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工程水文學(xué)定義:針對(duì)不同涉水工程的性質(zhì)和需求,將水文學(xué)的基本理論與方法運(yùn)用于工程建設(shè)與管理,為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理提供水文依據(jù)的一門科學(xué)。工程水文學(xué)主要內(nèi)容分二方面:水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)水循環(huán)是指地球上各種形態(tài)的水,在太陽(yáng)輻射、地心引力等作用下,通過(guò)蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié),不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。水循環(huán)的內(nèi)因:水物理三態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化。(前提條件)水循環(huán)的外因:太陽(yáng)輻射和地球引力。(基本動(dòng)力)外部環(huán)境:包括地理緯度、海陸分布、地貌等制約了水循環(huán)的路徑、規(guī)模與強(qiáng)度。水循環(huán)的作用與效應(yīng)直接影響氣候變化重塑地表形態(tài):徑流沖刷和侵蝕地面,形成溝溪江河形成溝溪江河;水流搬運(yùn)大量泥沙,可堆積成沖積平原沖積平原;巖石長(zhǎng)期受到水流強(qiáng)烈侵蝕和溶解作用,可形成;巖石長(zhǎng)期受到水流強(qiáng)烈侵蝕和溶解作用,可形成喀斯特等地貌。形成再生資源:永不枯竭的淡水資源和能源;滋養(yǎng)和能源;滋養(yǎng)植物;供養(yǎng)海洋生物。負(fù)面影響:降水時(shí)空分布不均勻,引發(fā)干旱、洪澇災(zāi)害。水量平衡原理及其方程:原理:在水文循環(huán)中,任一地區(qū)在一定時(shí)段內(nèi)的輸入和輸出水量之差,必等于該地區(qū)蓄水量的變化量(即該地區(qū)在時(shí)段始末的蓄水量之差)。水量平衡方程:來(lái)水量(I)-出水量(S)=區(qū)域內(nèi)蓄水變量(ΔS)(1)以地球陸地為研究水量平衡對(duì)象,某時(shí)段△t內(nèi)的水量平衡方程可寫(xiě)成:PC-R-EC=△SCPC:時(shí)段內(nèi)陸地的降水量; EC:時(shí)段內(nèi)陸地的蒸發(fā)量;R:時(shí)段內(nèi)由陸地流入海洋的徑流量;△SC:時(shí)段內(nèi)陸地蓄水量的變化量。(2)以海洋為研究水量平衡對(duì)象,某時(shí)段△t內(nèi)的水量平衡方程可寫(xiě)成:海洋:PO+R-EO=△SO河流:接受一定區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給,經(jīng)?;蜷g歇地沿著狹長(zhǎng)凹地流動(dòng)的水流。它是地球上水文循環(huán)的重要路徑,也是泥沙、鹽類和化學(xué)元素等進(jìn)入湖泊、海洋的通道。水系:河流(包括干流、支流)和流域內(nèi)的湖泊、沼澤或地下暗河彼此連接組成一個(gè)龐大的系統(tǒng),又稱河系或河網(wǎng)。橫斷面:垂直于水流方向的斷面中泓線:河流中沿水流方向各斷面最大水深點(diǎn)的連線縱斷面:沿中泓線的斷面,反映河床的沿程變化。主槽:枯水期水流所占的河床灘地:洪水泛濫所占部分河床河流基本特征:河流長(zhǎng)度L(km)、流域河網(wǎng)密度D、河流的彎曲系數(shù)、河道縱比降河源、中游、下游、河口河源:河流發(fā)源的地方,可以小溪、泉水、冰川、湖泊或沼澤等形式出現(xiàn)上游:水位落差大,水流急,流量小,下切力強(qiáng),河谷窄,呈V型,河槽多為基巖。河流常出現(xiàn)急灘和瀑布。中游:河道比降變緩,下切力減弱,旁蝕力增強(qiáng),河槽逐漸拓寬及彎曲度變大,兩岸出現(xiàn)灘地,河床較穩(wěn)定。下游:河槽寬,縱斷面比降、流速小,河道淤積作用較為顯著,多淺灘和河洲,河床多為細(xì)沙和淤泥。河口:河流終點(diǎn),位于流入海洋、湖泊的河段。流速驟減,泥沙淤積,形成三角洲。流域:匯集地面水和地下水的區(qū)域,即分水線所包圍的區(qū)域。分水線:河流周圍地面高程最高點(diǎn)的連線。分水線有地面分水線和地下分水線之分,前者是匯集地表水的界線,后者是匯集地下水的界線。閉合流域:在垂直方向地面、地下分水線重合,地面集水區(qū)上降水形成的徑流正好由流域出口斷面流出,一般的大中流域均屬此類。非閉合流域:地面、地下分水線不重合的流域,如巖溶地區(qū)的河流和一些很小的流域。地面、一般的大、中流域,地面和地下分水線不重合造成地面、地下集水區(qū)的差異相對(duì)于全流域很小,常常視為閉合流域。流域基本特征流域面積F是指(地面)分水線包圍區(qū)域的分水線包圍區(qū)域的平面投影面積。河網(wǎng)密度(∑L/F,km/km2)流域內(nèi)河流干支流總長(zhǎng)度與流域面積的比值,表示一個(gè)地區(qū)河網(wǎng)的疏密度。流域長(zhǎng)度(L)和平均寬度(M)流域形狀系數(shù)(M/L)(扇狀流域、羽狀流域)流域平均高度和平均坡度流域自然地理特征(位置、氣候、下墊面)多年平均徑流系數(shù),反映流域降水量轉(zhuǎn)換成徑流量的比例系數(shù)。多年平均蒸發(fā)系數(shù),反映流域降水量轉(zhuǎn)換成蒸發(fā)量的比例系數(shù)。常用 二個(gè)系數(shù)來(lái)反映流域氣候地理特性。動(dòng)力冷卻:地面暖濕空氣→抬升冷卻→凝結(jié)為大量的云滴→降落成雨降水三要素:水汽、上升運(yùn)動(dòng)、冷卻凝結(jié)按空氣抬升形成動(dòng)力冷卻的原因分為4類:對(duì)流雨地形雨鋒面雨氣旋雨流域平均降雨量計(jì)算:陸地上的重要水體:地表水、土壤水、地下水下滲:雨水降落到地面后,當(dāng)?shù)乇頌橥杆耐寥罆r(shí),將有一部分滲入土層,即下滲。下滲的雨水,首先進(jìn)入包氣帶,當(dāng)那里吸收的水量超過(guò)它的蓄水能力(稱蓄滿)時(shí),多余的雨水進(jìn)入飽水帶,成為潛水和地下徑流。下滲:大氣降水或灌溉水通過(guò)土壤表面進(jìn)入土壤從而改變土壤內(nèi)水分狀況的過(guò)程??臻g分布不均原因:土壤性質(zhì)、土壤含水量、降雨的時(shí)空分布、地下水位下滲的物理過(guò)程初期土壤干燥,入滲過(guò)程按水分所受的主要作用力不同及運(yùn)動(dòng)特征不同,大致可分為三個(gè)階段:滲潤(rùn)階段:由于初期土壤干燥,水分主要在分子力作用下,被土壤顆粒吸附而成為結(jié)合水(吸濕水和薄膜水);對(duì)干燥土壤,滲潤(rùn)階段土壤吸力非常大,故起始下滲率很大。當(dāng)入滲使土壤達(dá)最大分子持水量時(shí),進(jìn)入下一階段。滲漏階段:下滲的水主要在毛細(xì)管力和重力共同作用下,在土壤孔隙中下,在土壤孔隙中形成不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),并逐步充填空隙,直到孔隙充滿水之前均稱為第二階段。該階段水呈非飽和運(yùn)動(dòng),有時(shí)將滲潤(rùn)階段和滲漏階段合稱為,并逐步充填空隙,直到孔隙充滿水之前均稱為第二階段。該階段水呈非飽和運(yùn)動(dòng),有時(shí)將滲潤(rùn)階段和滲漏階段合稱為滲漏階段。下滲能力fp:充分供水條件下的下滲率(mm/h),下滲能力隨時(shí)程而遞減,初期很大,后期逐漸變小最后趨于穩(wěn)定。滲透階段:當(dāng)土壤孔隙被水充滿達(dá)到飽和時(shí),水在重力作用下向下運(yùn)動(dòng),屬飽和水流運(yùn)動(dòng)。這時(shí),下滲率維持穩(wěn)定,稱穩(wěn)定下滲率。土壤水是指吸附于土粒和存在于土壤孔隙中的水分,按受分子力、毛管力、重力作用的情況分為以下4種形式:吸濕水薄膜水毛管水重力水吸濕水:被分子力緊緊吸附在土粒表面、不能自由移動(dòng)、也不能為植物利用的土壤水分。薄膜水:被剩余的分子力吸附在吸濕水層外的水膜,可從薄膜厚的地方緩慢地流動(dòng)到薄膜較薄的地方。毛管水:土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分,不能在重力作用下流走。重力水:在重力作用下可以流動(dòng)的土壤水,是地下水的來(lái)源。土壤水分常數(shù)最大吸濕水量(吸濕系數(shù)):在飽和空氣中,干燥土粒能夠吸附的最大水汽量。最大分子持水量:土粒分子力所結(jié)合水分的最大量,薄膜水厚度達(dá)最大值。凋萎含水量(凋萎系數(shù)):植物根系的吸力約為15個(gè)大氣壓,對(duì)于土粒吸附的吸力大于該值的水分,植物則無(wú)法利用。當(dāng)土壤水分低于這時(shí)的含水量時(shí),植物將缺水而凋萎死亡,該土壤含水量稱為凋萎含水量。毛管斷裂含水量:濕潤(rùn)的土壤逐漸干燥時(shí),毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開(kāi)始斷裂的土壤含水量。土壤含水量低于該值后,土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸發(fā)面運(yùn)移。田間持水量:土壤中所能保持的最大毛管懸著水量。當(dāng)超過(guò)這一限度時(shí),多余的水分不能被土壤所保持,將以自由重力水的形式向下滲透,補(bǔ)給潛水,形成地下徑流。飽和含水量:土壤中的孔隙全部被水充滿情況下的土壤含水量。蒸發(fā):水面與土壤表面的水變成水汽的過(guò)程。散發(fā)(蒸騰):在植物生長(zhǎng)期,水分從植物葉面和枝干逸入大氣的過(guò)程。蒸散發(fā):自然界水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)的總稱土壤蒸發(fā):土壤水分通過(guò)空隙上升和汽化以水汽形式從土壤表面進(jìn)入大氣的過(guò)程。流域總蒸發(fā)(流域蒸散發(fā)):流域內(nèi)的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)的總稱。徑流:由降水形成的,沿著流域地面和地下向河川、湖泊、水庫(kù)、洼地等流動(dòng)的水流。其中流出流域出口斷面的水流稱為河川徑流。徑流分類按運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所:地面徑流或地表徑流、地下徑流按降水形式和補(bǔ)給來(lái)源:降雨徑流、融雪徑流徑流形成過(guò)程:流域內(nèi),自降雨開(kāi)始到水流匯集到流域出口斷面的整個(gè)物理過(guò)程。【降雨過(guò)程→扣除損失→凈雨過(guò)程】→【流域匯流→流量過(guò)程】流量Q徑流量W徑流深R徑流模數(shù)M徑流系數(shù)αCV反映年徑流量的相對(duì)變化的特征值常用變差系數(shù)CV(=)表示。CV增大則年徑流量的年際變化加劇。某閉合流域,流域面積1000km2,其中水面面積100km2,多年平均降水量1400mm,流域出口斷面多年平均流量15m3/s,蒸發(fā)器測(cè)得多年平均水面蒸發(fā)值為2000mm,蒸發(fā)器折算系數(shù)為0.8,試求多年平均陸面蒸發(fā)量。水文測(cè)站:是指在河流上或流域內(nèi)設(shè)立的,按一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常收集和提供水文要素的各種水文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的總稱。水文測(cè)站的觀測(cè)項(xiàng)目有:水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、冰凌、水質(zhì)、地下水水位等。按其主要觀測(cè)項(xiàng)目而分別稱為水位站、流量站(通常稱水文站)、雨量站、蒸發(fā)站、地下水觀測(cè)井等。按目的和作用,水文測(cè)站可分為:基本站、專用站、實(shí)驗(yàn)站、輔助站水文站網(wǎng)布站原則:通過(guò)所設(shè)站網(wǎng)采集到的水文信息經(jīng)過(guò)整理分析后,達(dá)到可以內(nèi)插流域內(nèi)任何地點(diǎn)水文要素的特征值。水位(Waterlevel):河流、湖泊、水庫(kù)及海洋等水體的自由水面相對(duì)某一固定基面的高程,以m計(jì)。日平均水位計(jì)算方法(1)算術(shù)平均法:適用于一日內(nèi)水位變化緩慢,或水位變化較大,但系等時(shí)距人工觀測(cè)或從自記水位計(jì)上摘錄情況。(2)面積包圍法:適用于一日內(nèi)水位變化較大,且系不等時(shí)距觀測(cè)或摘錄情況。即將當(dāng)日0~24小時(shí)內(nèi)水位過(guò)程線所包圍的面積,除以一日時(shí)間求得。流量測(cè)驗(yàn)步驟:過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的測(cè)量—>流速的測(cè)量—>斷面流量的計(jì)算過(guò)水?dāng)嗝鏈y(cè)量:布置測(cè)深垂線—>測(cè)量各測(cè)深點(diǎn)的水深—>測(cè)定各測(cè)深點(diǎn)的橫向位置(起點(diǎn)距)—>確定各測(cè)深點(diǎn)水位—>繪出過(guò)水?dāng)嗝鎴D水道斷面的測(cè)量,是在斷面上布設(shè)一定數(shù)量的測(cè)深垂線測(cè)深垂線,施測(cè)各條垂線的水深,同時(shí)測(cè)得每條測(cè)深垂線與岸上某一固定點(diǎn)(斷面的起點(diǎn)樁,一般設(shè)在左岸)的水平距離(稱為起點(diǎn)距),并同時(shí)觀測(cè)水位,用施測(cè)時(shí)的水位減去水深,得到各測(cè)深垂線處的河底高程。起點(diǎn)距的測(cè)定:斷面索法、交會(huì)法、六分儀船上交會(huì)法、GPS流速測(cè)量方法:流速儀只能測(cè)得某點(diǎn)的流速,為了求得斷面平均流速,首先在斷面上布設(shè)一些測(cè)速垂線(一般在測(cè)深垂線中,選擇若干條同時(shí)兼作測(cè)速垂線),在每一條測(cè)速垂線上布設(shè)一定數(shù)目的測(cè)速點(diǎn)進(jìn)行測(cè)速,最后根據(jù)測(cè)點(diǎn)流速的平均值求得測(cè)線平均流速,再由測(cè)線平均流速求得部分面積平均流速,進(jìn)而推得斷面流量。積點(diǎn)法測(cè)速:是在斷面的各條線上將流速儀放在許多不同的水深點(diǎn)處逐點(diǎn)測(cè)速,然后計(jì)算流速、流量。這是目前最常用的測(cè)速方法。積深法:測(cè)速不是流速儀停留在某點(diǎn)上測(cè)速,而是流速儀沿垂線均勻升降而測(cè)得流速。測(cè)速垂線上測(cè)速點(diǎn)的布置,常有一點(diǎn)式,二點(diǎn)式,三點(diǎn)式和五點(diǎn)式。水文統(tǒng)計(jì)的任務(wù):頻率計(jì)算、相關(guān)分析、誤差分析重現(xiàn)期:是指某一隨機(jī)事件在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)平均多長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)一次(水文學(xué)中常稱為“多少年一遇”)。重現(xiàn)期指在很長(zhǎng)時(shí)期N年內(nèi),出現(xiàn)大于某水文變量XP事件的平均重現(xiàn)的間隔期T:T=1/p經(jīng)驗(yàn)頻率曲線繪制步驟:1樣本系列X:x1,x2,,, 按從大到小的順序排列;②用經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算系列中各項(xiàng)的頻率;③以水文變量X為縱坐標(biāo),以經(jīng)驗(yàn)頻率P為橫坐標(biāo),點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù);④根據(jù)點(diǎn)群趨勢(shì)繪出一條平滑的曲線。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率曲線,即可在曲線上求得指定頻率P的水文變量值XP這樣求到的樣本經(jīng)驗(yàn)頻率分布是否符合實(shí)際?---》不符合,加理論曲線適線法(配線法):以經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)為基礎(chǔ),在一定的適線準(zhǔn)則下,求解與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合最優(yōu)的頻率曲線參數(shù),是我國(guó)估計(jì)洪水頻率曲線等統(tǒng)計(jì)參數(shù)的主要方法。洪水:由于流域內(nèi)降雨或融雪,大量徑流匯入河道,導(dǎo)致流量激增、水位上漲的水文現(xiàn)象。水工建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn):正常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)——設(shè)計(jì)洪水:確定水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位、設(shè)計(jì)泄洪流量等。不超過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)的洪水來(lái)臨時(shí),水庫(kù)樞紐一切工作維持正常狀態(tài)。非常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)——校核洪水:確定水庫(kù)的校核洪水位。這種標(biāo)準(zhǔn)的洪水來(lái)臨時(shí),水庫(kù)樞紐的某些正常工作可以暫時(shí)破壞,但主要建筑物必須確保安全。設(shè)計(jì)洪峰、洪量的計(jì)算:洪水資料審查、洪峰洪量選樣、特大洪水重現(xiàn)期的確定、特大洪水處理方法一、洪水資料審查:三性審查1.可靠性審查2.資料一致性的審查與還原?!耙恢滦浴保菏侵噶饔虍a(chǎn)生各年洪水的產(chǎn)流和匯流條件在調(diào)查觀測(cè)期中應(yīng)基本相同。如果發(fā)生了較大的變化,需要將變化后的資料還原到原先天然狀態(tài)的基礎(chǔ)上,以保證抽樣的隨機(jī)性。3.資料代表性的審查與插補(bǔ)延長(zhǎng)審查資料代表性的方法:從本地區(qū)洪水發(fā)生的頻次及周期方面進(jìn)行分析、與鄰近流域有較長(zhǎng)洪水資料的參證站對(duì)比、利用鄰近流域較長(zhǎng)期降雨資料進(jìn)行對(duì)比三、洪水資料的選樣:從現(xiàn)有洪水記錄中選取若干洪峰流量或某一歷時(shí)的洪量組成樣本。特大洪水:比系列中一般洪水大得多的洪水,并且通過(guò)洪水調(diào)查可以確定其量值大小及其重現(xiàn)期者。2.為什么加入特大洪水?增大樣本容量,提高代表性、提高洪水頻率計(jì)算精度。考慮特大洪水并進(jìn)行特大值處理,所得計(jì)算成果比較穩(wěn)定合理。特大洪水處理的關(guān)鍵:特大洪水重現(xiàn)期的確定或經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算。根據(jù)資料來(lái)源不同,將用以確定特大洪水代表年限有關(guān)的年份分為:實(shí)測(cè)期、調(diào)查期和文獻(xiàn)考證期。一般將調(diào)查期+文獻(xiàn)考證期統(tǒng)稱為調(diào)查考證期。不連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算:獨(dú)立樣本法、統(tǒng)一樣本法目估適線法配線準(zhǔn)則:盡可能地照顧到點(diǎn)群的趨勢(shì),曲線盡量通過(guò)點(diǎn)群的中心,當(dāng)經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)群與曲線不能全部擬合時(shí),應(yīng)側(cè)重考慮中上部而且精度較好的大洪水的點(diǎn)據(jù);由于歷時(shí)上特大洪水加入系列進(jìn)行配線,對(duì)確定參數(shù)的影響作用較大,但這些資料本身精度較差要慎重對(duì)待,因此適線時(shí)不能機(jī)械通過(guò)該點(diǎn),使曲線對(duì)其它點(diǎn)群偏離太大,也不能距該點(diǎn)據(jù)太遠(yuǎn),應(yīng)考慮可能的誤差范圍進(jìn)行調(diào)整;參照本站不同時(shí)段及相鄰流域洪水特征值統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)規(guī)律進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)洪峰洪量的合理性檢查:①對(duì)本站洪峰流量及不同時(shí)段洪量的頻率計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析②與上下游洪水頻率計(jì)算成果進(jìn)行比較③與鄰近的河流的設(shè)計(jì)洪水分析結(jié)果進(jìn)行比較④千年和萬(wàn)年一遇的洪水可與國(guó)內(nèi)外的相應(yīng)面積的大洪水記錄進(jìn)行比較設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線的推求采用典型洪水放大法。典型洪水放大法:從實(shí)測(cè)洪水中選出和設(shè)計(jì)要求相近的洪水過(guò)程線作為典型,然后按設(shè)計(jì)的峰和量將典型洪水過(guò)程線放大。關(guān)鍵:如何恰當(dāng)?shù)剡x擇典型洪水和如何放大。1.典型洪水過(guò)程線選擇①選擇資料完整,精度較高,峰高量大的洪水過(guò)程,其洪水特征接近設(shè)計(jì)條件下的稀遇洪水情況。②具有較好的代表性,在發(fā)生季節(jié)、地區(qū)組成、峰型、主峰位置、洪水歷時(shí)及峰量關(guān)系能代表設(shè)計(jì)流域大洪水的特性;③選擇對(duì)防洪運(yùn)用不利的典型,如峰型比較集中,主峰靠后的洪水過(guò)程。④如水庫(kù)下游有防洪要求,應(yīng)考慮與下游洪水遭遇的不利典型。2.典型洪水過(guò)程線的放大:同倍比放大、同頻率放大(看書(shū)?。┩l率放大法:分別采用不同的倍比對(duì)典型過(guò)程線的洪峰和洪量進(jìn)行放大,使放大后的洪峰及洪量分別等于設(shè)計(jì)洪峰和設(shè)計(jì)洪量。放大后的過(guò)程線的洪峰流量和洪量都符合同一設(shè)計(jì)頻率,稱為“峰、量同頻率放大”,簡(jiǎn)稱“同頻率放大”。優(yōu)點(diǎn):求出來(lái)的過(guò)程線比較符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺點(diǎn):可能與原來(lái)的典型相差較遠(yuǎn),甚至形狀有時(shí)也不能符合自然界中河流洪水形成的規(guī)律。改善方法:盡量減少放大的層次基本假定:設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻率直接法:思路:資料收集與審查→[選樣]→每年各歷時(shí)最大面雨量系列→[頻率計(jì)算]→各種歷時(shí)面暴雨量理論頻率曲線→[設(shè)計(jì)頻率]→各種歷時(shí)的設(shè)計(jì)面雨量設(shè)計(jì)面暴雨量計(jì)算成果的合理性分析:1、對(duì)各種

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