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문제 정의
- TRANSPORT 블록은 RUNOFF 블록에서 연산된 결과를 사용하여 우기 및 건기시 하수관거시스템에서의 유량과 오염물질을 추적 모의한다. EXTRAN 블록은 도시지역의 복잡한 배수관망에서 유량과 수심을 계산하기 위해 동수역학 방정식에 의하여 개수로/관수로 등에서의 흐름을 추적하는 블록으로 합류, 분류시스템으로 구성되는 도시 배수유역에 적용하기 위해 개발되었다. RUNOFF 블록에서의 계산 결과치를 유입량 자료로 이용하며, 루프형 관로 및 웨어, 오리피스, 펌프 등으로 인한 측방류 유입과 월류, 배수, 압력류 등의 수리 현상을 계산한다.
가설 설정
- 대상유역 관거의 상 · 하류 접합점 및 모양, 길이, 깊이, 폭 · 직경 등의 제원은 하수관망도(1:1,000)로부터 산정하였으며, 관거의 조도계수 값은 일반적인 콘크리트 관에 적용하는 0.013이라 가정하고 모든 관에 균일하게 적용하였다.
제안 방법
- SWMM 모형의 구성은 ① RUNOFF, ② TRANSPORT, ③ EXTRAN, ④ STORAGE, ⑤ EXECUTIVE 등의 5개의 실행블럭들과 5개의 보조블럭들로 구성되며, 126개의 부프로그램들로 구분되어 계산을 수행한다.
- 본 연구는 부산시 대표 도시하천인 온천천을 대상으로 미국환경보호청(EPA)에 의해 개발된 Stom Water Management Model(SWMM)을 온천천 유역에 적용하여 소유역을 114개로 구분하고 주요 토출구를 43개로 구분한 후 각 소유역의 대표 우수관을 선정하여 강우에 의한 도시하천 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하였다. 침수 위험 취약성 분석을 위하여 SWMM모형 내 관거의 용량정도를 나타내는 지표인 Capacity를 이용하였으며 내수침수 위험도는 1단계에서 4단계로 구분하였다.
- 온천천 유역의 DEM(digital elevation model)제작을 위해 지형도상에 등고선이 존재하는 산지나 도시화가 적게 된 지역에 대해서는 1:5,000의 지형도로부터 1 m 간격의 등고선을 추출하였고, 등고선이 없는 도시지역에 대해서는 1:1,000의 항측도로 부터 표고점을 추출하여 격자 10 m 간격의 DEM을 생성하였다.
- TRANSPORT 블록은 RUNOFF 블록에서 연산된 결과를 사용하여 우기 및 건기시 하수관거시스템에서의 유량과 오염물질을 추적 모의한다. EXTRAN 블록은 도시지역의 복잡한 배수관망에서 유량과 수심을 계산하기 위해 동수역학 방정식에 의하여 개수로/관수로 등에서의 흐름을 추적하는 블록으로 합류, 분류시스템으로 구성되는 도시 배수유역에 적용하기 위해 개발되었다.
- EXTRAN 블록은 도시지역의 복잡한 배수관망에서 유량과 수심을 계산하기 위해 동수역학 방정식에 의하여 개수로/관수로 등에서의 흐름을 추적하는 블록으로 합류, 분류시스템으로 구성되는 도시 배수유역에 적용하기 위해 개발되었다. RUNOFF 블록에서의 계산 결과치를 유입량 자료로 이용하며, 루프형 관로 및 웨어, 오리피스, 펌프 등으로 인한 측방류 유입과 월류, 배수, 압력류 등의 수리 현상을 계산한다. STORAGE/TREATMENT 블록은 유량과 수질에 대한 저류 및 오염물질의 처리 기능을 평가하며, 각 단계에서 비용연산이 가능하다.
- 내수침수 위험 예경보 활용을 위한 SWMM 모형의 적용을 위하여 선정된 대상유역에 대해 하수도 대장 평면도(1:1000)로부터 간선관거를 분리하여 관망을 구성하였다. 구성된 관망으로부터 간선관거의 합류점 및 크기가 큰 맨홀을 기준으로 유출량 산정 지점을 선정한 후, 유역 내 지형과 각 지역의 인위적인 배수계통에 따라 전체 대상유역을 114개의 소유역 및 43개의 주요 토출구로 분할하였다.
- 내수침수 위험 예경보 활용을 위한 SWMM 모형의 적용을 위하여 선정된 대상유역에 대해 하수도 대장 평면도(1:1000)로부터 간선관거를 분리하여 관망을 구성하였다. 구성된 관망으로부터 간선관거의 합류점 및 크기가 큰 맨홀을 기준으로 유출량 산정 지점을 선정한 후, 유역 내 지형과 각 지역의 인위적인 배수계통에 따라 전체 대상유역을 114개의 소유역 및 43개의 주요 토출구로 분할하였다.
- 온천천 유역의 DEM(digital elevation model)제작을 위해 지형도상에 등고선이 존재하는 산지나 도시화가 적게 된 지역에 대해서는 1:5,000의 지형도로부터 1 m 간격의 등고선을 추출하였고, 등고선이 없는 도시지역에 대해서는 1:1,000의 항측도로 부터 표고점을 추출하여 격자 10 m 간격의 DEM을 생성하였다. 소유역의 평균경사에 대해서는 생성된 DEM으로부터 각 격자간의 경사를 계산하고 각 소유역에 해당하는 격자를 평균하여 소유역의 평균경사를 산정하였다.
- SWMM모형의 구동을 위한 강우자료로 2009년 7월 7일 집중호우의 부산 지점 강우자료와 부산 지점의 빈도별 지속시간별 확률강우량을 선정하였다. 2009년 7월 7일의 실강우를 이용하여 집중호우로 인한 실제 침수구역과 모의를 통한 침수위험지역과의 비교를 통하여 모형의 타당성을 입증하였고, 이를 바탕으로 부산지점 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우량을 입력하여 각각의 강우에 대한 해당 유역의 주요 관거 내수침수 위험 취약성을 분석하였다.
- 보정에 사용할 강우 사상을 구축된 모형에 적용하여 각 매개변수에 대한 민감도를 산정하였다. 매개변수에 대한 불확실성을 ±50%(단, 면적은 ±5%)로 적용하고 강우사상별 매개변수의 변화에 따른 목적함수인 첨두유량의 민감도를 검토하였다.
- 구축된 모형을 이용하여 온천천 유역의 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하였다. 먼저 대상유역에서 실제 침수된 지역을 신문, 방송, 인터넷, 현장조사 및 부산시 방재 관련 부서 방문조사 등을 통하여 조사한 다음 2009년 7월 7일 강우의 대상유역 내 강우자료로 구축된 모의에 의한 내수침수 위험 취약성 분석결과와 비교하였고, 부산지점 빈도별 확률강우량을 이용하여 각각의 강우에 대한 해당유역 주요 관거의 내수침수 위험 취약성을 분석하였다.
- 구축된 모형을 이용하여 온천천 유역의 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하였다. 먼저 대상유역에서 실제 침수된 지역을 신문, 방송, 인터넷, 현장조사 및 부산시 방재 관련 부서 방문조사 등을 통하여 조사한 다음 2009년 7월 7일 강우의 대상유역 내 강우자료로 구축된 모의에 의한 내수침수 위험 취약성 분석결과와 비교하였고, 부산지점 빈도별 확률강우량을 이용하여 각각의 강우에 대한 해당유역 주요 관거의 내수침수 위험 취약성을 분석하였다.
- 온천천 유역의 SWMM을 구축하고 2009년 7월 7일 강우자료를 이용하여 모의시간을 09:00~17:00시 까지 30분 간격으로 모의를 실시하였다. SWMM 모의결과의 위험도 분류와 3.
- 온천천 유역의 SWMM을 구축하고 2009년 7월 7일 강우자료를 이용하여 모의시간을 09:00~17:00시 까지 30분 간격으로 모의를 실시하였다. SWMM 모의결과의 위험도 분류와 3.1절의 2009년 7월 7일 실제 침수구역 조사에서 조사된 토출구 Nbox 28지점의 온천1동지역, Nbox 29지점의 명륜2동, Nbox 33지점의 수안동, Nbox 36지점의 연산1동, Nbox 43지점의 명륜1동과 비교하였다.
- 현행 하수시설 설계기준은 간선 10년, 지선 5년 빈도이나 본 연구에서는 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우량을 이용하여 SWMM 모의를 실시함으로써 현행 5년 및 10년 빈도로 설계된 우수관거의 내수침수 위험 취약성 분석을 비교하였다.
- 실제 강우에 의한 SWMM 모의 결과와 실제 침수 구역과의 비교를 통하여 SWMM 모의에 의한 내수침수 분석의 타당성과 활용성을 확인하였고, 본 절에서는 부산지점 빈도별 지속시간별 확률강우량을 이용하여 대상하천 유역내의 우수관거의 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하였다. 현행 하수시설 설계기준은 간선 10년, 지선 5년 빈도이나 본 연구에서는 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우량을 이용하여 SWMM 모의를 실시함으로써 현행 5년 및 10년 빈도로 설계된 우수관거의 내수침수 위험 취약성 분석을 비교하였다.
- SWMM 모형의 모의 결과 중 관거 용량을 나타내는 지표인 Capacity를 이용하여 위험도를 4단계로 분류하고 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 매개변수에 대한 불확실성을 ±50%(단, 면적은 ±5%)로 적용하고 강우사상별 매개변수의 변화에 따른 목적함수인 첨두유량의 민감도를 검토하였다.
- 분석결과는 SWMM모형의 관거 용량을 나타내는 지표인 Capacity를 이용하여 각 소유역의 주요 우수관거의 Capacity를 산정하고 그 결과를 1~4단계로 구분하여 내수침수 위험 취약성을 분석하였다.
- 보정시 반복적으로 매개변수를 변화시켜 아래 Fig. 3과 같이 평가함수인 첨두유량의 허용 임계치(<0.15)를 만족하는 최적 매개변수를 산정하였다(오차함수의 변화 : 0.93→0.14).
- 매개변수에 대한 불확실성을 ±50%(단, 면적은 ±5%)로 적용하고 강우사상별 매개변수의 변화에 따른 목적함수인 첨두유량의 민감도를 검토하였다. 선정된 매개변수를 변화시키고 8개의 강우사상이 적용된 모형에서 동시에 목적함수를 산정하여 오차가 오차함수의 허용 범위 내 존재 여부를 검토하였으며, 반복 작업을 통해 오차함수의 허용 범위를 만족하는 매개변수를 산출하고 검증절차에 따라 4개의 강우 사상을 적용한 모형에서 오차를 산출하여 허용 범위를 검토하였다.
- 보정 절차에서 허용 범위를 만족하는 매개변수 값을 검증하기 위해 4개의 강우 사상에 대해 산정된 매개변수를 적용하여 허위 오차의 만족 여부를 검토하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구의 대상유역인 온천천 유역은 부산광역시의 대표적 도시 하천으로 하천 주위에 건물이 밀집해 있고, 제방이 도로로 활용되고 있는 등 토지이용도가 상당히 높은 하천이다. 특히, 하천 주변지역의 지반고가 계획홍수위보다 낮으며 일부 지역은 하천의 하상고보다 낮다(동래소방서 및 수민동 주변 지반고는 EL.
- 부산지방기상청의 관측소는 온천천 유역과 약 15 km 떨어져있어 지리적 동질성을 갖기 어렵고 온천천 유역 내 기상청 AWS 동래 지점의 강우자료는 결측이 많은 이유로 대상유역과 약 2 km 거리로 지리적으로 타 기상측정 지점보다 가깝고 양호한 측정결과를 보이는 부산시 금정구 부산대학교 제 4공학관에 위치한 강우량계의 자료를 이용하여 실제 강우의 입력 자료를 구축하였다.
- 검보정 지점은 유량자료가 존재하고 수영강의 배수효과가 미치지 않으며 유황이 안정한 Loch 409지점(온천천 세병교 지점)으로 하였다.
- 과거 관측된 강우(부산지방기상청 10분 강우자료 사용) 및 유량 자료를 검토하여 보정 및 검증에 적용할 강우와 유량의 패턴이 양호한 자료를 추출하였다.
- SWMM모형의 구동을 위한 강우자료로 2009년 7월 7일 집중호우의 부산 지점 강우자료와 부산 지점의 빈도별 지속시간별 확률강우량을 선정하였다. 2009년 7월 7일의 실강우를 이용하여 집중호우로 인한 실제 침수구역과 모의를 통한 침수위험지역과의 비교를 통하여 모형의 타당성을 입증하였고, 이를 바탕으로 부산지점 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우량을 입력하여 각각의 강우에 대한 해당 유역의 주요 관거 내수침수 위험 취약성을 분석하였다.
- 부산지방기상청의 관측소는 온천천 유역과 약 15 km 떨어져있어 지리적 동질성을 갖기 어렵고 온천천 유역 내 기상청 AWS 동래 지점의 강우자료는 결측이 많은 이유로 대상유역과 약 2 km 거리로 지리적으로 타 기상측정 지점보다 가깝고 양호한 측정결과를 보이는 부산시 금정구 부산대학교 제 4공학관에 위치한 강우량계의 자료를 이용하여 실제 강우의 입력 자료를 구축하였다. 부산지점 빈도별 지속시간별 확률강우량은 수자원관리기법개발연구조사 보고서(2000)에서 한국확률강우량도의 부산지점 자료를 본 연구에서 활용하였다. Table 2는 부산지방기상청 지점과 부산대학교 내 설치된 강우계 측정자료를 비교하였고, Table 3은 부산지점의 빈도별 지속시간별 확률강우량이다.
- 과거 관측된 강우(부산지방기상청 10분 강우자료 사용) 및 유량 자료를 검토하여 보정 및 검증에 적용할 강우와 유량의 패턴이 양호한 자료를 추출하였다. 모형의 보정에 적용할 8개의 강우-유량 자료와 검증에 적용할 4개의 강우-유량 자료를 Table 4와 같이 선정하였다. 검보정 지점은 유량자료가 존재하고 수영강의 배수효과가 미치지 않으며 유황이 안정한 Loch 409지점(온천천 세병교 지점)으로 하였다.
- 본 연구는 침수 취약지구 파악 및 취약정도를 파악하고 침수 위험 예경보 활용을 위한 내수침수 위험 취약성 분석을 위하여 대상하천인 온천천 유역을 114개의 소유역으로 구분하고 주요 토출구를 43개로 구분하여 SWMM 모형을 구축하고 부산시 2009년 7월 7일 집중호우자료 및 부산지점 빈도별 지속시간별 확률강우량을 강우 입력자료로 활용하였다. SWMM 모형의 모의 결과 중 관거 용량을 나타내는 지표인 Capacity를 이용하여 위험도를 4단계로 분류하고 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- SWMM모형 모의에 의한 침수 예상구역과 실제 침수가 일어난 지점을 비교 분석하기 위하여 2009년 7월 7일 부산시 집중호우에 의해 대상유역인 온천천 유역의 부산시 금정구, 동래구, 연제구, 부산진구의 실제 침수지역을 신문, 인터넷, 방송, 부산시 재난관리부서의 방문조사 및 침수구역 현장조사 등을 이용하여 조사하였다.
데이터처리
- 현행 하수시설 설계기준은 간선 10년, 지선 5년 빈도이나 본 연구에서는 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우량을 이용하여 SWMM 모의를 실시함으로써 현행 5년 및 10년 빈도로 설계된 우수관거의 내수침수 위험 취약성 분석을 비교하였다. 이를 위하여 각 빈도별 지속시간별 확률강우량을 입력하여 SWMM 모의 후 Stage 1의 대피단계의 관거수를 각 토출구별로 분류하였고 각 위험도 단계별 관거 수를 분석하여 2009년 7월 7일의 침수 위험도 결과와 비교, 분석하였다.
이론/모형
- 본 연구는 부산시 대표 도시하천인 온천천을 대상으로 미국환경보호청(EPA)에 의해 개발된 Stom Water Management Model(SWMM)을 온천천 유역에 적용하여 소유역을 114개로 구분하고 주요 토출구를 43개로 구분한 후 각 소유역의 대표 우수관을 선정하여 강우에 의한 도시하천 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하였다. 침수 위험 취약성 분석을 위하여 SWMM모형 내 관거의 용량정도를 나타내는 지표인 Capacity를 이용하였으며 내수침수 위험도는 1단계에서 4단계로 구분하였다. 내수침수 위험도 분석은 2009년 7월 7일 부산시 집중호우에 의한 실제침수 구역과 2009년 7월 7일 부산시 집중호우에 의한 모의 비교를 통하여 분석되었고, 부산지점 빈도별(10, 20, 50, 100년) 지속시간별(6, 12, 18, 24hr) 확률강우량을 입력하여 내수침수 위험 취약성 분석을 실시하여 내수침수 위험 예경보에 활용가능하게 하였다.
- RUNOFF 블록은 초기 연산이 수행되는 부분으로 강우사상에 대해 배수유역에서의 유출과 오염부하량을 모의하며, 임의의 강우우량도, 선행강우조건, 토지이용도, 지형도, 관거자료, 토지이용별 · 오염물질별 축적 및 쓸림 등의 자료를 이용하여 유출수문곡선 및 오염물 농도곡선을 계산한다. RUNOFF 블럭의 관로유출은 비선형저류방정식으로 계산된 안정된 해를 얻기 위해서 Newton-Rapson 방법을 사용한다. 관로유출에서 사용되는 연속방정식과 Manning식은 식(1), 식(2)와 같다.
- 내수침수 위험도 설정을 위하여 SWMM모형 내 관거의 용량정도를 나타내는 지표인 Capacity를 이용하였다. Capacity는 SWMM모형 내 해당관거의 높이(H)에 대한 수심(h)의 비율을 나타낸다.
성능/효과
- 분석결과 Nbox 6지점의 구서2동지역, Nbox 12지점의 구서1동지역, Nbox 14지점의 부곡3동지역, Nbox 28지점의 온천1동지역, Nbox 29지점의 명륜2동지역, Nbox 33지점의 수안동지역, Nbox 34지점의 낙민동 지역, Nbox 35지점의 거제 1동지역, Nbox 36지점의 연산1동지역에서 Stage 1의 대피, Stage 2의 경보 상태까지 올라감으로써 내수침수의 취약성을 보여주고 있다. 온천천 유역의 강우가 시작된 05:00시부터 강우가 종료된 18:00시 임을 Table 2에서 확인할 수 있고, 2009년 7월 7일 강우를 입력하여 모의한 분석결과와 실제 침수된 지역의 침수시간을 비교해 볼 때 강우의 도달시간을 고려한다면 관거의 Capacity 분석결과와 거의 일치한다고 볼 수 있다.
- 2009년 7월 7일의 분석결과는 10, 20, 50년 빈도의 확률강우량 분석결과와 비교하여 2009년 7월 7일의 분석결과가 내수침수 위험도가 더 높게 나타났고 100년 빈도의 확률강우량 분석결과와 비슷한 분포를 보이고 있었다. 토출구 NBox 28, 29, 32, 33, 34, 36지점의 온천1동, 명륜2동, 사직1동, 수안동, 낙민동, 거제1동, 연산1동의 일부 우수관거에서 Stage 1의 대피의 상태가 나타나 현재의 우수관거는 집중호우나 홍수 등의 수해가 발생하였을 때 내수침수에 매우 취약한 것으로 분석되었다.
- 2009년 7월 7일의 분석결과는 10, 20, 50년 빈도의 확률강우량 분석결과와 비교하여 2009년 7월 7일의 분석결과가 내수침수 위험도가 더 높게 나타났고 100년 빈도의 확률강우량 분석결과와 비슷한 분포를 보이고 있었다. 토출구 NBox 28, 29, 32, 33, 34, 36지점의 온천1동, 명륜2동, 사직1동, 수안동, 낙민동, 거제1동, 연산1동의 일부 우수관거에서 Stage 1의 대피의 상태가 나타나 현재의 우수관거는 집중호우나 홍수 등의 수해가 발생하였을 때 내수침수에 매우 취약한 것으로 분석되었다. 온천천 하류부는 대부분이 저지대로 자연배수체계가 어렵고, 홍수 시 하천수위가 상승하는 경우 하수관거 역류로 인한 내수침수가 빈번하게 발생하고 있는 실정이므로 이에 따른 현실적인 내수침수에 관한 대책이 필요한 것으로 사료된다.
- Table 8에 부산지역 빈도(10, 20, 50, 100년)별 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우와 2009년 7월 7일 강우를 입력하여 모의한 결과 중 Stage 1단계를 보이는 토출구의 관거 수를 보였다. 토출구 Nbox29의 명륜2동 지역과 토출구 Nbox33의 수안동 지역은 전체 빈도 및 지속시간에서 Stage 1의 대피단계 위험도의 침수위험 관거가 존재하였고 토출구 Nbox35의 거제1동, 토출구 Nbox36의 연산1동에서 빈도가 증가할수록 Stage 1단계의 침수위험 관거가 늘어나는 위험지역으로 분석되었다. Table 9는 부산지역 빈도(10, 20, 50, 100년) 및 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우와 2009년 7월 7일 강우를 입력하여 모의에 의한 각 토출구별 위험도의 각 단계별 위험도 관거의 수를 나타내고 있다.
- Table 9는 부산지역 빈도(10, 20, 50, 100년) 및 지속시간별(6, 12, 18, 24 hr) 확률강우와 2009년 7월 7일 강우를 입력하여 모의에 의한 각 토출구별 위험도의 각 단계별 위험도 관거의 수를 나타내고 있다. 확률강우량의 빈도가 커질수록, 지속시간이 짧을수록 우수관거의 내수침수 위험도가 높게 분석되었으며 100년 빈도 지속시간 6시간에서 내수침수의 위험이 매우 큰 것으로 분석되었다. 2009년 7월 7일 강우는 100년 빈도의 지속시간 18시간의 결과 값과 비슷함을 알 수 있다.
- 1) 부산시 2009년 7월 7일 집중호우 강우자료를 이용한 내수침수 위험 취약성 분석에서 실제 침수된 구역과 모의 결과를 비교, 분석한 결과 침수구역이 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었으며 아울러 구축된 모형의 내수침수분석에의 활용가능성도 확인하였다.
- 2) 부산시 빈도별 지속시간별 강우량을 입력하여 내수침수 위험 취약성을 분석한 결과 토출구 NBox 28, 29, 32, 33, 34, 36지점의 온천1동, 명륜2동, 사직1동, 수안동, 낙민동, 거제1동, 연산1동의 일부 우수관거에서 Stage 1의 대피의 상태가 나타나 현재의 우수관거는 집중호우나 홍수 등의 수해가 발생하였을 때 내수침수에 매우 취약한 것으로 분석되었다. 이는 저지대인 온천천 하류부는 홍수 및 집중호우로 인한 수해 시 내수침수에 매우 취약하므로 저류지 확보 및 내수침수에 대비한 우수관의 용량을 늘리는 등의 대책이 필요할 것으로 사료된다.
후속연구
- 3) 빈도별 지속시간별 강우를 입력하여 모의한 결과는 실제 유사 강우시 침수지점의 예측이 가능하게 하여 침수지점 예측을 통해 도시지역 내수침수에 대비하는 자료로 활용 가능하고, 향후 해당유역 우수관거 정비사업의 우선순위선정 및 침수위험 취약성 분석, 침수위험 예경보에 활용할 수 있을 것이다.
- 2009년 7월 7일 강우는 100년 빈도의 지속시간 18시간의 결과 값과 비슷함을 알 수 있다. 본 모형으로 빈도별 지속시 간별에 따른 각각의 강우에 따라 침수지점의 예측이 가능하고 시간별 관거의 침수예상을 통해 도시지역 내수침수에 대비하는 자료로 활용가능하게 하였다.
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