劉建輝，蔡 鋒，，鄭吉祥，戚洪帥，雷 剛

(1.國(guó)家海洋局海島研究中心，福建平潭 350400;2.國(guó)家海洋局第三海洋研究所，福建廈門 361005)

我國(guó)漁業(yè)發(fā)展迅速，漁港數(shù)量增長(zhǎng)較快，僅福建省1998年以來(lái)就建設(shè)了234個(gè)大型漁港［1］，同時(shí)配套修建了防波堤和護(hù)岸等硬式海岸工程。硬式工程對(duì)減輕海岸帶風(fēng)暴潮災(zāi)害等有明顯作用，但過(guò)去人們對(duì)其造成的海岸地貌變化影響不甚重視。隨著人們環(huán)境意識(shí)的日益增強(qiáng)，硬式工程引起的海岸環(huán)境負(fù)面效應(yīng)備受關(guān)注，逐漸成為海岸帶研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

漁港防波堤建設(shè)引起沉積物沿岸搬運(yùn)系統(tǒng)失衡往往產(chǎn)生岸灘地貌劇烈變化［2-3］。Komar認(rèn)為，許多嚴(yán)重的海岸侵蝕都是由于丁壩、防波堤和其他海岸工程直接引起的［4］;Moutzouris明確指出漁港工程的建設(shè)直接導(dǎo)致了一些區(qū)域的海岸侵蝕(或淤積)［5］，日本在20世紀(jì)60年代因漁業(yè)發(fā)展而大量修建漁港造成全國(guó)范圍內(nèi)的海岸侵蝕后果［6-7］就是最典型的案例。針對(duì)這一問(wèn)題，許多學(xué)者提出了各自的解決方案，有從技術(shù)角度出發(fā)［8-9］，也有管理政策法規(guī)方面的建議［5］，針對(duì)具體工程的實(shí)際解決方案相對(duì)較少，我國(guó)在這方面的工作也存在較大不足。有鑒于此，通過(guò)對(duì)福建泉州崇武漁港碼頭修建后半月灣海灘的地貌變化分析，說(shuō)明防波堤對(duì)鄰近海灘的影響，并提出海灘養(yǎng)護(hù)對(duì)策，希冀能為我國(guó)沿海地區(qū)該類海岸侵蝕的防護(hù)和管理提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

半月灣位于福建中部沿海崇武半島南岸，灣口朝南，瀕臨泉州灣外海域(見圖1)。灣內(nèi)岸線大體呈東西向延伸的月牙形，早期原有海灘長(zhǎng)約2.5 km，干灘寬度20～100 m不等［10］。崇武半月灣海岸組成為物質(zhì)系燕山期花崗巖基巖風(fēng)化殼及其殘-坡積層以及風(fēng)成沙地，海岸組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，強(qiáng)度較低。海灣東側(cè)于2003年修建了一級(jí)漁港和防波堤工程，灣之東南面近岸海區(qū)原本有5個(gè)島礁斷續(xù)呈弧形分布，但目前的防波堤將各個(gè)島礁連接在一起(見圖1)。

圖1 福建崇武半月灣海岸形態(tài)Fig.1 Configuration of Banyue Bay in Chongwu，F(xiàn)ujian

研究區(qū)沿海的潮汐類型為正規(guī)半日潮，平均潮差為4.27 m。其潮流性質(zhì)屬半日潮流型，潮流大多為往復(fù)流，漲潮自E向W，落潮相反;局部地區(qū)受地形影響，流態(tài)較為復(fù)雜。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)?N及 NE，最大風(fēng)速32.6 m/s;常見風(fēng)向?yàn)镹NE，頻率為28%;夏季風(fēng)向主要為SSW，其他季度以NE或NNE向?yàn)橹鳎箢l率達(dá)45%。根據(jù)2010年10月～2011年09月實(shí)際觀測(cè)資料(圖2)［11］，研究區(qū)海域主要波型是混合浪。觀測(cè)期間全年的波向主要集中在ENE～SW向，E為常浪向，所占頻率為27.05%;春季和冬季常浪向?yàn)镋向，夏季常浪向?yàn)镾SE向，秋季常浪向?yàn)镋SE向，全年強(qiáng)浪向出現(xiàn)在S向。

2 資料與分析方法

圖2 崇武近岸全年(2010.09～2011.10)波浪分向分級(jí)圖Fig.2 Wave rose of Chongwu nearshore from Sep.2010 to Oct.2011

在半月灣海灘選擇有代表性剖面和合適觀測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)固定樁，DGPS定位，垂直海岸布設(shè)剖面CW-1和CW-2(位置見圖1)。利用全站儀進(jìn)行海灘剖面形態(tài)周期性測(cè)量，從2007年8月11日至2011年11月21日共同開展了8次海灘剖面測(cè)量，測(cè)量時(shí)間選擇為當(dāng)日低潮。通過(guò)疊加不同期次的剖面形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究其變化特征。

對(duì)比最新實(shí)測(cè)岸線與提取的歷史海圖岸線，分析岸線演變特征。將不同年份(2003年和2006年)比例尺為1∶2 000的海圖基準(zhǔn)面統(tǒng)一換算至理論深度基準(zhǔn)面，使數(shù)據(jù)資料具有可比性，應(yīng)用MapInfo軟件進(jìn)行數(shù)字化處理，提取出不同年份的岸線位置，疊加DGPS RTK現(xiàn)場(chǎng)岸線觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同時(shí)期岸線變化。

在研究區(qū)海灣外開闊水域進(jìn)行一周年的波浪原型觀測(cè)，波浪觀測(cè)采用“浪龍”聲學(xué)多普勒波浪海流剖面儀，觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為24°50.560'N，118°52.472'E，測(cè)波點(diǎn)位置海圖水深約10 m。觀測(cè)時(shí)間從2010年9月15日開始至2011年10月11日結(jié)束。根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料結(jié)合海岸地形資料來(lái)模擬計(jì)算海灘養(yǎng)護(hù)工程演變通過(guò)SWAN模型計(jì)算得到半月灣整體波浪場(chǎng)分布，半月灣整體波浪場(chǎng)網(wǎng)格空間步長(zhǎng)取100 m，近岸工程區(qū)波浪場(chǎng)網(wǎng)格步長(zhǎng)取10 m，岸線變形模型網(wǎng)格空間步長(zhǎng)取10 m，剖面變化模型網(wǎng)格空間步長(zhǎng)取0.1 m。采用緩坡方程模型REF/DIF計(jì)算得到近岸波浪場(chǎng)，為岸灘泥沙輸運(yùn)模型提供波浪參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算岸線形變和泥沙剖面變形。

3 海岸變化特征

近幾年半月灣海岸持續(xù)后退，逐漸危及到半月灣海濱公路和后方別墅區(qū)。2009年6月23日受臺(tái)風(fēng)“蓮花”影響，崇武半月灣沿岸公路坍塌，為了保護(hù)陸上財(cái)產(chǎn)，當(dāng)?shù)卣?010年6月沿岸修建了硬式護(hù)岸。下文將針對(duì)護(hù)岸修建前后的海灘變化做分類闡述。

3.1 海岸形態(tài)變化

3.1.1 護(hù)岸修建前

借助遙感圖像對(duì)比(圖3(a)、(b))可以清楚地發(fā)現(xiàn)半月灣海岸西部岸段發(fā)生了侵蝕，且表現(xiàn)形式多樣:植被破壞，海岸線后退，形成侵蝕陡崖，岸灘下蝕等。2004年10月(漁港防波堤修建1年后)半月灣西側(cè)海岸仍有木麻黃防護(hù)林分布，干灘寬度近百米;至2008年8月，海岸植被均已侵蝕殆盡，并形成海岸侵蝕陡崖，下伏老紅砂層出露，干灘寬度劇減30余m，岸線后退，直逼臨岸建筑。為了抵御侵蝕，西側(cè)岬角附近堆砌了拋石護(hù)岸。通過(guò)對(duì)半月灣海灘西側(cè)2003年12月、2009年6月所拍攝的海岸形態(tài)對(duì)比(圖4(a)、(b))也可以看出，在2010年護(hù)岸修建前，灘面變化表現(xiàn)為束窄變陡退，原來(lái)近百米寬海灘幾乎侵蝕殆盡，灘面巖石裸露，西部岸段侵蝕尤其顯著。

圖3 不同時(shí)期半月灣西部衛(wèi)片對(duì)比Fig.3 Comparison of aerial pictures of the west Banyue Bay in different periods

3.1.2 護(hù)岸修建后

2010年半月灣護(hù)岸修建后固化了海岸，將海灘岸線從內(nèi)凹的岬灣形態(tài)改變?yōu)榻跗街钡男螒B(tài)，岸灘演變形式也發(fā)生了改變。人工固化岸線形態(tài)的變化導(dǎo)致海灘護(hù)岸修建后海灘最西端逐漸趨于穩(wěn)定并略有淤漲，反之，中部岸段侵蝕最為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為下蝕、灘面沉積物消失、下伏老地層出露等現(xiàn)象(圖4(c))。

3.2 岸灘剖面變化

3.2.1 護(hù)岸修建前

半月灣海灘護(hù)岸修建前進(jìn)行為期一周年的剖面變化觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2007年8月到2008年8月，海灘剖面變化對(duì)比結(jié)果見圖5。CW-1剖面位于半月灣西部，由于海岸不斷迅速后退，在監(jiān)測(cè)期間已經(jīng)侵蝕到固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為保證監(jiān)測(cè)剖面的可比性，2008年5月在向陸側(cè)后移一段距離重新設(shè)定固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。CW-1剖面在2007年8月至2008年8月之間岸線蝕退約5 m，灘面下蝕嚴(yán)重，下伏老紅砂出露。CW-2剖面處于半月灣中部，靠近漁港防波堤。海灘后濱為風(fēng)成沙地，灘肩寬度保持在40 m左右，剖面的變化主要表現(xiàn)在灘肩的蝕退和海灘坡折帶的下蝕。

圖4 不同時(shí)期半月灣中西部海岸形態(tài)對(duì)比Fig.4 Pictures showing the view of beach in different periods of the west Banyue Bay

圖5 半月灣海灘不同剖面變化對(duì)比Fig.5 Comparison of beach profiles in different periods

3.2.2 護(hù)岸修建后

2010年6月到2011年12月期間，CW-1海灘剖面變化趨勢(shì)表現(xiàn)為下蝕過(guò)程，期間發(fā)生動(dòng)態(tài)的蝕淤變化。海堤根部的地形變化最為劇烈，下蝕深度達(dá)到92 cm，單寬侵蝕量31.52 m3，平均下蝕量為40 cm。2010年6月到2011年7月的年周期變化來(lái)看，距離堤根部28 m處發(fā)生淤積，平均淤漲高度為21 cm;距離測(cè)量原點(diǎn)28～68 m的部分發(fā)生下蝕，平均下蝕量為12 cm;總體而言表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，形態(tài)變化較小。2010年11月到2011年12月的年周期變化來(lái)看，以海灘剖面侵蝕為主，單寬侵蝕量為23.5 m3，最大下蝕量發(fā)生在堤根處，達(dá)104 cm。從CW-2剖面的變化來(lái)看，海灘灘肩在2010年9月～2011年12月之間后退了9 m，但是干灘高度不斷增加，潮間帶坡折面也表現(xiàn)為侵蝕后退，低潮帶以淤積為主。從不同階段對(duì)比來(lái)分析，該剖面季節(jié)性變化明顯，表現(xiàn)為夏季淤積和冬季侵蝕，總體表現(xiàn)為緩慢淤積(圖6)。

圖6 護(hù)岸修建后的半月灣海灘剖面變化Fig.6 Comparison of beach profiles in different periods after seawall construction

3.3 海岸線變化

2003年、2006年和2009年三個(gè)時(shí)期的岸線位置對(duì)比說(shuō)明半月灣海灘處于持續(xù)蝕退狀態(tài)(見圖7)。從2003年到2006年的岸線變化可以看出:海灘西端岸線后退最快，最大后退速率為15.2 m/a，最大后退量為45.7 m，向東蝕退強(qiáng)度逐漸減小，在攔沙堤西側(cè)230 m處發(fā)生蝕淤變化形式的轉(zhuǎn)變，該處往東開始發(fā)生淤漲，越靠近攔沙堤淤漲量越大。相對(duì)而言，從2006年到2009年間，半月灣海灘岸線整體變化程度較前一階段有所減小，但仍然保持“西強(qiáng)東弱”的侵蝕變化特征，與上文中兩個(gè)剖面的變化對(duì)比結(jié)果相一致?？傮w而言，2003年至2009年期間半月灣西部海岸線處于后退狀態(tài)，蝕退速度呈減小趨勢(shì);灣內(nèi)攔沙堤附近海灘表現(xiàn)為淤漲，最大淤漲發(fā)生在攔沙堤處，岸線向海推進(jìn)了15 m。

圖7 半月灣海岸線變化過(guò)程Fig.7 Beach shoreline position in different years in Banyue Bay

4 分析與討論

2003年以來(lái)半月灣海灘發(fā)生顯著變化，其變化過(guò)程可分為兩個(gè)階段:第一階段為2003年防波堤修建后至2010年6月海灘護(hù)岸修建之前，這一階段海灘處于迅速后退期，其變化特征表現(xiàn)為西側(cè)岸灘快速蝕退，西端年均蝕退率達(dá)6.2 m/a，灘面沉積物虧損嚴(yán)重，基底風(fēng)化殼出露，向東側(cè)岸線蝕退率逐漸變小，及至在攔沙堤西側(cè)230 m處保持蝕淤動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，繼續(xù)向東則以淤漲為主，淤漲最大部分發(fā)生在攔沙堤處;第二階段為2010年6月海灘護(hù)岸修建之后，從不同海灘剖面的變化判斷，西部岸灘主要的侵蝕形式表現(xiàn)為海灘灘面下蝕，東部靠近攔沙堤仍表現(xiàn)為淤漲。

海岸地貌變化是對(duì)沉積物和近岸動(dòng)力改變的響應(yīng)，在漁港附近修建防波堤，不可避免的對(duì)原來(lái)水動(dòng)力環(huán)境和沉積物搬運(yùn)態(tài)勢(shì)造成影響，甚至破壞原岬角間形成的(動(dòng)態(tài))平衡狀態(tài)。2003之前，半月灣海岸在東西岬角和眾多礁嶼之間形成了動(dòng)態(tài)平衡海灘，灣東側(cè)2003年建成了漁港工程(包括突堤、避風(fēng)港、漁業(yè)碼頭和長(zhǎng)達(dá)539 m的南防波堤，見圖1)對(duì)動(dòng)力環(huán)境和輸沙變化都造成了巨大變化。防波堤的建設(shè)造成兩個(gè)方面的主要變化:一是改變動(dòng)力環(huán)境，從E向到S向的主要入射波浪受到防波堤的阻擋作用，在堤頭發(fā)生繞射，繞射波波峰線向港內(nèi)展開，波能擴(kuò)散，波高不斷減小［12-13］，造成港內(nèi)波影區(qū)動(dòng)力減弱;二是改變沿岸輸沙，在沿岸輸沙作用下，沉積物在防波堤阻礙作用下在上游處發(fā)生堆積，不可避免的造成下游沉積物補(bǔ)給的減少，下游側(cè)發(fā)生侵蝕［5，14］。簡(jiǎn)單而言，防波堤的修建阻擋了偏SE方向的波浪入射、阻斷了從E向W方向的海岸輸沙，這破壞了原來(lái)的沿岸平衡輸沙態(tài)勢(shì)，但是SW方向的波浪入射仍然存在，使得原來(lái)半月灣內(nèi)西部岸段的泥沙不斷向東部搬運(yùn)，因?yàn)闊o(wú)向西的沿岸輸沙補(bǔ)給，就造成西部泥沙虧損引起侵蝕，同時(shí)泥沙向東部運(yùn)移產(chǎn)生淤積。

為了分析防波堤修建對(duì)近岸波浪場(chǎng)的變化，采用SWAN和REF/DIF兩種波浪數(shù)學(xué)模型，利用2010年9月1日至2011年10月崇武海洋站實(shí)測(cè)波浪同步資料和海岸地形數(shù)據(jù)對(duì)近岸S～NNW方向平均波浪要素風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行模擬［15］，模擬結(jié)果(如圖8)說(shuō)明:1)越靠近岸波能越弱，尤其在防波堤北側(cè)遮蔽區(qū)內(nèi)波高更小，浪向復(fù)雜波場(chǎng)混亂，同時(shí)半月灣西部的波能高于灣東部防波堤遮蔽區(qū)域;2)S向浪～W向浪產(chǎn)生的沿岸波浪主要表現(xiàn)為明顯的由西向東趨勢(shì)，WNW向～NNW向波浪作用下的近岸波浪場(chǎng)相對(duì)混亂。波浪場(chǎng)模擬也說(shuō)明在波能西高東低的近岸環(huán)境下，波能流作用將造成向東的輸沙，引起西側(cè)沉積物不斷向東部運(yùn)移，產(chǎn)生西部的侵蝕和東部的淤漲。

圖8 研究區(qū)近岸W～ESE方向平均波浪要素分布Fig.8 Distribution of wave parameters in direction of W to ESE

5 養(yǎng)護(hù)對(duì)策

修建漁港防波堤造成的海灘侵蝕現(xiàn)象在我國(guó)較為普遍，為了改變因防波堤構(gòu)筑物造成的侵蝕現(xiàn)象，需要從加強(qiáng)海岸帶管理和工程措施兩個(gè)方面來(lái)開展工作。近年來(lái)海洋環(huán)境意識(shí)日益增強(qiáng)，對(duì)過(guò)去流行的硬式結(jié)構(gòu)保護(hù)措施應(yīng)用越發(fā)謹(jǐn)慎，生態(tài)軟式海岸防護(hù)的需求越來(lái)越高。海灘養(yǎng)護(hù)因其在修復(fù)侵蝕受損海灘、改善海岸環(huán)境、提高濱海旅游收益等方面的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前許多地區(qū)海灘防護(hù)的首選。

崇武半月灣海灘原是知名濱海旅游區(qū)，目前尚存留一定量的天然沙灘。為了保護(hù)海灘，進(jìn)一步提高其旅游價(jià)值，在防護(hù)過(guò)程中需要考慮與環(huán)境和諧的生態(tài)措施，減少硬式工程對(duì)景觀的影響和海岸負(fù)面作用。通過(guò)海灘養(yǎng)護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)改善海灘現(xiàn)狀、抵御海岸侵蝕的目的。研究區(qū)潮差大，又處于著名濱海沙灘景區(qū)，硬式海岸構(gòu)筑物如潛堤、丁壩等對(duì)景觀負(fù)面影響巨大，因此采用直接補(bǔ)沙的方式恢復(fù)半月灣沙灘，對(duì)海岸生態(tài)環(huán)境改造影響較小，沙灘本身作為有效的緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸侵蝕的防護(hù)。其基本防護(hù)思想是在半月灣海岸、崇武古城岬角與崇武中心漁港西側(cè)突堤之間進(jìn)行填沙修復(fù)并塑造沙灘，形成長(zhǎng)約1.6 km，灘肩寬度30～180 m不等的人工沙灘(見圖9(a));通過(guò)對(duì)半月灣鄰近其他天然海灘的沉積物和海灘形態(tài)的對(duì)比分析，結(jié)合工程區(qū)的動(dòng)力條件，為了提高養(yǎng)護(hù)海灘穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)養(yǎng)灘沉積物中值粒徑為1 mm;養(yǎng)護(hù)海灘的干灘高程比目前海岸線位置高1 m;根據(jù)以往在其他地區(qū)的海灘養(yǎng)護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)，潮間帶施工灘面以1∶10放坡［16］。

根據(jù)上文提出的半月灣海灘養(yǎng)護(hù)方案，應(yīng)用Genesis岸線變化數(shù)值模型，采用2010年9月至2011年10月崇武海洋站實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)資料，在假定當(dāng)?shù)夭ɡ朔€(wěn)定不變的情況下，模擬計(jì)算2011年4月1日至2017年4月1日半月灣人工沙灘演變情況［15］。輸沙數(shù)模研究結(jié)果(圖9(b))表明，施工后的養(yǎng)護(hù)海灘沉積物會(huì)逐年由西向東搬運(yùn)，年平均凈輸沙量約3萬(wàn)m3，工程竣工后5～6年內(nèi)，西端海灘基本被侵蝕搬運(yùn)至東部。為了塑造良好的濱海旅游海灘，需要進(jìn)行周期性再養(yǎng)護(hù)補(bǔ)沙。半月灣海灘養(yǎng)護(hù)后的沉積物遷移主要發(fā)生在在海灘系統(tǒng)內(nèi)部，西部沉積物虧損、東部沉積物富集，鑒于沙灘系統(tǒng)內(nèi)部沉積物總量保持一定的平衡，可以采取“抽東沙補(bǔ)西沙”的內(nèi)部循環(huán)養(yǎng)護(hù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積物的人工再分配。即在人工沙灘工程完工后，每5年為一個(gè)周期，從沙灘東側(cè)淤積區(qū)抽取水下沉積物輸送到西端，按照原養(yǎng)護(hù)海灘的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)西端海灘的再養(yǎng)護(hù)，預(yù)計(jì)再養(yǎng)護(hù)補(bǔ)沙量約為20萬(wàn)m3。海灘系統(tǒng)內(nèi)部沉積物循環(huán)養(yǎng)護(hù)方式既可節(jié)省再養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)又減少對(duì)海灘環(huán)境的破壞影響，有利于海灘管理與維護(hù)。

圖9 崇武半月灣海灘養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)及海灘演變預(yù)測(cè)Fig.9 Beach nourishment design plan and shoreline evolution simulation of Banyue Bay

6 結(jié)語(yǔ)

漁港防波堤建設(shè)不可避免地改變了近岸動(dòng)力環(huán)境和沉積物的搬運(yùn)態(tài)勢(shì)，往往引起臨近岸灘的地貌劇烈變化。通過(guò)對(duì)崇武半月灣海岸變化研究表明，上游漁港防波堤修建后海灣西側(cè)處于主波向下游的海灘侵蝕強(qiáng)度最高，中部侵蝕強(qiáng)度逐漸減弱，東部防波堤遮蔽區(qū)內(nèi)則發(fā)生堆積。主要原因在于伸出海岸的防波堤阻擋了東-南向主入射波，使得沿岸輸沙方向改變?yōu)橛晌飨驏|，西部沉積物向東搬運(yùn)，補(bǔ)給不足，產(chǎn)生西蝕東淤現(xiàn)象。針對(duì)這種類型的海岸侵蝕變化，提出在侵蝕區(qū)開展人工海灘養(yǎng)護(hù)工程的方式進(jìn)行侵蝕防護(hù)，根據(jù)沉積物的輸移規(guī)律和海灘系統(tǒng)內(nèi)部沉積特征，建議以周期性(5年)抽取港池遮蔽區(qū)內(nèi)淤積沉積物再喂養(yǎng)侵蝕區(qū)的方式，來(lái)完成循環(huán)養(yǎng)護(hù)，以期減少維護(hù)費(fèi)用和對(duì)海岸環(huán)境影響。希冀對(duì)其他相似類型的侵蝕海灘保護(hù)和管理具有一定的參考價(jià)值。

致謝:國(guó)家海洋局第三海洋研究所廖康明、曾志、陳智杰、何佳、鄭斌鑫、束芳芳等人參加了水文動(dòng)力觀測(cè)和波浪分析，蔚廣鑫、劉根、于帆等參加了野外地貌測(cè)量，在此致以衷心感謝。

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