Flow Analysis Based on the Recovery of Lateral Connectivity in the River

하천 내 횡적 연결성 회복을 통한 흐름 해석

Flow Analysis Based on the Recovery of Lateral Connectivity in the River

Jin Woo Lee

․ Seung Hoon Chun

․ Kyu-Ho Kim

․ Chang Wan Kim

*

H2R Incorp., Goyang City, Korea

**

Department of Landscape Architecture, Gachon University, Seongnam City, Korea

***

Korea Institute of Construction Technology, Goyang City, Korea

요 약

최근 하천정비는 환경에 대한 인식이 높아지면서 이수 및 치수뿐만 아니라 하천환경에 대한 관심이 증가하는 쪽 으로 바뀌어가고 있는 실정이다 따라서 하천환경 또는 하천복원이 하천사업의 핵심이 되고 있다 우리나라의 경. , . 우 대부분의 하천이 치수목적의 하천정비에 의해 홍수조절과 주운을 돕기 위해 직강화 되었다 하도를 직강화 할, . 경우 안정성 유지가 중요하므로 하천을 따라 제방이 축조된다 이와같이 이수와 치수를 목적으로 하천에 축조된. 댐 보 제방 및 수문 등과 같은 구조물의 경우 하천의 종횡적 연결성, , , ‧ (Connectivity)을 저해하는 요인이 된다 연결. 성이란 어떤 서식처에서 다른 서식처로 에너지와 물질을 이동시키거나 자연적인 수로를 통하여 서식처 간을 물리 적으로 연결하는 동적인 자연통로로써 장기적인 하천복원관점에서 볼 때 연결성 증대는 유역 내 건강한 생태계 조성을 위해 매우 중요하다 본 연구에서는 횡적 연결성 회복을 통한 하천복원의 첫 번째 단계로써 연결성에 대한. 기본개념을 설명하고 대상유역을 선정하여 연결성을 저해하는 격리 차단 공간의 유무에 따른 유역 내 흐름양상의, 변화를 수치모의 하였다 본 연구의 결과는 유역 내 수리수문연결기술 개발로 이어질 수 있을 것으로 판단되며. , 차후 하천복원사업에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심용어: 하천복원 격리 차단 공간 연결성 유역 건강성, / , ,

Abstract

Recently, river maintenance is change due to concern for the environment increases. Thus, the river restoration and river environment is best part of river maintenance. In case of Korea, existing river is improvement straightly for flood control and transportation. When the stream channel is straightly, maintain stability is important. Thus, construction of levees along the river. The various river structures for the purpose of flood control and transportation are inhibit factors of longitudinal and lateral connectivity. Connectivity is defined as the maintenance of lateral, longitudinal, and vertical pathways for biological, hydrological, and physical processes. Long-term point of view, increased connectivity is very important for a healthy ecosystem composition. As the first step of river restoration, this study described theory and concept of river continuum and the numerical model was applied to a real topography to simulate the flow analysis with or without segregated and blocked space in the Mankyung river. The results of this study can be utilized to develop the watershed connectivity assessments methods in order to the river restoration.

Keywords : connectivity, segregated and blocked space, river restoration, watershed health

+ Corresponding author : [email protected]

서 론 1.

그동안 우리나라 대부분의 하천정비는 급격한 도시 화 과정에서 인구증가와 인구집중현상에 따라 하천 수 질오염과 함께 홍수배제를 위한 인공적인 직강화 된 하천형태를 유지하도록 이루어져왔고 콘크리트나 돌로 , 제방을 쌓은 결과로 저수로 바닥에만 물이 흐르는 메 마른 하천으로 바뀌어왔다.

최근 이수 및 치수목적의 하천정비개념에서 하천생 태를 복원하여 유역의 건강성을 회복시키고자 하는 하 천정비개념으로 전환되고 있는 실정이다 댐 보 제방 . , , 및 수문 등 하천에 축조된 구조물의 경우 하천을 종 방향 및 횡 방향으로 가로지르며 연결성 (Connectivity) 을 차단하고 있다 연결성이란 어떤 서식처에서 다른 서식 . 처로 에너지와 물질을 이동시키거나 자연적인 수로를 통하여 서식처 간을 물리적으로 연결하는 동적인 자연 통로로 정의된다 여기서 물질이란 무생물 물 유사 양 . , ( , , 분 이거나 생물 유기체 종 으로 정의된다 ) ( , ) .

수역 연결성은 하도의 자연적 및 인위적 특징과 하 천에서 발생하는 조건에 모두 영향을 받는다 예를 들 . 면 댐 암거 하수망과 콘크리트 벽 등은 어류의 이동 , , , 통로를 차단한다 이러한 차단은 물리적 장애물에 의해 . 발생하기도 하고 어류 이동을 방해하는 수리 수문 조 , , 건에 의하기도 한다 수역 연결성은 어류와 기타 수생 . 유기체의 장기적인 생존에 중요한 요소이다 기존의 많 . 은 연구결과에 의하면 많은 어종은 생애주기와 생존에 필요한 서식처를 찾기 위하여 유역의 상하류에 걸쳐 ‧ 상당히 먼 거리를 이동하는 것으로 알려져 있다 따라 . 서 이러한 연결성의 증대는 종의 풍부성과 다양성 먹 , , 이사슬의 풍부성에 긍정적인 역할을 미칠 수 있다 하 . 지만 각종 용수 홍수 방어를 위한 댐 제방 호안 도 , , , , , 로 건설 및 토지개발 등의 증대로 인하여 어류 서식처 가 영향을 받았거나 소실된 상태이다 수역 연결성은 . 서식처 연결성 하천의 상하류 구간의 종적 연결성 본 , ‧ , 류와 지류의 연결성 홍수에 의하지 않는 횡적 연결성 , , 홍수 파동에 의한 횡적 연결성 지표하 연결성으로 구 , 분 될 수 있다.

이러한 수역연결성 중 횡적 연결성은 가장 자연적인 하천의 기능을 유지시키는데 가장 중요하다 횡적 연결 . 성은 제외지와 제내지 간의 수리수문학적 및 생태적 연결을 의미한다 대부분의 하천이 이치수를 목적으로 . ․ 하여 직강화 되어있기 때문에 제외지와 제내지의 단절 이 이루어져 있는 실정이다 하천 본래의 자연적인 기 . 능이 누락된 채 이치수의 기능만을 갖는 형태로 존재 ․ 하고 있기 때문에 제외지와 제내지의 수리수문학적 생 , 태적인 연결성이 단절되어 있는 상태이다 따라서 장 . , 기적인 생태하천으로의 복원을 위해서는 하천이 횡적 연결성의 회복을 통해 제외지와 제내지가 수위의 증감 에 따라 자연스럽게 침수되거나 육역의 상태로 존재하

게 되는 자연 원형의 상태를 유지토록 하는 것이 중요 하고 이와 더불어 이 치수의 기능 수질개선 및 생태보 ․ , 호 등이 필수적으로 고려되어야 할 것이다 .

본 연구에서는 이러한 하천의 횡적 연결성 회복을 통해 나타나는 유역의 건강성을 평가하기 위한 기초단 계로써 하천 내 격리 차단공간에 대한 이론적 연구 , , 및 기술적 개념정립에 대한 연구를 실시하였고 실제 , 유역을 선정하여 대상유역에서의 격리 차단공간의 유 , 무에 따른 흐름해석을 실시하였다.

유역 평가방법 2.

유역의 건강성은 최적의 건강성을 유지할 때의 자연 기능에 대한 현재의 기능 정도를 비교하여 평가된다.

물론 많은 장소에서 현재 상태가 최상의 건강상태가 , 아닐 것이며 비교를 위하여 참고할 만한 기존의 상태 , 가 없을 수도 있다 따라서 이러한 유역의 건강성을 . , 평가하기 위해 유역에 대한 다양한 측정치 결과의 범 위를 건강등급으로 이용한 유역평가도구를 사용하여 평가한다 다양한 건강지표가 이용되며 각 지표는 각각 . 의 점수를 갖고 유역을 평가하게 된다 본 연구에서는 . 다양한 유역 건강성 평가지표 중 수문 (Hydrology) 과 연 결성 (Connectivity) 의 평가지표 항목에 대한 내용을 바탕 으로 유역 건강성 평가의 개념을 기술하고자 한다.

Biology Connectivity Geomorphology Hydrology Water Quality

Terrestrial Habitat Quality

Terrestrial Habitat Connectivity

Soil Erosion Susceptibility

Perennial Cover

Non-point Source

Stream Species Quality

Aquatic Connectivity

GW Contamination

Susceptibility

Impervious

Cover Point Source

Animal Species Richness

Riparian Connectivity

Climate Vulnerability

Water

Withdrawal Assessments

At Risk Animal Species Richness

Hydrologic Storage

Flow Variability

Table 1. Watershed health scores (Minnesota Department

of Natural Resources)

유역평가도구 수문

2.1 : (Hydrology)

수문 특성은 수문순환에서 물과 환경간의 상호작 용 및 관계에 대한 것으로 정의할 수 있다 강우는. 유사 화학물질 열 및 생물상을 운반한다 수문순환, , . 에 의한 물의 이동은 유역 시스템을 가동시키고 유역 건강성의 모든 측면에서 영향을 미친다 따라서 수문. , 순환 과정에서 물과 환경의 지속적이고 복잡한 상호 작용을 이용하기 위해서는 다음과 같은 차원적인 수4 문분석이 이루어져야 한다(Amoros, 1987; Ward, 1989).

먼저 종, (longitudinal) 차원의 수문분석은 수원부터 하구까지 이루어져야 하며 횡, (lateral) 차원은 하도에 서 홍수터까지 연직, (vertical) 차원은 하상에서 지하수 까지의 수문분석이 필요하다 마지막으로 시간차원.

의 수문분석 또한 필요하다

(over time) .

Fig. 1. Schematic sketch of the four dimensions hydrologic analysis

하천과 유역의 형상과 특성은 물질 에너지 및 유, 기체를 이동시키는 물의 종 방향 횡 방향 및 연직, 방향 이동에 의해 결정된다 더욱이 하천 구성 요소. 의 동적 특성(dynamic nature) 때문에 시간 차원 지속( 기간과 변화율 은 하천시스템을 관리하는데 있어 특) 히 중요하다(Ward, 1989). 하지만 취수시설 교량 댐, , 건설 및 토지이용 변화는 이러한 과정을 방해하는 전 형적인 요소이다 하천시스템의 동적 특성 때문에 이. 러한 요소들은 차원적으로 영향을 미치게 된다4 .

하천 연속성 개념 1)

하천 연속성 개념은 하천 생태계의 종적 차원을 강조한다 이 개념은 수원에서 하구에 이르는 하천. 시스템의 점진적 천이를 의미한다 물리적 경사와 에. 너지 공급의 천이는 영양물질과 생물집단의 천이를

유발시킨다(Vannote et al., 1980). 하천 연속성 개념은 하천 시스템 내에서 종 방향 연결은 하천의 길이방향 을 따르는 경로를 의미하고 물이 수원에서 하구까지 흐르는 동안 물리적 경사와 생물적 적응 영양소의 순( 환 서식지의 연속 유기 물질의 유입과 에너지 소모, , 등 에 관한 연속적으로 통합된 구조로 설명하고 있다) .

홍수 맥동 개념

2) (Flood Pulse)

하천 홍수터는 하안의 작용을 지속시키는 수위변 화를 계절적으로 경험하게 된다 이와 같은 홍수 맥. 동은 하천 생태계의 횡 차원 중요성을 부각시킨다.

수체의 횡 방향 영향 범위의 계절적 변동은 하천 시 스템 내의 생물적 생산성과 에너지 운반에서 필수적 이다 또한 홍수터로 들고 나는 침수와 감수도 매우. , 중요하다.

홍수 맥동의 시의성(timeliness)은 연차 내 또는 연 차 간 수문 변동성을 발생시킨다 이러한 홍수맥동은. 특정 하천 시스템 내에 존재하는 생물적 필요성 기후( 적합 수목 수생 유기체의 생애 등 과 환경 상황 양분, ) ( 순환 온도 평형 유사 이송 및 퇴적 에 맞추어 적절, , ) 한 시기에 발생해야 한다.

홍수 맥동 개념은 하천연속체 개념을 횡 차원에 적용한 것이다 이는 상류의 공급에 의해 뚜렷이 작. 동되는 일괄 과정(batch process)이며 하천 홍수터 시- 스템의 주요 생물상의 존재 생산성 및 상호 작용을, 설명한다 동일한 수위 변동은 호수와 습지와 같이. 다른 수문 특성을 보이는 지역의 건강성에도 필수적 이다.

Fig. 2. River continuum concept (Vannote et

al., 1980)

유역평가도구 연결성

2.2 : (Connectivity)

유역평가도구 중 연결성이란 생물 수문 및 물리, 과정의 횡 방향 종 방향 및 연직 방향 통로의 유지, 라고 정의된다 이는 유역으로 유기체

(maintenance) . ,

에너지와 물질을 이동시키는 흐름 물질교환 및 통로, 를 의미하기도 한다 연결성의 가장 명확한 예는 하. 천의 하류 방향 흐름과 물고기의 상류 방향 이동이 다 하천을 횡단하는 보와 댐은 연결성의 손상 또는. 단절의 예이다 에너지 양분 및 물질의 교환은 물가. , 에서 멈추지 않고 주변 지역을 통해 여 (water's edge) ,

러 가지 규모로 나타난다 이러한 복잡하고도 상호의. 존적인 과정은 계속해서 나타나고 있으며 하천 시스 템의 생태적 건강을 유지시키기 위해서도 필수적이 다.

하천 시스템에서의 횡적 연결성은 홍수에 의해 하 천수가 홍수터로 월류할 때 확보된다 하천수의 월류. 시 양분과 유기물질이 홍수터로 이송되기 때문에 하 천수의 월류는 건강한 생태계의 기능에 매우 중요하 다 다양한 수목과 야생생물도 범람지역의 연속적인. 수위에서 번창을 하게 되고 수생생물은 생애주기에, 서 필수적인 계절적 서식처에 접근할 수 있다.

횡적 연결성은 주기적인 홍수터 범람을 의미하며 물 유사 유기물질 양분 및 유기체의 교환을 발생시, , , 킨다 이러한 횡적 연결성은 넓은 홍수터가 있는 큰. , 하천에서 특히 중요하다 홍수터 범람은 대표적으로. 홍수에 의해서 일어날 수 있고 계절적인 영향으로, 나타나는 주기적인 홍수는 우각호(Oxbow lake)를 메 우기도 하고 습지에 물을 공급하기도 한다 또한 홍. , 수는 육역에서 양분과 유기물질을 수생식물 플랭크, 톤 수생곤충 및 어류 등에게 운반하는 기능을 하고, 계절적인 홍수범람은 다양한 하천변 식생과 조류 및 포유류의 위한 서식처를 제공하는 기능을 한다.

하천은 장시간에 걸쳐 지속적인 물리 화학 및 생, 물의 상호작용에 있어서 시간에 따른 연결성을 보인 다 시간적 연결성은 생태계의 기능에 매우 중요하다. . 장기간에 걸쳐 유사의 이송 사행의 발생 만곡부의, , 침식 우각의 분리가 일어나고 망상하천이 생긴다 이, . 러한 하천의 다양한 연결성은 하천 시스템의 안정성 과 유지를 위해 매우 중요하다.

수생연결성

1) (Aquatic Connectivity)

하천에 존재하는 구조물 댐 교량 및 암거 등 은 유( , ) 역의 종 방향 및 횡 방향의 수문 연결을 저해하는 요 인이 될 수 있다 예를들어 댐 상류의 느린 흐름은. ,

침전물의 퇴적 원인 및 최대흐름을 감소시킨다 또한. , 댐은 하류부 하천으로의 유량과 유사의 공급에 영향 을 미치고 이는 하천의 절개나 하류부 하상의 거칠, 기에 원인이 된다 하류지역은 유사의 공급이 제한됨. 에 따라 하상의 침식이나 제방의 침식이 발생한다.

교량과 암거 또한 다양한 방법으로 하천에서의 연 결성을 제한한다 저수로 인한 웅덩이가 생성되고 수. 심이 변화됨에 따라 어류의 이동이 제한되며 본류와 홍수터의 분리가 일어난다. Fig. 3은 미국 미네소타 주 전체 유역에서의 댐과 암거의 현황을 도시한 그림 이다 여러개의 소유역이 합쳐져 하나의 큰 유역 형. 상을 하고 있지만 각각의 소유역을 살펴보면 수많은 댐과 암거가 건설되어 유역에서의 수생연결성을 저해 하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3. Survey of bridges and culverts in the watershed for watershed health assessments (Minnesota’s 81 major

watersheds, USA) 육역서식처연결성

2) (Terrestrial Connectivity)

육역서식처의 크기 모양 거리 및 연결성은 해당, , 서식지에 의존하는 동식물과 인구의 생산성과 접근성 그리고 지속가능성에 영향을 미치고 식물의 연결성은 지역에서의 종의 지속성에 기여한다(Shisler et al., 1987; Castelle et al., 1992; Keller et al., 1993; Friesen 또한 육역서식처의 연결은 et al., 1995; Gibbs, 2000). ,

복제 및 유전적 다양성의 유지를 위한 생물들의 움직

임에 필수적이다 하지만 이런 육역서식처의 질을 평. , 가하는 것은 매우 복잡하다 다양한 종에 필요한 구. 성요소를 제공하는 서식지의 용량은 종에 따라 달라 지기 때문이다. Fig. 4는 해당 유역에서의 육역서식처 연결성 및 수생연결성을 나타낸 그림이다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 상대적으로 유역 남쪽에 많은 댐과 암 거가 조사된 것으로 나타났으며 이로 인하여 육역서, 식처연결성과 수생연결성 평가에서도 댐과 암거가 많 이 건설된 남쪽지역의 평가가 좋지 않음을 알 수 있 다(Fig. 4).

Fig. 4. Examples of terrestrial(left) and aquatic(right) connectivity health scores assessments (Minnesota’s 81 major watersheds, USA)

수치해석 3.

본 연구에서는 격리 차단공간의 유무에 따른 유역, 평가방법의 기본 이론을 제시함과 동시에 실제 유역 에 적용함으로써 격리 차단공간과의 연결성 회복에, 따른 유역의 건강성 회복 가능여부를 알아보았다.

유역 내 격리 차단 공간의 유무에 따른 흐름양상, 을 비교하기 위하여 만경강유역 중 폐천 구하도가 남/ 아있는 구간을 수치모의 대상지역으로 선정하여 수치 해석을 실시하였다.

수치해석은 RMA2를 이용하였다. RMA2는 2차원 수심 평균한 유한요소 수리동역학적 수치모형으로 상 류(sub-critical) 및 자유수면 흐름의 수위와 수평 방향 의 2차원 유속 성분을 계산한다 마찰력은. Manning 방정식의 조도계수나 Chezy 공식의 평균유속계수로 계산되며 정상류뿐만 아니라 부정류의 해석도 가능, 하다. RMA2는 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 수심 적분하여 지배방정식으로 사용한다.

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(2)

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(3)

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반복법을 사용하여 계산한다

Newton-Raphson .

Fig. 5. Computational domains and grid system

(Mangyung basin)

본 연구에서는 현재 상태 폐천 구하도와 단절된 상( / 태 와 본류와 폐천 구하도 간의 연결을 가정한 상태를) / 각각 모의하여 흐름양상을 비교하였다 연구대상지역. 으로 만경강유역을 선정하였다 국가하천인 만경강은. 전형적인 곡류하천으로 폐천 구하도의 흔적이 많이/ 남아있으며 호남평야를 가로질러 통과하여 서해로, 유입된다 본 연구에서는 만경강 유역 중 폐천 구하도. / 의 흔적이 남아있는 지역을 선정하여 수치해석을 실 시하였다(Fig. 5).수치모의를 위한 상 하류 경계조건,

은 만경강 유역에서 실제 홍수경보가 발령되어 침수 및 인명 피해가 발생하였던 2011 년 7 10 월 일 오후부터 년 월 일 오후까지의 시간 관측자료를 사용

2011 7 11 24

하였다.

은 현재 상태에서 시간별 흐름해석 결과를 도시 Fig. 6

한 그림이다 시간이 지날수록 저수로 부분에서부터 물 . 이 차올라 홍수터 고수부지 가 침수되는 양상을 보여주 ( ) 고 있다 이는 홍수 시 제외지 내 저수로와 홍수터 간 . 의 수리 수문 및 생태적 연결성이 이루어지고 있음을 , 의미한다.

(a) 0hr (b) 1hr

(d) 8hr (c) 5hr

(e) 16hr (f) 24hr

Fig. 6. Numerical results of flow analysis based on flood events (current status)

은 현재 상태와 동일하게 경계조건을 적용한 Fig. 7

폐천 구하도와의 연결 이후의 흐름해석 결과를 나타/ 낸 그림이다 하천과 폐천 구하도와의 횡적연결성 차. / 단요소인 제방을 제거한 후 연결성을 확보한 뒤 수치 해석을 실시하였다 그림에서 알 수 있듯이 횡적연결. 성을 확보하게 된다면 폐천 구하도 내로 유입수가 흘/ 러들어감에 따라 시간에 따른 다양한 수심의 변화가

발생되며 본류에서의 유입수를 통하여 유수성 어종, 피라미 등 과 정수성 어종 떡붕어 등 등 다양한 종

( ) ( )

의 연결성이 확보될 수 있고 부지가 침수된다면 침, 수시간과 침 수위 그리고 발생되는 유속에 따라 새로 운 식생의 유입이 이루어짐으로써 현재의 식생 뿐만 아니라 다양한 식생의 변화가 발생되어 유역의 건강 성 회복에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

(a) 0hr (b) 1hr

(d) 8hr (c) 5hr

(e) 16hr (f) 24hr

Fig. 7. Numerical results of flow analysis based on flood events (connecting abandoned channel)

결 론 4.

환경에 대한 관심이 증대됨에 따라 직강화 되었던 기존의 하천에서 생태하천으로의 하천복원이 하천사 업의 핵심으로 자리 잡게 되었다 따라서 기존의 하. , 천구조물 댐 보 제방 및 수문 등 으로 인하여 격리( , , ) , 차단된 공간을 복원하여 하천 내 종횡적 연결성을․ 증대하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

본 연구에서는 하천복원을 위한 유역의 건강성 평 가의 첫 번째 단계로써 하천 내 연결성을 설명하고 이를 바탕으로 유역의 건강성 평가에 대한 개념을 설 명하였으며 대상유역을 선정하여 하천 내 격리 차단, , 공간의 유무에 따른 흐름양상의 변화를 수치해석을 통해 알아보았다 수치해석 결과에서 알 수 있듯이. 하천은 본류 수위가 높아지게 되면 자연스럽게 홍수 터가 물에 잠기게 되고 이로 인하여 물질의 교환이, 나 생태적 순환이 발생하게 된다 정체수역으로 남아. 있던 폐천 구하도는 본류와의 수리적 연결성 회복을/ 통해 다양한 어류나 양서파충류 등의 유입이 발생될 수 있고 이로 인하여 종의 풍부성과 다양성을 가질, 수 있으며 흐름조건으로 인한 다양한 식생의 유입, 등으로 인하여 폐천 구하도 주변부지의 생태적 건강/ 성 또한 증진될 수 있을 것으로 판단된다.

추후 연구에서는 본 연구의 결과를 바탕으로 하여 유역의 건강성 평가 방법을 개발하고 이를 대상유역 에 적용함으로써 다양한 격리 차단공간에 따른 유역, 내 건강성 평가와 수문평형 및 유사이송 등의 연구를 진행할 예정이다 본 연구를 통해 최종적으로 개발하. 게 될 유역 내 수리수문연결기술은 하천의 정량적 모 니터링 평가 및 진단을 통해 차후 하천복원사업에, 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지 원(12기술혁신C02)에 의해 수행되었습니다.

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논문접수일 : 2014년01월15일

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심사의뢰일 : 2014년01월17일

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심사완료일 : 2014년02월28일

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