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MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN - ADUCCIÓN - DESARENADORACUEDUCTO MUNICIPIO DE CALARCÁ, QUINDÍO

IMPROVEMENT OF INTAKE WORK-MAIN TRANSMISSION LINE-SAND TRAP SYSTEMIN AQUEDUCT OF CALARCA, QUINDIO

Elkin Aníbal Monsalve DurangoPedro León García Reinoso , Gabriel Lozano Sandoval

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1 1

1Programa de Ingeniería Civil. Facultad de Ingeniería. Universidad del Quindío. Investigadores Asociados Grupo CIDERA.

Fecha de recibido: Febrero 3 de 2010Fecha de aceptado: Junio 9 de 2010Correspondencia: Programa de Ingeniería Civil, Universidad del Quindío. Av. Bolivar calle 12 norte Armenia Quindío. Correo electrónico:[email protected]

RESUMEN

Palabras Clave:

ABSTRACT

Key Words:

La zona de capación del sistema de acueducto del Municipio de Calarcá en el Departamento del Quindío, localizadaen la parte alta del Río Santo Domingo, constantemente quedaba inhabilitada por el alto flujo de material presenteen este río de montaña con régimen torrencial. La empresa MULTIPROPÓSITO DE CALARCÁ S.A ESP encargada deprestar entre otros servicios el Acueducto del municipio, solicitó a la Universidad del Quindío, a través del Centro deExtensión de la Facultad de Ingeniería y con el apoyo del grupo de Investigación CIDERA, analizar la situaciónhidrológica e hidráulica presente, y realizar los estudios que permitieron establecer las acciones de intervención enla zona de captación y la optimización de cada una de las unidades y elementos conexos en captación, canal deaducción y desarenador.

Sistema de acueducto, bocatoma, canal de aducción.

The water intake area of the aqueduct system in the town of Calarcá (Department of Quindío), located in theuppermost zone of Santo Domingo river, was constantly out of service due to the high flow of solid material carriedby this mountain river, which is characterized by a turbulent flow regime. The Company MULTIPROPOSITO DECALARCA S.A. ESP which is in charge of providing, among other services, the aqueduct service in the town,requested University of Quindío, through Extension Office of Faculty of Engineering and with support of researchgroup CIDERA, to analyze the current hydrologic and hydraulic situation, and perform the studies that allow todetermine the actions to be taken in the intake area and the upgrading of every unit and related elements in intakework, main transmission line and sand trap.

Aqueduct System, Intake Structure, Main Transmission Line.

Rev. Invest. Univ. Quindío (21): 130-139. Armenia - Colombia

INTRODUCCIÓN

La EMPRESA MULTIPROPÓSITO DE CALARCÁ S.A. ESPabastece de agua al municipio de Calarcá a partir de 4fuentes (Quebrada El Naranjal, San Rafael, El Salado yRío Santo Domingo) con una concesión total para usodoméstico de 220 l/s. Las bocatomas integran lossistemas San Rafael, Naranjal y Santo Domingo -Salado, ubicándose sobre diferentes microcuencas enla vertiente occidental de la cordillera Central, con unrelieve muy escarpado (pendientes superiores al 50%).

El río Santo Domingo donde se encuentra la principalcaptación de Calarcá, presenta un régimen torrencial,con tendencia a la generación de amplios caudales confuerza de arrastre que logra desplazar grandes bloquesy obstruía e inhabilitaba la obra de captación existente.El sistema de captación Santo Domingo - Salado nodisponía de elementos para el control del caudalcaptado, lo que implicaba constantes reboses en eldesarenador, impidiendo el funcionamiento óptimode la unidad y generando bajas eficiencias en la

remoción de material suspendido y lecturas por fueradel rango, respecto del caudal derivado a la planta detratamiento.

En la zona de captación del río Santo Domingo hayconstante presencia del material generado por eltránsito de crecientes, lo que ocasionó que en elpasado se presentara socavación y alteración de laestructura de captación, dando paso a volúmenesmayores a los requeridos. La aducción presentabavertederos controlados fuera de operación, y laevacuación de excesos requería de operación manual,respondiendo a ajustes del operador y no a la dinámicade la corriente. La entrega de la aducción el Salado alcanal principal, y la entrega de éste al desarenador,presentaba problemas hidráulicos que impedían eladecuado control de la velocidad.

Siendo las estructuras de captación elementosimportantes para el abastecimiento de agua de unapoblación, deben proyectarse de acuerdo con lascondiciones geológicas y topográficas del lugar dondese realiza la extracción y a las variaciones del caudal aextraer; de igual manera, dependen naturalmente deltipo de uso y de las características hidrológicas ehidráulicas de la corriente de agua que se quiereaprovechar.

Los diversos sistemas de captación de aguaconstituidos en zonas de montaña, funcionan bajocondiciones y características muy particulares, por lasaltas pendientes de los cauces y los constantes flujosde material, dejando por fuera criterios y parámetrostécnicos propios de los pocos textos académicos queilustran sobre el diseño de acueductos en Colombia.

Como los diseños deben abordarse desde elentendimiento claro del problema, la realidadhidrológica de la cuenca y el comportamientohidráulico en el tramo donde se desea ubicar lacaptación, hasta adaptarse así a los parámetros ycriterios técnicos a los que hace referencia la literatura;la Universidad del Quindío, a través del Centro deExtensión de la Facultad de Ingeniería y con el apoyodel grupo de Investigación CIDERA, se propusomediante una visión holística conocer y analizar las

variables presentes en estas zonas de captación de altamontaña, integrando la particularidad que hay encuanto a las condiciones hidrológicas e hidráulicas y loscriterios de diseño de acueductos que reporta laliteratura, hasta documentar detalladamente elfenómeno aportando elementos técnicos paraorientar y proponer las acciones de intervención en lasunidades y elementos conexos en captación, canal deaducción y desarenador.

El municipio de Calarcá se sitúa al oriente deldepartamento del Quindío, en el flanco occidental dela cordillera Central en una altitud media de 1.703msnm, su topografía es quebrada y abrupta, conpendientes fuertes (1). En este municipio se tiene, enla zona urbana 95 barrios abastecidos por un sistemade acueducto administrado por la empresaMULTIPROPÓSITO DE CALARCÁ S.A. ESP.

El agua es tomada mediante cuatro bocatomas que seubican en el río Santo Domingo, Qda. El Salado, Qda.San Rafael y Qda. El Naranjal. La Cuenca Hidrográficadel río Santo Domingo, principal fuente deabastecimiento de agua del municipio, limitageográficamente con la cuenca del río Navarco alnorte, con el departamento del Tolima al oriente, conla cuenca del río Verde al sur y con la cuenca del ríoQuindío al occidente. El río Santo Domingo correinicialmente en dirección sur - norte, recibe las aguasde las quebradas El Campanario, Uritá, Planadas, SanAntonio, La Gata, El Oso, San Rafael y luego de unrecorrido cercano a los 12 Km., recibe las aguas de laQuebrada el salado. En la Tabla 1 se identificaron losparámetros morfométricos para la cuenca del ríoSanto Domingo y el Salado.

El estudio se desarrolló en los sitios de captaciónubicados en la Qda. El Salado y el río Santo Domingo enla zona alta y encañonada de la cuenca. Las estructurasde captación se integran en una misma aducción y

MATERIALES Y MÉTODOS

Zona de estudio

Monsalve D., Elkin A., García R., Pedro L., Lozano S., Gabriel - 131 -


C uenc a

C ota

Nac imientoms nm

C otaDes e mboc adura

ms nm

L ongitud

R ío

km

P e ndiente

R ío%

P endiente

C uenc a

%

Área

km²

S ala do 23 00 1 450 3 .64 5 2 3.32 5 3.0 8 4 .49 7

S . Domingo 35 90 1 450 1 2.82 1 1 6.69 5 4.3 3 5 6.39 9

Tabla 1. Parámetros morfométricos de las cuencas en estudio

desarenador, denominándose sistema de captaciónSanto Domingo - Salado.

En la Figura 1, se observa aguas arriba de la captacióndel rio Santo Domingo, un depósito de bloques de rocade diferentes tamaños. La dinámica hidráulica de lafuente y las altas pendientes, permiten flujo continuode materiales que ha hecho que la estructura, unabocatoma de fondo inclinada, presente dificultades

estructurales y operativas por recibir directamenteimpactos del flujo del material circulante en el caucederivado de la energía generada cuando se presentanavenidas en la cuenca. Esta situación compromete elfuncionamiento y la operatividad de las bocatomas,unidades de caja de recolección, canal de aducción,regulación, control de caudal y desarenador. El mayorimpacto sobre la estructura fue la avalancha del 24 dediciembre de 1999.

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Figura 1. Zona de captación Río Santo Domingo

Recolección de información

Procesamiento de la información

Estudio Hidrológico

Evaluación Hidráulica del Sistema

Llevar a cabo el estudio, demandó en primerainstancia, una amplia consecución de informaciónreferente a cartografía, registros de caudal,precipitación en la zona y caudales concedidos; deigual manera, se efectuó un levantamiento deinformación para establecer las condiciones defuncionamiento y operación, como también elcomportamiento de las unidades que integran elsistema Santo Domingo - Salado; la recolección deinformación continuó revisando la literaturaespecifica de diseños de acueductos en el país.

La estación seleccionada para tomar registros deprecipitación fue la estación Planadas, ubicada enla cuenca a 2.350 msnm. La recolección deinformación en campo inició con el levantamientotopográfico de la zona de captación y cada una delas unidades que integran el sistema SantoDomingo - El Salado. Se efectuaron aforos en elcanal de aducción, con el fin de establecer las

variables hidráulicas y el comportamiento delcaudal con las unidades de control y regulaciónexistente.

: Para la estimación decaudales medios se usó la metodología delBalance Hidrológico a largo plazo, obteniendo uncaudal promedio de 0.16 m³/s para la quebrada ElSalado y 1.95 m³/s para el Río Santo Domingo. Parael cálculo de los caudales máximos y mínimos seempleó el análisis de frecuencia asociado adiferentes periodos de retorno. En la Tabla 2 sepresenta el resumen de los caudales para cadauna de las cuencas en estudio.

: Medianteinformación primaria y secundaria se evaluó elsistema Santo Domingo - El Salado desde la zonade captación hasta el desarenador, encontrándoselo siguiente:

Monsalve D., Elkin A., García R., Pedro L., Lozano S., Gabriel - 133


Tabla 2. Resumen de caudales en las cuencas en estudio

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Caudales Concedidos: El caudal concedido porla autoridad ambiental mediante la ResoluciónN° 0392 del 1 de abril de 2004, es de 220 l/s, elcual se encuentra distribuido en la siguienteforma: Río Santo Domingo (75 l/s), Qda. ElSalado (70 l/s), Qda. San Rafael (60 l/s) y Qda.Naranjal (15 l/s). Esta disposición fortalece laoperación del sistema, dado que lacombinación para los niveles de captaciónpermite el suministro desde diferentesfuentes. Sin embargo, la concesión limita laposibilidad de captar volúmenes mayores encaso de situaciones extraordinarias, como porejemplo el detrimento de la calidad del aguapor amenazas generadas desde la vía Calarcá –Cajamarca.

Zona de Captación: En el río Santo Domingo seanalizó la zona de entrada a la captación, yaque se deposita gran cantidad de material yexiste permanente transito de elementosgruesos que hacen vulnerable la estructura decaptación. Analizada la situación se planteoestablecer una estructura para proteger labocatoma y la caja de derivación de caudal,garantizando el libre tránsito del materialtransportado por el río.

Estructura de Captación: Para evaluar lasbocatomas existentes y proceder con el diseñodefinitivo de la captación sobre el río SantoDomingo, se consideraron los parámetrosexpuestos en el título B de la norma RAS (2), yen bibliografía específica del tema (3-6).

En la bocatoma El Salado no se observó ningúntipo de alteración, la estructura se encontrabaintacta, no se evidenciaban indicios de flujode material que pudiera influir en la vida de laestructura. Aguas abajo de la estructura, porla caída del agua se pueden llegar a presentarproblemas de socavación sobre la base de laestructura. La reja de toma presenta unaseparación entre barrotes muy variable.

Con base en los datos tomados en campo seefectuó el chequeo de la reja para establecerla capacidad de captación de la estructura. Seencontró que bajo las condiciones de áreaneta de reja: 1.86 m y caudal de captaciónlimitado por la concesión Q: 0.07 m /s, seobtiene una altura de lámina de agua H: 0.2milímetros, estableciéndose que la toma estasobrediseñada y que el caudal que ingresa alsistema es superior al demandado, por lo queen la aducción se hace necesario evacuar losexcesos al río.

En la bocatoma del río Santo Domingo seencontró grandes variaciones de caudal entrelos periodos de estiaje y de crecientesmáximas. En el sistema de captación no existíareja, ni elementos para el control del caudalcaptado; además, aguas abajo de la toma lacaída del agua estaba socavando laestructura. La Figura 2 ilustra los dañosocasionados por el constante flujo de rocas enla bocatoma de Santo Domingo.

2

3

Q m³/s 1.1 2 5 10 20 50 100

Min 0.11 0.59 1.02 1.31 1.59 1.95 2.22

Med

Max 2.31 4.12 5.77 6.87 7.92 9.28 10.30

Min 0.32 0.99 1.60 2.01 2.39 2.90 3.27Med

Max 16.77 26.80 35.95 42.02 47.83 55.36 61.01

0.16

1.95

Qda. El Salado

Río Santo Domingo

C UENC A

PE RIODO DE R ETORNO EN AÑOS



Figura 2. Alteración en la estructura de captación Santo Domingo

PERDIDA DE LA REJA SOCAVACIÓN DE LA ESTRUCTURA

De los elementos que teóricamente integran estetipo de bocatoma, no se encontraron la reja, losmuros de protección del tránsito de crecientes, yse encontró en mal estado el canal y la caja derecolección.

Canal de Aducción: En su recorrido el canalpresenta dos zonas (Figura 3); la primeradesde la cámara de salida de la BocatomaSanto Domingo hasta la intersección del canalde derivación de la Bocatoma El Salado, con undesarrollo de 47.74 m y una pendientep r o m e d i o d e l 1 . 5 8 % . E x h i b e u ncomportamiento hidráulico adecuado condesarrollo de velocidades altas (> 2.97 m/s),controlando con ello la deposición desedimentos. En la abscisa 29.30 se presentauna compuerta lateral controlada por la que se

vierte los excesos captados, aunque lascondiciones de operación hacen de ella unaestructura ineficiente para registrar el caudalneto derivado hacia el desarenador. Al final deltramo, confluyen las aguas captadas en la Qda.El Salado, las cuales se controlan con unacompuerta que opera adecuadamente (7).

La segunda zona va desde la confluencia de laBocatoma El Salado hasta el Desarenador, conun desarrollo de 21.03 m y una pendientemedia 6.02%. En su tramo final descargaba elagua con una pendiente del 48.36%generando altas cabezas de velocidad yturbulencia que no lograban disiparse con lasobras proyectadas aguas abajo y restringían laoperación del desarenador.

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Figura 3. Zonas de aducción sistema Santo Domingo – El Salado

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Si desde el río Santo Domingo se derivan 75 l/s ydesde la Qda. El Salado se deriva 70 l/s, elcaudal de diseño para la primera zona deberíaser 75 l/s, mientras que para la segunda zonase tiene 145 l/s (en su límite máximo). Si elsistema de captación El Salado sale defuncionamiento, la primera zona podríaconducir los 145 l/s. En visita de campo,registrando velocidades superficiales en laprimera zona, se cálculo un caudal de 520 l/spara la sección típica identificada (Figura 3).Queda claro que no existe un control de caudalen la bocatoma ni en el canal, y a través delvertedero lateral se estaría evacuando el 72%del caudal captado.

Se identificó en la zona de transición entre elcanal de aducción y la entrada al desarenadorla no existencia de una estructura de disipaciónde energía, aquietamiento y distribución decaudal; la alta pendiente del canal al llegar aldesarenador hace que el agua impacte contrala pantalla deflectora generando que el flujo enel desarenador, considerado teóricamentelaminar, se convierta en turbulento y sepresenten zonas de corto circuito que hacenpoco eficiente la zona de sedimentación(Figura 4).

Desarenador: Es de tipo convencional de dosunidades, cada una está constituida por cuatro

z o n a s ; e n t r a d a , s e d i m e n t a c i ó n ,almacenamiento de lodos y salida, y cuyasdimensiones principales son: 26.4 metros delongitud, 2.85 metros de ancho y 1.55 metrosen promedio de profundidad.



Figura 4. Desarenador y zona de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Zona de captación

Siendo 220 l/s el caudal total concedido por laCorporación Autónoma Regional del Quindío a laempresa MULTIPROPOSITOS DE CALARCA SA. ESP,distribuido en cuatro fuentes de abastecimiento,puede presentarse el caso de que por algún tipode contingencia, los 70 l/s demandados de la QdaEl Salado se tengan que extraer del río SantoDomingo, por lo cual la toma en Santo Domingo seproyecta para captar 145 l/s.

Del análisis de la situación presente en la zona decaptación de Santo Domingo, se estableció quecualquier tipo de alternativa a emplear para captaragua, estará condicionada en funcionamiento yoperación por el comportamiento de la corrienteaguas arriba; por tal motivo, se efectuó unaintervención de tal manera que no se interfieracon las condiciones naturales y la dinámica del río.

Se propuso mejorar y proteger el cauce donde seproyecta ubicar la captación, mediante unaestructura cuyo objetivo primordial es evacuar demanera rápida y segura todo aquel material oescombro de gran tamaño que entre en el caucedel río y que pueda llegar a depositarse sobre lacaptación.

La solución concebida como se observa en laFigura 5, es una estructura de evacuaciónconstituida por una sección a la entrada quepermite el tránsito y evita el depósito de material.La capacidad hidráulica calculada en la secciónpermite evacuar un caudal máximo de 47.83 m3/spara un periodo de retorno de 20 años y un tirantede 1.2 m.



Figura 5. Estructura de evacuación de material

Estructura de captaciónLa bocatoma diseñada y recomendada según lascaracterísticas de la zona, es una bocatoma de tiposumergida o de fondo para caudales mayores, lacual mediante una rejilla encausa el flujo y lodirige al canal de aducción que conecta con la cajade recolección de caudales hasta entregarlo alcanal de aducción. Mediante la zona de entradade la estructura se contiene y conduce el flujo dematerial permitiendo la captación (Figura 6).

Cuando se plantea la toma, se define un área netade captación para el caudal de diseño, que a su vezdepende de una altura de lámina de agua sobre larejilla. Esta condición no es permanente debido aque en la fuente transitan diferentes caudales y sepresenta variación en la lámina de agua sobre laestructura de captación; el caudal de diseño, seconvierte entonces en un valor teórico e ideal quese presenta esporádicamente durante el tiempode funcionamiento del sistema. Como no sepuede graduar constantemente el área de

captación de acuerdo con la lámina de aguapresente, por resultar costoso, inoperante y pocofuncional, el caudal debe ser regulado aguas abajohasta obtener el volumen requerido para eldesarenador.

En esta situación tan particular donde la fuentepor su dinámica y la variación permanente decaudales, hace que el caudal captado sea superioral de diseño, no es practico proyectar la típica cajade recolección de caudales como se referencia enlos textos guía en Colombia de (4-6); por lo tanto,se proyectó una estructura o caja para permitir elpaso de caudal desde el canal de recolección en labocatoma hasta el canal de conducción. Labibliografía hace referencia además que en estaunidad se debe hacer el control del caudal deexcesos, lo que no es posible en esta bocatomapor las condiciones hidráulicas presentes al entrarel agua a la caja. La regulación del caudal seplantea hacerse aguas abajo en el canal deaducción.

y y

b

B

a



Figura 6. Bocatoma de fondo proyectada

Canal de aducción

En esta unidad se presentaban altas velocidades,no existían medios para registrar el caudalcaptado, ni elementos de regulación y aliviaderodel caudal de excesos. El estudio en el canal seefectuó con base en dos condiciones: (1) Estará encapacidad de conducir un caudal de 145 l/s y, (2)deberá existir una estructura de control quepermita controlar y registrar los caudalesenviados.

Para conocer el comportamiento del tramo, sellevo a cabo una modelación en HEC-RASconsiderando un vertedero lateral controlado poruna compuerta deslizante.

Se estableció que el canal tiene la capacidad paraconducir caudales superiores a 520 l/s. De hecho,puede transportar 980 l/s generando unaevacuación máxima en el vertedero de 410 l/s. Esdecir, al desarenador llegaría más agua de lanecesaria, obligando a disponer de controles decaudal. Se presentan también velocidadessuperiores a 2.00 m/s, por lo que la sedimentaciónno será un problema. Luego de pasar la estructurade control, para cualquier condición de flujo lavelocidad tiende a incrementarse, por lo queaguas abajo se debió disipar la energía.

La estructura está compuesta por un vertederorectangular de pared gruesa y una compuertadeslizante con orificio de descarga que fueproyectada con el fin de garantizar la llegada delcaudal máximo de 145 l/s al desarenador. (Figura7).

Figura 7. Estructura para control de flujo Zona 1

Fondo de canal

Cambio Pendiente

Escalas

Altura 0.10 m

0.60 m

SECCIÓN TRANSVERSAL

Paso 0.55 m



Como la pendiente del canal antes de llegar aldesarenador ocasionaba alta velocidad del agua yalteraba la entrada del desarenador, se propuso laconstrucción de escalas disipadoras a partir del

cambio de pendiente, K0+54.87 (Figura 8). Eldiseño hidráulico estuvo limitado al cálculo de unaestructura escalonada en condiciones de flujocrítico.

Desarenador

No se encontraron inconvenientes en la zona delodos y salida de caudal. En cuanto a la zona desedimentación para determinar la eficiencia en laremoción de partículas, se realizó un análisisbasado en la teoría de sedimentación, la Ley deStokes y el Número de Hazen (8), contemplando75 l/s y 145 l/s como posibles caudales de entrada.El desarenador presento un funcionamientoaceptable cuando ingresan caudales altos y unfuncionamiento optimo cuando los caudales soninferiores.

Como la principal dificultad se presentaba en lazona de entrada del desarenador, donde el canalse repartía desigualmente e impactaba con las

pantallas deflectoras generando flujo turbulento,se determino construir una estructura deaquietamiento y distribución de caudal paragarantizar en cada unidad el caudal necesario.

En la Figura 9 se observa la estructura deaquietamiento y la distribución de caudalmediante vertederos a cada una de las unidadesdel desarenador. El máximo caudal que llega aldesarenador es 145 l/s, ya sea porque estánsimultáneamente en funcionamiento El Salado(70 l/s) y Santo Domingo (75 l/s), o porque solo seestá captando de Santo Domingo (145 l/s). Los 145l/s que llegaran al desarenador deberán, en casode que se cierre una unidad, pasar por uno de losvertederos y dir igirse a la unidad enfuncionamiento.

Figura 8. Detalle escala disipadora

Figura 9. Estructura de distribución de caudal y entrada al desarenador



CONCLUSIONES

La bibliografía referente al diseño y optimizaciónde sistemas de abastecimiento de agua enColombia es reducida, sus contenidos, aunquerecogen los parámetros necesarios de lahidráulica y los lineamientos de las diversasnormas para realizar diseños, cálculos yproyecciones se han convertido en muchos casosen una receta que se aplica sin el debido análisis yevaluación de las condiciones presentes en el sitiodonde se desea desarrollar un proyecto deabastecimiento de agua.

En el río Santo Domingo, una fuente de altamontaña con condiciones tan particulares

respecto al comportamiento hidrológico ehidráulico en la zona, y donde el sistema deabastecimiento existente ha sufrido problemassaliendo de funcionamiento y dejando almunicipio sin agua, no se permitió la aplicaciónexpresa de los parámetros típicos citados en labibliografía; se hizo necesario afrontar el estudiodesde dos fases: Fase 1. Analizar en detalle lasituación en la zona de captación, con el fin deobtener una radiografía del comportamiento delrío y las unidades dispuestas en la zona. Fase 2.Realizar el diseño y cálculo de cada una de lasunidades de acuerdo con parámetros hidráulicos ycondicionados al comportamiento natural de lafuente, cuya finalidad fue la mínima interferenciadel sistema natural.

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