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문제 정의
- 본 연구에서는 남강댐 상류 3개 소유역의 수문 검·보정 결과 분석을 통해 연도별 유출량과 소유역별 유출 경향을 제시하여 남강댐 상류에서의 유출특성을 분석한 데 의미가 있다. 그러나 미국에서 개발된 HSPF 모형의 특성상 논에 대한 토지이용분류가 없어 논에서 발생하는 유출 특성을 고려하지 못한 한계가 있다.
- 본 연구에서는 남강댐 유역에 위치한 산청, 신안, 창촌 소유역을 대상으로 HSPF 모형의 유출량 산정에 대한 적용 성을 평가하였다. HSPF 모형의 입력자료를 구축하기 위하여 하천도, 유역도, 토지피복도, 수치지형도를 이용하였고, 모형의 보정과 검정을 위하여 2004년부터 2015년까지의 기상자료와 유출량 자료를 수집하였다.
- 티센(thiessen)망 분석 결과 남강댐 유역의 지배관측소는 산청 기상관측소이며, 수위관측소는 자료의 결측 유무를 고려하여 유역 내 총 13개 관측소 중 유량자료가 충분한 산청, 신안, 창촌 관측소를 선정하였다. 본 연구에서는 수위관측 소가 위치한 소유역의 유입하천을 고려하여 산청, 신안, 창촌 소유역의 유출량을 모의하였다.
- 계산 시간 간격은 1분부터 1일까지 가능하며, 수분에서 수백년까지 기간에 대한 모의가 가능하며, 현재까지 수 ha 크기의 시험 포장 단위에서 160,000 km2 의 Chesapeake만에 이르기까지 다양한 유역에 적용되었다(USGS, 2000). 본 연구에서는 실측값과 수문 모델링 결과를 비교하여 남강댐 유역의 모의 유출량을 추정하기 위하여 수문 매개변수를 보정하였으며, 선행연구 사례를 참고하여 민감도가 높은 수문 매개변수를 선정하였다. 선정한 매개변수는 PERLND 모듈의 LZSN, INFILT, KVARY, AGWRC, DEEPER, BASETP, UZSN, NSUR, INTFW, IRC이며, BASINS Technical Note 6 (U.
- 이에 본 연구에서는 남강댐 유역내 장기간의 실측자료 수집이 가능한 산청, 신안, 창촌 소유역을 대상으로 HSPF 모형을 검·보정하여 적용성을 평가하고, 각 소유역의 연도별 유출량, 유출률 및 유출특성, 총량관리 단위유역별 오염부하량 할당의 기준이 되는 기준유량을 비 교·분석하고자 한다.
제안 방법
- 환경부는 지표면상태를 시가화 건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지, 수역으로 나누는 7개 항목의 대분류, 22개 항목의 중분류 토지피복도를 제작하여 사용자에게 제공하고 있다. (a)는 남강댐 유역의 토지피복도이며, 환경부 토지피복도를 HSPF모형에서 이용되는 Agricultural Land(농경지), Barren Land (나지), Range Land(초지), Forest Land(산림), Urban or Built-up Land(도심지), Wetlands/Water(습지/수역) 6개 항목의 토지이용으로 재분류하였다. Table 2는 소유역별 토지이용 면적을 나타내고 있다.
- HSPF 모형의 입력자료를 구축하기 위하여 하천도, 유역도, 토지피복도, 수치지형도를 이용하였고, 모형의 보정과 검정을 위하여 2004년부터 2015년까지의 기상자료와 유출량 자료를 수집하였다. 2006년부터 2009년까지의 4년간의 자료를 이용하여 3개 소유역에 대해 각각 시행착오법을 사용하여 매개변수를 보정하였으며, 2012년부터 2015년까지의 4년간의 자료를 이용하여 모형을 검정하였다. 모형의 적합성을 평가하기 위한 지표로 연간유출량과 R2 , RMSE, NSE, RMAE 등의 적합성 평가지표를 이용하였다.
- 2는 HSPF 모형 구축에 필요한 공간지형자료를 나타낸 그림이다. 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 소유역도, 물 환경정보시스템에서 제공하는 하천도 (Korea Reach File, KRF), 환경부의 표고속성 자료로부터 구축한 수치표고모델(DEM) 자료를 BASINS의 소유역 설정도구(watershed delineation tool)에 입력하여 산청, 신안, 창촌 소유역의 설정도를 구축하였다. 환경부는 지표면상태를 시가화 건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지, 수역으로 나누는 7개 항목의 대분류, 22개 항목의 중분류 토지피복도를 제작하여 사용자에게 제공하고 있다.
- , 2000), 보정에 대한 기간은 오래 소요되나 좋은 보정결과를 얻을 수 있는 수동 보정기법이 많은 연구에서 이용되고 있다(Madsen, 2000). 본 연구에서는 시행착오방법을 이용하여 수문 모의결과를 보정 및 검정하였으며, 모형의 안정화기간 2004년 ~ 2005년, 수문의 보정기간은 2006년 ~ 2009년, 검정기간은 2012년 ~ 2015년으로 설정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 함수로 결정계수(R2), 평균제곱근오차(RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수(NSE), 상대평균절대오차 (RMAE) 를 사용하였으며, 각각의 함수는 다음 식과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 남강댐 유역에 위치한 산청, 신안, 창촌 소유역을 대상으로 HSPF 모형의 유출량 산정에 대한 적용 성을 평가하였다. HSPF 모형의 입력자료를 구축하기 위하여 하천도, 유역도, 토지피복도, 수치지형도를 이용하였고, 모형의 보정과 검정을 위하여 2004년부터 2015년까지의 기상자료와 유출량 자료를 수집하였다. 2006년부터 2009년까지의 4년간의 자료를 이용하여 3개 소유역에 대해 각각 시행착오법을 사용하여 매개변수를 보정하였으며, 2012년부터 2015년까지의 4년간의 자료를 이용하여 모형을 검정하였다.
- 수문모델링에 필요한 입력자료는 기상자료, 유량자료, 유역도, 하천도, 수치지형도(DEM), 토지피복도이며, HSPF 모형을 이용하여 2004년 ~ 2016년의 수문을 모의하였다. 기상 자료는 산청관측소의 시간단위 강수량, 온도, 풍속, 일사량, 이슬점온도, 운량 자료와 일단위 최고기온, 최저기온, 풍속, 운량, 이슬점온도, 일사량 자료를 기상청에서 수집하였고, HSPF 모형의 기상자료 입력 형식인 WDM을 구축하였다. 유량자료는 산청, 신안, 창촌 수위관측소의 유량자료를 수문조사연보에서 수집하여 이용하였으며, 유량 실측값을 바탕으로 모의 유출량을 보정하였다.
- 본 연구의 대상인 남강댐 유역의 연평균강수량은 1,567 mm (2000년 ~ 2017년)으로 남부지방(1,000 mm ~ 1,800 mm)에서도 다우지역에 속하며(korea meteorological administration (KMA), 2018), 유황변화가 심하여 우기시 하천 침식 및 고농도의 탁수가 발생하여 많은 피해가 발생한다. 또한 유역 하단에 연간 6,000만 m3 의 관개용수로 사용되는 남강댐이 위치하고 있어 수질관리가 매우 중요하다(Kim et al.
- 본 연구에서는 실측값과 수문 모델링 결과를 비교하여 남강댐 유역의 모의 유출량을 추정하기 위하여 수문 매개변수를 보정하였으며, 선행연구 사례를 참고하여 민감도가 높은 수문 매개변수를 선정하였다. 선정한 매개변수는 PERLND 모듈의 LZSN, INFILT, KVARY, AGWRC, DEEPER, BASETP, UZSN, NSUR, INTFW, IRC이며, BASINS Technical Note 6 (U. S. EPA, 2000)에서 제시하는 수문 매개변수의 적용범위는 Table 1과 같다.
- 수문모델링에 필요한 입력자료는 기상자료, 유량자료, 유역도, 하천도, 수치지형도(DEM), 토지피복도이며, HSPF 모형을 이용하여 2004년 ~ 2016년의 수문을 모의하였다. 기상 자료는 산청관측소의 시간단위 강수량, 온도, 풍속, 일사량, 이슬점온도, 운량 자료와 일단위 최고기온, 최저기온, 풍속, 운량, 이슬점온도, 일사량 자료를 기상청에서 수집하였고, HSPF 모형의 기상자료 입력 형식인 WDM을 구축하였다.
- 8 % 오차율을 보였다. 신안 소유역과 창촌 소유역의 기준유량 오차율은 년도별 실측 유출량의 변동 및 실측 유출량 자료의 측정시 오차 등의 여러 원인이 발생한 것으로 보이며, 신안, 창촌 소유역 실측 자료의 신뢰성 규명에 한계가 있으나 남강댐 상류 소유역의 유출특성을 파악하기 위하여 산청, 신안, 창촌 수위 관측소 자료를 이용하였다.
- 기상 자료는 산청관측소의 시간단위 강수량, 온도, 풍속, 일사량, 이슬점온도, 운량 자료와 일단위 최고기온, 최저기온, 풍속, 운량, 이슬점온도, 일사량 자료를 기상청에서 수집하였고, HSPF 모형의 기상자료 입력 형식인 WDM을 구축하였다. 유량자료는 산청, 신안, 창촌 수위관측소의 유량자료를 수문조사연보에서 수집하여 이용하였으며, 유량 실측값을 바탕으로 모의 유출량을 보정하였다.
- 1은 남강댐 유역의 현황을 나타내는 그림으로 소유역 및 하천, 기상, 수위 관측소의 위치를 보여주고 있다. 티센(thiessen)망 분석 결과 남강댐 유역의 지배관측소는 산청 기상관측소이며, 수위관측소는 자료의 결측 유무를 고려하여 유역 내 총 13개 관측소 중 유량자료가 충분한 산청, 신안, 창촌 관측소를 선정하였다. 본 연구에서는 수위관측 소가 위치한 소유역의 유입하천을 고려하여 산청, 신안, 창촌 소유역의 유출량을 모의하였다.
데이터처리
- 3은 실측유출량과 모의유출량의 보정결과로 일별 그래프와 월별 그래프를 반대수지에 나타내고 있다. Fig. 4는 보정기간에 대한 각 소유역의 실측 유출량과 모의 유출량을 유량초과확률곡선(flow exceedance probability curve)을 통해 비교하였다. 유량초과확률곡선은 유량자료의 크기에 따라 동일 또는 초과된 유량에 대한 시간의 비율을 결정하여 초과확률을 산정한다.
- HSPF 모형의 보정 및 검정 결과로 도출한 결정계수를 이용하여 남강댐 유역내 수문 모형의 적합 수준을 소유역별로 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 시행착오방법을 이용하여 수문 모의결과를 보정 및 검정하였으며, 모형의 안정화기간 2004년 ~ 2005년, 수문의 보정기간은 2006년 ~ 2009년, 검정기간은 2012년 ~ 2015년으로 설정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 함수로 결정계수(R2), 평균제곱근오차(RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수(NSE), 상대평균절대오차 (RMAE) 를 사용하였으며, 각각의 함수는 다음 식과 같다. Qo 은 실측치, Qs 는 모의치, Qm 은 실측치의 평균, Qms 은 모의치의 평균, n은 자료의 총 개수이며, 결정계수 R2 는 1, 평균제곱근 오차는 0, NSE는 1, RMAE는 0에 가까울수록 오차가 없다는 것을 나타낸다.
이론/모형
- 2006년부터 2009년까지의 4년간의 자료를 이용하여 3개 소유역에 대해 각각 시행착오법을 사용하여 매개변수를 보정하였으며, 2012년부터 2015년까지의 4년간의 자료를 이용하여 모형을 검정하였다. 모형의 적합성을 평가하기 위한 지표로 연간유출량과 R2 , RMSE, NSE, RMAE 등의 적합성 평가지표를 이용하였다.
성능/효과
- Fig. 6은 검정기간에 대한 각 소유역의 실측 유출량과 모의 유출량을 유량초과확률곡선을 통해 비교한 결과로 산청 소유역과 창촌 소유역은 실측치와 모의치가 비슷한 수준을 보이고 있으나 신안 소유역의 모의치는 실측치에 비해 높은 수준을 나타내고 있다. 소유역별 유량초과확률곡선을 비교한 결과 실측치의 경우 산청 소유역의 유출량에 비해 신안 소유 역은 낮은 유출특성을 나타내고 있으며, 창촌 소유역의 유출량은 높은 유출특성을 나타내고 있다.
- 7 %의 오차를 나타내었다. 검정기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2 의 경우 0.91, RMSE 2.42 mm/day, NSE 0.85, RMAE 0.38 mm/day로 나타났다. Duda et al.
- 남강댐 유역의 매개변수 범위는 LZSN 2.0 ~ 15.0, INFILT 0.001 ~ 0.5, KVARY 0.0 ~ 1.0, AGWRC 0.983 ~ 0.999, DEEPER 0.0 ~ 0.5, BASETP 0.0 ~ 0.05, UZSN 0.05 ~ 0.5, NSUR 0.05 ~ 0.5, INTFW 1.0 ~ 10.0, IRC 0.3 ~ 0.85를 나타내었으며, 매개변수 보정 과정에서 LZSN, INFILT, AGWRC, UZSN, NSUR 인자 등이 수문에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- /s)은 BOD의 경우 과거 10년간 평균저수량(Q275), T-P의 경우 과거 10년간 평균저수량 및 평균평수량(Q185)을 뜻한다. 보정기간과 검증기간이 해당하는 2006년~2015년의 기준유량을 분석한 결과 평균저수량은 산청 소유역이 실측값 18.89 m3/s, 모의값 16.87 m3/s로 10.7 % 오차율을 보였고, 신안 소유역이 실측값 3.54 m3/s, 모의값 5.07 m3/s로 43.2 % 오차율을 보였으며, 창촌 소유역이 실측값 9.31 m3/s, 모의값 6.10 m3/s 로 34.5 % 오차율을 보였다. 평균평수량은 산청 소유역이 실측값 10.
- Table 2는 소유역별 토지이용 면적을 나타내고 있다. 산청 소유역의 토지이용별 면적을 분석한 결과 총면적 1294.63 km2 로 남강댐 유역의 56.8%에 해당하였고, 산림 838.48 km2 , 농경지 225.69 km2 , 도심지 14.44 km2 로 전체 토지이용 면적의 96.6 %를 차지하는 것으로 나타났다. 신안 소유역의 토지이용별 면적을 분석한 결과 총면적 413.
- 보정기간에 대한 유량초과확률곡선을 비교한 결과 산청 소유역과 신안 소유역은 실측치와 모의치가 비슷한 수준을 보이고 있으나 창촌 소유역의 모의치는 실측치에 비해 낮은 수준을 나타내고 있다. 소유역별 유량초과확률곡선을 비교한 결과 산청과 신안 소유역은 비슷한 유출특성을 나타내고 있으며, 창촌 소유역의 유출량은 다른 소유역에 비해 상대적으로 크게 나타났다.
- 6은 검정기간에 대한 각 소유역의 실측 유출량과 모의 유출량을 유량초과확률곡선을 통해 비교한 결과로 산청 소유역과 창촌 소유역은 실측치와 모의치가 비슷한 수준을 보이고 있으나 신안 소유역의 모의치는 실측치에 비해 높은 수준을 나타내고 있다. 소유역별 유량초과확률곡선을 비교한 결과 실측치의 경우 산청 소유역의 유출량에 비해 신안 소유 역은 낮은 유출특성을 나타내고 있으며, 창촌 소유역의 유출량은 높은 유출특성을 나타내고 있다. 신안 소유역의 실측 유량 자료는 검증기간에 유출고가 급강하하는 경향을 보이며, 산청 소유역과 창촌 소유역에 비해 보·검정기간의 실측치 차이가 큰 것으로 나타났다.
- 43 mm/day로 나타났으며, 매우좋음 수준의 모형 효율을 나타냈다. 신안 소유역의 경우 실측 연평균 유출고는 594.15 mm, 모의 유출고는 605.35 mm로 나타나 -1.9 %의오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.84, RMSE는 2.39 mm/day, NSE는 0.77, RMAE는 0.57 mm/day로 나타났으며, 매우좋음 수준의 모형 효율을 나타냈다. 창촌 소유역의 실측 연평균 유출고는 1,106.
- 3 % 오차율을 보였다. 신안 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 기준유량(평균저수량, 평균평수량)과 모의값의 기준유량은 7.0 % 이하의 오차율을 나타냈지만 검정기간은 80.9 %, 56.2 %의 높은 오차율을 보였다. 창촌 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 기준유량(평균저수량, 평균평수량) 은 각 9.
- 3 % 오차율을 보였다. 신안 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 평균저수량과 평균 평수량은 각 5.10 m3 /s, 4.15 m3 /s로 모의값과 7.0 % 이하의 오차율을 나타냈지만 검정기간에 대한 실측값의 평균저 수량과 평균평수량은 각 0.97 m3 /s, 1.70 m3 /s로 모의값과 80.9 %, 56.2 %의 높은 오차율을 보였다. 창촌 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 평균저수량과 평균평수량은 각 9.
- 49 mm/day 로 나타났다. 신안 소유역의 실측 연평균 유출고는 631.1 mm이며, 모의 유출고는 657.0 mm 로 +4.1 %의 오차를 나타내었고, 보정기간에는 실측치와 비교한 모의치의 유출량이 낮게 산출되었으나 검정기간에는 높게 산출되었다. 모형 적합성 평가 결과 R2 의 경우 0.
- 신안 소유역의 실측 유량 자료는 검증기간에 유출고가 급강하하는 경향을 보이며, 산청 소유역과 창촌 소유역에 비해 보·검정기간의 실측치 차이가 큰 것으로 나타났다.
- 신안 소유역의 실측 유량 자료는 검증기간에 유출고가 급강하하는 경향을 보이며, 산청 유역과 창촌 유역에 비해 보·검정기간의 실측치 차이가 큰 것으로 나타났다.
- 6 %를 차지하는 것으로 나타났다. 신안 소유역의 토지이용별 면적을 분석한 결과 총면적 413.91 km2 로 남강댐 유역의 18.2 %에 해당하였고, 산림 316.13 km2 , 농경지 74.87 km2 로 전체 토지이용 면적의 94.5 %를 차지하는 것으로 나타났다. 창촌 소유역의 토지이용별 면적을 분석한 결과 총면적 338.
- 유출량 산정결과를 종합하면 창촌 소유역을 제외한 소유역의 연평균 유출량 오차는 ±5 % 이내이며, 창촌 소유역의 경우 보정기간에 대한 연평균 유출량 오차는 -24.9 %로 높게 나타났으나 검정기간에 대한 연평균 유출량 오차는 1.7 %의 오차를 나타냈다.
- 7 %의 오차를 나타냈다. 전체 유역에 대한 R2는 0.85, RMSE는 2.34mm/day, NSE는 0.77, RMAE는 0.46 mm/day로 나타났고, 전체 유역의 모형 효율이 매우좋음 수준을 나타냈으며, 모의된 유출량이 비교적 높은 일치도를 나타내는 것으로 판단된다.
- 전체기간에 대한 실측자료와 모의자료를 비교한 결과 산청 소유역의 경우 실측 연평균 유출고는 668.8 mm, 모의 유출고는 643.0 mm로 나타나 -3.9 % 오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.8, RMSE는 2.32 mm/day, NSE는 0.71, RMAE 는 0.43 mm/day로 나타났으며, 매우좋음 수준의 모형 효율을 나타냈다. 신안 소유역의 경우 실측 연평균 유출고는 594.
- 2 %의 높은 오차율을 보였다. 창촌 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 기준유량(평균저수량, 평균평수량) 은 각 9.79 m3 /s, 7.25 m3 /s로 60.5 %, 45.3 %의 매우 높은 오차율을 나타냈고, 검정기간에는 45.1 %, 8.8 % 오차율을 보였다. 신안 소유역과 창촌 소유역의 기준유량 오차율은 년도별 실측 유출량의 변동 및 실측 유출량 자료의 측정시 오차 등의 여러 원인이 발생한 것으로 보이며, 신안, 창촌 소유역 실측 자료의 신뢰성 규명에 한계가 있으나 남강댐 상류 소유역의 유출특성을 파악하기 위하여 산청, 신안, 창촌 수위 관측소 자료를 이용하였다.
- 2 %의 높은 오차율을 보였다. 창촌 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 평균저수량과 평균평수량은 각 9.79 m3/s, 7.25 m3/s로 60.5 %, 45.3 %의 높은 오차율을 나타냈고, 검정기간에 대한 실측값의 평균저수량과 평균평수 량은 각 8.85 m3/s, 5.43 m3/s로 45.1 %, 8.8 % 오차율을 보였다.
- 57 mm/day로 나타났으며, 매우좋음 수준의 모형 효율을 나타냈다. 창촌 소유역의 실측 연평균 유출고는 1,106.1 mm, 모의 유출고는 950.5 mm로 나타나 +14.1 %의 오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.92, RMSE는 2.33 mm/day, NSE는 0.85, RMAE는 0.37 mm/day로 나타났으며, 모형 효율은 매우좋음 수준을 나타냈다. 유출량 산정결과를 종합하면 창촌 소유역을 제외한 소유역의 연평균 유출량 오차는 ±5 % 이내이며, 창촌 소유역의 경우 보정기간에 대한 연평균 유출량 오차는 -24.
- 29 mm/day로 나타났다. 창촌 소유역의 실측 연평균 유출고는 1,180.2 mm이며, 모의 유출고는 886.2 mm로 -24.9 %의 오차를 나타내었고, 강수량 대비 창촌 소유역의 실측 유출율은 평균 88.4 %로 매우 많은 양의 유출이 발생하였다. 모형 적합성 평가 결과 R2 의 경우 0.
- 5 %를 차지하는 것으로 나타났다. 창촌 소유역의 토지이용별 면적을 분석한 결과 총면적 338.67km2 로 남강댐 유역의 14.9 %에 해당하였고, 산림 281.16km2 , 농경지 33.86 km2 , 초지 11.2 km2 로 전체 토지이용 면적의 96.3 %를 차지하는 것으로 나타났다. (b)는 남강댐 유역의 수지지형자료이며, 환경부에서 제공하는 표고 속성을 바탕으로 구축하였다.
- 총량관리단위유역별 오염부하량 할당의 기준이 되는 기준유량(평균저수량, 평균평수량)의 실측값과 모의값을 2006 년부터 2015년까지 비교·분석한 결과 평균저수량은 산청 소유역이 10.7 % 오차율을 보였고, 신안 소유역이 43.2 % 오차율을 보였으며, 창촌 소유역이 34.5 % 오차율을 보였다.
- 5 % 오차율을 보였다. 평균평수량은 산청 소유역이 2.7 % 오차율을 보였고, 신안 소유역이 44.8 % 오차율을 보였으며, 창촌 소유역이 21.3 % 오차율을 보였다. 신안 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 기준유량(평균저수량, 평균평수량)과 모의값의 기준유량은 7.
- 5 % 오차율을 보였다. 평균평수량은 산청 소유역이 실측값 10.69 m3 /s, 모의값 10.40 m3 /s로 2.7 % 오차율을 보였고, 신안 소유역이 실측값 2.68 m3 /s, 모의값 3.88 m3 /s 으로 44.8 % 오차율을 보였으며, 창촌 소유역이 실측값 6.34 m3 /s, 모의값 4.99 m3 /s로 21.3 % 오차율을 보였다. 신안 소유역의 보정기간에 대한 실측값의 평균저수량과 평균 평수량은 각 5.
후속연구
- 그러나 미국에서 개발된 HSPF 모형의 특성상 논에 대한 토지이용분류가 없어 논에서 발생하는 유출 특성을 고려하지 못한 한계가 있다. 향후 연구에서 한국적 지형에 맞는 토지이용분류를 적용하여 보다 정확한 유출특성을 분석할 필요가 있을 것으로 생각된다.
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