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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.17 No.4 pp.303-314
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2018.17.4.303

Status of particulate matter pollution in urban railway environments

Jong Bum Kim1, Seung-Bok Lee2, Gwi-Nam Bae3*
1Seohaean Research Institute, ChungNam Institute
2Center for Environment, Health and Welfare Research, Korea Institute of Science and Technology (KIST)
3Center for Particulate Air Pollution and Health, Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Corresponding author Tel :+82-2-958-5676 E-mail :gnbae@kist.re.kr
22/10/2018 17/12/2018 17/12/2018

Abstract


The urban railway system is a convenient public transportation system, as it carries many people without increasing traffic congestion. However, air quality in urban railway environments is worse than ambient air quality due to the internal location of the source of air pollutants and the isolated space. In this paper, characteristics of particulate matter (PM) pollution in urban railway environments are described from the perspective of diurnal variation, chemical composition and source apportionment of PM. PM concentrations in concourse, platform, passenger cabin, and tunnel are summarized through an analysis of 34 journal articles published in Korea and overseas. This information will be helpful in developing effective policies to reduce PM pollution in urban railway environments.



도시철도 환경의 미세먼지 오염 현황

김 종범1, 이 승복2, 배 귀남3*
1충남연구원 서해안기후환경연구소
2한국과학기술연구원 환경복지연구단
3한국과학기술연구원 미세먼지사업단

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    도시철도는 도시의 교통체증을 완화시키기 위해 1863년 영국 런던에서 처음으로 운행되기 시작하였다. 이때 지하공간을 활용하여 만들었기 때문에 ‘…의 아 래’란 의미의 ‘sub’와 ‘길’(way)이 합쳐져서 ‘subway’ 로 불렸고, 우리나라도 수도권 도시철도 1호선이 지하 터널 구간을 운행했던 것에 기인하여 ‘지하철’로 불리 었다(Kim, 2013). 도시철도의 빠르고 편리한 점이 부 각되면서 전 세계로 확대되어 최근에는 60여개 국가에 서 운행되고 있다(Xu and Hao, 2017). 국내의 경우 전 국 도시철도 연간 수송인원이 꾸준히 증가하여 2004년 2,033백만명에서 2016년 2,562백만명으로 약 26% 증 가하였다(MOLIT, 2017).

    도시철도는 개발 초기부터 지상구간의 혼잡도 감소 와 공간 활용성 증대를 위해 지하공간을 대상으로 설 치된 만큼 지상구간에 비해 자연 기류에 의한 오염물 질의 확산 효과를 기대하기 어렵고, 지하공간에서 발생 된 오염물질을 외부로 배출시키기 위해서는 추가로 배 기 시스템을 갖추어야 한다. Fig. 1은 지하터널 내부에 서 도시철도의 운행에 따라 발생된 오염물질의 이동 경로를 도식적으로 나타낸 것이다. 터널 내부는 자체 발생된 오염물질과 외부로부터 유입된 오염물질이 혼 재되어 있다. 특히 터널 내 입자상 오염물질은 외부에 서 유입된 오염물질과 더불어 내부에서 발생된 다양한 중금속들이 포함되어 있어 노출될 경우 인체 위해성이 매우 높은 것으로 알려져 있다(Park et al., 2012).

    도시철도 운행에 따른 팬토그라프의 마모와 제동 시 브레이크 패드와 휠, 휠과 레일의 마찰에 의한 마모, 그리고 차량 운행과정에서 발생되는 비산이 터널 내 입자상 오염물질의 주요 발생원으로 알려져 있다 (Birenzvige et al., 2003;Chillrud et al., 2004;Jung et al., 2010;Kim et al., 2010). 이렇게 발생된 오염물질 은 입자의 벽면침착이나 중력침강으로 인해 제거되거 나 공조설비를 이용한 외부배출, 내부 집진장치를 이용 하여 관리된다(Kim et al., 2017). 하지만 잔류 오염물 질은 터널, 승강장, 대합실, 객실 등 도시철도 환경의 공기질을 악화시키는 주요 원인으로 작용한다.

    특히, 2009년부터 승객의 안전과 공기질 개선을 위 해 수도권 도시철도에 스크린 도어(platform screen door, PSD)가 설치된 이후 승강장과 대합실의 공기질 은 깨끗해진 반면, 터널의 공기질은 더욱 악화된 것으 로 보고되고 있다(Lee et al., 2010;Kim et al., 2012;Son et al., 2013;Han et al., 2014;Son et al., 2014). 기존 터널에서는 차량이 역사에 진입할 때 오염물질이 피스톤 효과에 의해 승강장과 대합실 등으로 확산되어 농도가 감소되었지만, PSD가 설치되면서 터널이 승강 장과 차단되어 확산이 약해졌기 때문인 것으로 여겨진 다(Kim et al., 2016).

    Table 1은 현재 국내 도시철도 관련 공기질 규정을 나타낸 것이다. 현대인들은 대부분의 시간을 실내공간 에서 활동하면서 실내공기질에 대한 관심이 높아졌고, 특히 지하공간에 대한 국민적 관심이 커짐에 따라 1996년 정부에서는 “지하생활공간공기질관리법”을 제 정하였다(ME, 1997). 이 법규에서는 이산화황(SO2)과 일산화탄소(CO) 등을 포함한 총 7개의 오염물질을 규 제하였는데, 입자상 오염물질의 경우 일평균 미세먼지 (PM10) 농도를 150 μg/m3 이하로 설정하였다. 초기에 는 지하역사와 지하도상가만 적용대상이었지만, 2003 년 “다중이용시설 등의 실내공기질관리법”으로 적용대 상이 확대되면서 도시철도의 대합실과 승강장을 포함 시켜 관리하고 있다(ME, 2004). 2007년 “대중교통수 단 실내공기질 관리 가이드라인”을 제정하면서 도시철 도 객실의 PM10과 이산화탄소(CO2)를 관리대상 오염 물질로 지정하면서 그 범위를 점차 확대해 나갔다 (ME, 2006). 초기 가이드라인은 비혼잡시(Level 1)와 혼잡시(Level 2)로 구분하여 관리하였고, 도시철도 권 고기준도 CO2와 PM10 농도가 각각 2,500 ppm (Level 1), 3,500 ppm (Level 2)과 200 μg/m3 (Level 1), 250 μg/m3 (Level 2)이었다. 하지만 2017년 “다중이용시설 등의 실내공기질관리법”이 “실내공기질관리법”으로 개 정되면서 동 법규 내 제9조 2의 “실내공기질 관리를 위한 대중교통차량의 제작·운행 관리지침”으로 귀속 되었고, 권고기준도 CO2의 경우 기존 비혼잡시와 혼잡 시 2,500 ppm과 3,500 ppm에서 2,000 ppm과 2,500 ppm으로 강화되었다. PM10의 경우 비혼잡시와 혼잡시 로 구분되었던 것이 통합되어 200 μg/m3의 단일 권고 기준으로 조정되었다.

    그 동안 도시철도의 역사(대합실과 승강장), 객실, 그 리고 터널의 공기질 현황을 파악하기 위해 다양한 연 구들이 수행되었고, 이와 더불어 도시철도 환경의 실내 공기질을 개선시키기 위한 정책이 수립되어 다양한 저 감 방안들이 시도되고 있다. 본 연구에서는 도시철도 환경의 실내공기질과 관련되어 수행된 국내외 연구결 과를 분석하여 오염현황을 파악하였다. 이러한 정보는 도시철도 환경의 실내공기질 개선정책의 과학적 근거 로 활용될 수 있을 것이다.

    2. 도시철도 환경에서 미세먼지 오염의 특징

    2.1 터널 내 미세먼지의 거동

    국내에서 최대 도시철도 경계영역을 갖는 수도권 도 시철도의 운영기관 중 가장 큰 서울교통공사는 8개 노 선에 300.1 km의 영업거리를 평균 30.4-34.0 km/h의 속도로 운행하고 있으며, 평일 기준 3,909회 운행한다 (Seoul Metro, 2018). 운영기관에서는 터널의 공기질을 개선하기 위해 터널 내 배기팬의 가동, 집진필터가 장 착된 공조 설비의 가동, 분진흡입차 및 살수차의 운영 등을 실시하고 있지만, 짧게는 2분, 길게는 10분 간격 으로 운행되는 도시철도에 기인하여 발생되는 입자상 오염물질을 효과적으로 처리하는데 어려움이 많다.

    도시철도 환경에서 미세먼지를 효과적으로 관리하기 위해서는 터널 내 미세먼지의 거동을 이해할 필요가 있다. 터널 내 오염물질의 농도는 식 (1)과 같이 정의 할 수 있다.

    C T = C s + C r s + C i ( C r 1 + C r 2 )
    (1)

    CT는 터널 내 오염물질의 농도이고, 여기서는 입자 상 오염물질을 대상으로 하기 때문에 mg/m3 혹은 μg/ m3으로 표시한다. Cs는 도시철도의 운행에 의해 발생 된 오염물질의 농도, Crs는 도시철도 운행시 바닥이나 벽면 등에 붙어 있다가 재비산되는 오염물질의 농도, Ci는 환기구나 외부 연결부위로부터 터널로 유입되는 오염물질의 농도, Cr1은 중력침강이나 벽면침착 등의 기작으로 제거되는 오염물질의 농도, 마지막으로 Cr2는 각종 저감 수단에 의해 제거되는 오염물질의 농도이다. 제거방안 중 Cr1은 자연적인 방법으로 신속한 효과를 기대하기 어렵고, Cr2는 적용공간의 한계로 아직까지 효과가 뚜렷하지 않은 실정이다.

    2.2 터널 내 미세먼지의 일변화

    터널 내 미세먼지는 다양한 요인의 의해 발생되고 저감되어 일변화가 뚜렷하게 나타난다. 대부분의 도시 철도는 새벽 5-6시 운행을 시작하여 밤 24시에서 다음 날 1시경 운행을 마치며, 더불어 기계설비 등도 가동을 중지한다. Fig. 2는 서울도시철도 5호선 중 장한평역과 군자역 사이의 터널에서 관측된 미세먼지의 일변화와 차량의 운행 빈도를 나타낸 것이다(Woo et al., 2018). 자정 이후 터널 내 미세먼지 농도는 급격하게 감소하 여 외기농도와 유사한 수준으로 낮아져 새벽 4-6 사이 에 하루 중 최저 농도를 나타낸다. 이후 차량의 운행 빈도는 8-9시경 가장 많고, 미세먼지 또한 동일 시간대 최대농도를 나타낸다. 이후 차량의 운행 빈도가 감소하 면서 미세먼지 농도 또한 감소하다가 차량의 운행 빈 도가 증가하기 시작하는 18시부터 증가하여 19시에 오 전 첨두시간대와 유사한 농도까지 증가한 후 감소하는 경향을 나타냈다(Woo et al., 2016).

    Park et al. (2012, 2014)의 연구에 의하면 터널과 객 실에서 측정된 입자 중 철(Fe) 성분이 가장 많이 차지 하고, Park et al. (2013)은 측정 자료를 이용한 기여도 추정을 통해 터널 내 미세먼지의 주요 발생원이 브레 이크와 관련된 성분이라는 것을 밝혀냈다. 이것으로부 터 터널 내 미세먼지는 차량운행 과정에서 브레이크 작동에 의해 발생된 Fe이 대부분이라고 추정된다. Fig. 2에서 차량의 운행이 가장 빈번한 출퇴근시간대에 미 세먼지 농도가 증가하는 것도 이러한 추정을 뒷받침한 다. 차량 운행에 의해 발생된 입자는 대부분 2-3 μm의 조대 입자로 비중이 커서 중력침강에 의해 쉽게 바닥 으로 침착되지만(Woo et al., 2016), 빈번한 차량운행으 로 인해 발생된 입자들이 침착될 시간적 여유가 부족하 여 도시철도 운행 중 미세먼지 농도는 외기보다 높다.

    2.3 미세먼지의 화학적 조성 및 오염원

    터널 내 미세먼지는 도시철도의 운행에 따라 발생된 입자, 열량풍에 의해 재비산된 입자, 그리고 외부로부 터 유입된 입자가 혼재되어 있다. 터널 내 입자들은 도 시철도 운행 시 차량의 공조설비와 승객의 승하차를 위한 출입문 개폐 시 기류를 따라 객실로 유입되는데, 최근 연구에서는 일부 노후화된 도시철도의 운행과정 에서 밀폐되지 못한 차량 틈으로도 유입되고 있는 것 으로 보고하였다(Kim et al., 2017).

    Fig. 3은 서울도시철도의 터널과 객실에서 측정된 미 세먼지의 화학적 조성을 나타낸 것이다. 터널의 경우 미세먼지 중 Fe이 36.1%로 가장 높았고, 질산염(NO3) 이 5.1%, 황산염(SO42−)이 3.3%, 칼슘이온(Ca2+) 3.1% 순으로 나타났다(Park et al., 2014). 객실 또한 Fe가 44.6%로 가장 높았고, 이어서 염소이온(Cl) 15.9%, 황 산염(SO42−) 9.0%, 질산염(NO3) 8.4% 순으로 나타났 다(Park et al., 2012).

    Fig. 4는 서울도시철도에서 외기, 승강장, 터널의 미 세먼지를 측정한 후 PMF (positive matrix factorization) 모델링을 수행하여 오염원의 기여도를 추정한 결 과이다(Park et al., 2013). 터널의 경우 브레이크 마모 와 관련된 입자가 57.0%로 가장 높은 비율을 차지하였 고, 이어서 다양한 물리·화학적 변화에 따라 생성된 이차입자가 17.9%, 철과 관련된 입자가 13.8%이었다. 차량 운행과 관련하여 발생된 것으로 추정되는 입자가 70% 이상 차지함을 알 수 있다. 승강장의 경우 터널과 마찬가지로 브레이크 마모와 관련된 입자가 32.5%로 가장 높게 나타났고, 이어서 이차입자가 22.6%, 철과 관련된 입자가 5.7%이었다. 차량 운행과 관련한 입자 가 약 38%를 차지함을 알 수 있다. 외기는 이차입자가 45.4%로 가장 높게 나타났고, 자동차에 기인된 입자가 26.2%로 나타났다.

    3. 도시철도 환경에서 미세먼지 농도 수준

    3.1 국내외 관련 연구

    본 연구에서는 도시철도와 관련된 미세먼지 현황을 파악하기 위하여 국내외에서 수행된 연구결과를 조사 하였다. 주요어로 지하철(subway), 도시철도(urban railway), 먼지(dust, particulate matter), 미세먼지(PM10) 등을 사용하였고, 국내 연구의 경우 학술대회 발표나 보고서 등은 제외하고 학술지에 게재된 논문만 선별하 였다. 조사항목으로는 게재연도, 도시철도 건설연도, 측정항목, 측정방법, 대상지역, 측정위치, 농도수준을 선정하였다. 총 34건의 연구가 검색되었고, 이 중 13건 이 국내에서 수행된 연구이었다. 통계처리 시 단일 구 간에 대한 평균값(mean)이 주어진 경우 그대로 사용하 였고, 다수 구간에 대한 측정값이 주어진 경우 주어진 값을 모두 표시하였다. 예를 들면 Park and Ha (2008) 가 역사와 객실에서 측정한 PM10과 PM2.5 농도를 개별 건으로 간주하여 총 4건으로 처리하였다. Table 2

    국내에서 수행된 연구는 총 24개의 자료로 분류되었 고, 이 중 PM2.5가 7건, PM10이 17건이었다. 측정장비 는 광학적(optical) 방법을 이용한 것이 10건, 중량 (gravimetric) 방법을 사용한 것이 14건이었다. 측정위 치로 역사가 14건으로 가장 많았고, 터널이 8건, 객실 이 2건이었다. 이들 위치에서 미세먼지 농도는 터널이 183 μg/m3으로 가장 높게 나타났고, 객실이 131 μg/m3, 역사가 114 μg/m3으로 나타났다.

    외국에서 수행된 연구는 총 35개의 자료로 분류되었 고, 이 중 PM2.5가 17건, PM10이 18건으로 거의 유사 하였다. 광학적 측정장비를 사용한 경우가 21건으로, 중량법을 사용한 14건보다 1.5배 많았다. 국내에서는 중량법이 좀 더 많이 사용되고 있는 반면, 국외에서는 간편하고 실시간으로 연속적인 데이터를 확보할 수 있 는 광학적 측정장비가 더 많이 사용되고 있음을 알 수 있다. 측정위치로 역사가 25건으로 가장 많았고, 이어 서 객실이 7건, 터널이 3건으로 우리나라에 비해 터널 에 대한 연구가 활발하게 이루어지지 않고 있는 것으 로 나타났다. 미세먼지 농도는 터널이 285 μg/m3으로 가장 높게 나타났는데, 이것은 국내에 비해 약 1.5배 높은 수준이다. 역사는 143 μg/m3으로 우리나라에 비 해 약간 높은 반면, 객실은 84 μg/m3으로 국내의 64% 정도이었다. 하지만 우리나라의 경우 객실 측정이 2건 으로 매우 적어 추가적인 연구를 통해 객실의 미세먼 지 농도 수준을 보다 정확하게 파악할 필요가 있다. Table 3

    3.2 지하역사 내 미세먼지 농도 수준

    Fig. 5는 역사 내에서 조사된 PM10과 PM2.5의 평균 농도 분포를 나타낸 것이다. 논문에서 단일 평균농도를 제시한 것은 1개로 나타냈고, 다수의 값을 제시한 경우 모두 나타냈다. 34개 PM10의 평균농도는 161.0 μg/m3 이고 표준편차는 123 μg/m3이다. 최대농도는 469 μg/ m3으로 최소농도인 28 μg/m3에 비해 약 17배 높다. 23 개 PM2.5의 평균농도는 99.0 μg/m3이고 표준편차는 106 μg/m3이다. 최대농도는 480 μg/m3으로 최소농도인 21 μg/m3에 비해 약 22배 높다.

    국내에서는 지하역사를 대상으로 PM10은 150 μg/m3 이하로 규제하고 있으며, PM2.5의 경우 지하역사의 규 제는 이루어지고 있지 않으나 의료기관이나 어린이집 등을 대상으로 70 μg/m3을 권고기준으로 설정하여 관 리하고 있다. 국내 기준을 적용한다면 PM10 측정값 중 38%(13개)가 기준치를 초과하고, PM2.5 측정값 중 39%(9개)가 권고기준(70 μg/m3)을 초과하는 것으로 나 타났다.

    3.3 객실 내 미세먼지 농도 수준

    Fig. 6은 객실 내 PM10과 PM2.5의 평균농도 분포를 나타낸 것이다. PM2.5 측정값이 9개로 PM10 측정값인 6 개에 비해 많다. 지하역사의 경우 1990년대 후반부터 지하공간의 실내공기질에 대한 관심이 증가하면서 PM10에 대한 연구가 활발하게 수행되었지만, 객실에 대 한 연구는 2000년대 후반부터 수행되면서 PM10보다 인 체 유해성이 큰 PM2.5에 대한 관심이 증가한 것에 기인 된 것으로 생각된다. PM10의 평균농도는 102 μg/m3이 고, 최대농도는 154 μg/m3으로 최소농도인 35 μg/m3에 비해 약 4.4배 높다. PM2.5의 평균농도는 82 μg/m3이고, 최대농도는 274 μg/m3으로 최소농도인 21 μg/m3에 비 해 약 13배 높아 편차가 PM10에 비해 훨씬 크다.

    국내에서는 실내공기질관리법 제9조의 2항에 ‘실내 공기질 관리를 위한 대중교통차량의 제작·운행 관리 지침’에 도시철도를 지정하여 PM10 농도의 권고기준으 로 200 μg/m3을 고시하였으며, 아직까지 PM2.5에 대한 관리 규정은 없다. 본 연구에서 조사된 PM10 농도는 모두 권고기준을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 Kim et al. (2017)이 수도권 도시철도를 대상으로 수행 한 연구에서 열차가 터널구간을 운행하는 동안 밀폐되 지 못한 객실 틈을 통해 터널 내 입자가 객실로 유입되 어 객실 내 공기질에 영향을 미치고 있으므로, 터널에 서 비산되고 있는 입자가 객실로 유입되는 것을 차단 할 수 있는 방안이 강구되어야 한다. Fig. 7

    3.4 터널 내 미세먼지 농도 수준

    그 동안 지하역사 중심의 공기질 관리 연구에서 주 요 발생원인 터널의 공기질 현황 파악과 기술개발로 점차 연구 추세가 변하고 있다. 본 연구에서 조사한 터 널 관련 연구는 PM10이 16건, PM2.5가 3건이었다. 터 널은 도시철도가 실제 운행하는 공간이어서 현장 접근 이 용이하지 않아 정보가 매우 부족한 실정이나 2010 년 이후 꾸준히 증가하고 있다. 터널에서 측정된 PM10 의 평균농도는 215 μg/m3으로 객실과 역사에 비해 1.3~2.1배 높은 수준이다. 최대농도는 423 μg/m3으로 최소농도인 32 μg/m3에 비해 13.2배 정도 높다.

    도시철도 터널은 차량의 운행에 의해 발생되거나 비 산된 입자상 오염물질이 주요 오염원이므로, 차량의 운 행이 가장 빈번한 출퇴근시간대에 입자의 농도가 가장 높고 새벽시간대에는 외기와 유사하거나 약간 높은 수 준을 유지한다(Woo et al., 2016). 각 측정값의 정확한 의미를 파악하기 위해서는 측정값만 단순하게 비교하 기 보다는 외부조건과 측정시간대를 고려한 종합적인 분석이 필요하다. PM2.5의 평균농도는 136 μg/m3으로 나타났으나 시료수가 3개 밖에 되지 않아 추가적인 연 구를 통해 오염현황을 파악할 필요가 있다.

    4. 제 언

    대도시의 교통혼잡 완화와 도심 지상구간 활용을 목 적으로 사용되는 도시철도는 밀폐된 터널을 운행하기 때문에 미세먼지와 같은 오염물질의 관리에 많은 어려 움이 있다. 국내에서는 지하역사와 객실을 대상으로 공 기질 가이드라인을 설정하여 관리하고 있다. 기존 연구 결과를 분석한 바에 의하면 PM10 농도는 지하역사에 서 56-311 μg/m3, 객실에서 112-154 μg/m3으로 대부분 가이드라인 이하로 유지되고 있었다. 국내 터널의 경우 30-338 μg/m3으로 상대적으로 편차가 크고 농도가 높 지만 외국에서 조사된 206-423 μg/m3에 비해 낮은 편 이다.

    현재 세계적으로 도시철도를 대상으로 공기질을 관 리하는 곳은 홍콩과 우리나라 정도이며, 특히 우리나라 의 경우 미세먼지에 대한 건강피해를 인식한 이후 지 속적인 모니터링과 공기질 개선을 위한 연구가 수행되 고 있다. 하지만 이러한 연구들이 실제 현장에 적용되 기 위해서는 보다 체계적이고 장기적인 관점의 기술개 발 연구와 비용투자가 이루어져야 한다. 도시철도의 이 용자도 차량 운행 특성상 도시철도 환경의 미세먼지 농도가 상대적으로 높을 수밖에 없다는 점을 알고, 미 세먼지 오염을 개선시키기 위해 함께 노력하여야 한다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부의 재원으로 미래철도기술연구 사업(18RTRP-B082486-05)의 연구비 지원을 받아 수 행된 연구입니다. 이에 감사드립니다.

    Figure

    JOIE-17-303_F1.gif

    Behavior of particulate matter generated by train operation in tunnel.

    JOIE-17-303_F2.gif

    Diurnal variation of PM concentration in tunnel and number of train operation (Woo et al., 2018).

    JOIE-17-303_F3.gif

    Chemical composition of PM10 collected in railway tunnel and cabin air.

    JOIE-17-303_F4.gif

    Average source contribution on PM10 estimated by PMF model in each site. (Park et al., 2013)

    JOIE-17-303_F5.gif

    Distribution of PM10 and PM2.5 concentrations measured in underground station.

    JOIE-17-303_F6.gif

    Distribution of PM10 and PM2.5 concentrations measured in railway cabin.

    JOIE-17-303_F7.gif

    Distribution of PM10 and PM2.5 concentrations measured in tunnel.

    Table

    Regulations of indoor air quality for urban railway environments in Korea

    Summary of particulate matter studies for urban railway environments in Korea

    Summary of particulate matter studies for urban railway environments in foreign countries

    Reference

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