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1、關于大氣擴散與污染控制第1頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第一節(jié) 主要的氣象要素一、氣溫 表示大氣溫度高低的物理量。反映一定條件下空氣分子平均動能大小。通常指距地面 1.5m高處百葉箱中的空氣溫度。二、氣壓大氣的壓強單位:1Pa=1N/m2 1mb=100Pa=1hPa ,mb毫巴 1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg第2頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三三、氣濕 氣濕是大氣中水汽含量的物理量。 表示氣濕的物理量主要有:絕對濕度、相對濕度、水蒸氣分壓、水氣體積分數(shù)和露點。 第3頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,

2、星期三 水平方向的空氣運動叫做風(垂直方向升降氣流) 風的來向叫風向(常以8或16個方位圓周等分表示) 風速:單位時間內空氣在水平方向上運動距離(一定時間如2或10min的平均值) 四、風第4頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三五、云 云是飄浮在空中的水汽凝結物,由大量小水滴或小冰晶或兩者混合物組成。云高和云量對污染物擴散具有重要意義。 云量:天空被云遮蔽的成數(shù)(我國10分,國外8分) 云高:云底距地面底高度 低云(2500m以下) 中云(25005000m) 高云(5000m以上) 第5頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三云 高云(5000m以上)中云

3、(2500-5000m)低云(2500米以下)第6頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三六、能見度 正常視力的人,在天空背景下能看清的水平距離 級別:09級,相應距離為5050000米第7頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第二節(jié) 大氣的熱力學過程一、太陽、大氣和地面的熱交換【太陽】 太陽幅射是地球的主要熱源。太陽對地面的輻射以短波輻射為主?!镜厍颉?地球表面的陸地、海洋、植物等直接吸收太陽輻射的能力很強。同時,地球表面可以按自身溫度向外輻射。地球輻射以低溫長波輻射為主?!敬髿狻?大氣本身吸收短波的能力很弱。但吸收長波輻射的能力很強。因此近地層大氣溫度變化

4、主要受地表溫度的影響,隨地表溫度的升高或降低,近地面空氣自下而上被加熱或冷卻。第8頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三二、 氣溫的垂直變化1、氣塊的垂直運動絕熱:系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換,氣塊的垂直運動視為絕熱過程; 空氣塊膨脹(做功)耗內 能 T定性空氣塊壓縮(外界對其做功)T內能(由壓力變化引起)第9頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三2、干絕熱直減率d干氣團絕熱上升或下降單位高度(通常100m)的溫度變化量稱為干絕熱直減率,用d表示,單位K/100m。 定義: 表示干空氣在作干絕熱上升(或下降)運動時,每升高(或下降)100m,溫度降低(或升高)約1

5、。經推算得:第10頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三3、氣溫直減率真實大氣的氣溫隨高度的變化稱為氣溫直減率d(遞減層結)Tzg=-ggggdg正常分布層結,中性層結(絕熱直減率)0 ,等溫層結 0 ,逆溫層結Tzg=- gggdg正常分布層結,中性層結(絕熱直減率)0 ,等溫層結rd。這種情況下煙云就好象被蓋子蓋住一樣,只能向下部,象煙熏一樣直撲地面。在污染源附近的污染物濃度較高,地面污染嚴重。(4)屋脊型煙流:煙囪出口上方大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)rrd;下方大氣則處于穩(wěn)定狀態(tài)rrd。煙氣中污染物不向下方擴散 而只向上方擴散,對地面污染較小。該種煙型多出現(xiàn)在日落前后。第24頁,

6、共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第三節(jié) 大氣的運動和風一、引起大氣運動的作用力 直接作用力重力水平氣壓梯度力(垂直上與重力基本平衡)間接作用力 地轉偏向力(相對運動:方向改變)慣性離心力(大氣曲線運動:很?。┠Σ亮Γń?2km內明顯) 第25頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三二、大氣邊界層中風隨高度的變化 大氣層邊界層中,由于摩擦力隨高度增加而減少,風速隨高度增加而增大對數(shù)律模式第26頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三指數(shù)律模式第27頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三三、地方性風場 1海陸風 第28頁,共9

7、1頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三地方性風場 2山谷風 第29頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三地方性風場 3城市熱島環(huán)流 第30頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三熱島效應造成危害的案例:東京在2000年夏天超過30攝氏度的日數(shù)為67天,有41個熱得夜不能寐的夜晚,而10年前只有23天難以入眠。急救車出動次數(shù)也從1985年的100次增加到628次,2000年死于熱浪的人數(shù)達207人。 第31頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質濃度衰減的關系1.梯度輸送理論類比于分子擴散,污染物的擴散

8、速率與負濃度梯度成正比2.相似理論3.湍流統(tǒng)計理論泰勒模式薩頓實用模式高斯模式(應用最為廣泛)第四節(jié) 大氣擴散模式第32頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三一、 高斯擴散模式坐標系 右手坐標系(食指x軸;中指y軸;拇指z軸),原點:為無界點源或地面源的排放點,或者高架源排放點在地面上的投影點;x為主風向;y為橫風向;z為垂直向高斯模式的四點假設 a污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b全部高度風速均勻穩(wěn)定c源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d擴散中污染物是守恒的(不考慮轉化) 高斯模式的有關假定第33頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標

9、系第34頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 1、無界空間連續(xù)點源擴散模式 平均風速,m/s; q源強, g/s;y側向擴散參數(shù),污染物在y方向分布的標準偏差,m;z豎向擴散參數(shù),污染物在z方向分布的標準偏差,m;第35頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三2、高架連續(xù)點源擴散模式 高架源須考慮到地面對擴散的影響。根據(jù)假設可認為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用,按全反射原理,可用 “像源法”處理把P點污染物濃度看成為兩部分(實源和像源)作用之和。 建立三個坐標系:1、以實源在地面的投影點為原點;P點坐標為(x,y,z); 2、以實源為原點;3、以像源為

10、原點。實源貢獻:P點在以實源為原點的坐標系中的垂直坐標為(z-H)。不考慮地面的影響,實源在P點形成的污染物濃度為: 1第36頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三像源貢獻:P點在以像源為原點的坐標系中的垂直坐標為(z+H),像源在P點形成的污染物濃度為: 2(x,y,z,H)第37頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三高架連續(xù)點源擴散模式(1)(2)(3)第38頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三高架連續(xù)點源擴散模式 第39頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 上式變?yōu)椋毫?0第40頁,共91頁,2022年,5月20

11、日,20點0分,星期三例題:一工廠在源高H=30m處以20g/s的速度排放SO2,風速為3m/s,在下風向距離1000m處,擴散系數(shù)分別取y=30m ,z=20 m。計算煙流中心線上SO2的濃度;中心線以左60 m 、以下20 m處 SO2的濃度。提示: 所謂中心線,就是與煙囪等高處做與x軸平行的直線,在高斯坐標系中,y=0,z=H第41頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三二、 特殊氣象條件下的擴散模式前面導出的高斯模式只適用于整層大氣都具有同一穩(wěn)定度、平坦地形的條件下計算污染物濃度。如果整個大氣層不均勻,污染物擴散所涉及的溫度層結不止一個,或者地表粗糙度高,地勢起伏大就需

12、要特殊處理。1、封閉型擴散模式有上部逆溫層的擴散模式所謂封閉型擴散就是指在上部存在逆溫層的氣象條件下,上部逆溫層就象蓋子使污染物的鉛直擴散受到限制,擴散只能在地面和逆溫層之間進行。所以又稱為封閉型擴散。下面僅討論該模式中地面軸線濃度的計算第42頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三在封閉型擴散中,假定:污染物完全不向逆溫層擴散; 上部逆溫層對污染物起全反射作用,可用像源法處理; 污染源在地面和逆溫層之間形成無窮多個像對,污染物濃度是實源和無窮多虛源的貢獻之和。 由式10-9得:地面軸線上的污染物濃度為: 第43頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三DD-HD

13、-H2D-H第44頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三封閉型擴散模式的簡化計算xD確定方法如下:D-H=2.15z查表得相應的x即為xD由10-9式第45頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 例題:某電廠煙囪有效源高為150m,SO2的排放量為151g/s,在夏季睛朗的下午,地面風速為4m/s。由于上部鋒面逆溫將使垂直混合限制在1.5km以內。試估算正下風3km和11km處的SO2濃度。 解:夏季晴朗的下午,太陽輻射為強輻射。在地面風速為4m/s時,由表查得大氣穩(wěn)定度為B級,因此: z=(D-H)/2.15=(1500-150)/2.15=628m由表查

14、得XD=4.95km(1)當X=3km2XD時,地面軸線濃度 =7.7010-5g/m3(1)當X=3kmXD時,查表,y=395m,z=363m,則地面軸線濃度為=7.7210-6g/m3 第47頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三2、熏煙型擴散模式熏煙過程:早晨太陽升起后,地面得到來自太陽的輻射逐漸加熱,夜間產生的逆溫層逐漸抬升,當逆溫破壞到煙流下邊緣以上時,使煙流發(fā)生向下的強烈混合,地面污染物濃度增大,產生熏煙過程。熏煙過程一般多在早晨發(fā)生,持續(xù)時間不超過2小時。第48頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三熏煙型擴散模式地面濃度hf逆溫層消失高度;y

15、f熏煙條件下Y向擴散參數(shù)即hf=H時第49頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三三、顆粒物擴散模式粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴散計算大于15m的顆粒物:傾斜煙流模式 地面反射系數(shù)第50頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三四、 城市及山區(qū)擴散模式(自學)線源擴散模式面源擴散模式封閉山谷擴散示意圖山谷擴散模式第51頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第五節(jié) 大氣污染濃度的估算q 源強 計算或實測 平均風速 多年的風速資料 H 有效煙囪高度 、 擴散參數(shù)第52頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三煙云抬升的原因有兩個:是

16、煙囪出口處的煙流具有一初始動量(使它們繼續(xù)垂直上升);是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產生的靜浮力。這兩種動力引起的煙氣浮力運動稱煙云抬升,煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。一、煙氣抬升高度的計算 初始動量: 速度、內徑浮力:煙溫度煙氣抬升第53頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三1、 Holland公式:當大氣穩(wěn)定度為中性,計算煙氣抬升高度時,經常使用霍蘭徳公式: Holland公式比較保守,特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下。在實際計算中,不穩(wěn)定條件(A、B穩(wěn)定度),H 需增加1020;穩(wěn)定條件(D、E、F穩(wěn)定度), H 需減少1020。kW抬升高度計算式 第54頁,共91

17、頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 2、Briggs公式:適用不穩(wěn)定及中性大氣條件不穩(wěn)定或中性大氣下,布里格斯公式用來確定不同的熱釋放率和下風向距離條件下的煙氣抬升高度:第55頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三(3)我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法” (GB/T13201-91)中的公式在沒有特別要求時,應優(yōu)先使用國家標準規(guī)定的方法。 第56頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 例題:位于平原農村的某工廠,有一座高80m,出口直徑高1.5m的煙囪,其排放情況如下:s =20m/s, Ts=165, Ta=15 , u10=3m/s

18、, P=1105Pa,試用不同的抬升公式計算中性情況下的有效煙囪高度。 解: T=TsTa=(165+273) (15+273)=150K U80= u10(Hs/10)m=3(80/10)0.15=4.1m/s Q= s d2/4=20 1.52 /4=35.34m3/s QH=0.35PQ T/Ts=0.35 1000 35.34 150/(165+273) =4235.96kJ/s 采用不同抬升公式計算結果如下表所示:第57頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三表 煙囪有效高度的計算結果抬升公式霍蘭德布里吉斯國標H(m)21.179.970.1H (m)101.1159

19、.7150.1第58頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三二、大氣擴散參數(shù)(y,z)的確定1、PG曲線法 帕斯奎爾在1961年推薦一種僅需要常規(guī)氣象觀測資料就能估算y,z的方法,吉福德進一步將它制成應用更方便的圖表。應用觀測到的風速、云量、云狀和日照等天氣資料,將大氣擴散稀釋能力分為6個等級:A 極不穩(wěn)定,B 不穩(wěn)定,C 弱不穩(wěn)定,D 中性,E 弱穩(wěn)定,F(xiàn) 穩(wěn)定。若穩(wěn)定級別為AB,則表示按A 、B級的數(shù)據(jù)內插。該法的要點:首先根據(jù)帕斯奎爾劃分大氣穩(wěn)定度的方法來確定大氣穩(wěn)定度級別;然后從圖中查得對應的擴散參數(shù)y和z;最后將y、z代入前面介紹的一系列擴散模式中,就可估計出各種情況

20、下的濃度值。擴散參數(shù)是表征湍流擴散劇烈程度的物理量,是影響污染物濃度的重要參數(shù)。 第59頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三擴散參數(shù)的確定PG曲線法PG曲線的應用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別第60頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三擴散參數(shù)的確定:PG曲線法PG曲線的應用利用擴散曲線確定 和第61頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第62頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三擴散參數(shù)的確定PG曲線法PG曲線的應用地面最大濃度估算第63頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三 例題:若石油精煉廠自平均有效

21、源高60m處排放出的SO2濃度為80g/s,有效源高處的平均風速為6m/s,試計算冬季陰天正下風向距煙囪500m處地面軸線的SO2濃度。 解:在陰天大氣條件下,穩(wěn)定度為D級,由表查得X=500m處,y=35.5m, z =18.1m,將數(shù)據(jù)代入公式,得第64頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三2、中國國家標準規(guī)定的方法我國在修訂P-T法基礎上產生了國家標準法(GB/T 13201-91)。 太陽高度角 (式10-46,地理緯度,傾角) 輻射等級 穩(wěn)定度 云量(加地面風速) 該方法的技術路線是:根據(jù)時間、地理位置確定日傾角、太陽高度角,利用天氣條件確定輻射等級,然后利用輻射等

22、級和風速確定大氣穩(wěn)定度,最后查擴散參數(shù)冪函數(shù)表,確定擴散參數(shù)。 第65頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第66頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三擴散參數(shù)的確定中國國家標準規(guī)定的方法擴散參數(shù)的選取擴散參數(shù)的表達式為(取樣時間0.5h,按表4-8查算)平原地區(qū)和城市遠郊區(qū),D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū),C提至B級,D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級丘陵山區(qū)的農村或城市,同工業(yè)區(qū)取樣時間大于0.5h, 不變,第67頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三例:某冶煉廠煙囪高150m,煙氣抬升高度75m,SO2排放量1000g/s

23、。估算風速3m/s,大氣穩(wěn)定度C級時地面最大濃度是多少?發(fā)生在什么位置? (分別用P-G法和國家標準方法計算)第二步:確定出現(xiàn)地面最大濃度的下風向距離。第一步:確定出現(xiàn)地面最大濃度的Z向擴散參數(shù)。第三步:確定出現(xiàn)地面最大濃度的y向擴散參數(shù)。第四步:計算地面最大濃度。第68頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三煙囪的作用:充分利用大氣的自凈作用,降低地面污染物濃度。煙囪設計需滿足以下條件:(1)達到大氣污染物稀釋擴散的作用;(2)盡量節(jié)省投資(造價正比于H2 );(3)地面濃度不超過環(huán)境空氣質量標準。煙囪設計的內容:煙囪高度和出口內徑。一、煙囪高度的設計計算的思路:在已知污染物

24、地面允許濃度的情況下,運用高斯擴散模式反解煙囪的高度。煙囪的高度:又稱為煙囪的幾何高度,用HS表示:HS=HH第六節(jié) 煙囪的設計第69頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三1、按地面最大濃度計算該法以地面最大濃度不超過規(guī)定要求為依據(jù),直接由最大濃度公式求出煙囪高度,簡單快速,應用廣泛。 設允許地面濃度為C允,則HS=HH第70頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三2、按地面絕對最大濃度計算第71頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三代入到410:將煙氣抬升公式簡化為代入到式第72頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三3、按

25、一定保證率的計算法由地面最大濃度計算法HS較矮,當u時,地面濃度可能超標;由地面絕對最大濃度計算法HS較高,無論u多大,地面濃度不超標,但煙囪造價高。從環(huán)保和經濟兩方面來看,在選擇一個可接受的保證率后,、穩(wěn)定度取一定值后代入上述公式,可得某一保證率的氣象條件下的煙囪高度,較前面較合理。此外還有P值法等 根據(jù)“指定大氣污染物排放標準的技術方法”GB/T13201-91中規(guī)定的點源煙塵允許排放率計算式:式中:Qe煙塵允許排放速率,t/h;Pe煙塵排放控制系數(shù),t/(hm2);H有效源高,m。第73頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第74頁,共91頁,2022年,5月20日,2

26、0點0分,星期三4、煙囪設計中的注意事項(1)煙流下洗或下沉現(xiàn)象的防止 為避免煙流因受周圍建筑物的影響而產生的煙流下沉現(xiàn)象(圖10-21),煙囪高度應為周圍建筑物的2.5倍以上。 為避免煙囪本身對煙流產生的下洗現(xiàn)象(圖10-20),煙囪出口氣速不得低于該高度處平均風速的1.5倍。一般宜在2030 m/s。 煙溫宜在100以上。(2)避開煙囪有效高度與出現(xiàn)頻率最高或較多的混合層高度相等第75頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第76頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三二、煙囪出口直徑的計算煙囪出口直徑可按右式計算: 式中:d出口直徑,m; Q煙氣排放量,m

27、3/s; 煙氣出口速度, m/s。對于煙氣出口速度s的選擇:1、選擇的原則:避免下洗現(xiàn)象或下沉現(xiàn)象的產生;2、選取的方法:按氣流下沉的經驗法則來選取,一般將s /u2.5作為設計準則。 第77頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三不出現(xiàn)氣流下沉s /u2.0 從理論上說,煙道氣的向上動量應能克服 由煙囪周圍吹過的風速所引起的向下壓力 梯度,不應出現(xiàn)氣流下沉1.8 s /u 2.0氣流下沉極輕微,一般不出現(xiàn)1.5 s /u 1.8處于氣流下沉的邊緣s /u=1.0非??赡艹霈F(xiàn)氣流下沉0.8s /u1.0 煙被吸入整個煙囪背風面的較低壓力區(qū), 出現(xiàn)氣流下沉s /u0.8物理解釋條

28、件s 煙道氣出口速度, m/s ;u平均風速, m/s第78頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三例:建于平原近郊的工廠,煙囪高110m、出口內徑2m。煙氣量為4105m3/h,煙氣出口溫度150,SO2排放量400kg/h,已知某天,當?shù)靥栞椛涞燃墳?3,氣溫35,地面風速3m/s,試求此時距煙囪3000m的軸線濃度和該廠造成的SO2最大地面濃度及產生距離。解:1、確定大氣穩(wěn)定度2、計算煙囪出口處風速:根據(jù)輻射等級及地面風速查106得穩(wěn)定度為B。由表10-1得B類穩(wěn)定度下,m=0.15,再由指數(shù)公式得 3、計算煙囪有效高度煙氣抬升高度采用國標推薦式第79頁,共91頁,20

29、22年,5月20日,20點0分,星期三 Qh=0.35PQv=0.351.013103(4105/3600)=11176kJ.s-1應采用式10-38,由表10-3取no=0.332,n1=3/5,n2=2/5 H=Hs+H=110+136=246m 由圖查得2km處:y=395m z=363m第80頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三例: 某污染源SO2排放量為60g/s,煙氣流量為260m3/s,煙氣溫度為423K,大氣溫度為293K。這一地區(qū)的SO2本底濃度為0.04mg/m3,設 , m/s,m =0.25,試按大氣環(huán)境質量標準的二級標準來設計煙囪的高度和出口直徑。

30、 第81頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三按P286 (1039)按農村或城市遠郊區(qū)條件,參考表103,取n=1.427,n1=1/3,n2=2/3,代入P286(1038)得第82頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三環(huán)境空氣質量標準的二級標準限值為0.06mg/m3(年均),代入P109(462) 第83頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三為保證煙氣順利抬升,出口煙速應在2030m/s。取uv=20m/s,則有第84頁,共91頁,2022年,5月20日,20點0分,星期三第七節(jié) 廠址選擇一、所需氣候資料 1、風向和風速氣候資料: 如圖是風速和風向頻率復合圖,矢線長度代表風向頻率大小,矢線末端的風速羽代表平均風速靜風(風速1.0m/s)或微風(風速為12m/s)情況大氣通風條件差,容易引起高濃度污染,尤其是長時間靜風會使污染物大量積累,引起嚴重污染。因此,在空氣污染分析中不僅應統(tǒng)計靜風頻率,有條件還要統(tǒng)計靜風持續(xù)時間。 第85頁,共91頁,2022年,5月20日,

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