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Drenaje de Bajo Impacto frente a Restauración de Cauces: Buscando soluciones efectivas para la Reducción de la Carga de Sedimentos y Nutrientes en las Aguas de Lluvia

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WATERXPERT les ofrece este artículo y el Curso de Captación y Gestión de Aguas de Lluvia en Núcleos Urbanos.

Traducido del artículo original:

Comparing LID and Stream Restoration
Finding cost-effective ways to reduce sediment and nutrient loads.
 By Daniel E. Medina & Shannon Curtis*

 

El objetivo de mejora de la calidad de las aguas de la bahía de Chesapeake ha conducido, desde hace mucho tiempo, a realizar importantes esfuerzos en la búsqueda de soluciones más rentables y eficaces para la gestión de aguas pluviales en los estados del Atlántico medio.

Con el tiempo, el criterio establecido de control de los picos de caudal máximo, ha evolucionado hacia la reducción de los volúmenes de escorrentía mediante la utilización de Sistemas de Bajo Impacto (LID) (Drenaje Urbano Sostenible). Dichos sistemas se basan en la infiltración y en la desconexión de las zonas impermeables con los cursos de agua.

Aunque el desarrollo de este tipo de soluciones permite reducir la escorrentía y mejorar por tanto la calidad del agua, este enfoque puede resultar complejo y costoso en zonas densamente urbanizadas. 

Por lo tanto, las fuentes y causas de contaminación deben ser analizadas y tenidas en cuenta mientras se formulan estrategias para reducir la entrada de contaminantes en la bahía de Chesapeake y sus afluentes.

En ciertos casos en los que las realizaciones de actuaciones de bajo impacto puedan ser muy costosas, la restauración de cauces puede proporcionar un enfoque más rentable para reducir la carga de contaminantes, tanto de sólidos en suspensión como de nutrientes. 

Planificación de la Carga Máxima Total Diaria (TMDL) para la Bahía de Chesapeake

El 29 de diciembre de 2010, US EPA finalizó un ambicioso esfuerzo normativo para determinar la carga máxima total diaria (TMDL), para la Bahía de Chesapeake. De esta manera se pretende reducir las cargas de nitrógeno total (NT), fósforo total (PT), y de sedimentos que descargan en la bahía y sus afluentes. 

Bajo esta normativa los estados del Atlántico Medio deberán implementar numerosas medidas en 2025 para asegurar la reducción de los tres contaminantes indicados y que son considerados como las mayores amenazas para la calidad de las aguas de la bahía.

Dicha norma establece que todas las jurisdicciones en conjunto deberán reducir las descargas de dichos contaminantes en las siguientes cantidades: 

  • N total en un 25%,
  • P total en un 24%, y
  • Sólidos suspendidos totales (SST) en un 20%,

en comparación con los niveles de 2009 fijados por la EPA . 

Como es obvio, la implementación de medidas para poder alcanzar estos objetivos requerirán de una serie de recursos técnicos y financieros relevantes de cara a mejorar la calidad del agua de la bahía.

Afrontando el problema

El enfoque más reciente adoptado en los estados del Atlántico medio para la gestión de aguas de lluvia, se basa en el principio de la reducción del volumen de escorrentía. Dicha reducción se logra mediante la retención del agua en el sitio y liberando de forma controlada el caudal de agua. 

Con este nuevo esquema, se consigue un tratamiento de las cargas contaminantes más eficaz si en comparación con criterios anteriores.

Dado que la carga contaminante es una función del volumen de escorrentía, reduciendo este volumen se reduce directamente la descarga de contaminantes en la cuenca.

En ocasiones, algunos profesionales discrepan entre la aplicación de tecnologías de bajo impacto o la utilización de lagunas de retención. Muchas veces el argumento empleado descansa en que algunos técnicos consideran que las lagunas de retención no están incluidas dentro las tecnologías de bajo impacto o tecnologías sostenibles.

Muchas veces este error puede deberse a la confusión entre los principios y técnicas englobadas en las tecnologías de bajo impacto (LID). En ocasiones se constata que alguna de estas técnicas como la biorretención, cubiertas verdes, etc. no funcionan adecuadamente debido a las condiciones específicas del lugar en relación con el suelo o el clima.

Sin embargo, todos coinciden en que el principio de la utilización de las técnicas LID es fundamental para reducir la cantidad de escorrentía, ya que se traduce en beneficios ambientales y económicos.

A la luz del debate han surgido preguntas relativas a ¿Cuánta debe ser la reducción necesaria? ¿Cómo lograrlo?, generado una serie de líneas de investigación para mejorar los limitados conocimientos que se tienen acerca de este tema.

Teniendo en cuenta esta falta de conocimientos, se ha creado un aura alrededor de las técnicas LID, impulsando un movimiento que propugna la utilización de dichas técnicas para la resolución de cualquier problema.

Este movimiento está basado en un conjunto de parámetros de rendimiento, sin tener en cuenta el comportamiento de las dinámicas específicas de las cuencas hidrográficas, el clima, la normativa vigente, factores socioeconómicos, etc.

Como ejemplo, la reducción de la escorrentía por medio de la implementación de soluciones LID enfrenta importantes desafíos en las áreas urbanizadas. 

A continuación se relacionan las condiciones más comunes que pueden complicar la puesta en práctica de las mismas y por tanto condicionar los costos de implementación:

  • Reducida capacidad de infiltración en suelos urbanos,
  • Conflictos con los servicios públicos,
  • Reducida posibilidad de implementación debido a interferencias con la propiedad privada,
  • Incongruencia entre los principios de las técnicas LID y los códigos y ordenanzas de desarrollo territorial.
  • Incertidumbre sobre los resultados a largo plazo debido a posible falta de mantenimiento y control en instalaciones situadas en propiedades privadas

Aunque la mejora de los sistemas de aguas pluviales puede ser realizada con técnicas de bajo impacto, no debería considerarse dichas soluciones como una panacea.

Algunos investigadores han indicado que en USA el 42 % de la superficie urbanizada será reurbanizada nuevamente hacia el año 2030. Por tanto los ingenieros tendrán una buena oportunidad para poder implementar medidas que mejoren la gestión de las aguas pluviales y evidentemente las técnicas de bajo impacto serán una parte importante de la solución.

Mientras tanto será necesario prestar atención a otras herramientas que nos permitan alcanzar los objetivos previstos en el corto y medio plazo.

Fairfax County: Planificando para la sostenibilidad de la Cuenca

Se espera que la población del Condado de Fairfax crezca más del 37% en los próximos 20 años. Al igual que otras muchas poblaciones, a lo largo de USA, que deben afrontar estos niveles de crecimiento, el condado está desarrollando una serie de regulaciones que permitan preservar la calidad de las aguas de la Cuenca.

La misión de este programa es preservar y restaurar el medio ambiente y los recursos acuáticos, de acuerdo con la agenda ambiental adoptada por el Condado de Fairfax en Junio de 2004.

Por otra parte, el condado también debe cumplir con leyes locales, estatales y federales y otro tipo de normas legales como son las ordenanzas del condado y con las políticas de estado como la WATER ACT así como con las iniciativas generadas para la bahía de Chesapeake Bay.

En el marco del Sistema de Reducción de Descargas Contaminantes del Estado de Virginia, el condado posee un sistema separativo de alcantarillado para las aguas pluviales que le permite cumplir con los diversos requisitos fijados en la CLEAN WATER ACT. Uno de estos requisitos es el desarrollo de planes de gestión para todas las cuencas del condado. Además, los planes intentan ser una guía para los esfuerzos que debe realizar el organismo para cumplir con los objetivos establecidos en el acuerdo para la Bahía de Chesapeake.

El Condado de Fairfax completó su primera fase de actuaciones sobre las cuencas hidrográficas en la década de los 70. El uso del suelo, el crecimiento demográfico, las nuevas regulaciones, y los avances en la gestión de las aguas pluviales, llevó al organismo a actualizar sus planes teniendo en cuenta estos factores de cambio, ofreciendo asimismo iniciativas para mejorar las condiciones de la cuenca. Los planes originales quedaron obsoletos a finales de los años 90. En el año 2003 se dio inicio a una segunda planificación que incluyeron las 30 cuencas del condado. Cada plan de cuenca incluye una lista priorizada con las inversiones de capital a realizar en un período de 25 años, además de otros programas y proyectos no estructurales.
El plan promueven el uso de prácticas innovadoras en la gestión de las aguas pluviales como son: la rehabilitación de infraestructuras, técnicas de bajo impacto LID, restauración de cauces, etc.

Los planes de gestión para las distintas cuencas abarcan los siguientes objetivos:

  • Mejorar y mantener las funciones de las cuencas, incluyendo la calidad del agua, el hábitat y la hidrología.
  • Proteger la salud humana, la prevención de riesgos y la protección de la propiedad privada al reducir los impactos generados por las aguas pluviales.
  • Involucrar a los distintos agentes en las labores de protección, mantenimiento y restauración de las cuencas hidrográficas del condado.

Para llevar a cabo estos objetivos, el proceso de planificación de las cuencas se compone de los siguientes pasos:

  • Revisión de los estudios previos y recogida de datos
  • Participación de la ciudadanía, proveer información, y fomentar el apoyo de la comunidad
  • Evaluación de las condiciones actuales de la cuenca y modelización del sistema de aguas pluviales para las condiciones presentes y futuras
  • El desarrollo de proyectos no estructurales y estructurales de mejora de cuencas
  • Presupuestos preliminares de costos, análisis costo / beneficio, y priorización de los proyectos de inversión
  • Aprobación del plan definitivo de manejo de cuencas por el organismo competente

Desde su creación en 2003, el proceso de planificación de la gestión de cuencas ha sido apoyado por la administración aportando importantes flujos de capital proveniente de los ingresos fiscales. 

Un importante consultor se encargó de desarrollar los estudios previos para dos importantes cuencas del Condado de Fairfax. Dentro de dichos estudios se preparó una comparativa donde se resumen los costos estimados y los beneficios potenciales derivados de la realización de una serie de actuaciones para el control de las aguas pluviales. Dichas actuaciones incluyen la aplicación de técnicas de bajo impacto en zonas impermeables y la restauración de cauces de arroyos. A continuación se resumen los resultados de esta evaluación, que muestran que los costos unitarios para la eliminación de sedimentos y nutrientes a través de la restauración de cauces son mucho menores que aquellos que se derivan de la rehabilitación de zonas impermeables mediante técnicas LID.

A pesar de que la restauración de cauces puede no ser suficiente para lograr las reducciones necesarias, si representa una opción viable especialmente para la reducción de sedimentos. 

  

Mapa de localización de FAIRFAX COUNTY - VIRGINIA

Seguimiento de las fuentes de contaminación

La estrategia para la reducción de cargas contaminantes a la bahía de Chesapeake debe tener en cuenta las fuentes causantes de dicha contaminación. La cuenca del arroyo Pohick Creek ofrece un caso útil para su análisis.

Situado en la parte central - sur del Condado de Fairfax, el arroyo Pohick drena una cuenca de aproximadamente 93 Km cuadrados.

La Cuenca está cubierta de bosques en un 40 % mientras que aproximadamente el 25% de la cuenca se compone de desarrollos residenciales de baja densidad. En la actualidad no se esperan nuevos desarrollos inmobiliarios aunque la rehabilitación de las viviendas existentes a menudo resulta en mayor superficie construida y en la creación de mayores áreas impermeables. En términos de superficie total, la cuenca del arroyo Pohick consta de 23.249 acres, de las cuales cerca del 24% es área impermeable.

Distribución de áreas impermeables en la cuenca del arroyo POHICK

 

Por otra parte la mayoría de las áreas impermeables se consideran directamente conectadas a los cursos de agua, lo que significa que descargan directamente, sin la existencia de un tratamiento adecuado para el control de las aguas pluviales y sus contaminantes. Además una gran parte de la tierra permeable probablemente posee bajas tasas de infiltración debido a la compactación típica de los suelos en zonas urbanas. Debemos mencionar que esta distribución de zonas permeables e impermeables es común en muchas de las cuencas que desaguan en la Bahía de Chesapeake. 

 

 Condiciones Físicas de los cursos de agua en la Cuenca del arroyo POHICK

 

Entre 2001 y 2002, el condado llevó a cabo una serie de evaluaciones para diagnosticar la condición de todos sus ríos. La figura 3 resume los resultados de la cuenca Pohick Creek y muestra que el 85% de los tramos del cauce están en una condición física regular, mala o muy mala. El estudio también indicó que la totalidad de los cauces evaluados (aprox. 80 km) muestran una situación de erosión de moderada a severa.

Los resultados del modelo establecido para la cuenca indican que Pohick Creek recibe anualmente más de 8.000 toneladas de Sólidos Suspendidos, siendo casi dos tercios de los cuales el resultado de la erosión del cauce. 

Por otra parte se estima que el arroyo recibe cerca de 49.200 kg de Nitrógeno y más de 8400 kg de P. Por tanto se deduce que la mayoría de los nutrientes proviene de las fuentes de contaminación situadas en las tierras más altas.

Las cargas estimadas de nutrientes que provienen de la erosión del cauce son basados en el contenido de nutrientes por unidad de peso de suelo.

En general el contenido de nutrientes está basado en datos agrícolas, sin embargo en dichas estimaciones no se tiene en cuenta la carga contaminante asociada a la vegetación que cae en el curso de agua debido a la erosión y derrumbe de las paredes laterales del cauce. Por tanto estamos en presencia de una estimación deficiente de la carga total de nutrientes.

Como se puede apreciar en la Tabla 1 la contribución de esta fuente de nutrientes no es despreciable. En una determinada subcuenca, la fracción de N que proveniente de la erosión del cauce del arroyo oscila entre el 1% y el 12% de la carga total, mientras que el rango para P varía entre el 2% y el 25%. En cuanto a los Sólidos Totales, la fracción asociada a la erosión del cauce se encuentra en un rango comprendido entre el 22% al 78%.

Evaluación de distintas Técnicas a aplicar

La magnitud y el origen de estas cargas contaminantes sugieren que es necesario implementar una estrategia, sobre todos los arroyos de la Cuenca, para el control de los contaminantes generados por la erosión del cauce, en especial para los sólidos en suspensión.

Esto no implica que no se deberán efectuar la rehabilitación de los sistemas de tratamiento de aguas pluviales situados aguas arriba, sino que la restauración de los cauces fluviales de toda la cuenta deberá tener un papel más prominente en los planes de gestión de cara a la disminución de la carga de sedimentos.

Las mejoras identificadas en el plan de gestión de las cuenca del Pohick Creek comprenden cerca de 200 proyectos, incluyendo entre otros, la restauración de cauces, modernización de tanques de retención, mejoras en los emisarios , creación de áreas de bioretención, pavimentos permeables, barrido de calles, etc.

Con la implementación de todos estos proyectos y medidas se ha estimado que se obtendrá una reducción del 18% en la carga total de sólidos suspendidos, una reducción del 3% en la carga anual total de N, y una reducción del 5% en la carga anual total de P, con un costo estimado de $ 94 US millones.

Sin embargo, para poder cumplir con los objetivos trazados en la normativa para la gestión de la Bahía de Chesapeake, será necesario implementar medidas adicionales mediante rehabilitación de zonas impermeables y restauración de cauces.

Rehabilitación de zonas impermeables

Dicho termino (imperviousness retrofit) se utiliza aquí de forma genérica para referirse a un conjunto de tecnologías que buscan mitigar los efectos adversos que generan las zonas impermeables conectadas directamente con los cursos de agua. Por lo general, estas áreas se han desarrollado sin tener en cuenta algún tipo de control de las aguas pluviales.

Un buen ejemplo de esta técnica podría ser incluir en la zona de aparcamiento de coches una serie de instalaciones de bioretención que permita recoger la escorrentía, o bien la sustitución de parte de la superficie existente (impermeable) por un pavimento permeable. 

Uno de los criterios comunes de diseño y funcionamiento es que dichos sistemas sostenibles sean capaces de capturar y tratar la escorrentía generada por los primeros 25 mm de lluvia para cada evento de tormenta. 

La rehabilitación de zonas impermeables por lo general son más difíciles de instalar en carreteras y en áreas residenciales debido a los conflictos con los servicios públicos, además la relocalización de dichos servicios públicos o el hecho de trabajar cerca de ellos, incrementa de forma importante los costos de inversión.

A modo de ejemplo podemos citar que en el área metropolitana de Washington DC la rehabilitación de una superficie de 1 acre, mediante la implementación de sistemas de bioretención tiene un costo aproximado de entre $ 125,000 y $ 200,000 USD 

La siguiente tabla resume los resultados y los costos estimados asociados con este tipo solución.

Los valores medios de eliminación asumidos en la Tabla 2 se corresponden con las instalaciones de biorretención, los cuales están diseñados para la eliminación de fósforo y nitrógeno. Por lo general, el fósforo se elimina a través de absorción, y el nitrógeno se elimina por medio de la desnitrificación en un ambiente anaeróbico (zona de almacenamiento de agua dentro de la instalación biorretención)

Restauración de cauces 

La restauración de cauces supone garantizar la estabilidad estructural del mismo de acuerdo al régimen hidrológico existente de tal manera que las paredes laterales del cauce sean estables y el lecho del río se encuentra en un estado de equilibrio dinámico teniendo en cuenta el flujo de agua, los sedimentos y la vegetación. 

La eficacia de la restauración de cauces para la eliminación de contaminantes no ha sido plenamente comprobada, aunque algunos estudios muestran los beneficios de dicha solución.

La EPA emitió en el año 2005 una guía de actuación, basada en estudios realizados durante un proyecto de restauración del arroyo Spring Branch, en el condado de Baltimore, MD (USEPA 2005). La investigación incluyó los datos de seguimiento correspondientes al año anterior a la ejecución del proyecto y a los tres años posteriores a la puesta en funcionamiento de la actuación.

Dicho estudio concluye que por cada pie lineal de cauce restaurado se genera una eliminación de:

  • 2,55 libras/pie.año de SS
  • 0,02 libras/pie.año de N
  • 0,0035 libras/pie.año de P.

Cabe destacar que en la actualidad existen diversos estudios que tratan de mejorar la comprensión de los distintos mecanismos de reducción de contaminantes que están presentes en un curso de agua.

En los estados del Atlántico medio, el costo de restauración de arroyos se sitúa en un rango de $ 200 a $ 800 por pie lineal, situándose las obras de gran longitud cerca del umbral inferior de dicho rango.

Asumiendo que el 80% del total de 269.671 pies lineales (aprox. 215.737 pies) de cauces erosionados en la cuenca Pohick Creek, sean restaurados, el costo podría oscilar entre US $ 43 a $ 173 millones.

La Tabla 3 resume los resultados a obtener a través de la restauración de cauces en la cuenca Pohick Creek, tomando como base las tasas de eliminación asumidas en el programa de protección de la Chesapeake Bay.


  

Las cargas eliminadas presentadas en dicha tabla deberían justificar la restauración de cauces como la solución idónea para la protección de la bahía de Chesapeake.

Si se compara con la rehabilitación de zonas impermeables se puede comprobar que prácticamente no hay una ventaja económica. Sin embargo, la visión es diferente si se analiza desde la perspectiva de que la restauración de cauces provee además la reducción de la erosión de los bancos laterales de los cauces.

Para establecer la contribución de cargas aportadas por los terrenos altos, se utilizó una herramienta propuesta por la EPA conocida con el nombre de “Herramienta para la Estimación de Cargas de Contaminantes “ (STEPL).

Para la cuenca del Pohick Creek se estimaron unos valores de 0,64 kg de N y de 0,25 kg de P por tonelada de suelo. Además se aplicó un coeficiente corrector en función del tipo de suelo. Esto es debido a que los nutrientes tienden a fijarse en mayor grado en las partículas pequeñas. Para el caso de suelos arenosos el factor de corrección es de 0,85 mientras que para suelos arcilloso dicho factor es de 1.

Tanto los valores de contenido de nutrientes como los factores de corrección empleados, fueron utilizados para estimar el contenido de nutrientes contenidos en los sedimentos causados por la erosión de las paredes laterales de los cauces de agua.

La restauración de cauces no elimina el transporte de sólidos de forma completa, esta se da incluso en cursos de agua cristalina. Además posibles daños en los bancos laterales de los cursos pueden representar una fuente de sedimentos.

El análisis presentado en la Tabla 4, asumiendo además valores conservadores, muestra que la restauración de cauces reduce la erosión y por tanto los sedimentos y nutrientes asociados en torno al 70%.

Aplicando este razonamiento, la restauración de arroyos reduce las cargas de contaminantes, tanto por prevención de la erosión de las paredes laterales del mismo así como por el tratamiento ocurrido en el agua a lo largo del cauce del arroyo.

Por todo lo anterior las tasas de eliminación causadas por la restauración del arroyo, como suma de los valores presentados en anteriores tablas, se presenta en la Tabla 5.

Por otra parte en la Figura 6 se comparan los costos unitarios tanto para la rehabilitación de zonas impermeables como para la restauración de cauces. De la misma se desprende que esta última solución debería tener prioridad de cara maximizar los beneficios de las inversiones realizadas en la mejora de la cuenca.


Comparación de rangos de costes de inversión para eliminación de contaminantes – Rehabilitación de zona impermeable / restauración de Cauces

 

A modo de ejemplo en la Tabla 5 se presentan los costos unitarios que se utilizaron para evaluar un escenario de actuación, el cual considera un tratamiento del 80% del total de la superficie impermeable conectado directamente a la cuenca Pohick Creek.

Como se mencionó anteriormente, el costo de las actividades relacionadas con la rehabilitación de zonas impermeables oscila entre los $ 451 millones y $ 722 millones.
Por otra parte la Tabla 2 indica que la rehabilitación de zonas impermeables permite reducir la carga total de sedimentos en la cantidad de 2.019 toneladas por año, lo que supone un 24% de la carga total.

Por tanto podemos efectuar una comparación, con la restauración de cauces, tomando los valores de eliminación estimados que figuran en la Tabla 5.

Por ejemplo, la tasa de eliminación de los sólidos en suspensión se obtendrá dividiendo la carga total eliminada de 3.231 toneladas por año por la longitud de cauce restaurado, en este caso 215,737 pies, lo que equivale a una tasa de 0.015 toneladas por año/ pie lineal.

Por lo tanto, en comparación con la rehabilitación de zonas impermeables, la eliminación de 2.019 toneladas al año se puede lograr mediante la restauración de 134.810 pies de curso de agua es decir el 50% de la longitud total de arroyos y cursos de agua a un costo de entre US $ 27 millones y $ 108 millones. 

Conclusiones

Más allá de los proyectos y medidas identificados durante la aplicación del plan de gestión de las cuencas de Pohick Creek, se puede concluir que tanto la rehabilitación de zonas impermeables como la restauración de cauces son las opciones viables para una reducción importante de los sedimentos y nutrientes, generados en la cuenca y que descargan en la Bahía de Chesapeake. 

El análisis anterior sugiere que la restauración de cauces puede jugar un papel importante en la mejora de las cuencas de cara a satisfacer los objetivos de descarga máxima en la Bahía de Chesapeake. 

Se puede observar que los costos unitarios para la eliminación de sedimentos y nutrientes son mucho menores sí se los compara con la rehabilitación de zonas impermeables.

A pesar de que la restauración de cauces y arroyos pueden no ser suficientes para lograr las reducciones de carga requeridas, sí representa una solución idónea en cuanto su relación coste-efecto, en especial en lo que se refiere a los sedimentos.

Esta solución no es suficientemente rentable para la eliminación de nutrientes, pero incluso tratando una fracción reducida, el costo unitario de eliminación es mucho menor que el que surge de aplicar la rehabilitación de zonas impermeables.

Por otra parte la restauración de arroyos y cauces pueden aportar beneficios adicionales como la mejora de los ecosistemas acuáticos, la reducción del área inundable del curso de agua, etc.

En base a este análisis, los gobiernos locales han considerado que la restauración de cauces puede ser la solución idónea para alcanzar los objetivos trazados para la bahía de Chesapeake, cuando hablamos de cuencas con un gran peso de zonas urbanizadas.

Por otra parte la rehabilitación de zonas impermeables, basado en técnicas de bajo impacto, podría ser aplicado en zonas de nuevos desarrollos urbanos, para de esta manera reducir el costo de inversión.

Para concluir el necesario destacar que se ha detectado la necesidad de incrementar la investigación y el conocimiento sobre los beneficios que aporta la restauración de cauces.

Autores

Daniel E. Medina, Ph.D., P.E., D.WRE, CFM, is an associate vice president in the Beltsville, MD, office of Atkins (formerly PBS&J).
Author's Bio: Shannon Curtis is a senior ecologist for the Fairfax County Department of Public Works and Environmental Services, Stormwater Planning Division, Watershed Planning and Assessment Branch

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