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牧區(qū)新能源提水經(jīng)濟(jì)效益的研究

2016-03-22 11:11:11吳永忠朱俊峰劉文兵
中國農(nóng)村水利水電 2016年2期
關(guān)鍵詞:牧戶內(nèi)燃機(jī)需水量

李 亮,吳永忠,朱俊峰,奇 鳳,劉文兵

(1.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020;2.鄂爾多斯市水利局,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

水利經(jīng)濟(jì)計算是從經(jīng)濟(jì)上對工程方案進(jìn)行選優(yōu)的依據(jù),是研究水利工程建設(shè)是否可行的前提。新能源牧場供水工程的經(jīng)濟(jì)效益,是指興建新能源牧場供水工程,改善供水條件,節(jié)約傳統(tǒng)能源,合理供水,提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。

新能源牧場供水主要是指風(fēng)能、太陽能提水設(shè)備在牧場供水中的應(yīng)用,目前新能源在牧場供水中的利用已得到示范推廣,同時針對風(fēng)能、太陽能提水系統(tǒng)的研究已有很多成果,但對牧場新能源供水經(jīng)濟(jì)效益的研究仍不顯見。研究針對現(xiàn)狀提水與風(fēng)能、太陽能及風(fēng)光互補(bǔ)提水機(jī)具的經(jīng)濟(jì)效益和方便程度進(jìn)行分析研究,利用效益分析的方法,對新能源提水系統(tǒng)與原有的內(nèi)燃機(jī)動力提水系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益比較,研究為新能源牧場供水提供依據(jù),對改善牧場提水機(jī)具具有重要作用,對提高牧民生活水平,節(jié)約能源,保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年5月1日-2015年3月1日進(jìn)行,試驗期分為夏季期為5月1日-10月1日153 d和冬季期10月1日-次年5月1日212 d。試驗點為3個,太陽能提水位于錫林郭勒盟蘇尼特右旗賽罕塔拉鎮(zhèn)西13 km;風(fēng)能提水位于烏蘭察布市四子王旗查干補(bǔ)力格蘇木王府四隊距烏蘭花鎮(zhèn)北約24 km;風(fēng)光互補(bǔ)提水位于烏蘭察布市四子王旗紅格爾蘇木政府所在地東北38 km。

1.1 概 況

蘇尼特右旗和四子王旗是以畜牧業(yè)為主的邊境旗,屬于典型的大陸性干旱氣候,是錫林郭勒草原乃至全國干旱荒漠草原草場發(fā)育的典型地區(qū)。其特點是冬季漫長寒冷,夏季酷熱干旱少雨,春、秋季多風(fēng)。多年平均降雨量為179.88 mm,多年平均蒸發(fā)量長達(dá)2 000 mm,年平均氣溫3.9 ℃,最高氣溫達(dá)38.2 ℃,最低氣溫-35 ℃,該地區(qū)以西北風(fēng)為主,年平均風(fēng)速6.9 m/s,最大風(fēng)速11 m/s,日照充足,年日照時為3 000多h,無霜期為132 d,土壤平均凍結(jié)日期11月3日左右,解凍日期為次年春季4月中間左右。封凍期為160多d,最大凍土層2.8 m左右。水資源時空和地域分布不均且埋藏較深,境內(nèi)無常年性河流,地表水貧乏,地下水的補(bǔ)給源主要靠天氣降水。

1.2 用水現(xiàn)狀

試驗對風(fēng)能、太陽能及風(fēng)光互補(bǔ)提水現(xiàn)狀試驗點周圍牧民的用水情況,抽水費用,器具使用年限等進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)實際調(diào)查,現(xiàn)狀牧民提水機(jī)具主要為汽油內(nèi)燃機(jī)動力機(jī)械帶動抽水泵提水。試驗區(qū)內(nèi)牧戶采用水源井-內(nèi)燃機(jī)提水-汽車?yán)?水窖儲水的用水模式。

1.3 水源井現(xiàn)狀

(1)太陽能提水試驗點水源井現(xiàn)狀。試驗水源井為筒井。井臺高0.5 m,圓形,內(nèi)徑1.2 m,外徑1.5 m,塊石砌筑,水泥砂漿灌漿抹面。井壁為直上直下形式,混凝土井壁至水面附近。井深10.5 m,水面至井臺頂7.5 m,出水量20 m3/h時筒井水位基本保持不變。井口有井蓋防止污染水質(zhì)。試驗井供給牧戶15戶,最遠(yuǎn)距離18 km,最近距離1.5 km,均采用汽車攜帶水罐拉水,水罐為2 m312戶、3 m3、4 m3、5 m3各1戶,牧戶水窖為4~10 m3?,F(xiàn)狀水源井是生活用水和牲畜飲水的取水水源。

(2)風(fēng)能提水試驗點水源井現(xiàn)狀。試驗水源井為深井。井臺高0.5 m,圓形,內(nèi)徑0.2 m,外徑0.25 m,鋼筋混凝土井壁直上直下。井深40.5 m,靜水位18 m,動水位25 m,出水量3 m3/h。井口有井蓋防止污染水質(zhì)。試驗井供給牧戶7戶,最遠(yuǎn)距離12 km,最近距離1 km,均采用汽車攜帶水罐拉水,水罐為2 m33戶、3 m3、4 m3各2戶,牧戶水窖為4~10 m3?,F(xiàn)狀水源井由于單位時間出水量較小,不能滿足牧民拉水的需求,不被利用,牧戶均到10 km處水源井拉水。

(3)分光互補(bǔ)提水試驗點水源井現(xiàn)狀。試驗點的水源井為深井,井臺高0.5 m,圓形,內(nèi)徑0.4 m,外徑0.5 m。上層混凝土井壁,下層鋼管井壁為直上直下形式。井深200 m,靜水位100 m,動水位150 m,出水量5 m3/h。井口有井蓋防止污染水質(zhì)。

試驗點覆蓋牧戶5戶,最遠(yuǎn)距離4 km,最近距離1 km,均采用汽車攜帶水罐拉水,水罐為4 m33戶、5 m32戶,牧戶水窖為8~10 m3?,F(xiàn)狀由于試驗井為深井,提水較困難,不被利用,牧戶均到20 km處水源井拉水。

2 試驗方法

試驗對現(xiàn)狀內(nèi)燃機(jī)具提水,安裝水表,記錄出水量、抽水次數(shù)、安裝時間、抽水時間及耗油量。

2.1 太陽能提水試驗點

試驗在太陽能提水試驗點配備1.1 kW太陽能提水設(shè)備1套,同時配套逆變器和潛水泵各1臺;安裝水表,記錄出水量、抽水次數(shù)及抽水時間。形成水源井-太陽能提水-汽車?yán)?牧戶水窖儲水的模式。

2.2 風(fēng)能提水試驗點

試驗在風(fēng)能提水試驗點配備2 kW風(fēng)力機(jī)提水設(shè)備1套,同時配套逆變器和潛水泵各1臺;建設(shè)20 m3高位蓄水池1座,利用地形給汽車裝水,形成水源井-風(fēng)能提水-高位水池蓄水-汽車?yán)?牧戶水窖儲水的模式。試驗安裝水表,記錄出水量、抽水次數(shù)及抽水時間。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點

試驗在風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點建立3.3 kW太陽能提水設(shè)備1套及5 kW風(fēng)力提水設(shè)備1套,建設(shè)12 m2井房和20 m3蓄水池各1座,配套逆變器、深井潛水泵和蓄水池潛水泵各1臺,形成“一井一池;一源二泵”的供水模式,即水源井(深井)-太陽能(風(fēng)能)提水-蓄水池儲水-太陽能(風(fēng)能)二次提水-汽車?yán)?牧戶水窖儲水。試驗安裝水表,記錄出水量、抽水次數(shù)及抽水時間。

3 水量分析

依據(jù)《內(nèi)蒙古行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)》人飲水定額45 L/d,夏季羊飲水定額8 L/d,冬季羊飲水定額6 L/m3。

3.1 需水量

太陽能提水試驗點牧民15戶50人,草場總面積1.50萬hm2,夏季牲畜量0.72萬羊單位,載畜量為2.07 hm2/羊單位,冬季牲畜量0.45萬羊單位。人飲需水量為2.25 m3/d;夏季牲畜需水量為57.6 m3/d,總需水量為59.85 m3/d;冬季牲畜需水量為25.2 m3/d,總需水量為27.45 m3/d。

風(fēng)能提水試驗點牧民7戶24人,草場總面積7 026.67 hm2,夏季牲畜量0.36萬羊單位,載畜量為1.95 hm2/羊單位,冬季牲畜量0.19萬羊單位。人飲需水量為0.96 m3/d;夏季牲畜需水量為28.8 m3/d,總需水量為29.76 m3/d;冬季牲畜需水量為11.4 m3/d,總需水量為12.36 m3/d。

風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點牧民5戶16人,草場總面積4 620 hm2,夏季牲畜量0.28萬羊單位,載畜量為1.65 hm2/羊單位,冬季牲畜量0.16萬羊單位。人飲需水量為0.72 m3/d;夏季牲畜需水量為22.4 m3/d;總需水量為23.12 m3/d;冬季牲畜需水量為9.6 m3/d,總需水量為10.32 m3/d。各試驗點牲畜需水量如表1所示。

表1 牲畜飲水量表

3.2 供水量

內(nèi)燃機(jī)供水配套水泵,出水定額15 m3/h,夏季日平均抽水時間4 h,安裝時間1.5 h,可供出水量60 m3/d,冬季日平均抽水時間2 h,安裝時間0.75 h,可供水量30 m3/d。太陽能提水的配套水泵,出水定額15 m3/h,日平均抽水時間6 h,可供出水量90 m3/d。風(fēng)能提水的配套水泵,出水定額5 m3/h,日平均抽水時間10 h,可供出水量50 m3/d。 分光互補(bǔ)提水的配套水泵2臺,深井出水定額3 m3/h,日平均抽水時間20 h,可供出水量60 m3/d;蓄水池出水定額30 m3/h,日平均抽水時間2 h,可供出水量60 m3/d,可供水量如表2所示。

表2 可供水量對比表

3.3 供需水量分析

太陽能提水最佳抽水時間為每日10-16時,其他時間出水量減少,同時易受到陰天或云的遮擋,降低提水效率。太陽能提水試驗點夏季總需水量59.85 m3/d,冬季需水量27.45 m3/d,可供水量90 m3/d,供水保證率為夏季66.5%,冬季30.5%,設(shè)備可滿足試驗點牧戶用水需求。

風(fēng)能提水受自然因素的影響較大,試驗點風(fēng)力觀測顯示,試驗點3 m/s以上風(fēng)速每日達(dá)12 h,風(fēng)資源可以滿足提水要求。風(fēng)能提水試驗點夏季總需水量29.76 m3/d,冬季需水量12.36 m3/d,可供水量50 m3/d,供水保證率為夏季59.52%,冬季24.72%,同時試驗配備高位蓄水池,可滿足試驗點牧戶用水需求。

風(fēng)光互補(bǔ)提水白天利用太陽能提水,當(dāng)太陽能在陰天或夜間時切換為風(fēng)能提水,出水時間增加,提水效率大幅度提高。每日工作可達(dá)20 h。風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點夏季總需水量23.12 m3/d,冬季需水量10.12 m3/d,可供水量60 m3/d,供水保證率為夏季38.53%,冬季17.2%,設(shè)備可滿足試驗點牧戶用水需求。

新能源提水方便程度較高,減少安裝時間;但受到自然條件制約,針對新能源提水的保證率不足,易損壞的特性,及內(nèi)燃機(jī)提水保證率高,不受時間限制的特點,內(nèi)燃機(jī)提水作為新能源提水的備用設(shè)備。

4 經(jīng)濟(jì)費用分析

4.1 一次性投資

現(xiàn)狀試驗區(qū)牧戶每戶配備雅馬哈2 kW EF2600汽油內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組1臺,2寸便攜式自吸小型水泵1臺,根據(jù)調(diào)查市場報價分別為0.23萬元和0.05萬元。

太陽能提水點15戶牧民提水設(shè)備合計4.2萬元;風(fēng)能提水點7戶牧民提水設(shè)備合計1.96萬元;風(fēng)光互補(bǔ)提水點5戶牧民提水設(shè)備合計1.4萬元。

試驗區(qū)安裝太陽能提水總費用4.17萬元(安裝設(shè)備全部以到場價格計),其中太陽能板1.1 kW 0.77萬元,支架2套0.72萬元,太陽能提水控制器1臺0.53萬元,水泵1臺0.15萬元,電線200 m 0.12萬元,混凝土地基2個0.13萬元,防護(hù)網(wǎng)50 m 0.16萬元,人工安裝3 d 0.15萬元。試驗區(qū)安裝風(fēng)能提水總費用7.26萬元(安裝設(shè)備全部以到場價格計),其中風(fēng)力機(jī)組2 kW花費1.62萬元,風(fēng)力機(jī)組提水控制器1臺1.43萬元,水泵1臺0.16萬元,電線200 m 0.12萬元,混凝土地基1個0.12萬元,人工安裝3 d 0.15萬元,高位蓄水池20 m33.28萬元,輸水管線200 m 0.38萬元。

風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點總費用17.36萬元(安裝設(shè)備全部以到場價格計),其中太陽能板3.2 kW 2.31萬元,支架6套 2.16萬元,風(fēng)力機(jī)組3.2 kW 2.44萬元,風(fēng)光互補(bǔ)提水控制器1臺1.45萬元,深井泵0.96萬元,蓄水池泵0.12萬元,電線800 m 0.48萬元,混凝土地基0.51萬元,防護(hù)網(wǎng)100 m 3.2萬元,人工安裝9d 0.45萬元,蓄水池20 m33.28萬元。

太陽能提水機(jī)組與內(nèi)燃機(jī)組一次性投資基本相同,但內(nèi)燃機(jī)組使用年限8年,太陽能提水機(jī)組使用壽命25年,是內(nèi)燃機(jī)組的3.13倍,但在25年的使用過程中需要更換水泵2次,每次0.15萬元,追加投資0.3萬元。

風(fēng)能提水機(jī)組是內(nèi)燃機(jī)組一次性投資的3.7倍,而風(fēng)能提水機(jī)組使用壽命15年,是內(nèi)燃機(jī)組的1.88倍,但在15年的使用過程中需要更換水泵1次,追加投資0.16萬元。

風(fēng)光互補(bǔ)機(jī)組是內(nèi)燃機(jī)組一次性投資的12.4倍,風(fēng)光互補(bǔ)提水機(jī)組使用年限15年,再追加風(fēng)力機(jī)投資2.44萬元,使用年限可達(dá)25年,風(fēng)力機(jī)組追加部分包括電線0.12萬元,土建0.12萬元,人工安裝0.15萬元;風(fēng)光互補(bǔ)每8年需更換水泵,使用年限25年期內(nèi)更換水泵2次,深井泵每次投資0.96萬元,蓄水池泵每次0.12萬元,合計2.16萬元。風(fēng)光互補(bǔ)機(jī)組后期追加投資總計4.99萬元。

4.2 殘 值

內(nèi)燃機(jī)使用后部分零部件還可以使用,新能源設(shè)備存在可回收的鐵等,綜合考慮到牧區(qū)的實際情況殘值按總投資的5%取值。

4.3 使用壽命

內(nèi)燃機(jī)、太陽能、風(fēng)能、風(fēng)光互補(bǔ)使用壽命分別為8年、 25年、15年、25年。

4.4 年運行費用

4.4.1使用費用

試驗結(jié)果顯示,現(xiàn)狀試驗區(qū)牧戶配備內(nèi)燃機(jī)組抽水,內(nèi)燃機(jī)每次安裝機(jī)械時間為3 min,抽水時間4 min/m3,花費油量0.5 L/m3,以當(dāng)?shù)赜蛢r和考慮運輸費按7.5元/L計,使用費用折合約3.75元/m3。

夏季每戶牧民用水量4 m3/d,花費油量2L/d,使用費用夏季折合約15元/d,試驗期153 d每戶牧民費用0.23萬元。冬季每戶用水量2 m3/d,花費油量1 L/d,使用費用夏季折合約7.5元/d,試驗期212 d每戶牧民費用0.16萬元。內(nèi)燃機(jī)每戶牧民年度使用費用0.39萬元。

風(fēng)能試驗點牧戶縮短拉水距離平均10 km,往返拉水距離達(dá)20 km,按夏季每日拉水1次,冬季2日拉水1次計,年拉水距離 5 180 km,按汽車耗油20 L/100 km計,年耗油量1 036 L,每戶拉水費用0.78萬元,7戶拉水年費用5.46萬元。

分光互補(bǔ)試驗點牧戶縮短拉水距離平均20 km,往返拉水距離達(dá)40 km,按夏季每日拉水1次,冬季2日拉水1次計,年拉水距離10 360 km,按汽車耗油20 L/100 km計,年耗油量2 072 L,每戶拉水費用1.55萬元,5戶拉水年費用7.75萬元。

太陽能提水試驗點15戶牧民內(nèi)燃機(jī)使用費用5.85萬元,無拉水費用;風(fēng)能提水試驗點7戶牧民使用費用8.19萬元,其中:內(nèi)燃機(jī)使用費用2.73萬元,節(jié)約拉水費用5.46萬元;風(fēng)光互補(bǔ)提水試驗點5戶牧民使用費用9.7萬元,其中:內(nèi)燃機(jī)使用費用1.95萬元,節(jié)約拉水費用7.75萬元;新能源提水無使用費用。

4.4.2維修及管理費用

根據(jù)實際調(diào)查內(nèi)燃機(jī)組使用年限平均每年每臺內(nèi)燃機(jī)檢修費用0.01萬元;內(nèi)燃機(jī)組使用完后,牧戶隨水車攜帶走,無管理費用。

新能源設(shè)備置于野外,易受到牛馬等牲畜損壞影響,雖有圍欄防護(hù)但損壞常有發(fā)生。據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗,新能源提水每年維修1次,費用為0.5萬元;管理費用為0.1萬元。管理是新能源提水設(shè)施使用的關(guān)鍵,管理得當(dāng)可大大降低維修費用,節(jié)約成本。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)濟(jì)效益分析采用年費用最小法計算,施工在1年內(nèi)完成,試用期內(nèi)各年年運行費用相同,社會折現(xiàn)率采用《方法與參數(shù)》規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)6%,計算基準(zhǔn)點選在運行期第一年年初,投資變?yōu)榈饶曛颠M(jìn)行比較。計算公式為:

(1)

式中:AC為等年值,萬元;K為投資,萬元;C為年運行費,萬元;i為社會折現(xiàn)率,%;n為使用壽命,年;KL為殘值,萬元。

追加投資部分進(jìn)行折現(xiàn)計算,計算公式為:

P=F(1+i)-n

(2)

式中:P為現(xiàn)值,萬元;F為終值,萬元;其他同上。

表3 等年值計算表

由表3可知,太陽能提水折現(xiàn)后投資4.32萬元,是內(nèi)燃機(jī)組投資4.2萬元的1.03倍,基本相同。風(fēng)能提水折現(xiàn)后投資較大為7.36萬元,是內(nèi)燃機(jī)組投資1.96萬元的3.76倍。風(fēng)光互補(bǔ)提水折現(xiàn)后投資最大為19.48萬元,是內(nèi)燃機(jī)組投資1.4萬元的13.91倍。新能源投資較內(nèi)燃機(jī)大,但長期比較新能源提水投資效益顯著(未考慮經(jīng)濟(jì)增長帶來的費用)。

不計算拉水效益情況下,太陽能提水年費用為0.92萬元/a,僅為內(nèi)燃機(jī)提水6.66萬元的13.86%,節(jié)約費用5.73萬元/a,為每戶牧民節(jié)約0.38萬元/a。在25年的使用期中,總節(jié)約143.32萬元,為每戶牧民節(jié)約9.55萬元。風(fēng)能提水年費用為1.33萬元/a,為內(nèi)燃機(jī)提水費用3.11萬元的42.88%,節(jié)約費用1.77萬元/a,為每戶牧民節(jié)約0.25萬元/a。在15年的使用期中,總節(jié)約26.61萬元,為每戶牧民節(jié)約3.8萬元。風(fēng)光互補(bǔ)能提水年費用為1.94萬元/a,為內(nèi)燃機(jī)提水費用2.22萬元的87.46%,節(jié)約費用0.28萬元/a,為每戶牧民節(jié)約0.06萬元/a。在25年的使用期中,總節(jié)約6.95萬元,為每戶牧民節(jié)約1.39萬元。

計算拉水效益情況下,太陽能提水年費用保持不變。風(fēng)能提水年費用為1.33萬元/a,僅為內(nèi)燃機(jī)提水的15.55%,節(jié)約費用7.23萬元/a,為每戶牧民節(jié)約1.03萬元/a。在15年的使用期中,總節(jié)約108.51萬元,為每戶牧民節(jié)約15.5萬元。風(fēng)光互補(bǔ)能提水年費用為1.94萬元/a,為內(nèi)燃機(jī)提水的19.46%,節(jié)約費用8.03萬元/a,為每戶牧民節(jié)約1.61萬元/a。在25年的使用期中,總節(jié)約200.7萬元,為每戶牧民節(jié)約40.14 萬元。

在不計拉水效益的情況下,太陽能提水經(jīng)濟(jì)效益最高,其次是風(fēng)能提水,而風(fēng)光互補(bǔ)最低;風(fēng)光互補(bǔ)提水的保證率最高,其次是太陽能提水,而風(fēng)能提水受到風(fēng)資源的制約保證率最低;風(fēng)光互補(bǔ)提水投資最大,其次是風(fēng)能,而太陽能提水最小。說明在不節(jié)約拉水距離的情況下,太陽能提水的優(yōu)點較突出。

在考慮拉水效益情況下,風(fēng)光互補(bǔ)提水經(jīng)濟(jì)效益最顯著,其次是風(fēng)能提水,太陽能提水最低;而風(fēng)光互補(bǔ)縮短拉水距離最大,其次是風(fēng)能提水,太陽能提水最小。說明拉水距離距離成為效益的主導(dǎo)因素。

4.6 環(huán)境效益

太陽能試驗點年提水量15 540 m3;風(fēng)能試驗點年提水量7 252 m3;風(fēng)光互補(bǔ)試驗點年提水量5 180 m3,總提水量27 972 m3。每年提水節(jié)約燃油13 986 L,拉水節(jié)約3 108 L,總計節(jié)約燃油量17 094 L,相當(dāng)于減少“二氧化碳”排放量39.32 t。

5 結(jié) 論

研究針對牧區(qū)供電困難,內(nèi)燃機(jī)費用高的特點,提出利用太陽能、風(fēng)能和風(fēng)光互補(bǔ)的新能源解決牧區(qū)供水問題,并對新能源與現(xiàn)狀內(nèi)燃機(jī)使用的費用效益進(jìn)行分析。研究顯示,新能源提水機(jī)組是牧區(qū)實用性較強(qiáng)的供水機(jī)組,在使用期中太陽能提水年均節(jié)約5.73萬元/a,是內(nèi)燃機(jī)組總費用的86.14%;不計算拉水效益情況下,風(fēng)能提水年均節(jié)約1.77萬元/a,是內(nèi)燃機(jī)組費用的57.12%;風(fēng)光互補(bǔ)提水年均節(jié)約0.28萬元/a,內(nèi)燃機(jī)組和拉水總費用的12.54%;計算拉水效益情況下,風(fēng)能提水年均節(jié)約7.23萬元/a,是內(nèi)燃機(jī)組和 拉水總費用的84.45%;風(fēng)光互補(bǔ)提水年均節(jié)約8.03萬元/a,內(nèi)燃機(jī)組和拉水總費用的80.54%。

新能源提水設(shè)備的使用降低了牧民體力勞動,減少了用水費用,提高了用水方便程度,節(jié)約了燃料的使用,每年可節(jié)約燃油17 904 L,相當(dāng)于減少“二氧化碳”排放量39.32 t,新能源設(shè)備的使用具有較好的環(huán)境和社會效益。

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