北京平原區(qū)淺層地下水演化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)初探

徐慶勇 林健

摘 要：基于目前北京市平原區(qū)淺層地下水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及引起效應(yīng)的淺層地下水狀態(tài)和性質(zhì)，遵循指標(biāo)選取的原則，從成因和結(jié)果兩方面構(gòu)建了由7項(xiàng)指標(biāo)組成的評價(jià)指標(biāo)體系，其中成因指標(biāo)分別是地下水位、地下水化學(xué)類型和地下水可采資源量3項(xiàng);結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)分別是地面沉降、濕地萎縮、泉眼干涸和水質(zhì)超標(biāo)4項(xiàng)。指標(biāo)體系的構(gòu)建為未來該地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量評價(jià)提供基礎(chǔ)，并有利于促進(jìn)該地區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用，維持城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定，滿足生態(tài)文明建設(shè)的要求。

關(guān)鍵詞：淺層地下水;生態(tài)環(huán)境效應(yīng);評價(jià)指標(biāo)體系

Abstract： Based on the eco-environmental effect， and state and nature of shallow groundwater causing eco-environmental effect in Beijing， according to the principle of index selection， this paper establishes the evaluation index system made up of seven indicators from two aspects of the causes and results. Indicators of causes are respectively the groundwater level， groundwater chemical types and quantity of groundwater recoverable resources; Indexes of results are land subsidence， wetland shrinkage， spring hole drying and water quality exceeding the standard. The evaluation index system provides a basis for the quantitative evaluation of the groundwater eco-environmental effect in this region in the future， and is conducive to promote the rational development and utilization of groundwater resources， to maintain the balance and stability of urban ecosystem， to meet the requirements of ecological civilization construction.

Keywords： shallow groundwater; eco-environmental effect; evaluation index system

當(dāng)今我國社會(huì)正處于從工業(yè)文明過渡到生態(tài)文明的新階段，水資源保障、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)和保護(hù)等均是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。地下水作為一種寶貴的自然資源，不僅具有重大的社會(huì)功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且具有突出的環(huán)境屬性和重要的生態(tài)價(jià)值。人類對地下水不合理的開發(fā)利用會(huì)產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，地面沉降（羅勇等，2020）、植被退化（郭占榮等，2005）、土壤鹽漬化（宋長春等，2000）等均與地下水有關(guān)。地下水是生態(tài)環(huán)境變化的最重要控制因素之一（崔亞莉等，2001），其對生態(tài)環(huán)境的控制作用是生態(tài)水文地質(zhì)學(xué)的重要研究內(nèi)容。國內(nèi)外許多學(xué)者對地下水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行過研究，中國研究人員程凌鵬等（2018）和宋長春等（2000）、美國學(xué)者Horton等（2001）和澳大利亞學(xué)者Ali等人（2000）分別從地下水位與地面沉降、土壤鹽漬化、植物生長等方面進(jìn)行了研究，獲得了許多有益的成果。然而，迄今為止，對地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究，涉及到的生態(tài)系統(tǒng)類型主要有草原、農(nóng)田等;研究內(nèi)容多為地下水與各種具體生態(tài)環(huán)境問題之間的關(guān)系，側(cè)重點(diǎn)多為地下水位，研究區(qū)域多為降水量少的、水作為限制性生態(tài)因子的干旱半干旱地區(qū)。而對于半干旱半濕潤地區(qū)中的城市生態(tài)系統(tǒng)，對能夠全面反映地下水對生態(tài)環(huán)境綜合影響的地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系的研究，目前較少。

北京是我國首都，位于兩個(gè)主要的地下水環(huán)境問題典型區(qū)之一（李平，2006）的華北平原的北端，屬半干旱半濕潤區(qū)，面積16410 km2，其中平原區(qū)面積6528 km2，占39.8%，工業(yè)、建筑、人口集中分布于此，是典型的城市生態(tài)系統(tǒng)。由于地表水資源的缺乏，北京地下水在保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、保證居民生活用水方面發(fā)揮著重要作用，目前地下水約占全市供水量的一半。然而，當(dāng)前北京面臨“河水?dāng)嗔鳌⒌叵滤伞⒌孛娉两怠钡壬鷳B(tài)系統(tǒng)退化問題，這些均是地下水對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響。這里的淺層地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)即指北京平原區(qū)潛水及埋深小于50 m左右的淺層地下水狀態(tài)或其物理、化學(xué)性質(zhì)的改變對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響，這種不利影響會(huì)使得具有先天脆弱性的城市生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱。科學(xué)構(gòu)建北京平原區(qū)淺層地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系，能夠?yàn)槲磥碓摰貐^(qū)地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量評價(jià)提供基礎(chǔ)，促進(jìn)該地區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用，維持城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定，滿足生態(tài)文明建設(shè)的要求。

1 研究區(qū)概況

北京市平原區(qū)由兩部分組成，一部分位于延慶區(qū)腹地，另一部分由除延慶區(qū)以外的其他15個(gè)區(qū)（縣）的平原地區(qū)組成。多年來，北京地下水開采以第四系孔隙水為主，第四系含水層百米以內(nèi)富水性較好，多為松散的砂卵礫石層，百米以下富水性一般較差，含水層為砂礫石及砂層，有些地區(qū)為礫石夾黏性土，有的呈半膠結(jié)狀態(tài)，礫石有風(fēng)化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)也較密實(shí)，透水性差。平原區(qū)地下水補(bǔ)給方式主要是大氣降水入滲，其次是山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給、地表河渠滲漏及農(nóng)田灌溉水的回滲補(bǔ)給等。排泄主要以人工開采為主，其次是地下水側(cè)向徑流。

南水進(jìn)京前，地下水占北京市總供水量的2/3，有效保障了北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，支撐北京渡過多次供水危機(jī)，但同時(shí)由于地下水過量開采，引起了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，如地下水位下降、水質(zhì)惡化、地面沉降、河道斷流等。2014年年底，南水進(jìn)京，截至2019年9月上旬，北京累計(jì)接收南水北調(diào)工程丹江口水庫來水約50億m3（賀勇，2019），有效緩解了北京水資源緊張局面，提高了城市供水保障率，增加了水資源戰(zhàn)略儲備，由超采引起的地質(zhì)環(huán)境問題亦有所改善。

2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建原則

（1）主導(dǎo)性和獨(dú)立性原則

影響地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的因素很多，而只有主導(dǎo)性因素才對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展起到關(guān)鍵性和控制性作用，因而在評價(jià)中對主導(dǎo)性因素的辨別和甄選至關(guān)重要。同時(shí)，各指標(biāo)應(yīng)內(nèi)涵清晰、相對獨(dú)立，避免指標(biāo)間相互重疊，每一指標(biāo)都應(yīng)能代表引發(fā)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的某種因素或效應(yīng)的某種表現(xiàn)。

（2）系統(tǒng)性原則

地下水和生態(tài)環(huán)境均是復(fù)雜的系統(tǒng)，構(gòu)建地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)遵循系統(tǒng)相關(guān)性、層次性、整體性和綜合性等原則。各指標(biāo)間雖具有獨(dú)立性，但亦不應(yīng)是簡單羅列，而應(yīng)是有機(jī)組合的指標(biāo)系統(tǒng)。

（3）敏感性和預(yù)警性原則

敏感性主要指所選取的指標(biāo)對由與地下水有關(guān)的因素可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題能迅速做出反應(yīng)。對于復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境和地下水系統(tǒng)而言，所選的指標(biāo)應(yīng)具備一定的預(yù)警能力，以便采取科學(xué)的地下水開發(fā)利用措施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

（4）可獲取性和可操作性原則

所選指標(biāo)應(yīng)易得易測。有些指標(biāo)主導(dǎo)性、獨(dú)立性、敏感性和預(yù)警性可能都很強(qiáng)，但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下無法獲得，或者即使可以獲得但不便于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，這樣的指標(biāo)均不能選取。

2.2 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

基于北京市平原區(qū)已由淺層地下水引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及引發(fā)效應(yīng)的地下水的狀態(tài)和性質(zhì)，遵循指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，以避免生態(tài)環(huán)境效應(yīng)發(fā)生、保護(hù)生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)，從成因和結(jié)果表現(xiàn)兩方面來構(gòu)建指標(biāo)體系。

2.2.1 成因指標(biāo)

（1）地下水位

地下水位是引發(fā)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)最重要、最關(guān)鍵、最核心的指標(biāo)，它從多個(gè)方面影響生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展?fàn)顟B(tài)及程度。對于北京市平原區(qū)，地下水位主要影響地面沉降是否發(fā)生及其發(fā)展?fàn)顟B(tài)和發(fā)展程度。

1970年以前，北京市平原區(qū)地下水位處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，淺層地下水埋深一般不超過5 m，70年代以后由于超量開采地下水，南水進(jìn)京前，地下水位總體上持續(xù)下降（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2019a）。截至2014年底，地下水平均埋深達(dá)25.66 m，當(dāng)年底南水進(jìn)京后，自2016年開始，地下水位止降回升，3年累計(jì)回升2.72 m，截至2019年7月末，全市平原區(qū)地下水埋深平均為23.44 m，與上年同期相比，地下水位回升1.08 m（賀勇，2019）。

北京市平原區(qū)地面沉降與地下水位具有高度相關(guān)性（姜媛等，2015）。從北京地面沉降發(fā)展的4個(gè)階段與地下水位變化之間的關(guān)系看，北京市地面沉降的發(fā)展階段與地下水位變化的階段較為一致（楊艷等，2012），地面沉降量、沉降速率對地下水位下降量、下降速率做出了積極響應(yīng)。同時(shí)，地下水超采、地下水位下降是北京地區(qū)泉水衰減的重要原因之一（王小娜等，2010）。故地下水位指標(biāo)是生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要成因指標(biāo)，該指標(biāo)在一定水位區(qū)間（即生態(tài)水位）才會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生有利影響，低于區(qū)間下限或高于區(qū)間上限，均對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。以北京平原區(qū)各淺層監(jiān)測井地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)通過插值獲得的地下水位分布作為具體表征指標(biāo)。

（2）水化學(xué)類型

水化學(xué)類型是以水體中的優(yōu)勢鹽類定名和分類的一個(gè)與水化學(xué)組成相聯(lián)系的水化學(xué)概念，地下水的化學(xué)組成是地下水與環(huán)境及人類活動(dòng)長期相互作用的產(chǎn)物。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市化的進(jìn)程，人類活動(dòng)對地下水化學(xué)組成的影響已不可忽視。

北京平原區(qū)淺層地下水以HCO3-Ca·Mg型水為主，局部地區(qū)分布有HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Na·Mg、HCO3-Mg·Na·Ca和HCO3·SO4-Na·Mg型水，特別是城近郊區(qū)分布有較大面積的HCO3·Cl-Ca·Mg型水，表明淺層地下水已受到人類活動(dòng)的影響。按照舒卡列夫水化學(xué)分類法，將北京平原區(qū)各淺層監(jiān)測井地下水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過計(jì)算進(jìn)行分類、插值，以獲得的水化學(xué)類型分布作為具體表征指標(biāo)。

（3）地下水資源可采量

地下水資源可采量是指在一定技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下，開采過程中不發(fā)生水質(zhì)惡化或其他不良地質(zhì)現(xiàn)象，不會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成不利影響，可以持續(xù)開采利用的地下水量。可采資源量表征了地下水資源的豐富程度。

在不同的社會(huì)發(fā)展階段，北京平原區(qū)地下水可采資源量不盡相同。1961—1980年地下水可采資源量為24.55×108 m3，1980—2000年為22.22×108 m3，1991—2014年為20.97×108 m3（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2017），由此可見，地下水可采資源量呈逐期減少的狀態(tài)，即地下水資源的豐富程度逐期降低。由于地下水和地表水之間存在著密切的水力聯(lián)系和頻繁的轉(zhuǎn)化關(guān)系，地表水可能直接向地下水排泄同時(shí)又接受地下水補(bǔ)給，尤其在河流低水位時(shí)期，大多數(shù)河流流量來自地下水（楊澤元等，2006）。因而，地下水資源的豐富程度會(huì)影響到地表河流流量，而據(jù)1991年北京市地質(zhì)研究所調(diào)查，由于河流干涸造成部分土地沙化嚴(yán)重（北京市地方志編纂委員會(huì)，2001）。

同時(shí)，地下水資源的豐富程度是濕地發(fā)育的重要條件之一，地下水對濕地具有補(bǔ)給旱季水量和頂托補(bǔ)給的作用。北京市濕地面積與地下水資源量變化趨勢非常一致，濕地最大/最小面積與地下水資源量最高/最低點(diǎn)相重合，二者具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.90（柳敏等，2011）。

因此，地下水量的減少可影響地表水資源，產(chǎn)生泉及河流流量衰減、湖泊萎縮、濕地退化、土地沙化等生態(tài)環(huán)境問題。該指標(biāo)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)突出，故為又一重要成因指標(biāo)。

2.2.2 結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)

（1）地面沉降

北京是我國地面沉降發(fā)育較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。自20世紀(jì)50年代初發(fā)現(xiàn)至今， 經(jīng)歷了形成、發(fā)展、擴(kuò)展及快速發(fā)展4個(gè)階段，目前仍處于快速發(fā)展階段（羅勇等，2014;田芳等，2017）。地面沉降是地下水位大幅下降產(chǎn)生的最重要的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，有關(guān)研究人員（葉超等，2019）將北京市平原區(qū)（不含延慶區(qū)）地面沉降發(fā)育程度分為強(qiáng)、中等和弱3個(gè)等級，其中強(qiáng)區(qū)和中等區(qū)面積占平原區(qū)面積的一半以上。以地面沉降發(fā)育程度作為具體表征指標(biāo)。

（2）濕地萎縮

按照《濕地公約》（2001）中對濕地類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，北京僅分布著“河流濕地”和“庫塘濕地”2個(gè)類型。20世紀(jì) 60 年代，全市有濕地 1200 km2，1993年、2003年和2013年濕地面積分別約為519 km2、408 km2和394 km2（張樹苗等，2018）。近些年，由于北京市加大了濕地保護(hù)修復(fù)力度，至2019年濕地面積有所增加，達(dá)514 km2（魏夢佳，2019）。但在之前約半個(gè)世紀(jì)的時(shí)期內(nèi)，濕地面積均呈持續(xù)下降狀態(tài)，且與60 年代北京市城市化的初期相比，濕地面積不及當(dāng)時(shí)的1/2。濕地萎縮是地下水資源可采資源量變少產(chǎn)生重要的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以濕地萎縮率作為具體表征指標(biāo)。

（3）泉眼干涸

北京市在歷史上曾以泉多著稱，且泉水甘洌，水質(zhì)較好。而近年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于區(qū)域地下水位的下降使得大量泉消失（孫靜，2007）。2019年北京市在流泉共有855處，主要分布在山區(qū)，山前地帶僅有少量分布，且流量甚微，大大低于歷史流量，平原區(qū)泉基本消失殆盡。目前北京泉水利用類型主要以景觀為主，一些流經(jīng)村域的泉水通常輔建以亭臺樓閣，山區(qū)人居環(huán)境得到改善。除眾多已有的泉水風(fēng)景名勝、歷史古跡外，這些年來，依托泉水資源打造的旅游景區(qū)也不在少數(shù)，如房山區(qū)百瑞谷景區(qū)的百花泉等（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2019b）。由此可知，平原區(qū)泉眼的干涸勢必影響平原區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境問題。目前泉眼干涸是地下水位下降產(chǎn)生的重要的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)之一，以泉眼干涸率作為具體表征指標(biāo)。

（4）水質(zhì)超標(biāo)

“山水林田湖草是生命共同體”，水質(zhì)較差的地下水必然對山水林田湖草等其它環(huán)境要素產(chǎn)生不利影響。可使土壤質(zhì)量變差，肥力下降，農(nóng)作物減產(chǎn);使地表水受到污染，造成植被生長不良、動(dòng)物和微生物呈現(xiàn)病態(tài)，甚至死亡，最終導(dǎo)致生物多樣性下降，環(huán)境惡化。特別是在城市生態(tài)系統(tǒng)中，人是生命成分的主體，北京市很多村鎮(zhèn)以地下水為飲用水源，水質(zhì)超標(biāo)勢必對人的生命健康構(gòu)成威脅。

按照GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的“綜合質(zhì)量評價(jià)方法”及“地下水質(zhì)量分類”，將北京市平原區(qū)地下水質(zhì)分為I—V 5類，并將Ⅲ類水作為判定地下水是否超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)多年的監(jiān)測結(jié)果，平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)超標(biāo)面積占監(jiān)測面積的一半多，超標(biāo)指標(biāo)主要為總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽氮和氨氮。水質(zhì)超標(biāo)是地下水質(zhì)惡化的重要表現(xiàn)，以水質(zhì)超標(biāo)率作為具體表征指標(biāo)。

3 討論

評價(jià)指標(biāo)具有空間差異性和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化性，不同地區(qū)、不同生態(tài)系統(tǒng)類型及同一地區(qū)社會(huì)發(fā)展的不同階段，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)的指標(biāo)體系不盡相同。

目前有些指標(biāo)在其他地區(qū)可能是主要指標(biāo)，但在北京市平原區(qū)這一城市生態(tài)系統(tǒng)中，卻不是主要的或基本不存在的，亦或主要不是由地下水狀態(tài)和性質(zhì)的變化引起的，如土地沙化和土壤鹽漬化（故不選取）。同時(shí)，指標(biāo)體系也會(huì)根據(jù)地下水資源環(huán)境保護(hù)和管理科學(xué)舉措的實(shí)施而發(fā)生變化。在南水北調(diào)一期工程全面通水前，水利部于2005年即啟動(dòng)了受水區(qū)地下水壓采方案的編制工作，規(guī)劃了近期和遠(yuǎn)期壓采替代水量。北京市受水區(qū)面積6400 km2，受水區(qū)域包括城六區(qū)及郊區(qū)平原區(qū)，根據(jù)南水來水量及當(dāng)前地下水資源量、水源地分布、水質(zhì)污染等狀況，規(guī)劃了地下水回補(bǔ)區(qū)和壓采區(qū)，水資源條件和配置格局均發(fā)生了變化，地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)亦會(huì)隨之發(fā)生變化。如在當(dāng)前，地面沉降是研究區(qū)主要的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，但在將來可能變?yōu)榇我幕蛞呀?jīng)消失，不再被選取作為評價(jià)指標(biāo)。

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，特別是生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)而帶來的地下水狀態(tài)和性質(zhì)的改變以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的變化指標(biāo)體系隨之調(diào)整。可以預(yù)見，隨著生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程，地下水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)目前所表現(xiàn)出來的不利影響未來可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣绊憽?/p>

4 結(jié)論

淺層地下水與表生生態(tài)環(huán)境的關(guān)系較為密切，對其影響較為強(qiáng)烈。由于過去北京市平原區(qū)地下水的超量開采及保護(hù)意識的淡薄，目前存在著多種由淺層地下水引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，基于這些效應(yīng)及引起效應(yīng)的淺層地下水狀態(tài)和性質(zhì)，遵循指標(biāo)選取的原則，以避免生態(tài)環(huán)境效應(yīng)發(fā)生、保護(hù)生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)，從成因和結(jié)果表現(xiàn)兩方面構(gòu)建了由7項(xiàng)指標(biāo)組成的評價(jià)指標(biāo)體系。其中成因指標(biāo)3項(xiàng)，分別是地下水位、地下水化學(xué)類型和地下水資源可采量;結(jié)果表現(xiàn)指標(biāo)4項(xiàng)，分別是地面沉降、濕地萎縮、泉眼干涸和水質(zhì)超標(biāo)。

但由于評價(jià)指標(biāo)具有空間差異性和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化性，需根據(jù)不同地區(qū)、不同生態(tài)系統(tǒng)類型及同一地區(qū)、同一生態(tài)系統(tǒng)類型在社會(huì)發(fā)展的不同階段生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的具體表現(xiàn)及淺層地下水狀態(tài)和性質(zhì)的實(shí)際情況，來構(gòu)建適宜的評價(jià)指標(biāo)體系。為未來該地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量評價(jià)提供基礎(chǔ)，促進(jìn)地下水資源的合理開發(fā)利用，維持城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。

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