不同汛前水位控制方案下平原新城豎向標(biāo)高研究

王川濤 曹喆 黃麗嬌 王茜

摘要：為確定平原河網(wǎng)新建城區(qū)的地面基準(zhǔn)建設(shè)標(biāo)高，以江蘇省丹陽(yáng)市練湖新城匯水區(qū)為研究對(duì)象，在50 a一遇城市設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下，通過MIKE 11水動(dòng)力模型與ArcGIS土方挖填分析工具，研究高、低兩種不同汛前水位控制方案對(duì)最高設(shè)計(jì)水位與場(chǎng)地豎向方案的影響，并從安全保障、土方平衡、挖填面積以及親水性4個(gè)方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行綜合比較。研究結(jié)果表明：兩種方案均能保證排水的安全性，但相較于汛前高水位方案，低水位方案最高水位控制低、峰現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)、土方缺口較小、挖填面積較小，更適宜練湖新城的建設(shè)。通過城市水系最高水位控制與場(chǎng)地豎向的挖填方耦合分析，為南方平原地區(qū)的新城建設(shè)豎向基準(zhǔn)標(biāo)高確定提供了參考思路。

關(guān) 鍵 詞：城市防洪; 平原地區(qū); 新城建設(shè); 城市豎向標(biāo)高; 汛前水位; MIKE 11; ArcGIS; 土方分析

中圖法分類號(hào)： TU998.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.005

0 引 言

近年來，受極端天氣影響，城市洪澇災(zāi)害頻頻發(fā)生，并伴隨一系列社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，是困擾城市發(fā)展的主要災(zāi)害因素[1]。科學(xué)合理地確定新城建設(shè)的豎向標(biāo)高，是保障城市防洪排澇水安全、提高城市韌性的重要前提[2-3]。

MIKE 11水動(dòng)力模型是丹麥水與環(huán)境研究所（DHI）開發(fā)的一維水動(dòng)力模型[4]，因其界面友好、功能全面，被廣泛用于城市防洪排澇模擬評(píng)估中。蔣書偉等[5]運(yùn)用MIKE 11模型計(jì)算了南渡江防洪能力，并預(yù)測(cè)了防洪水面線;楊洵等[6]基于MIKE 11計(jì)算了太子河觀一葠河段水面線;崔紹峰等[7]通過MIKE 11模型計(jì)算了季節(jié)性河流馬頰河萃縣段的河道水面線。目前已發(fā)表的研究主要集中在水利科學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用MIKE 11、HEC-RAS等水力模型研究河道粗糙系數(shù)、河道斷面形式以及水工構(gòu)筑物調(diào)度控制條件等因素對(duì)水位的影響，計(jì)算河道的水面線，提出最高的防洪排澇設(shè)計(jì)水位與運(yùn)行的調(diào)度方案，但鮮有研究將水利與城市建設(shè)關(guān)系耦合，系統(tǒng)性地探討將汛前控制水位、最高控制水位與開發(fā)建設(shè)的場(chǎng)地豎向標(biāo)高耦合，尋找安全、經(jīng)濟(jì)合理的新城建設(shè)標(biāo)高。

本研究以江蘇省丹陽(yáng)市練湖新城匯水區(qū)作為研究對(duì)象，選取MIKE 11一維水動(dòng)力模型，分別模擬汛前高水位、低水位兩種方案在50 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)下的河道水系設(shè)計(jì)水面線，并確定對(duì)應(yīng)的最高控制水位，作為道路與場(chǎng)地豎向標(biāo)高的設(shè)計(jì)依據(jù);進(jìn)而采用ArcGIS 10.3 Cut/Fill模塊[8]，對(duì)規(guī)劃地形與現(xiàn)狀地形進(jìn)行挖填方測(cè)算;最后從防洪排澇水安全、土方平衡、挖填面積、親水性4個(gè)角度綜合比選出最優(yōu)豎向標(biāo)高方案，對(duì)于南方平原地區(qū)洪澇災(zāi)害問題的改善、新城建設(shè)豎向標(biāo)高的規(guī)劃設(shè)計(jì)均具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)現(xiàn)狀分析

本次研究范圍為江蘇省丹陽(yáng)市西北部的練湖新城區(qū)域，匯水面積約26.7 km2，屬太湖流域湖西片區(qū)流域范圍;研究區(qū)域現(xiàn)狀地形高程范圍為3～22 m（見圖1），整體地勢(shì)低平，為典型的南方平原區(qū)域。該地區(qū)屬北亞熱帶南部季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年降雨量充沛，多年平均降雨量1 086 mm（1980～2010年統(tǒng)計(jì)），年內(nèi)降雨分布極不均勻，汛期（6～9月）平均降雨量670.2 mm，占平均雨量的62.9%。區(qū)域內(nèi)地下水主要屬于松散巖孔隙水類型，但上部含水層較薄，富水性相對(duì)較差;區(qū)域下部含水層較厚，顆粒粗，富水性較好，開采難度大。

研究區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀用地主要為練湖魚塘和農(nóng)田，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水系為練湖河、彎河（見圖2）。研究范圍周邊的現(xiàn)狀河道眾多，包括京杭大運(yùn)河、新河、幸福河、中心河、五龍河、西門運(yùn)河。

1.2 研究區(qū)規(guī)劃概況

為提高區(qū)域的滯洪和調(diào)蓄能力，改善區(qū)域水系生態(tài)環(huán)境，規(guī)劃建設(shè)練湖，并與彎河、中心河、京杭大運(yùn)河、西門運(yùn)河相聯(lián)通。規(guī)劃方案水面面積約2 km2，保留現(xiàn)狀彎河與練湖河，練湖分為上練湖、下練湖和湖鏈（見圖3）。練湖匯水范圍包括彎河以及湖體直接匯水兩部分（見圖4），總共約26.7 km2，其中彎河匯水面積15.4 km2，練湖湖體直接匯水范圍11.3 km2。匯水范圍內(nèi)規(guī)劃用地主要以綠地、居住、商業(yè)與研發(fā)用地為主。結(jié)合規(guī)劃土地利用圖以及地形地勢(shì)，將練湖進(jìn)一步劃分為39個(gè)二級(jí)匯水分區(qū)。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究涉及的數(shù)據(jù)主要有雨量數(shù)據(jù)、河道水位數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)、地面高程數(shù)據(jù)4個(gè)部分，其中雨量數(shù)據(jù)來源于氣象部門，河道水位數(shù)據(jù)來源于水利部門，現(xiàn)狀河道斷面數(shù)據(jù)、地面高程數(shù)據(jù)來源于相關(guān)部門的實(shí)測(cè)資料，規(guī)劃斷面數(shù)據(jù)結(jié)合制定的方案確定。

2.2 區(qū)域概化

MIKE 11模塊包括河道平面文件（NWK）、河道斷面文件（XNS）、邊界條件（BND）、降雨徑流（RR）以及參數(shù)文件（HD）5個(gè)子模塊。在河道平面文件中，將研究區(qū)域內(nèi)彎河、上下練湖、練湖河、湖鏈等水系概化為河段，概化河段總長(zhǎng)度31.7 km，并在水位控制處設(shè)置9個(gè)閘門;在XNS文件中對(duì)河段對(duì)應(yīng)的128個(gè)關(guān)鍵斷面進(jìn)行斷面形式與參數(shù)輸入，在BND文件中對(duì)6個(gè)入流邊界、3個(gè)出流邊界條件進(jìn)行輸入;在RR文件中對(duì)39個(gè)匯水分區(qū)的地表產(chǎn)匯流參數(shù)以及降雨過程進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入;在HD文件中對(duì)初始水位以及河道粗糙系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。

2.3 邊界條件

2.3.1 降雨邊界條件

（1） 降雨量。

根據(jù)江蘇省丹陽(yáng)市氣象站1980～2010年實(shí)測(cè)最大24 h降雨量，利用P-Ⅲ曲線適線分析，得出各頻率下的降雨量（見表1）。

（2） 設(shè)計(jì)降雨過程線。

丹陽(yáng)市練湖新城的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，根據(jù)《江蘇省暴雨查算手冊(cè)》對(duì)降雨進(jìn)行時(shí)程分配（見圖5），作為MIKE 11模型長(zhǎng)歷時(shí)降雨的數(shù)據(jù)輸入。4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD

2.3.2 水位邊界

京杭大運(yùn)河是練湖的受納水體，水位受河道整治、上游水庫(kù)調(diào)度等因素影響，變化較大。本次研究采用年最大值法，根據(jù)運(yùn)河丹陽(yáng)水位站1961～2010年每年最高水位監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行排頻分析，得出各頻率下的設(shè)計(jì)水位（見表2）。

2.3.3 遭遇分析

本次研究分別從年最大日降雨量與對(duì)應(yīng)水位，以及年最大日水位與對(duì)應(yīng)降雨量?jī)蓚€(gè)方面，深入研究降雨量與水位的遭遇關(guān)系。分析結(jié)果表明：2003年最大日降雨量為290.8 mm，接近50 a一遇設(shè)計(jì)降雨，其對(duì)應(yīng)的水位為5.11 m，接近20 a一遇水位;1991年的最大日水位為5.51 m，接近50 a一遇設(shè)計(jì)水位，其對(duì)應(yīng)降雨量為178.8 mm，約在5 a一遇與10 a一遇降雨之間。從30 a的逐日降雨量與水位的數(shù)據(jù)對(duì)比分析中可以看出，降雨與受納水體的水位往往不是同頻遭遇，這與劉曾美等[9]的研究結(jié)論一致。后續(xù)研究分別在MIKE 11中對(duì)兩種遭遇情況進(jìn)行分析，得到兩種情況下的水面線，并取外包線作為水系的設(shè)計(jì)水面線。

2.4 模型參數(shù)選擇與率定

MIKE 11水動(dòng)力模型需要輸入的模型數(shù)據(jù)主要有兩類：一類為基本參數(shù)，包括時(shí)間設(shè)置與模塊選擇;另一類為物理參數(shù)，包括初始水位、粗糙系數(shù)、地表產(chǎn)匯流等參數(shù)。MIKE 11水動(dòng)力模型主要設(shè)置參數(shù)如表3所列。

其中，子匯水區(qū)降雨徑流參數(shù)采用URBAN A模型[11]，參照MIKE 11用戶手冊(cè)中的推薦數(shù)值確定地表產(chǎn)匯流參數(shù)初始值。使用Nash-Sutcliffe系數(shù)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差，采用R2指標(biāo)來衡量模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果間的線性相關(guān)程度[12]。最終確定最大、最小初始損失百分?jǐn)?shù)分別為90%和5%，初始洼蓄量為0.6 mm，衰減系數(shù)為0.9。

2.5 模型驗(yàn)證

建立現(xiàn)狀水系模型，選取練湖河2015年6月27日24 h實(shí)測(cè)降雨-水位結(jié)果驗(yàn)證模型的參數(shù)（見圖6）。結(jié)果顯示：在相同的降雨條件下，練湖河各斷面處最高水位模擬值范圍為5.47～5.72 m，與實(shí)際測(cè)量值的誤差均小于2%，吻合程度高，因此MIKE 11模型參數(shù)的選取具有較高的可靠性。

3 結(jié)果分析

3.1 基于MIKE 11模型的控制水位分析

汛前水位對(duì)河道湖泊的調(diào)蓄庫(kù)容以及最高控制水位有一定的影響。根據(jù)現(xiàn)狀場(chǎng)地標(biāo)高的實(shí)際情況以及水系景觀的親水性等因素，選取練湖河下游汛前4.7 m低水位方案與汛前5.5 m高水位方案分別進(jìn)行分析，推求兩種情景下設(shè)計(jì)水面線，進(jìn)而得到在滿足50 a一遇城市排澇標(biāo)準(zhǔn)下河道湖泊的最高控制水位（見表4）。

在汛前低水位方案下，彎河50 a一遇最高控制水位為6.02～6.82 m，練湖、湖鏈與練湖河控制水位在5.73～5.76 m;彎河區(qū)域汛前高水位方案最高控制水位比低方案約高出0.5～0.6 m;在練湖、練湖河以及湖鏈區(qū)域高出約0.3～0.5 m，這表明汛前水位對(duì)最高控制水位影響顯著。劉志成等[13]使用MIKE 11模擬平原水網(wǎng)感潮區(qū)的水系運(yùn)行情況，研究結(jié)果表明，場(chǎng)地建設(shè)豎向標(biāo)高的確定受最高控制水位的影響。本文后續(xù)將以最高控制水位作為道路與場(chǎng)地豎向標(biāo)高的設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)一步討論高、低水位方案對(duì)新城場(chǎng)地豎向標(biāo)高的影響。

3.2 基于GIS填挖方方法的場(chǎng)地豎向標(biāo)高

由于彎河匯水范圍內(nèi)有一定比例的現(xiàn)狀建設(shè)用地，且地勢(shì)較低，基本以填方為主;而練湖自身的匯水范圍是完全新建的新城，待開挖區(qū)域較大，存在場(chǎng)地內(nèi)土方自平衡的可能性，因此本次研究重點(diǎn)分析練湖自身11.3 km2的匯水區(qū)域場(chǎng)地的豎向標(biāo)高與土方平衡（見圖7）。為進(jìn)一步探討最高控制水位對(duì)場(chǎng)地豎向標(biāo)高的影響，分別對(duì)高、低水位方案下規(guī)劃場(chǎng)地內(nèi)的湖體區(qū)域以及場(chǎng)地區(qū)域進(jìn)行土方平衡分析。

3.2.1 湖體區(qū)域挖填方分析

參考太湖流域9個(gè)面積大于0.5 km2的湖泊平均水深狀況，結(jié)果表明：太湖流域湖泊平均水深范圍主要分布在1.5～2.0 m之間，為典型的淺水型湖泊[14]?？紤]到較深的水深有利于水質(zhì)凈化[15]，且產(chǎn)生的挖方量可用于城市建設(shè)用地回填，規(guī)劃汛前低水位運(yùn)行方案下的水深范圍約為0～4.7 m;汛前高水位運(yùn)行方案水深范圍約0～5.5 m。練湖平均水深取值較太湖流域典型的淺水型湖泊深，低水位控制方案平均水深為2.8 m，高水位控制方案為3.2 m。

練湖的恢復(fù)對(duì)區(qū)域防洪排澇起到積極作用，而湖體的挖深，決定了湖體的庫(kù)容大小，同時(shí)也是練湖匯水區(qū)填土土方的重要來源。結(jié)合練湖的功能定位、水質(zhì)保障、景觀設(shè)置以及現(xiàn)狀京杭大運(yùn)河、練湖河的底高程，確定恢復(fù)的練湖深泓線與現(xiàn)狀練湖河、京杭大運(yùn)河基本一致，并從湖體岸邊至深泓線均勻放線，營(yíng)造深潭淺灘景象。不同汛前控制水位方案下水位控制與場(chǎng)地豎向標(biāo)高關(guān)系如圖8所示。

繪制兩個(gè)不同情景下湖體等高線，并輸入ArcGIS制作成為10 m×10 m的DEM（見圖9），根據(jù)規(guī)劃標(biāo)高與現(xiàn)狀場(chǎng)地標(biāo)高的疊加，確定不同情景下的挖填方量以及可用于其他場(chǎng)地回填的余方量，如表5所列。結(jié)果表明：汛前低水位控制方案總庫(kù)容約606萬m3，產(chǎn)生可用于回填的余方量約為736萬m3;汛前高水位控制方案總庫(kù)容約687萬m3，產(chǎn)生可用于回填的余方量約為676萬m3。兩方案湖最深底高程保持一致，高水位控制方案較低水位控制方案的余方量約少60萬m3。

3.2.2 陸地區(qū)域的挖填方分析

練湖周邊陸地區(qū)域現(xiàn)狀基本為魚塘和農(nóng)田，標(biāo)高相對(duì)較低，主要集中在4.0～9.0 m。本文基于MIKE 11水動(dòng)力模型確定了區(qū)域內(nèi)各水系最高控制水位;在此基礎(chǔ)上考慮一定的安全裕度（超高按0.5 m考慮），以此作為最低場(chǎng)地標(biāo)高;按照《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》[16]的排水要求，以0.3%的坡度遞增的方式確定最高點(diǎn)，并與現(xiàn)狀周邊道路場(chǎng)地進(jìn)行充分銜接，繪制規(guī)劃區(qū)場(chǎng)地規(guī)劃等高線。將繪制的等高線輸入ArcGIS，并制作成10 m×10 m的規(guī)劃DEM（見圖10），利用ArcGIS 10.3的空間挖填方分析（Cut/Fill）模塊，找到現(xiàn)狀地表數(shù)字高程模型（DEM）和設(shè)計(jì)DEM之間的交線，即為挖填分界線，然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件統(tǒng)計(jì)分析功能計(jì)算每個(gè)回填區(qū)或開挖區(qū)的體積，最終得到挖填的土方量[17]。4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD

在汛前4.7 m低水位控制方案下，如表6所列，練湖的最高控制水位為5.73～5.76 m，規(guī)劃場(chǎng)地的建設(shè)標(biāo)高主要范圍為6.25～7.20 m，挖土方量為164萬m3，填土方量為917萬m3，缺土方量為753萬m3;在汛前5.5 m高水位控制方案下，練湖的最高控制水位為6.03～6.25 m，規(guī)劃場(chǎng)地的建設(shè)標(biāo)高主要范圍為6.53～7.50 m，挖土方量為110萬m3，填土方量為1 254萬m3，缺土方量為1 144萬m3。高水位控制方案由于場(chǎng)地建設(shè)的豎向標(biāo)高較高，缺方量較低水位控制運(yùn)行方案高出391萬m3。

3.2.3 方案比較

從安全性角度考慮，低水位控制方案與高水位控制方案均能保障城市建設(shè)安全。

從土方平衡角度考慮，汛前4.7 m低水位控制方案湖體區(qū)域產(chǎn)生用于回填的余方量約為736萬m3，陸地區(qū)域缺土方量約753萬m3，恢復(fù)湖體產(chǎn)生的土方基本與陸地缺土方量持平，基本實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)的自平衡;汛前5.5 m高水位控制方案湖體區(qū)域產(chǎn)生用于回填的余方量約為676萬m3，缺土方量約1 144萬m3，凈缺土方量為468萬m3，缺口較大，土源壓力增加，經(jīng)濟(jì)成本增加。

從挖填面積考慮（見圖11），低水位控制方案挖方區(qū)域面積約為4.0 km2，填方區(qū)域面積約7.3 km2;高水位控制方案挖方區(qū)域面積約為3.2 km2，填方區(qū)域面積約8.1 km2。從經(jīng)濟(jì)成本考慮，填方區(qū)域比挖方區(qū)域成本高，低水位控制方案優(yōu)于高水位控制方案。

從親水性角度考慮，低水位控制方案安全建設(shè)地坪標(biāo)高與汛前控制常水位差值為1.5 m，高水位控制方案為1.0 m，高水位方案優(yōu)于低水位方案。

綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性，推薦采用低水位控制運(yùn)行方案確定的豎向標(biāo)高作為練湖新城的建設(shè)標(biāo)高，即汛前常水位控制在4.7 m，非汛期常水位可適當(dāng)提高至5.0～5.2 m，最高控制水位5.73～5.76 m，建設(shè)用地最低安全標(biāo)高為6.25 m。

4 結(jié) 論

（1） 本文通過構(gòu)建練湖新城匯水區(qū)域MIKE 11水動(dòng)力模型，在滿足50 a一遇城市設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)高、低兩種汛前水位方案的河道水面線進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：對(duì)于低水位控制方案，彎河最高控制水位為6.02～6.82 m，練湖、湖鏈與練湖河控制水位在5.73～5.76 m;對(duì)于高水位控制方案，彎河區(qū)域最高控制水位相對(duì)低水位控制方案情景下高出0.5～0.6 m;練湖、練湖河以及湖鏈區(qū)域相對(duì)高出約0.3～0.5 m，且練湖、練湖河的水位峰現(xiàn)時(shí)間相對(duì)低水位情景下明顯提前。

（2） 分別以兩種方案最高控制水位作為道路與場(chǎng)地豎向標(biāo)高的設(shè)計(jì)依據(jù)，確定了兩種方案的基本規(guī)劃地形等高線DEM;進(jìn)而使用ArcGIS 10.3軟件Cut Fill模塊，對(duì)練湖自身匯水范圍內(nèi)的湖體區(qū)域及場(chǎng)地區(qū)域進(jìn)行土方平衡分析。結(jié)果表明：汛前4.7 m低水位控制方案下，湖體區(qū)域基本實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)的土方自平衡;汛前5.5 m高水位控制方案的凈缺土方量為468萬m3，缺口較大，土源壓力增加。

（3） 從安全性、土方平衡、挖填面積、親水性4個(gè)方面對(duì)高、低水位方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，建議采用低水位控制運(yùn)行方案確定的豎向標(biāo)高作為練湖新城的建設(shè)標(biāo)高，即汛前常水位控制在4.7 m，最高控制水位5.73～5.76 m，建設(shè)用地最低安全標(biāo)高為6.25 m。

（4） 本研究通過聯(lián)合運(yùn)用MIKE 11水動(dòng)力模型和ArcGIS 10.3軟件，模擬在不同汛前方案下的設(shè)計(jì)水位、建設(shè)標(biāo)高，實(shí)現(xiàn)了城市水系系統(tǒng)與道路場(chǎng)地豎向系統(tǒng)的耦合分析，為南方平原地區(qū)的新城建設(shè)豎向標(biāo)高控制提供參考思路，對(duì)于保障城市防洪排澇水安全具有較大現(xiàn)實(shí)意義。

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（編輯：謝玲嫻）

Research on vertical elevation in new area of plain city under different flood water level control schemes before flood season：case of Danyang City，Jiangsu Province

WANG Chuantao1，CAO Zhe1，HUANG Lijiao1，2，WANG Xi1

（1.China Academy of Urban Planning & Design Shenzhen Branch，Shenzhen 518040，China; 2.Center for Development Affairs of Airport New Town，Baoan District，Shenzhen 518100，China）

Abstract：

In order to determine the ground datum construction elevation of the new urban area of plain river network，this paper took the Lianhu new town catchment area of Danyang City，Jangsu Province as the research object.On the premise of meeting the flood control standard of a 50-year flood，the influence of high and low flood water level control schemes before flood season on the maximum design water level and site vertical scheme was studied by MIKE 11 hydrodynamic model and cut/fill module of ArcGIS software.And then the two schemes were compared from four aspects：safety guarantee，earthwork balance，excavation and filling area and harmony water-human relation.The results showed that both two schemes can ensure the safety of drainage，but compared with the high water level control scheme，the low water level control scheme was more suitable for the construction elevation of Lianhu new town due to its lower maximum water level control，delayed peak time，smaller earthwork gap，and smaller excavation and filling area.Through the coupling analysis on the highest water level control of urban water system and the vertical elevation of the site，it can provide a reference for the determination of the vertical datum elevation of new towns construction in the southern plain area of China.

Key words：

urban flood protection;plain area;new town construction;city vertical elevation;water level before flood season;MIKE 11;ArcGIS;earthwork analysis4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD