國外發達國家城市地質工作總結及其經驗借鑒論文
引 言
人口、資源、環境與社會經濟的協調發展是21 世紀的重大科學命題。城市作為人口和現代工業集中的地區，在國家建設和人類生存環境水平提高中發揮著巨大作用，城市化的快速發展促使自然環境發生巨變，城市和地質環境不斷進行著相互作用。在過去的 30 多年中，隨著中國經濟的迅速發展，城市化進程迅速加快，社會和學術界對城市地質問題表現出前所未有的關心。我國進行比較系統的城市地質研究工作起步較晚，就其研究的廣度和深度以及全面性而言，與國外發達國家相比尚有較大差距。因此，本文對國外發達國家開展的主要城市地質工作進行了總結，以期能切實反映出城市地質研究工作的現狀和今后的發展趨勢，從而為我國城市地質工作的開展提供參考和借鑒。
1 城市地質的內涵
城市地質是地球科學的一個較新的分支，對城市地質的定義和內涵，目前仍在研究和探索之中，關于它是不是一門獨立的學科，認識尚不統一。有的認為城市地質屬于傳統地質學的范疇，不是獨立的學科，而是各種地質工作在城市和城市化地區的應用； 有的認為它是工程地質學的分支，應稱為城市工程地質學； 有的認為它是環境地質學的分支，稱為城市環境地質學。
通過綜合諸家意見認為，城市地質已發展成為一門獨立的分支科學，有著特定的任務和工作內容。其任務是應用地質科學的理論和方法，以城市地區的地質結構為主要研究對象，將所獲得的地質資料和認識，應用于城市的規劃、建設和管理，其實質是地質科學和地質學家直接參與城市的規劃、建設和管理工作，為城市發展與控制提供可靠的科學依據。工作內容包括土地的合理利用、城市供水水源地的勘查和利用、區域地質環境安全性評價、城市礦產資源開發利用與論證、城市地質環境質量綜合評價與環境保護以及城市地質環境監測等。
城市地質學整合了城市管理和發展中所需的一系列地球科學分支，因此它是地球科學中綜合性最強的領域之一，涵蓋了部分工程地質學、環境地質學及土地管理學等，除此之外還有傳統的地層學、構造地質學、巖土力學、水文地質學等。因此，城市地質工作是在城市及其周圍地區或潛在城市化地區的特定空間范圍內，綜合考慮各種地質要素，研究其對城市發展所提供的資源、所施加的約束條件以及城市發展對其產生的影響，為城市規劃、建設和管理服務的地質工作[1].可見，城市地質作為一門應用性的地質學科，它并不是簡單的其他地質學分支學科資料的堆積，而是需要針對具體的城市地質問題，進行分析評估和綜合集成，并提出合理的解決辦法。
2 國外研究進展
城市地質的主體工作是主題應用填圖，為城市各類規劃、建設和管理提供決策支持[2].國外最早的城市地質工作大約是在 20 世紀 20 年代末開展的，具有代表性的是德國繪制了用于城市規劃的特殊土壤分布圖[3].30 年代末，德國出版了標示著各種土地利用適宜性的 1∶ 10 000 和 1∶ 5 000的地質圖，并用于 Bodenatlas 的城市擴建規劃[4];第二次世界大戰后，隨著人口增長和經濟復蘇，城市地質工作日益頻繁，特別是在歐洲和北美地區，如德國、捷克、斯洛伐克和荷蘭等國家實施了系統的城市地質填圖計劃，主要是對城市地區土壤和巖石的自然屬性進行填圖，用于指導城市規劃和建設[5],其中典型代表是 Prague 城市的1∶ 5 000地基填圖，包含建設層地基巖土的物理力學參數等工程地質信息，并且該城市大量的數據和圖件在不斷地更新[6].這一時期，德國有十多個城市完成了土地利用主題填圖[7].盡管這些圖件在城市規劃中發揮了重要作用，但總體來說其可讀性較差； 圖件及附注中包含了土壤自然屬性和土地利用適宜性的信息，但多為定性描述，這主要是由于土工實驗數據以及在原位或實驗室條件下水文地質測試數據的有效性較低。
隨著第二次世界大戰后美國經濟的高速增長以及其后的城市擴張，大量的地質工作者開始展開對城市地質的研究工作。例如，20 世紀 60 年代末至 70 年代，僅洛杉磯就有 150 多名地質學家在從事城市地質研究工作[8].同期，由于 Legget 的出版，地質數據在加拿大城市規劃和管理中的應用取得了突破性進展[6,9].至此，工業化國家更加關注城市中自然環境的改變和大量廢棄物造成的污染，廢棄物處理場的選址成為城市地質工作者新的研究領域。應用地球化學解決廢物污染問題迅速地成為一種發展趨勢，最早在德國出現對土壤納污潛力和污染容量極限的研究，生成“地質潛力圖”來為城市規劃服務[10],這套填圖系統后來被其他許多國家應用。這一時期美國地質調查局繪制了許多城市地質圖件[11 -12]; 許多歐洲國家也開展了一些特殊研究，包括尋求最合適的方法在城市化地區的圖件上展現地質數據[13 -15].西班牙的許多城市地區開展了用于城市規劃的 1∶ 25 000巖石土壤填圖工作[16],初步查清了不同類型地表淺層 巖 土 的 分 布 范 圍，如 在 馬 德 里 開 展 了1∶ 400 000 到1∶ 100 000 的填圖工作[17].可見，這一時期歐美發達國家的城市地質工作取得了重大進展： 首先，城市地質工作內容延伸到水土污染調查評價、地質資源潛力及其開發利用評價、城市廢棄物的處置及應用地球化學方法進行污染治理等多個方面，體現了調查與治理的相結合； 其次，工作區域從單個城市擴展到城市群地區，同時注重城市地質為環境規劃和土地利用規劃服務，提高了成果的實用性； 再次，各種專業信息系統相繼建立，這一時期約有 300 個系統投入使用，以獲取和處理地質、地理、地形和水資源信息。
20 世紀 70 年代末至 80 年代初，隨著水文地質和巖土模型應用的加強，使得定量描述和預測人類活動對地球圈層的影響成為可能，這一時期城市地質工作的一大特點就是主題填圖從定性到定量的過渡。例如，荷蘭開展了由土地開墾造成的地面沉降的危害研究，并在一些城市地區開展了侵蝕和沉積作用的影響研究[18].電子數據技術的采用帶動了全新的主題填圖工作，從而使規劃者、決策者和工程師能夠比過去更加容易地獲取這些主題圖，并根據需要及時地提取有用信息。
主題圖的編制更多地采用了定量化指標，并盡量簡化了圖面內容，使得非地質專業的用戶更加容易地理解圖的信息[14].東南亞和太平洋地區從 20世紀 80 年代中期開始，啟動了城市地質的研究工作。這項工作主要是在亞太經社會委員會（ ES-CAP,United Nations） 的推動下開展的，到目前為止，已經出版了 9 卷城市地質文集，主要介紹了包括中國、孟加拉、斐濟、印度尼西亞、馬來西亞，尼泊爾、巴基斯坦、菲律賓、朝鮮、斯里蘭卡、泰國和越南在內的國家專門的城市地質研究和現狀報告。早在 70 年代，印度的 Calcutta 城市便開展了城市地質工作并出版了一系列的城市巖土研究報告。在非洲，除了多哥外，其他國家均未開展過重大的城市地質工作[19 -20].這一時期城市地質工作的另一大特點是對地質資源保護意識的增強。地下水資源研究從注重水量轉變為水質水量并重，解決含水層污染問題從調查治理轉變為預防與治理相結合。地下水可供能力、地下含水層脆弱性評價研究與編圖作為對地下水資源進行保護的重要措施得到高度重視，并成為 80 年代后期城市地質工作的主題。80 年代末，美國、意大利、荷蘭、德國、瑞典、英國、捷克等國家相繼出版了 1∶ 1 萬 ~1∶ 100 萬不同比例尺的地下水脆弱性圖，為政府官員、規劃者和管理者了解土地利用活動與地下水污染之間的關系，識別地下水易于污染的高風險區，制定地下水保護的方針政策和管理方案提供了依據[21].
20 世紀 90 年代至今，是國際城市地質工作新的發展時期，保障人類生命財產安全和促進城市社會、經濟、環境可持續發展的城市地質工作目標進一步明確，工作思路和工作方法也有所創新。
如 90 年代初期英國地質調查局啟動了“倫敦計算機化地下與地表項目（ LOCUS） ”.該項目的目標是繪制用于土地利用規劃、土木工程建設和解決地質環境問題的各種主題圖件。這項工作是基于包含 2 萬多份鉆孔描述資料的數字化數據庫和具有強大功能的 GIS 與模型技術完成的。德國地質調查局將工作重點由礦產勘查轉向環境調查研究，主要開展了城市及其周圍地區的環境地球化學調查、污染評價； 垃圾場污染的調查、評價及污染監控、治理等環境地質工作； 建立了城市行政機關、地質調查所的綜合數據庫，并獲取廣泛的其他地學知識，為城市規劃建設和地下水利用服務。
2000 年，英國地質調查局啟動了“城市地球科學研究”項目，旨在為城市發展提供綜合的`地質信息。
該項目劃分為地表礦床特征、三維巖體特征和信息系統研發 3 類 6 個主題研究子項目。2003 年，Quaternary International 編輯部出版了 《新西蘭和澳大利亞東部城市與第四紀地質》（ Urban andQuaternary Geology,New Zealand and Eastern Aus-tralia） 以及 《The Shaping of Sydney by Its UrbanGeo-logy》。報告論述了這些地區城市的地質條件和面臨的問題，闡述了城市地質如何融入到城市規劃、土地利用、防災減災中，指出城市空間布局和發展戰略要適應地質資源和地質環境條件[22].2008 年 8 月第 33 屆國際地質大會在挪威奧斯陸召開，大會的主題是“地球系統科學---可持續發展的基石”.此次大會關于城市地質的內容也很多，其中國外城市地質成果介紹中最具代表性的為挪威國家地質調查局在奧斯陸地區開展城市地質調查項目，項目主要研究內容有 10 個方面： 氡災害、地面沉降、城市土壤污染、地熱、砂礦資源、地下水、礦產地質、基底穩定性與監測、地質教育等。
工作思路上在這一時期，一方面注重以整體觀點研究城市地質問題。城市地質工作從解決比較簡單的規劃建設問題深入到解決更為復雜的區域整體開發和決策問題。如美國于 1991 年開始實施水流域綜合保護計劃，將分散的水資源保護轉向使用水流域的研究，在統一的水文地質單元內共同解決水資源的可供能力、水資源污染和生態環境惡化問題，使管理者能夠從整個水流域全面地考慮影響水資源的各種作用[18].對于城市災害，則注重對群發或誘發的災害系統研究，研究災害的影響面、易損性和對災害的反應。近年來在國際地科聯環境規劃地質科學委員會的倡導下，西方國家正著手建立反映地質過程和地質現象變化大小、頻率和趨向的地質指標體系，并將地質指標與城市的經濟、社會、環境指標結合起來，從整體來考慮城市的建設和發展。另一方面，實施全面保護城市地質環境、超前服務于城市可持續發展的戰略。這一戰略的確定正是對過去城市化過程中忽視環境、忽略地學信息，造成城市災害頻發的后果做出的深刻反思。如美國在地下水污染治理方面位居世界前列，最近十幾年內僅清理油滲漏造成的土壤和含水層污染的費用就高達數千億美元。由于對復雜的水文地質條件認識不足，所采用的抽取 - 處理技術并未達到預期效果。
如今美國科學家和立法者已經認識到，最成功的污染治理戰略將是對土壤和地下水污染場地及其周圍地區實施風險管理戰略。類似的如城市快速發展而防災、減災措施相對滯后導致的城市災害影響面擴大和易損性增強，已經影響或制約了城市的可持續發展。為此，地質災害風險性評估、水土污染風險識別、地下水可供能力、城市脆弱性評價以及建立環境變化的地質指標等作為對城市地質環境實施保護的超前服務工作，成了 90 年代至今城市地質工作的重點和熱點。
在技術方法上，多學科、多目標、多種技術方法的交叉配合，提高了城市地質工作的質量和效率，增強了其解決實際問題的能力。如利用探地雷達、高分辨率地震、層析成像等先進技術進行工程和地質災害勘察取得了顯著功效，尤其利用 GIS、RS、GPS 技術進行城市地質調查、地質災害監測與防治，采集多學科地學信息，建立 GIS平臺的地學信息空間數據庫和自然災害風險評估的決策支持系統，較好地滿足了城市地質快速適應城市發展的需求。
3 發展趨勢
縱觀國外城市地質工作的開展歷程，經歷了工作內容從單純查清地質條件到涵蓋廢棄物處置、水土污染防治、地質災害風險性評估、地下水脆弱性評價、多目標地球化學、生態地質調查等多種內容的綜合調查研究； 對城市地質環境的調查與編圖從定性描述深入到定量評價； 工作思路從調查分析單一的地質問題轉變為從整體上綜合考慮城市規劃、發展的需求，超前服務于城市社會、經濟的可持續發展； 工作區域從單個城市擴展到城市群地區乃至國土規劃經濟開發區； 技術方法從利用水文地球化學和地球物理技術的勘探開發服務拓展為多學科、多種先進的勘察、檢測、分析技術相互結合的多目標服務； 地質信息從編制紙介質的圖件、報告提升到建立空間數據庫和 GIS平臺上的地學信息系統，實現信息及時更新、動態評價和社會共享。進入 21 世紀以來，隨著世界城市化進程的加快，城市地質災害問題日益突出，已成為城市可持續發展的重要制約因素，這使得城市地質研究越來越被重視。
3. 1 城市地質工作理論更加系統更加完善
城市地質工作秉承科學發展觀的基本內涵，融合多學科理論觀點，形成以確保城市地質生態安全為主題、實現人與自然和諧發展的理論體系，推崇尊重自然規律和社會規律，實現社會經濟在地質環境容量允許、質量良好的前提下加快發展。
應特別加強對三維建模、地質災害風險管理理論研究，建立地下水、土壤污染評價理論體系[23].
3. 2 城市地質工作的深度及服務應用領域將不斷拓展
目前城市地質工作更多地側重于城市基礎性地質調查填圖和評價工作，如基巖地質、第四紀地質、水文地質與工程地質調查等[24; 另外針對環境地質問題或地質災害開展調查評價工作，如活動斷裂、地面沉降、水土污染等。在獲得區域地質背景基礎上，針對應用開展更深層次的研究工作將是今后城市地質工作的一個重要方向。此外，城市地質的許多工作內容也正在結合應用開展更深層次的研究工作，如工程地質結構應用于地下空間開發和地下地籍管理，水文地質應用于地下工程開挖承壓水問題，地球化學應用于土壤監測、修復與治理，岸帶沖蝕與淤積應用于灘涂資源管理等。
3. 3 以 GIS 為平臺的數字城市地質資料集群化系統將更加智能
地質資料信息服務集群化是今后地質工作的重要方向之一，城市地質資料的集群化工作將是必然趨勢，它是城市地質實現服務多元化目標的基礎。目前城市地質信息管理平臺大多具備地質資料數據庫的管理功能、地質成果圖件的展示功能，今后將朝更多專業模塊融合、專業分析、綜合評價、應急管理等更智能方向發展[25].同時城市地質信息管理平臺如何實現與土地資源管理平臺、城市規劃管理平臺、城市建設管理平臺的銜接也是一個重要方向。例如，英國為確保及時滿足城市發展對地質科學信息的需求，形成對各種城市地質問題具有快速反應能力、基于 GIS 平臺的地質科學信息基礎數據庫信息化系統。英國地質調查局地質工作小組還在泰晤士河口地區開展了地球科學數據信息系統建設項目。這在很大程度上反映了當今發達國家城市地質工作的基本趨勢。
3. 4 土壤和地下水污染風險識別與評價及其治理仍是今后城市地質工作的重點
近年來，地下水污染治理已成為城市地質工作的重點，并被一些國家提高到保護人類健康和社會持續發展的高度來看待。地下水污染治理走過了以下的歷程： 20 世紀70 年代，地下水治理與恢復的戰略為“識別→修復”,即識別地下水的污染場地，對其進行治理。到了 80 年代地下水治理與恢復的戰略為“預測→防治”,即對地下水污染場地的污染潛力進行預測，對其進行必要的防治措施，以免污染進步擴大。進入 90 年代后，采用以風險評價為基礎的地下水治理與恢復的戰略，即為保護人類健康和生態環境的長期經濟可持續發展，對地下水資源進行全面的保護。尤其在美國，科學家和立法者已經認識到，最成功的污染治理戰略將是對土壤和地下水污染場地及其周圍的地區實施風險管理戰略，即通過風險評價，識別減輕污染的途徑，并對污染以某種方式進行遏制來保護人類健康和環境。這是最近幾年污染治理的新動向。原位生物治理技術是治理地下水污染和土壤污染的一種很有前景的技術； 然而，由于對地下環境中做生物的作用過程的認識不夠，目前國際上真正費用低、效果好的原位生物治理技術仍有限。動力控制與原位微生物方法聯合治理地下水污染是今后的發展方向，未來污染的遏制是降低污染處理費用的有效途徑。
3. 5 地下水動力系統的變化對城市基礎設施的影響已引起廣泛的關注
城市發展的初期，經濟快速發展，用水量急劇增加，導致大量抽取地下水，使地下水水位普遍下降，從而引起系列的工程和環境問題。如黏土壓實引起地面沉降、地裂縫，使工程地基和地下工程不穩定； 咸水入侵和水質惡化； 水井掉泵等問題。城市發展的成熟階段，地下水上升會引發一系列的水土、工程和環境效應。人們認為城市化最明顯的影響因素是道路鋪瀝青和澆筑混凝土使土地表面透水性不好。
最近的研究表明，城市地區地下水總的補給大多是增加的。原因是： 在不透水地方的邊緣，入滲增大； 供水系統的滲漏； 污水系統、化糞池和工業污水處置的滲漏，特別是在發展中國家排污設施條件差或沒有排污設施的地方； 綠地和樹木的過度澆灌，增大補給。城市地下水總補給量的增加可以大大抵消由于城市化地面不透水所引起的任何地下水補給的減少量。這種補給的增加，不僅改變了地下水的動態平衡（ 使地下水水位上升） ,也改變了地下水的水質，引起地下水的污染。地下水補給增多對地下工程的穩定性也產生重要的影響，主要表現在： 突水對地基和隧道的破壞； 承載力的下降和一些建筑物的下沉； 對地下構筑物的侵蝕作用增加； 地下水構筑物的抬升和結構的破壞； 對地下水污水管道和化糞池的破壞，使污染物進入地下水中，使人類健康和環境處于風險之中； 污染物和有毒氣體從污染的土壤中遷移。這一系列問題都將是未來城市地質工作的研究熱點。
3. 6 城市地質調查正在更多地區不同類型的城市開展
城市地質調查從 20 世紀開始到現在，已經近百年，世界上許多城市已經開展過城市地質調查，如洛杉磯、柏林、東京、倫敦和莫斯科等都開展過相對綜合的城市地質調查并出版了相關著作，如 《莫斯科城市地質》。目前有更多的城市正在開展城市地質調查工作，如我國的上海、北京、天津、廣州、南京和杭州，國外如挪威的奧斯陸、芬蘭的赫爾辛基和日本的東京等。其中挪威奧斯陸城市地質調查覆蓋了地質結構、地質資源、地質災害等方面內容。非洲的許多國家城市地質也正在許多城市開展，比如尼日利亞的拉各斯、埃及的開羅等。由我國國土資源部組織開展、中國地質科學院水文地質環境地質研究所承擔的全國306 座城市地質問題摸底調查工作，歷經 8 年于2012 年完成，此次調查將我國城市按所處地貌環境分為平原、盆地、低山、丘陵、山地和高原等類型（ 圖 1） ,對各類型城市地質問題現狀和危害進行了調查評價。調查發現位于不同地貌類型地區的城市，其地質問題各具特點，城市發展適宜性也不同，在進行城市地質工作時有必要分類進行研究。
3. 7 地質災害調查與監測是城市地質的重要內容之一
地震、滑坡、泥石流、地面沉降、水土污染和岸帶沖淤等地質災害將直接影響城市的可持續發展，每個城市都面臨不同的地質災害。調查發現，中國地級以上城市建成區范圍內，近 10 年間，滑坡、崩塌、泥石流和塌陷等地質災害共造成 529 人死亡，規劃區范圍內造成 3 681 人傷亡，毀壞房屋 24 萬余間； 近 30 年來，城市規劃區范圍內各類城市地質問題累計造成經濟損失約 3. 2萬億元。可見，地質災害調查與監測仍將是未來城市地質的重要內容之一，并且，今后除繼續開展地質災害調查之外，更應側重地質災害動態監測與預警預報。如何將地面沉降監測與軌道交通安全運營結合起來開展預警預報工作，如何建立覆蓋不同建設用地類型、農用地類型的土地質量動態監測網，海岸帶沖蝕淤積監測如何與跨海大橋、重點岸堤保護結合等，地震、滑坡、泥石流等地質災害如何監測及如何啟動應急響應機制等。
3. 8 調查、監測和測試等方法技術會不斷革新
隨著城市管理的要求逐步提高，城市地質調查對方法技術要求越來越高，比如通過提升地球物理探測技術獲得工程地質、水文地質、土壤污染等參數信息[26],通過衛星遙感技術的改進監測區域地面沉降、水土污染、岸帶沖淤等，如何在現場快速圈定受污染土壤的范圍，地震、滑坡及泥石流的監測預警預報技術的需求也非常迫切。
另外測試質量水平將直接影響地質評價的結果，如目前土壤地球化學元素測試技術還不能完全滿足土地質量動態監測的較高要求，某元素的檢出限誤差可能比實際年度變化量高許多，年代測試的準確與否將直接決定地層歸屬，水土有機污染物測試結果的重復性檢驗較差將直接影響結果的準確性。調查、監測及測試等方法技術的不斷革新，將是今后完善城市地質工作的重要途徑之一。
3. 9 城市地質工作機制建設越來越被重視
城市地質如何融入到城市規劃建設與管理的機制建設將是決定城市地質發展動力關鍵所在，今后城市地質服務機制的建立和完善將是一個重要的發展趨勢。如城市地質工作模式由問題推動型到理念發展型的發展[27],城市地質工作與區域經濟發展規劃結合機制的形成，城市地質工作如何融入到城市規劃管理流程、土地資源管理流程等政府管理主流程[28],城市地質信息更新與共享服務機制建設等[29 -30].
4 結論與討論
綜上所述，城市地質兼有自然科學與應用科學的雙重屬性，隨著科技與社會的進步，城市地質學的概念不斷變化和拓展，而城市地質學的核心仍是地質學，其最大特點是綜合性，其發展的動力要依托機制的創新，應注重它的應用性、方法技術的革新。我們既要研究現有地學成果和技術手段如何應用于城市建設，又要研究如何更新技術手段以滿足城市建設新的需求。
從整體而言，我國城市地質工作水平仍落后于發達國家，但差距正在逐步縮小。20 世紀 60 年代，主要是以抓基礎地質為主，科研方向為基礎地質理論。70-80 年代，國內有關專家和地質科研機構對地震地質愈來愈重視。20 世紀 90 年代以來，隨著城市化戰略的提出，大規模工程建設活動則使城市環境巖土工程問題及地質災害問題成為優先研究方向[31 -32].如今，建設富裕、安全、和諧社會這一建設目標的提出，使現階段科研規劃中資源環境仍為優先領域，資源、環境、污染成為優先主題。
我國未來城市地質工作的重點、內容應根據城市、經濟區具體的地質問題和發展需求而定。
北方資源型缺水城市，解決地下水水源、可持續開發利用地下水資源是城市地質的重要任務，查明含水層的空間分布，進行地下水源地的勘查，優選和評價地下水庫等成為城市地質調查的主要內容。西部地區生態環境脆弱，在西部大開發的形勢下，城市地質要圍繞生態環境保護做工作，工作內容擬包括地質環境組成要素的脆弱性調查評價、城市建設適宜性評價等。礦山城市要重點調查開礦產生的地質災害，如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、水土污染等，進行地質環境安全性評價，提出治理對策； 對將要閉坑的礦山城市，為生態環境恢復，可進行土地復墾、地面塌陷治理條件、治理方法適宜性的調查評價等�？傮w而言，城市地質工作應在 3 個層面上展開： 基礎地質調查、主題填圖、綜合評價與研究。各層面之間相互聯系，彼此依托，互為促進[33].可見，城市地質工作的全面推進，有賴于將地質調查評價結果與城市的經濟、社會、環境指標相結合，通過資源系統的承載力、地質環境容量的評價和地質災害預警，實現城市地質與城市國民經濟系統的融合，全面保護城市地質環境，服務于城市可持續發展。
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