Organique Particulaire COP Carbone Organique Dissous COD 9
Tableau 2. Analyses effectuées dans les sédiments. Analyse de l Eau Paramètre Unité Méthode Température C La Motte Tracer ph La Motte Tracer Conductivité µs/cm La Motte Tracer Turbidité NTU La Motte Tracer MES Mg/L NF- T- 90-1o5 Phosphates µg de P/L IC Nitrates NO 3 Mg/L IC Chloride Mg/L IC Sulfates SO 4 Mg/L IC calcium Ca ++ Mg/L AA potassium K+ Mg/L AA Sodium Na + Mg/L AA Manganese Mn Mg/L AA Fer Fe Mg/L AA Aluminum Al Mg/L AA Fluor F- Mg/L AA Magnésium Mg/L AA Mg++ Total Hardness Bactéries Coliforms fécaux MF Streptococc MF Fécaux Diatomées As ppb ICP-MS Cd ppb ICP-MS Pb Ppb ICP-MS Zn ppb ICP-MS HAP PCB 4. Traitement des données, SIG et modélisation (travail en cours) Chapitre 3. Variation hydro climatique (travail non encore finalisé) Relation pluie - débit et leur variation pendant le temps pour l année d étude et par rapport au passé, ce qui permettra de constituer cette étude et de la projeter par rapport au passé. 10
Chapitre 4. Caractérisation physico-chimiques des sédiments (travail en cours) 1. Phases dissoutes 2. Phases particulaires et sédiments de fonds 3. Distribution entre les phases et facteurs de contrôle 4. Niveau de concentration Chapitre 5. Relation entre l évolution de la composition chimique des sédiments et les facteurs de contrôle (goût, agriculture) (travail en cours) Chapitre 6. Introduction du SIG Dans ce chapitre, nous avons présentés les nouvelles applications de la télédétection et les techniques SIG dans le domaine des sciences appliquées et de l environnement. Cette technique repose sur l analyse des données reçues de l espace par l intermédiaire des satellites. Récemment cette technique s est confirmée comme avantageuse, économique et rapide. Les outils présentes au Centre de télédétection et utilisés dans ce travail sont : - Documentations et études existantes - Carte topographique (1:50.000) - Carte géologique (1:50.000) - Carte du sol (1:50.000) - Carte d occupation/utilisation du sol de l année 2005 (1:50.000) - Image satellitaires de l année 2010 - Logiciel SIG Ces données ont permis d un premier lieu de délimiter le bassin et de cartographier ses différentes caractéristiques. De plus ces techniques nous permettrons de modéliser la pollution dans l espace et le temps tout le long du BV. 11
Articles et Travaux effectuées au sein de cette thèse Au cours de cette thèse des travaux ont été effectués et font l objet d une publication dans des ouvrages collectifs. 1) Titre du chapitre : Évaluation des caractéristiques physiques et des risques naturels dans le Bassin versant de Naher Ibrahim. Auteurs (s): Shaban, A., Darwich, T. and Assaker, A. 20. Titre de l ouvrage: Du Mont Liban aux Sierras d Espagne. Sols, eau et sociétés en montagne. Editeur: Université de Bordeaux (éditions Ausonius). Ce premier travail, débuté sur la région d étude nous a permis d évaluer les risques naturels (érosion, et mouvement de masse) qui ont pu être détectés au niveau du BVRI utilisant les techniques de télédétection et SIG. 2) Titre du chapitre: Évaluation des risques des feux de forêts dans le Bassin versant de Naher Ibrahim. Auteurs (s): Darwish, T.; Assaker, A; Faour, G., Noun, M., 20 Auteurs: Du Mont Liban aux Sierras d Espagne. Sols, eau et sociétés en montagne. Editeur: Université de Bordeaux (éditions Ausonius). Ce travail s est appuyé sur l efficacité de l adoption des nouvelles techniques de télédétection et du SIG dans l évaluation des risques naturels. 3) A. Assaker, T. Darwish, G. Faour and M. Noun, 2011. Use of remote sensing and GIS techniques to assess the anthropogenic impact on forest fires in Nahr Ibrahim Watershed, Lebanon. Lebanese Science Journal, Vol., No. 1, 20. Editeur: Lebanese Science Journal Ce travail nous a permis de déceler que l activité anthropique, toutefois a petite échelle, peut influencer même aggraver les risques naturels tel que les feux de forêts. 4) Titre de l article : Spatial analysis of Ibrahim River watershed : Environmental changes during the last four decades Auteurs (s): Assaker A., Probst, J-L., Teisserenc R., Darwish T., Faour G. Conférence : LAAS Lebanese Association for the Advancement of Science. Ce travail est en cours et sera présenté à LAAS une fois accepté. Ce travail a considéré une petite région du BVRI ou a été examiné le changement du mode d occupation/utilisation du sol. Ces résultats ont été corrélés avec d autres paramètres hydrologiques et démographiques et climatiques pour analyser le changement environnemental durant les quartes dernières décennies. Figure 6 et 7 représentent le changement de l occupation du sol pour l année 1965 et 2010 respectivement.
Figure 6 : Représentation schématique de l occupation/utilisation du sol pour l année 1965. Figure 7 : Représentation schématique de l occupation/utilisation du sol pour l année 2010.
Calendrier d alternance entre les deux établissements Les Tableaux ci après schématisent le calendrier d alternance entre les deux établissements. Lib : présence au Liban. Fra : présence en France. Travail effectué Année académique 2011-20 (1ère année de thèse) Mois Sep 11 Oc 11 No 11 De 11 Travail bibliographique Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib Définition et appropriation Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib de la problématique Formations universitaires Fra Ateliers et conférences Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib Lib Lib Lib Lib Lib nationales et internationales Travail de Terrain Lib Lib Lib Lib Lib (prélèvements, etc ) Analyses en Laboratoire Lib Lib Lib Lib Lib Ja Fé Ma Av Ma Ju Ju Ao Après la deuxième année de thèse, la partie expérimentale sera quasiment effectuée vers le mois de juin. Les résultats seront ainsi prêts ainsi que l acquisition des formations pour pouvoir traiter les données obtenues statistiquement. Les cartes hypothétiques seront déjà prêtes pour comparer les résultats obtenus aux données envisagées. Année académique 20-20 (2 ème année de thèse) Travail en cours Mois Sep Oc No De Travail bibliographique Lib Lib Lib Lib Lib Fra Lib Formations universitaires Fra Fra Fra Fra Ateliers et conférences nationales et internationales Lib Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib Fra Fra Fra Lib Travail de Terrain Lib Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib Analyse en Laboratoire Lib Lib Lib Lib Lib Fra Lib Lib Fra Fra Fra Lib Ja Fé Ma Av Ma Ju Ju Ao Pour la troisième année de thèse - Traitement des données sur SIG et cartographie, rédaction de la thèse et préparation des articles, début 2014, au Liban. - Séjour en France pour 4 mois pour la période d avril à juillet 2014 pour effectuer les analyses biogéochimiques et isotopiques et le traitement statistique des résultats obtenus sur les eaux et les sédiments dans le laboratoire ECOLAB de Toulouse. Un mois additionnel sera alloué pour la préparation de la soutenance. 14
Année académique 20 2014 (3 ème année de thèse) Mois Sep Oc No De Ja Fé Ma Av Ma Ju Jui Ao Travail prévu Travail bibliographique Lib Lib Lib Lib Lib Lib Lib Fra Fra Fra Fra Lib Formations universitaires Fra Fra Fra Fra Ateliers et conférences Lib Lib Lib Lib Lib Lib Lib Fra Fra Fra Fra Lib nationales et internationales Analyses Fra Fra Fra Fra Statistiques et Lib Lib Lib Lib Lib Lib Lib Fra Fra Fra Fra modélisation Rédaction du manuscrit Lib Lib Lib Lib Lib Lib Lib Fra Fra Fra Fra Soutenance La soutenance de thèse est prévue à Toulouse pour le mois entre septembre et décembre 2014 15
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