[논문]하수관망 규모에 따른 단순화 SWMM에 대한 2차원 침수분석결과의 정확성 평가

이정환; 강성규; 육지문; 문영일

doi:10.3741/jkwra.2019.52.8.531

하수관망 규모에 따른 단순화 SWMM에 대한 2차원 침수분석결과의 정확성 평가
Accuracy evaluation of 2D inundation analysis results of simplified SWMM according to sewer network scale 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.8, 2019년, pp.531 - 543

이정환 (서울시립대학교 토목공학과) , 강성규 (서울시립대학교 토목공학과) , 육지문 (서울시립대학교 토목공학과) , 문영일 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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최근 발생하는 반복적인 홍수피해를 최소화하기 위한 실시간 도시홍수예보 연구에서는 정확한 유출, 침수결과를 나타내는 모형과 그 모형의 모의시간 단축이 중요한 핵심요소이다. 서울특별시를 비롯한 주요 도시지역의 하수관망은 그 개수는 많고 복잡하여 실시간 도시홍수예보에 적합하지 않아 강우-유출모형의 단순화를 진행한다. 하지만 하수관망의 단순화는 연구자의 주관과 단순화 방식에 따라 유출결과가 크게 달라질 수 있으며 2차원 침수분석에서는 그 차이가 더욱 크게 발생한다. 따라서 본 연구에서는 하수관망의 개수 및 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하고 2차원 침수분석을 통해 하수관망 규모에 따른 단순화 모형의 정확성을 평가하고자 한다. 하수관망의 단순화 분석은 서울시의 주요 상습침수구역인 신림, 관악, 도림천 유역을 대상으로 진행하였으며 구축한 SWMM에서 노드의 누가유역면적을 4가지 범위로 나누어 단순화를 위한 범위산정 기준으로 설정하였다. 이를 통해 산정된 단순화 모형의 침수결과는 실시간 도수홍수예보에 적합한 정확도 높은 유출모형 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Constructing a reliable runoff model and reducing model runtime are important in research of real-time urban flood forecasting to reduce the repetitive flood damage. Sewer networks in the major urban basin such as Seoul are vast and complex so that it is not suitable for real-time urban flood forecasting. Therefore, the rainfall-runoff model should be simplified. However, the runoff results due to the simplification of sewer networks can vary depending on the subjectivity and simplification method of the researcher and there is a significant difference especially in 2-D inundation analysis. In this study, the sewer networks in various urban basins with different numbers and distributions of sewer networks were simplified to certain criteria. The accuracy of the simplification model according to the sewer network scale is evaluated by 2-D inundation analysis. The runoff models of Gwanak, Sillim, and Dorimcheon, frequently inundated basins were simplified based on four simplification ranges due to the cumulative drainage area set as a criterion for calculating the simplification range. This study will be expected that the inundation result of simplification models estimated through the analysis can contribute to the construction of a reasonable and accurate runoff model suitable for real-time flood forecasting.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1. Process of sewer networks simplification
그림 Fig. 1. Locations of study area
그림 Fig. 2. The simplified results of SWMM for Sillim basin
그림 Fig. 3. The simplified results of SWMM for Gwanak basin
그림 Fig. 4. The simplified results of SWMM for Dorim basin
표 Table 2. Properties of runoff model by simplification levels
표 Table 3. The number of conduits by simplification levels and pipe size (Reduction rate)
표 Table 4. Hydrologic assessment of SWMM for study basins
그림 Fig. 5. Runoff result of SWMM for Sillim basin
그림 Fig. 6. Runoff result of SWMM for Gwanak basin
그림 Fig. 7. Runoff result of SWMM for Dorim basin
그림 Fig. 8. 2D inundation results of sewer networks for Sillim basin
그림 Fig. 9. The simplified results of sewer networks at Gwanak basin　
그림 Fig. 10. The simplified results of sewer networks at Dorim basin　
표 Table 5. Results of 2D inundation area by simplification levels
표 Table 6. Results of 2D inundation area according to inundation depth by simplification levels (m²)
그림 Fig. 11. Inundation area-the number of nodes-runtime curve for Sillim basin
그림 Fig. 12. Inundation area-number of node-runtime curve for Gwanak basin
그림 Fig. 13. Inundation area-number of node-runtime curve for Dorim basin

AI 본문요약
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문제 정의

현재 선행연구에서는 여러 가지 단순화 방식에 따른 강우-유출모형의 영향분석이 주를 이루고 있으며 정확한 모형의 단순화 기준이 설정되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 도시지역의 실시간 도시홍수예보의 적정 단순화 범위 산정을 위하여 하수관망의 개수, 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하였다. 또한 대상 유역의 2차원 침수분석을 통해 단순화 유출모형의 정확성을 평가하고 적정 단순화 산정 기준에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 도시지역의 실시간 도시홍수예보의 적정 단순화 범위 산정을 위하여 하수관망의 개수, 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하였다. 또한 대상 유역의 2차원 침수분석을 통해 단순화 유출모형의 정확성을 평가하고 적정 단순화 산정 기준에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 하수관망의 개수 및 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하고 2차원 침수분석을 통해 하수관망 규모에 따른 단순화의 정확성을 평가하였다. Figs.

제안 방법

1단계, 초기조건 설정에서는 노드의 유역면적을 관망의 흐름방향으로 누가시켜 계산하기 위해 하수관망을 초기관, 분기관, 합류관, 방류관으로 나누어 설정하고 모든 관망의 통수 단면적을 계산한다. 초기관은 상류에 유입관로가 없는 관, 분기관은 두 갈래 이상으로 나누어진 관으로 통수단면적이 제일 큰 관을 주 분기관, 그 외의 관을 부 분기관으로 설정하였다.
Table 4는 강우-유출모형에서 2차원 침수결과의 정확성을 비교·검토하기 위하여 단순화 이전 유출모형을 기준으로 누가유역면적별로 단순화된 모형 결과에 대해 성능평가를 실시하였다.
본 연구에서는 유출모형의 모의시간 단축을 위해 하수관망의 개수 및 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하고 유출, 침수분석을 통해 적정 단순화 범위를 산정하였다. 관망 단순화는 누가유역면적을 기준으로 4가지 단순화 범위를 나타내고 그에 따라 각각의 2차원 침수결과를 분석하였으며 단순화에 따른 침수특성과 정확도를 평가하였다. 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
inp 파일을 사용하였다. 단순화 프로그램은 초기조건 설정, 유역면적 연산, 지선간선 연산, 매개변수 연산 그리고 관망생성의 5단계로 구성하였다(Table 1).
선정된 분석대상지역은 도시화가 많이 진행된 서울시 관리침 수취약지구중의 하나인 도림천 유역이다. 도림천 유역을 신림분구, 관악구, 도림천 전 지역 등 3곳으로 나누어 SWMM을 구축하고 분석을 실시하였다(Fig. 1). 신림분구, 관악구, 도림천 전 지역대상유역들의 하수관망 개수는 각각 4,004개, 15,410개, 32,471개 그리고 유역면적은 6.
만약 통수단면적이 같을 경우 구축된 관망데이터에서 관의 순서가 앞에 있는 것을 주 분기관 나머지를 부 분기관으로 명명하였다. 두 개 이상의 관이 합쳐지는 관을 합류관으로 설정하였으며, 마지막으로 최하류 관로를 방류관으로 지정하였다.
본 연구에서는 단순화된 도시지역 유출모형의 1D, 2D 침수해석을 실시하기 위하여 SWMM과 TUFLOW (Two Dimensional Unsteady Flow) 모형을 연계하여 분석을 실시하였다. 하수관거 내 흐름 계산을 위한 1차원 유출분석에는 EPA-SWMM이 활용되어 호우사상으로 인해 발생하는 도시지역의 지표면 유출량을 산정하였으며 2차원 침수분석에는 SWMM에서 산정된 지표면 유출량을 이용하여 대상유역의 2차원 지표수 흐름을 해석하였다.
실시간 도시홍수예보를 위한 유출분석에는 강우-유출모형의 모의시간 단축이 중요한 핵심요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 유출모형의 모의시간 단축을 위해 하수관망의 개수 및 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하고 유출, 침수분석을 통해 적정 단순화 범위를 산정하였다. 관망 단순화는 누가유역면적을 기준으로 4가지 단순화 범위를 나타내고 그에 따라 각각의 2차원 침수결과를 분석하였으며 단순화에 따른 침수특성과 정확도를 평가하였다.
본 연구에서는 단순화된 도시지역 유출모형의 1D, 2D 침수해석을 실시하기 위하여 SWMM과 TUFLOW (Two Dimensional Unsteady Flow) 모형을 연계하여 분석을 실시하였다. 하수관거 내 흐름 계산을 위한 1차원 유출분석에는 EPA-SWMM이 활용되어 호우사상으로 인해 발생하는 도시지역의 지표면 유출량을 산정하였으며 2차원 침수분석에는 SWMM에서 산정된 지표면 유출량을 이용하여 대상유역의 2차원 지표수 흐름을 해석하였다. TUFLOW 모형은 호주 WBM Pty사에서 개발한 2차원 침수해석용 홍수 및 해일 전파 모형으로 1D 및 2D 자유표면 유동 방정식을 사용하여 1D/2D를 연계한 침수현상을 분석할 수 있다.
하수관망의 개수 및 분포가 다른 도시지역의 유출모형에서 단순화에 따른 2차원 침수양상을 분석하기 위하여 SWMM을 활용하여 각각의 유역에 대한 강우-유출모형을 구축하였다. 선정된 분석대상지역은 도시화가 많이 진행된 서울시 관리침 수취약지구중의 하나인 도림천 유역이다.
하수관망의 개수와 밀도가 서로 다른 도시지역의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 1 ha, 3 ha, 6 ha, 12 ha 등 총4가지의 누가유역면적을 기준으로 단순화를 실시하였다. 누가유역면적 기준이 커질수록 관거와 노드의 개수는 줄어들지만 매개변수 연산을 통해 각각의 절점이 차지하는 유역면적은 모두 단순화 이전과 동일한 것으로 분석되었다.

대상 데이터

하수관망의 개수 및 분포가 다른 도시지역의 유출모형에서 단순화에 따른 2차원 침수양상을 분석하기 위하여 SWMM을 활용하여 각각의 유역에 대한 강우-유출모형을 구축하였다. 선정된 분석대상지역은 도시화가 많이 진행된 서울시 관리침 수취약지구중의 하나인 도림천 유역이다. 도림천 유역을 신림분구, 관악구, 도림천 전 지역 등 3곳으로 나누어 SWMM을 구축하고 분석을 실시하였다(Fig.

데이터처리

누가유역면적 기준이 커질수록 관거와 노드의 개수는 줄어들지만 매개변수 연산을 통해 각각의 절점이 차지하는 유역면적은 모두 단순화 이전과 동일한 것으로 분석되었다. 삭제된 노드와 관망의 SWMM 매개변수들은 누가된 노드의 유역면적 값을 기준으로 가중 평균되어 단순화된 노드와 관망의 매개변수 값으로 계산되었다. Table 2는 단순화된 각각의 유출모형에 대하여 누가유역면적에 따른 노드, 관망 감소 비율 그리고 모형의 런 타임을 나타내고 있다.

이론/모형

Table 4는 강우-유출모형에서 2차원 침수결과의 정확성을 비교·검토하기 위하여 단순화 이전 유출모형을 기준으로 누가유역면적별로 단순화된 모형 결과에 대해 성능평가를 실시하였다. 모형평가에는 무차원 지수인 Nash-Sutcliffe 효율성 계수(Nash-Sutcliffe efficiency) 와 지시오차 통계기법인 평균편차의 비율(PAIAS, percent bias)를 사용하였다. NSE는 실측치와 모의치 간의 잔차분산 (residual variance)의 상대적 크기를 정규화한 것으로, (-∞, 1)의 범위로 계산된다.
하수관망 단순화 방법은 Lee et al. (2018a)이 실시한 누가 유역면적을 기준으로 SWMM을 단순화하는 방법을 사용하였다. 단순화의 입력자료는 유역과 관망의 모든 매개변수를 고려하기 위하여 Subcatchment, Subarea, Infiltration, Conduit 등의 정보를 모두 포함하는 SWMM의 .

성능/효과

1) 누가유역면적을 기준으로 단순화의 범위가 커질수록 노드와 관거의 개수는 일정하게 감소하였으며 작은 관경일수록 크게 감소하는 추세를 나타내었다. 다만 0.
2) 하수관망 단순화에 따른 2차원 침수분석 결과를 살펴보면, 누가유역면적 기준에 따른 단순화 범위가 커질수록 월류지점의 개수가 감소하고 그 위치가 변하였다. 모형이 단순화될수록 상류의 월류지점들이 단순화되고 하류쪽으로 이동하여 보다 큰 침수심을 발생시켰다.
3) 하수관망 규모에 따른 단순화 SWMM에 대한 2차원 침수분석결과를 통해 중·소규모 유역은 3 ha, 대규모 유역은 1ha까지의 단순화가 가장 적절한 것으로 분석되었다.
다만 신림분구 유출모형에서 6 ha와 12 ha의 단순화 결과가 동일하게 산정되어, 신림 유역과 같은 소규모 분구에서는 적정 유역면적을 고려하여 단순화를 실시해야 한다. 각각의 유출모형들의 런 타임을 살펴보면, 신림분구의 단순화 이전, 전체관망 모형의 모의시간이 34시간의 강우자료를 기준으로 약 18분이 소요되었으며 1 ha기준의 단순화 모형이 약 3분, 12 ha기준의 단순화 모형이 최대 20초까지 모의시간이 단축되었다. 관악유역과 도림천 전 지역도 모형의 런타임이 비슷한 감소비율로 감소하여 12 ha기준에서 각각 7분, 9분까지 모의시간이 단축되었다.
78% 감소하였다. 누가 유역면적이 점차 늘어나면서 노드와 관망 개수는 계속 감소하며, 간선과 지선을 나누는 서울시 하수도 정비 기본계획 기준의 누가유역면적 12 ha의 경우에는 노드개수 239개, 관망개수 243개로 단순화 이전 관망에 비해 각각 93.59%, 93.93%까지 감소하였다. 약 4000개의 관망과 노드를 가진 신림유역의 소규모 유출모형을 누가유역면적별로 단순화하였을 때, 노드 개수와 관망 개수가 거의 일정한 비율로 같이 감소하였다.
하수관망의 개수와 밀도가 서로 다른 도시지역의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 1 ha, 3 ha, 6 ha, 12 ha 등 총4가지의 누가유역면적을 기준으로 단순화를 실시하였다. 누가유역면적 기준이 커질수록 관거와 노드의 개수는 줄어들지만 매개변수 연산을 통해 각각의 절점이 차지하는 유역면적은 모두 단순화 이전과 동일한 것으로 분석되었다. 삭제된 노드와 관망의 SWMM 매개변수들은 누가된 노드의 유역면적 값을 기준으로 가중 평균되어 단순화된 노드와 관망의 매개변수 값으로 계산되었다.
단순화 이전 모형과 이후 모형의 결과를 비교하였을 때, 단순화 후 모형의 유출결과 값이 크게 달라지지 않아 NSE, PBIAS의 통계지표에서 모두 ‘좋음’ 이상의 결과를 산정할 수 있었다.
도림천의 단순화 모형들은 관악유역과 마찬가지로 누가유역면적이 커짐에 따라 상류지역에서 낮은 침수심이 발생한 침수면적이 점차 줄어들고 하류지역에서 높은 침수심을 가지는 침수면적이 증가하였다. 단순화가 진행되면서 도림천과 같은 대규모 유역에서는 중규모 유역보다 더 넓은 범위로 침수면적의 발생위치가 변화하는 것을 확인하였다. 특히 6 ha이상의 단순화분석에서는 상류지역의 낮은 침수심을 가진 침수면적이 눈에 띄게 줄어든 것을 볼 수 있다.
11~13은 각 유역의 노드 개수에 따른 2차원 침수면적과 모의시간의 관계를 나타내고 있다. 소규모의 신림분구 유출모형은 단순화 이전 모형과 비교하여 모의시간이 98%까지 감소할 때 침수면적이 약 20%까지 감소하였다. 이러한 차이는 유역규모가 커질수록 더욱 두드러졌으며 중규모의 관악유역의 유출모형에서는 약 30%, 도림천 전 지역의 유출모형에 서는 약 59%까지 침수면적이 감소하였다.
8~10은 4가지 단순화 범위로 구축한 신림분구, 관악구, 도림천 전 지역에 대한 2차원 침수 모의결과를 나타내고 있으며 Tables 5 and 6은 각 유역의 단순화된 모형들에서 발생한 2차원 침수면적과 감소비 그리고 각각의 침수면적 결과를 침수심 별로 나누어 제시하고 있다. 신림분구 단순화 모형들의 침수 결과에서 주요 침수지역 및 침수양상은 거의 유사한 형태를 띠고 있지만, 3 ha까지의 낮은 누가유역면적기준의 단순화 모형들은 단순화 이전 모형보다 많은 침수면적을 나타냈다. 반대로 12 ha까지 높은 누가유역면적기준의 단순화 모형들은 단순화 이전 모형보다 적은 침수면적을 나타내었다.
또한 중규모의 관악 유역의 침수결과가 소규모의 신림유역의 침수결과보다 더 넓은 범위에서 모형의 노드, 관거의 단순화에 따른 침수 면적의 변화를 발생시켜 대상유역의 범위가 커질수록 노드 및 관거의 개수에 따라 더욱 정밀한 단순화 방안을 산정할 필요가 있음을 보이고 있다. 신림유역과는 반대로 관악구의 단순화 모형들은 낮은 침수심을 대체로 표현하지 못하였으며 누가유역면적별 단순화 기준이 커질수록 낮은 침수심을 가지는 침수면적들이 더 감소하였다. 반면에 누가유역면적 기준이 커질수록 단순화 이전 모형보다 높은 침수심을 가진 침수면적이 소폭 증가하였다.
93%까지 감소하였다. 약 4000개의 관망과 노드를 가진 신림유역의 소규모 유출모형을 누가유역면적별로 단순화하였을 때, 노드 개수와 관망 개수가 거의 일정한 비율로 같이 감소하였다. 전체 관망 개수 15,410개의 관악분구, 전체 관망 개수 32,471개의 도림천 전 지역에서도 각각 1,479개, 1,904개까지 단순화되어 비슷한 감소비율을 나타내었다.
약 4000개의 관망과 노드를 가진 신림유역의 소규모 유출모형을 누가유역면적별로 단순화하였을 때, 노드 개수와 관망 개수가 거의 일정한 비율로 같이 감소하였다. 전체 관망 개수 15,410개의 관악분구, 전체 관망 개수 32,471개의 도림천 전 지역에서도 각각 1,479개, 1,904개까지 단순화되어 비슷한 감소비율을 나타내었다. 다만 신림분구 유출모형에서 6 ha와 12 ha의 단순화 결과가 동일하게 산정되어, 신림 유역과 같은 소규모 분구에서는 적정 유역면적을 고려하여 단순화를 실시해야 한다.
하지만 12 ha 기준의 관망 단순화 모형에서는 오히려 침수면적이 6 ha보다 증가하는 현상이 발생하였다. 종합적으로 유역면적이 커질수록, 유역 내에서 큰 규모로 관망이 단순화될수록 큰 침수심의 변화가 발생하는 것을 감안하여 타당성 있는 범위의 단순화를 진행하여야 한다.
중·대규모의 강우-유출모형에서는 각각 단순화 3 ha, 1 ha까지의 단순화 모형들이 단순화 이전과 비슷한 침수양상을 보였으며 6 ha 이상에서는 상류의 침수가 발생하지 않아 침수면적이 크게 감소하였다.

후속연구

관악구의 단순화 이전과 이후의 모형들에서 하류지역, 신림유역의 침수면적, 침수형태, 침수심 등은 비슷한 양상을 보이지만 누가유역면적별 단순화 범위가 커질수록 상류지역의 침수면적이 조금씩 감소하였으며 상류지점의 월류 노드가 누가유역별 단순화 기준이 커질수록 단순화되어 하류지역으로 월류량이 쏠리는 현상이 발생하였다. 또한 중규모의 관악 유역의 침수결과가 소규모의 신림유역의 침수결과보다 더 넓은 범위에서 모형의 노드, 관거의 단순화에 따른 침수 면적의 변화를 발생시켜 대상유역의 범위가 커질수록 노드 및 관거의 개수에 따라 더욱 정밀한 단순화 방안을 산정할 필요가 있음을 보이고 있다. 신림유역과는 반대로 관악구의 단순화 모형들은 낮은 침수심을 대체로 표현하지 못하였으며 누가유역면적별 단순화 기준이 커질수록 낮은 침수심을 가지는 침수면적들이 더 감소하였다.
현재 하수관망 단순화 방법과 모형구축방안에 대한 연구자들의 서로 다른 주관에 의해 유출분석 결과가 상이하게 나타나고 있어 하수관망 단순화에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서 제시한 누가유역면적을 기준으로한 단순화 방법을 통해 보다 명확하고 효과적인 단순화 기법, 하수관망 단순화 가이드라인 산정, 실시간 도시홍수예보 연구가 이루어지길 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중·소규모의 도시하천의 홍수피해가 심각하게 발생하는 이유는 무엇인가?	그에 따라 현재 홍수 예·경보 자료를 통해 도시홍수피해 발생지역에서의 골든타임을 확보하고 침수피해를 사전에 대응하고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다. 중·소규모의 도시하천의 경우, 도달시간이 1~3시간 이내의 매우 짧은 유역특 성을 지니고 있어 집중호우에 의한 심각한 홍수피해가 발생한다. 따라서 도시지역의 홍수피해를 최소화하기 위해서 강우-유출모형의 단순화를 통해 모형의 런타임 시간을 줄이고 정확한 유출량을 분석해야한다.
	도시지역의 실시간 도시홍수예보가 현재의 하수관망 체계에서 적합하지 않은 이유는 무엇인가?	도시지역의 강우-유출모형 구축에는 주로 SWMM (Storm Water Management Model)이 사용되며 정확한 유역 및 관거의 GIS 정보들을 바탕으로 체계적인 하수관망을 구축해야 한다. 하지만 대부분의 주요 도시지역 하수관망은 그 규모가 방대하고 배치형태가 복잡하여 모든 하수관망에 대해서 빠른 분석이 시행되어야 하는 실시간 도시홍수예보에는 적합하지 않다. 따라서 하수관망 단순화를 통한 모의시간 단축이 필수적이다.
	SS-NET이란 무엇인가?	Park et al. (2017b)은도시유출모형의 관망 입력자료를 자동 추출하는 프로그램 SS-NET (Storm Sewer - Network Extraction Tool)을 직접 개발하였으며, 단순화된 하수관망을 구축하고 SWMM의 관망 구성 밀도에 따른 도시 침수 범람 해석의 정확성을 평가하였다(park et al., 2017a).

저자의 다른 논문 :

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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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