[논문]기후변화를 고려한 다목적댐의 적정 예비율 산정 연구

채희찬; 지정원; 이재응

doi:10.3741/jkwra.2018.51.s-1.1127

기후변화를 고려한 다목적댐의 적정 예비율 산정 연구
A study on estimation of optimal reserves for multi-purpose reservoirs considering climate change 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.51 no.11 suppl., 2018년, pp.1127 - 1134

채희찬 (아주대학교 건설시스템공학과) , 지정원 (아주대학교 건설시스템공학과) , 이재응 (아주대학교 건설시스템공학과)

초록
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기후변화에 관한 정부 간 협의체의 5차 평가보고서에 기술된 바와 같이 기후변화로 인해 이상기후 현상의 발생빈도가 증가하고 있다. 이에 홍수, 가뭄 등 수자원과 관련된 재해의 발생빈도 또한 증가하고 있다. 이 중 가뭄은 용수공급에 가장 큰 영향을 미치는 재해이다. 최근 우리나라의 가뭄피해 사례를 보면 가뭄의 강도와 발생빈도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 안정적인 용수공급을 위한 수자원 확보 기술이 필요한 시점이다. 수자원장기종합계획에서는 수자원에도 예비율 개념의 대책 도입이 필요하다고 언급한 바 있다. 현재 국내 대부분의 다목적댐들은 평상시 용수공급에 이용되는 이수용량 외에 비상시 활용 가능한 비상용량을 확보하고 있지만 명확한 활용 기준이 없어 이를 활용하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 용수공급을 위해 비상용량을 예비량으로 활용하는 방안에 대해 연구하였다. 기후변화의 영향을 고려하기 위해 AR5 기반 수문시나리오를 저수지 모의운영 모형의 유입량 자료로 이용하였다. 비상용량과 용수공급 조정기준의 활용 조건에 따라 저수지 모의 운영을 실시하였고 모의 결과를 이용하여 다목적댐별 적정 예비율을 산정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), climate change increases the frequency of abnormal weather phenomenon. As the frequency of abnormal weather phenomenon increases, frequency of disasters related to water resources such as floods and droughts also increases. Drought is the main factor that directly affects water supply. Recently, the intensity of drought and the frequency of drought occurrence have increased in Korea. So, there is a need for water resource securing technology for stable water supply. Korean Water Plan mentioned that water reserves concept is necessary for stable water supply. Most multi-purpose reservoirs in Korea have emergency storage in addition to conservation storage used for water supply. However, there is no clear use standard for emergency storage. This study investigated the use of reservoir reserves for stable water supply. In order to consider the climate change impact, the AR5-based hydrological scenario was used as inflow data for the reservoir simulation model. Reservoir simulations were carried out in accordance with the utilization conditions of emergency storage and water supply adjustment standard. The optimal reserves for each multi-purpose reservoirs was estimated using simulation results.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Description of water level and capacity in reservoir
그림 Fig. 2. Reductions scale of adjustment standard
표 Table 1. Emergency storage status of multi-purpose reservoirs in nakdong river basin
표 Table 2. Case of reservoir simulation operation model
표 Table 3. Climate change scenarios used in the study
표 Table 4. Water supply shortage in Hapcheon reservoir by climate change scenarios
표 Table 5. Reservoir yield index of case 1
표 Table 6. Reservoir yield index of case 2
표 Table 7. Reservoir yield index of case 3

AI 본문요약
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문제 정의

비상용량을 예비량으로 활용한다면 안정적인 용수공급에 기여할 수 있을 것으로 기대되지만 비상용량을 활용하기 위한 법적 제도 및 활용 기준이 미비하여 이를 활용하지 못하고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 용수공급을 위해 다목적댐의 비상용량을 예비량으로 활용하는 용수공급 예비율 개념을 도입하고, 낙동강 유역의 다목적댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하였다. 또한 저수지 모의운영 결과로부터 적정 예비율을 산정하여 예비율 확보에 따른 용수공급능력의 향상 정도를 분석하였다.
6개의 다목적댐 중 안동댐과 임하댐은 안동-임하 연결도수로를 통해 양 댐을 연결하여 하나의 댐처럼 운영되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 반영하여 안동댐과 임하댐의 저수량을 통합하여 저수지 모의운영을 실시하였다. 안동-임하댐과 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐 등 총 5개의 저수지 모의운영 모형의 운영 및 평가의 단위는 일(Day)로 설정하고 모의운영 기간은 2011년부터 2100년까지로 설정하였다.
본 연구에서는 가뭄으로 인해 다목적댐의 이수용량만으로는 정상적인 용수공급이 불가능한 상황에 대비하기 위해 다목적댐의 비상용량을 활용하는 방안을 연구하였다. 본 연구는 저수지 모의운영 모형인 HEC-ResSim을 이용하여 낙동강수계의 안동-임하댐, 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하였으며 기후변화로 인한 극치가뭄 시나리오의 영향을 고려하기 위해 RCP 4.
서론에서 언급한 바와 같이 현재 우리나라는 비상용량을 활용하기 위한 법적 제도나 활용 기준이 미비하여 이를 활용하지 못하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 국내 다목적댐을 대상으로 시행중인 용수공급 조정기준과 다목적댐의 비상용량을 연계한 운영방법을 제시하였다. 실제로 낙동강유역에서 가뭄이 매우 심했던 94∼95년, 08∼09년 등 과거의 실측자료를 이용하여 본 연구에서 산정한 예비율이 적절한지 검증한다면 신뢰도 높은 가뭄대책을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기후변화의 영향을 고려하기 위해 AR5 기반 수문시나리오 자료를 유입량 자료로 이용하였으며 용수공급 조정기준의 단계별 감축량을 비상용량과 연계하여 설정하여 더욱 효과적인 운영 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 낙동강 유역을 대상 유역으로 선정하여 적정 예비율을 평가하였다. 낙동강 유역은 최근 30년간 연평균 강수량이 1,215.

가설 설정

5 CMCC-CMS 시나리오의 용수공급 부족량이 다른 시나리오에 비해 매우 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이러한 결과가 낙동강 유역의 다른 다목적댐에서도 동일할 것으로 가정하였다. 기후변화의 영향으로 인해 유입량의 수준이 가장 작게 나타나는 RCP 4.

제안 방법

각각의 Case에 대한 저수지 모의운영 결과로부터 용수공급량과 용수공급 실패횟수, 용수공급실패의 지속기간을 분석하였고 이를 이용하여 양적신뢰도, 회복도, 취약도 등 용수공급능력 평가지표를 산정하였다.
안동-임하댐, 밀양댐, 김천부항댐의 경우 Case 2에서 분석기간 동안 비상용량을 전혀 활용하지 않았고 저수량이 심각단계 기준저수량보다 높게 유지되기 때문에 Case 3에 대한 분석은 실시하지 않았다. 군위댐의 경우 Case 2에서 비상용량추가 확보해야하는 것으로 나타났기 때문에 본 연구에서는 Case 3 모의 운영 시 군위댐의 용수공급 가능수위를 179.0 El.m에서 177.0 El.m로 조정하였다. 이는 약 1.
본 연구에서는 이러한 결과가 낙동강 유역의 다른 다목적댐에서도 동일할 것으로 가정하였다. 기후변화의 영향으로 인해 유입량의 수준이 가장 작게 나타나는 RCP 4.5 CMCC-CMS 시나리오를 이용하여 적정 예비율을 산정하면 다른 모든 시나리오의 결과를 포함할 수 있을 것으로 판단됨에 따라 본 연구에서는 RCP 4.5 CMCC-CMS 시나리오를 이용하여 다목적댐별 적정 예비율을 산정하였다.
본 연구에서는 19개의 수문시나리오 중 최대 가뭄사상을 대표할 수 있는 수문시나리오 하나를 선정하여 저수지 모의운영 모형의 유입량 자료로 이용하였다. 대표 수문시나리오를 선정하기 위해 합천댐을 대상으로 가장 기본적인 모의운영인 Case 1 (용수공급 조정기준 미적용, 비상용량 미활용)에 따라 모의운영을 실시하였고, 모의운영의 결과를 통해 2011년부터 2100년까지의 용수공급 부족량을 산정하였다. Table 4는 합천댐에서의 용수공급 부족량 산정결과를 나타내고 있다.
따라서 본 연구에서는 안정적인 용수공급을 위해 다목적댐의 비상용량을 예비량으로 활용하는 용수공급 예비율 개념을 도입하고, 낙동강 유역의 다목적댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하였다. 또한 저수지 모의운영 결과로부터 적정 예비율을 산정하여 예비율 확보에 따른 용수공급능력의 향상 정도를 분석하였다.
5 CMCC-CMS수문시나리오를 이용하였다. 저수지 모의운영 시 비상용량과 용수공급 조정기준의 활용 조건에 따라 3가지 Case로 구분하였다. 저수지 모의운영의 결과를 이용하여 낙동강수계 다목적댐들의 적정 예비율을 산정하였다.
저수지 모의운영 시 비상용량과 용수공급 조정기준의 활용 조건에 따라 3가지 Case로 구분하였다. 저수지 모의운영의 결과를 이용하여 낙동강수계 다목적댐들의 적정 예비율을 산정하였다.
적정 예비율 산정을 위한 다목적댐별 저수지 모의운영 모형은 Table 2와 같이 용수공급 조정기준 적용 및 비상용량의 활용 조건에 따라 3개의 Case로 구분하였다. Case 1은 비상용량과 용수공급 조정기준을 모두 적용하지 않은 일반운영 Case로 비상용량과 용수공급 조정기준을 모두 적용하는 Case 2, 3과 비교하기 위한 Case이다.

대상 데이터

본 연구에서는 기후변화의 영향을 고려한 예비율 산정을 위해 AR5 기반 일단위 수문시나리오 자료(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018)를 이용하였다. 본 연구에서 사용한 수문시나리오는 RCP 4.5 기반 10개 GCM, RCP 8.5 기반 9개 GCM, 총 19개이며 Table 3과 같다.
본 연구에서는 19개의 수문시나리오 중 최대 가뭄사상을 대표할 수 있는 수문시나리오 하나를 선정하여 저수지 모의운영 모형의 유입량 자료로 이용하였다. 대표 수문시나리오를 선정하기 위해 합천댐을 대상으로 가장 기본적인 모의운영인 Case 1 (용수공급 조정기준 미적용, 비상용량 미활용)에 따라 모의운영을 실시하였고, 모의운영의 결과를 통해 2011년부터 2100년까지의 용수공급 부족량을 산정하였다.
일반적으로 저수지 모의운영 모형 구축을 위해서는 댐의 제원, 운영룰 외에도 댐의 유입량 자료가 필요하다. 본 연구에서는 기후변화의 영향을 고려한 예비율 산정을 위해 AR5 기반 일단위 수문시나리오 자료(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018)를 이용하였다. 본 연구에서 사용한 수문시나리오는 RCP 4.
또한 2014∼2015년에 발생한 가뭄으로 인해 심각한 용수부족을 겪은 바 있어 추가적인 용수확보 방안이 필수적이다. 본 연구에서는 낙동강 유역 내 9개의 다목적댐 중 남강댐, 성덕댐, 보현산댐을 제외한 6개의 다목적댐(안동댐, 임하댐, 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐)을 대상댐으로 선정하였다. 6개 다목적댐의 비상용량 보유현황은 Table 1과 같다.
따라서 본 연구에서는 이를 반영하여 안동댐과 임하댐의 저수량을 통합하여 저수지 모의운영을 실시하였다. 안동-임하댐과 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐 등 총 5개의 저수지 모의운영 모형의 운영 및 평가의 단위는 일(Day)로 설정하고 모의운영 기간은 2011년부터 2100년까지로 설정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 가뭄으로 인해 다목적댐의 이수용량만으로는 정상적인 용수공급이 불가능한 상황에 대비하기 위해 다목적댐의 비상용량을 활용하는 방안을 연구하였다. 본 연구는 저수지 모의운영 모형인 HEC-ResSim을 이용하여 낙동강수계의 안동-임하댐, 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하였으며 기후변화로 인한 극치가뭄 시나리오의 영향을 고려하기 위해 RCP 4.5 CMCC-CMS수문시나리오를 이용하였다. 저수지 모의운영 시 비상용량과 용수공급 조정기준의 활용 조건에 따라 3가지 Case로 구분하였다.
본 연구에서는 낙동강 유역 내 6개의 다목적댐에 대해 HEC-ResSim (USACE, 2007) 모형을 구축하여 저수지 모의운영을 실시하였다. 6개의 다목적댐 중 안동댐과 임하댐은 안동-임하 연결도수로를 통해 양 댐을 연결하여 하나의 댐처럼 운영되고 있다.

성능/효과

6개 다목적댐의 비상용량 보유현황은 Table 1과 같다. 각 댐별 비상용량은 안동댐 130.0백만 m³, 임하댐 84.0백만 m³, 합천댐 130.0백만 m³, 밀양댐 3.6백만 m³, 군위댐 1.3백만 m³, 김천부항댐 1.6백만 m³이고 이를 각 댐별 이수용량에 대한 비율로 나타내면 안동댐 13.0%, 임하댐 19.8%, 합천댐 23.2%, 밀양댐 5.2%, 군위댐 3.2%, 김천부항댐 3.8%이다. 각 댐별 비상용량을 용수공급에 활용한다면 일 기본계획공급량을 기준으로 안동댐 52일, 임하댐 53일, 합천댐 81일, 밀양댐 18일, 군위댐 13일, 김천부항댐 16일의 추가 용수공급이 가능하다.
분석기간 동안 5회, 총 130일 동안 용수공급에 실패했다. 계획공급량 3,401.7백만 m³ 중 2,747.5백만 m³을 공급하였으며 양적신뢰도는 80.8%, 평균회복도는 0.038, 최대회복도는 0.017, 평균취약도는 2.5백만 m³, 최대 취약도는 5.8백만 m³으로 산정되었다. 군위댐의 경우 추가 비상용량을 확보해야 할 것으로 판단된다.
군위댐은 추가 비상용량 확보가 반드시 필요할 것으로 판단되며 향후 가뭄 발생 시 확보된 예비량을 이용한다면 일 생·공용수공급량 기준으로 34일의 추가 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다.
낙동강수계 다목적댐들의 적정 예비율 산정 결과 안동-임하댐, 밀양댐, 김천부항댐의 경우 분석기간 동안 비상용량을 활용하지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 추가 비상용량의 확보는 필요 없을 것으로 판단된다.
따라서 군위댐의 적정 예비율은 현재 군위댐의 비상용량의 230%가 적절하다고 판단되며 비상용량의 230%를 예비량으로 확보하게 되면 일 생·공용수공급량 기준으로 34일의 추가 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다.
이는 합천댐의 비상용량 130백만 m³의 약 70%에 해당하는 양이다. 따라서 합천댐의 적정 예비율은 현재 합천댐의 비상용량의 70%가 적절하다고 판단된다. 비상용량의 70%를 예비량으로 확보하게 되면 일 생·공용수공급량 기준으로 64일의 추가 공급이 가능하다.
안동-임하댐, 밀양댐, 김천부항댐의 경우 용수공급 조정기준 적용으로 인한 제한 공급으로 용수부족실패가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한 저수지내 수위가 저수위 이하로 내려가지 않아 비상용량을 활용하지 않는 것으로 나타났다. 합천댐의 경우 용수공급실패가 발생하지 않지만 분석기간 동안 최대 59.
(2016)은 댐 용수 부족 대비 용수공급 조정기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015)과 다목적댐의 비상용량을 활용하였을 때 댐의 용수공급능력 향상 정도를 신뢰도, 회복도, 취약도 등의 용수공급능력 평가지표를 이용해 분석하였다. 분석 결과 용수공급 조정기준 및 비상용량 활용에 따라 용수공급능력 평가지표가 상향되는 것을 확인하였다.
군위댐의 경우도 Case 2와 비교하였을 때 공급량 측면에서는 큰 효과가 없는 것으로 분석되었다. 분석기간 내 비상용량 활용량을 보면 2.9백만 m³의 비상용량을 활용하는 것으로 분석되었다. 이는 군위댐의 비상용량 1.
합천댐의 경우 Case 2와 비교하였을 때 공급량 측면에서는 큰 효과가 없는 것으로 분석되었다. 분석기간 내 비상용량 활용량을 보면 최대 82.5백만 m³의 비상용량을 활용하는 것으로 분석되었다. 이는 합천댐의 비상용량 130백만 m³의 약 70%에 해당하는 양이다.
Case 2에서는 용수공급 조정기준 적용으로 인해 공급량을 제한하기 때문에 Case 1과 비교하였을 때 모든 댐에서 양적신뢰도가 감소하였다. 안동-임하댐, 밀양댐, 김천부항댐의 경우 용수공급 조정기준 적용으로 인한 제한 공급으로 용수부족실패가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한 저수지내 수위가 저수위 이하로 내려가지 않아 비상용량을 활용하지 않는 것으로 나타났다.
0백만 m³을 공급하였다. 양적신뢰도는 79.3%, 평균회복도는 0.024, 최대회복도는 0.004, 평균취약도는 59.1백만 m³, 최대 취약도는 372.5백만 m³으로 산정되었다. 밀양댐의 경우 총 분석기간 32,507일 중 125회 용수공급에 실패하였으며 그 기간은 3,115일이다.
5백만 m³을 공급하였다. 양적신뢰도는 80.9%, 평균회복도는 0.018, 최대회복도는 0.004, 평균취약도는 5.2백만 m³, 최대 취약도는 26.3백만 m³으로 산정되었다. 마지막으로 김천부항댐의 경우 총 분석기간 32,507일 중 50회 용수공급에 실패하였으며 그 기간은 1,548일이다.
8백만 m³을 공급하였다. 양적신뢰도는 89.1%, 평균회복도는 0.028, 최대회복도는 0.005, 평균취약도는 141.1백만 m³, 최대 취약도는 879.0백만 m³으로 산정되었다. 합천댐의 경우 총 분석기간 32,507일 중 187회 용수공급에 실패하였으며 그 기간은 7,826일이다.
7백만 m³을 공급하였다. 양적신뢰도는 92.1%, 평균회복도는 0.040, 최대회복도는 0.005, 평균취약도는 4.1백만 m³, 최대 취약도는 28.2백만 m³으로 산정되었다. 군위댐의 경우 총 분석기간 32,507일 중 125회 용수공급에 실패하였으며 그 기간은 6,973일이다.
3백만 m³을 공급하였다. 양적신뢰도는 95.8%, 평균회복도는 0.032, 최대회복도는 0.006, 평균취약도는 2.7백만 m³, 최대 취약도는 12.7백만 m³으로 산정되었다.
(2012)은 경험적 용수공급 부족지표를 이용하여 이상 가뭄 시 다목적댐의 비상용량을 활용하는 경우에 대한 용수공급능력을 평가하였다. 평가결과 몇몇 댐의 경우 극한가뭄에 매우 취약한 것으로 나타났으며 각 댐의 비상용수를 활용할 경우 개선효과가 나타나므로 가뭄으로 인한 사회적, 경제적 피해를 최소화하기 위해 비상용수를 확보해야 한다고 제시하였다. Ahn et al.
Table 4는 합천댐에서의 용수공급 부족량 산정결과를 나타내고 있다. 합천댐의 용수공급 부족량 산정결과 RCP 4.5 CMCC-CMS 시나리오의 용수공급 부족량이 다른 시나리오에 비해 매우 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이러한 결과가 낙동강 유역의 다른 다목적댐에서도 동일할 것으로 가정하였다.
따라서 추가 비상용량의 확보는 필요 없을 것으로 판단된다. 합천댐의 적정 예비율은 현재 합천댐 비상용량 130백만 m³의 70%가 적절한 것으로 분석되었다. 확보된 예비량을 이용한다면 일 생·공용수공급량 기준으로 64일의 추가 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다.
확보된 예비량을 이용한다면 일 생·공용수공급량 기준으로 64일의 추가 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다.

후속연구

본 연구에서는 국내 다목적댐을 대상으로 시행중인 용수공급 조정기준과 다목적댐의 비상용량을 연계한 운영방법을 제시하였다. 실제로 낙동강유역에서 가뭄이 매우 심했던 94∼95년, 08∼09년 등 과거의 실측자료를 이용하여 본 연구에서 산정한 예비율이 적절한지 검증한다면 신뢰도 높은 가뭄대책을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비활용용량은 무엇인가?	다목적댐의 총저수용량은 크게 활용용량과 비활용용량으로 구분할 수 있으며 이는 각각 이수용량과 홍수조절용량, 사수용량과 비상용량으로 구분된다. 여기서 비활용용량은 댐 바닥에서부터 저수위(LWL)까지의 용량으로 정상적인 용수공급계획에는 포함되지 않는 용량이다. 비상방류구 아랫부분의 사수용량은 정상적인 이용이 불가능하다.
	합천댐의 예비량은 가뭄 상황에 어떻게 사용될 수 있는가?	합천댐의 적정 예비율은 현재 합천댐 비상용량 130백만 m3의 70%가 적절한 것으로 분석되었다. 확보된 예비량을 이용한다면 일 생·공용수공급량 기준으로 64일의 추가 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다. 군위댐의 경우 적정 예비율은 현재 군위댐 비상용량 1.
	본 연구가 다목적댐의 비상용량을 활용하는 방안을 연구하여 대비하고자 하는 상황은 무엇인가?	본 연구에서는 가뭄으로 인해 다목적댐의 이수용량만으로는 정상적인 용수공급이 불가능한 상황에 대비하기 위해 다목적댐의 비상용량을 활용하는 방안을 연구하였다. 본 연구는 저수지 모의운영 모형인 HEC-ResSim을 이용하여 낙동강수계의 안동-임하댐, 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 김천부항댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하였으며 기후변화로 인한 극치가뭄 시나리오의 영향을 고려하기 위해 RCP 4.

참고문헌 (12)

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상세보기
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Yoon, S. K., Kim, G. H., Yeo, K. D., and Shim, M. P. (2008). "A study on estimating emergency water supply benefits by dam." Korea Water Resources Association, KWRA 2008 Convention, pp. 1540-1544.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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