Semaine ULg-FUSAGx au Québec Modélisation des impacts des … 170304... · 2013-08-30 · including river interactions, in Computational Methods in Water Resources XII, Vol. 1:

1

Une initiative du Centre d'Etudes Interdisciplinaires Wallonie-Bruxelles à

Montréal

Semaine ULg-FUSAGx au Québec

Modélisation des impacts des changements climatiques sur

les ressources en eaux souterraines

A. Dassargues* & S. Brouyère

Dpt Géoressources, Géotechnologies et Matériaux de Construction, Université de Liège, Belgique

(*) aussi Hydrogeologie, Instituut voor Aardwetenschappen (HG-KUL), Katholieke Universiteit Leuven, Belgique

Hydrogéologie

Pourquoi étudier l’impact des changements climatiques

… sur les eaux souterraines ?

très peu d’études réalisées pour les eaux souterraines …

impact très dépendant des interactions avec les eaux de surface et des conditions d’infiltration/recharge …

A. Dassargues & S. Brouyère 2004

de plus en plus d’affirmations simplistes …

incertitudes des conditions du sous-sol ajoutées aux incertitudes des scénarios du futur …

scénarios du futur sans ou avec changements importants des pratiques agricoles ou de l’utilisation de l’eau …

utilisation nécessaire de modèles couplés/intégrés

Table des matières Modélisation couplée et intégrée

- principes généraux

- modèle sol

- modèle eaux souterraines

- modèle eaux de surface

- intégration et couplages

Exemple de la Hesbaye en Région Wallonne de Belgique

- modèle eaux souterraines: construction, calibration, validation

- résultats du modèle intégré

Scénarios climatiques et hypothèses de travail

Résultats en termes de réserves pour les eaux souterraines

Conclusions et défis


Modélisation couplée et intégrée


Construction d’un modèle

déterministe, spatialement distribué, basé sur la physique des processus (‘physically-based’), …

… composé de trois sous-modèles inter-agissant:

‘modèle sol’

‘modèle eaux souterraines’

‘modèle eaux de surface’

… reliés dynamiquement (couplés) et intégrés dans une structure globale

… a demandé:

adaptation des différents sous-modèles pour une exécution en parallèle

construction d’une ‘meta-structure’ pour contrôler les échanges d’instructions et de données



Pourquoi une modélisation ‘physiquement significative’ (physically consistent) ?

… les autres approches ne nous satisfont pas ! - boîtes noires (‘black-box’) - fonctions de transfert soit disant ‘physically based’ mais

fort peu en accord avec la réalité

• résultats ne peuvent être considérés fiables en dehors des plages de sollicitations de la calibration;

• plus on s’éloigne de la calibration plus les chances de résultats erronés sont grandes;

• les paramètres calibrés ne peuvent être mis en rapport avec des propriétés physiques mesurées;

• représentation globale sans moyen de discerner les influences locales.

2



• Projet SALMON (1995-1998) ‘Sea Air Land Modelling Network’ financé par IBM International Foundation

(Océan, Eaux souterraines, Rivières);

• Projet SSTC (1997-2001) ‘Modélisation intégrée du cycle hydrologique dans le cadre des changements climatiques’ dans le programme ‘Global Change and Sustainable Development’;

• Projet DAUFIN (2000-2001) ‘Data Assimilation within a Unifying Modeling Framework for Improved River-basin Water Resources Management’, Projet européen UE, EVK1-1999-00103;

• Projet PIRENE (2001-2004) ‘Programme Intégré de Recherche Environnement-Eau’, Ministère de l’Environnement, Région Wallonne.

… projets ayant contribué à ces développements:



Subsurface flow

Watershed discretised intogrid squares

Homogeneous culturalentities into the grid square

climatic data

pedologic map : majority class foreach cultural entity

slope map: average slope for eachcultural entity

Water balance for eachcultural entity

Ponderation of the entitiesresults by grid square

andWater balance for each grid

square

Snow

PrecipitationsEvaporation and

transpiration

Percolation

A

CB

BD I

II

precipitations temperatures solar radiation

HA-FUSAG

C. Sohier & S. Dautrebande

Hydraulique agricole, HA-FUSAGx, Gembloux, Belgium‘Modèle sol’

Référence:Sohier C., Moeremans B., Deglin D. and Dautrebande S., 2000, Validation of the new catchment hydrological model EPIC-GRID for soil moisture evaluation and discharges simulation. Presented at the Workshop “The future of distributed hydrological modelling”, Leuven, Belgium, April 2000.



Hydrogéologie et Géologie de l’Environnement, GéomaC, Faculté des Sciences Appliquées, ULg

‘Modèle eaux souterraines’

SUFT3D (Saturated Unsaturated Flow and Transport in 3D)Code Eléments Finis permettant: - de modéliser la zone saturée et la zone non-saturée en 3D; - raffinement locaux de maillages en fct des données

géologiques;- intrusions d’eaux salées;- conditions d’injection particulières; - traitement des données et résultats par GMS © et

compatibilité SIG complète

Référence:- Carabin, G., Dassargues A., 1999, Modeling groundwater with ocean and river interaction, Water Resour.

Res., 35(8), 2347-2358.- Carabin G., Dassargues A. and Brouyère S., 1998, 3D flow and transport groundwater modelling

including river interactions, in Computational Methods in Water Resources XII, Vol. 1: Computational Methods in Contamination and Remediation of Water Resources, pp. 569 - 576, Computational Mechanics Publications.



J-F. Deliège & J. Smitz

Centre Environnement (CEME), ULg

‘Modèle eaux de surface’

Modèle Rivière simulant la dynamique de l’eau dans le réseau de rivières

avec comme ‘input’:flux venant des sols et des transferts de surface flux échangés avec les eaux souterraines

calcul basé sur les équations de St Venant (équilibres de masse et de mvt) dans un chenal supposé 1D.

… est appliqué au réseau entier, y compris le fleuve principal et ses affluents. Les caractéristiques (pentes, sections, largeurs, rugosité …)sont introduites au pre-processing

Référence:- Smitz, J., Everbecq, E., Deliège, J.-F., Descy, J.-P., Wollast, R. and Vanderborght. J.-P., 1997,

PEGASE, une méthodologie et un outil de simulation prévisionnelle pour la gestion dela qualité des eaux de surface (PEGASE : a methodology and a forecasting simulation tool for surface water quality management). Tribune de l'Eau. 588, 73-82



modèles implémentés dans un environnement parallèle

protocole d’échanges de données MPI

Schéma général simplifié … pour quantité d’eau

ModèleSol

EPIC Maille

pluie évapotranspiration

Modèle GWSUFT3D ou MODFLOW

ruissellement superficiel

écoulementhypodermique

percolation

drainage

infiltration

HydrauliqueAgricoleFUSAGx

CEMEULG

HydrogéologieULG

Modèle Rivière

MR



Exemple des interactions nappe-rivière

hr hg

e'

K'

hr br

e'

K'

),,(),,('

'),,( tyxhtyxh

e

Ktyxq rg

rrC CCtyxqtyxq ).().,,(),,(

ggC CCtyxqtyxq ).().,,(),,(

Ecoulement:

Transport: flux advectif de contaminant

… quand hg < br

hg remplacé par br

),,(),,('

'),,( tyxhtyxb

e

Ktyxq rr

le pas de temps d’interaction = le plus petit commun multiple

MR MGW

3



+ développements de techniques numériques spécialespour prendre en compte l’effet de darses (ou toute zone d’eaux de surface quasi-stagnantes)

la concentration dans la darse ne peut être choisie égale à Cr

la darse provoque un effet tampon… même pour des contaminations brèves dans la rivière… ou pour des contaminations en provenance du MGW

Anseremme, Dinant



Tests:

• test 1: source de pollution continue dans la rivière: 50 g/s pendant 6 mois

• test 2: injection diffuse temporaire (30 jours) dans l’aquifère: 0.7 kg/s sur une zone de 500 m x 280 m

Comparaison entre les valeurs calculéeset mesurées des hauteurspiézométriques

Piezo 40 (X=175550m; Y=218350m)

16

16,5

17

17,5

18

1/11/92 31/12/92 2/03/93 2/05/93 2/07/93 1/09/93 31/10/93 31/12/93

Time (d/m/y)

Piez

omet

ric w

ater

leve

l (m)

measured values

l l d l

Piezo 5 (X=160000m; Y=221980m)

12

12.5

13

13.5

14

14.5

1/11/92 31/12/92 2/03/93 2/05/93 2/07/93 1/09/93 31/10/93 31/12/93

Time (d/m/y)

Piez

omet

ric w

ater

leve

l (m)

calculated values

measured values

Campine anversoise, Antwerpen

flux du MR vers le MGW

… introduction d’un pompage (0.02 m3/s) dans le MGW à une distance de 230 m de la rivière polluée



… pollution continue dans la rivière(50 g/s) pendant 6 mois (Cr diminueà cause de la dilution par les entréesd’eau en aval )

4

0

1

2

3

1 0 3020

km

K g/m 3

G ro te S ch ijn : 1 8 /08 /19 93

F lo w ra te : 1 .2 7 m 3/s

Schilde

Boe

chout - K

oud

Deu

rne - S

chijn

Merksem

… habituellement le MGW alimente MR (presque aucun flux du MR vers le MGW excepté dans des zones très locales)

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

3.25

3.50

3.75

29/4/93 30/5/93 30/6/93 31/7/93 31/8/93 1/10/93 1/11/93

Time (d/m/y)

Wat

er le

vel

(m)

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Excha

nged mass flux of tracer

(g/s)

Water level in the river

Echanged mass flux between the river and the groundwater domain



10/6/93 31/10/93



-0 .1

0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

29 /4 /93 3 0 /5 /93 30 /6 /93 3 1 /7 /93 3 1 /8 /93 1 /1 0 /93 1 /11 /93 2 /1 2 /93

T im e (d /m /y)

Ma

ss f

lux

for

the

con

cerv

ativ

e tr

ace

r

(g/s

)

flux massique du MR vers le MGW

Observations concernant le taux massique de traceur pompé au puits: • arrivée au puits après environ 40 jours;

• 1ère stabilisation après 95 jours;

• encore environ 40 jours nécessaires avant nouvelle augmentation;

• valeur maximum de 0.12 g/s;

• trajet total de 84-93 jours pour 230 m dans le MGW: soit 2.5 - 3 m/j (K=10-4 m/s, ne=0.02 et grad h = 0.6 %)

• trajet de 1.5 j pour 1.6 km en rivière



Injection diffuse temporaire (0.7 kg/s) de traceur non réactifau sommet de l’aquifère sur une zone de 500 m x 280 m, pendant 30 jours

Concentrations simulées (contours d’isoconcentra-tions pour 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 7.5, 10, 12.5, 15 et 17.5 kg/m3)a) 31/1/1993 (fin de la

période d’injection), b) 1/5/1993, c) 1/8/1993 et d) 1/12/1993

Simulation d’un an

4



… une partie de la rive (780 m) où les échanges sont les plus importants ...

• 1ère arrivée du traceur dans le MR après environ 100 jours;

• après 1 an, le flux massique de traceur augmente toujours (Cg diminue, mais le flux d’eau augmente à cause de la pluviométrie et de l’infiltration efficace)

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

1/1/93 2/3/93 2/5/93 1/7/93 31/8/93 30/10/93 30/12/93

Time (d/m/y)

Exc

hang

ed m

as fl

ux o

f tr

acer

(kg

/s)

-0.042

-0.036

-0.030

-0.024

-0.018

-0.012

-0.006

0.000

Exc

hang

ed w

ater

flux

(m

³/s)

flux d’eau du MGW vers le MR(- parce que MGW vers MR)

flux massique de traceur arrivant dans MR

�

�

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Hesbaye (bassin du Geer) : hydrologie et hydrogéologie


Bassin du Geer 450 km2

Hesbaye (bassin du Geer) : hydrologie et hydrogéologie


pertes

géologie

Surface piézométrique

galeries + pompages

Zone non-saturée

P = ETR + QGEER + QOUT + ΔRéserves + ΔPertes810 = 508 + 145 + 88 + 7.5 + 61.5 mm(entre 1975 et 1994, d’après Hallet, 1999)740 = 525 + 120 + 65 + 15 + 15 mm(entre 1951 et 1965, d’après Monjoie, 1965)

Bassin du Geer 450 km2

Geer

LimonsSables-conglomératCraies grises‘Hard-ground’Craies blanches‘Smectite de Herve’Socle

Hesbaye: hydrogéologie et modélisation


Bassin du Geer : principales caractéristiques



Bassin du Geer : principales caractéristiques

• les fluctuations piézométriques peuvent atteindre 15 m à certains endroits, le code SUFT3D a été choisi pour son aptitude à considérer une zone non saturée très variable

• le modèle compte sept couches d’éléments finis, de la base au sommet (en général): - trois couches de craies;

- une couche de craie indurée ‘hardground’;- une couche de craie fracturée;- une couche de conglomérat/sable résiduel;- une couche de limons.

• le ‘hardground’ n’est pas présent partout dans le domaine;

• le conglomérat disparait au Nord, remplacé par des sables;

• l’épaisseur de la couche non saturée peut atteindre 40 m et, lorsque les niveaux piézométriques fluctuent uniquement dans la craie, dans ce cas, les sept couches d’éléments finis sont prises dans la craie;


• discrétisation suivant les critères suivants:

- une taille moyenne des éléments de l’ordre de 700 m

- des raffinements sont nécessaires dans les zones où

des sollicitations importantes sont imposées

(failles, galeries et pompages)

• le maillage compte 31423 éléments finis (18680 noeuds)


5





1983-1984


Hesbaye: calibration du modèle

1983-19841991-1992

50 100 150 20050

100

150

200

50 100 150 20050

100

150

200

Co

mp

ute

d g

rou

nd

wat

er h

ead

(m

)

Measured groundwater head (m)

High groundwater levels(1983-1984)

Co

mp

ute

d g

rou

nd

wat

er h

ead

(m

)

Measured groundwater head (m)

Low groundwater levels(1991-1992)


Hesbaye: calibration du modèle


Flux de Darcycalculés


Hesbaye: calibration du modèle en régime transitoire

6


Hesbaye: calibration du modèle intégré en régime transitoire

Calibration: 01/01/1975 –31/12/1988

Validation: 01/01/1989 –31/12/1995


Hesbaye: calibration du modèle intégré en régime transitoire – résultats provisoires

Période de calibration: 01/01/1975 – 31/12/1988 Période de validation: 01/01/1989 – 31/12/1995



Zoom sur la période juin 80 – décembre 81Influence des pas de temps

… influence de Δt pour GW



(durant calibration intégrée)Débits mensuels 1979-1988

0

1

2

3

4

5

6

1/01/79 1/01/80 31/12/80 31/12/81 1/01/83 1/01/84 31/12/84 31/12/85 1/01/87 1/01/88 31/12/88

Q (m

³/s)

Kanne calculé (1)

Kanne calculé (2)

Kanne mesuré

Débits mensuels à l’exutoire


Hesbaye: calibration du modèle intégré

01 jan 75 01 jan 77 01 jan 79 01 jan 81 01 jan 83 01 jan 850

2

4

6

8

10

01 jan 85 01 jan 87 01 jan 89 01 jan 91 01 jan 93 01 jan 950

2

4

6

8

10

Mea

n da

ily flow rate (m

3 /s)

Chronology

validationperiod (1989-1995)

calibrationperiod (... - 1988)

calibration period (1975 - ...)

total flow rate measured in the Geer at Kanne

Mea

n daily

flow rate (m

3 /s)

Chronology

computed total flow rate in the Geer at Kanne computed base flow


Hesbaye: résultats du modèle intégré

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)

Pompage + Pertes (m3/s)

Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulationde

Référence

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 2.55 0.89 1.66 2 -0.34 -22 -0.44

h moyen dans l’ aquifère pour ne = 0.05

7


Hesbaye: résultats du modèle intégré

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)


Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulation de

Référence

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 2.55 0.89 1.66 2 -0.34 -22 -0.44

1986 3.49 1.64 1.85 2 -0.15 -10 -0.19

‘Annéesplutôt

humides’

1983 4.94 1.97 2.97 2 0.97 63 1.26

h moyen dans l’ aquifère pour ne = 0.05


Hesbaye: simulation de référence

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)


Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulation de

Référence

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 2.55 0.89 1.66 2 -0.34 -22 -0.44

1986 3.49 1.64 1.85 2 -0.15 -10 -0.19

‘Annéesplutôt

humides’

1983 4.94 1.97 2.97 2 0.97 63 1.26

1988 5.32 2.07 3.25 2 1.25 81 1.62


Scénarios climatiques IPCC

Bleu trait plein: scénario CGCM1 (Canada)Bleu, trait tireté: scénario ECHAM4 (Allemagne)Rouge, trait plein: scénario HadCM2, soit le quatrième de l'ensemble des "expériences" du Hadley Centre (UK) A. Dassargues & S. Brouyère 2004

Simulation des scénarios climatiques ECHAM4 période 2010 - 2039

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)


Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulation de

Référence

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 2.55 0.89 1.66 2 -0.34 -22 -0.44

ECHAM4 30 ans

2010 2030

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 0.99 0.38 0.61 2 -1.39 -90 -1.80

1986 3.49 1.64 1.85 2 -0.15 -10 -0.19

1986 2.36 0.91 1.45 2 -0.55 -35 -0.71


Simulation des scénarios climatiques ECHAM4 période 2010 - 2039

1986 3.49 1.64 1.85 2 -0.15 -10 -0.19

1986 2.36 0.91 1.45 2 -0.55 -35 -0.71

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)


Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulation de

Référence

‘Annéesplutôt

humides’

1983 4.94 1.97 2.97 2 0.97 63 1.26

ECHAM4 30 ans

2010 2030

‘Annéesplutôt

humides’

1983 3.99 1.19 2.80 2 0.8 52 1.04

1988 5.32 2.07 3.25 2 1.25 81 1.62

1988 4.09 1.29 2.80 2 0.80 52 1.04A. Dassargues & S. Brouyère 2004

Simulation des scénarios climatiques influence sur la piézométrie dans l’aquifère

129.00

130.00

131.00

132.00

133.00

134.00

135.00

136.00

137.00

138.00

139.00

140.00

141.00

142.00

143.00

144.00

145.00

146.00

147.00

01/0

1/69

01/0

1/70

01/0

1/71

01/0

1/72

01/ 0

1/73

01/ 0

1/74

01/0

1/75

01/0

1/76

01/0

1/77

01/ 0

1/78

01/ 0

1/79

01/0

1/80

01/0

1/81

01/0

1/82

01/ 0

1/83

01/0

1/84

01/0

1/85

01/0

1/86

01/0

1/87

01/ 0

1/88

01/ 0

1/89

01/0

1/90

01/0

1/91

01/0

1/92

01/ 0

1/93

01/ 0

1/94

01/0

1/95

01/0

1/96

Chronology

Pie

zom

etr

ic le

vel (

m)

Reference

cgcm1_1039

cgcm1_4069

cgcm1_7099

echam4_1039

echam4_4069

echam4_7099

hadcm2_1039

hadcm2_4069

hadcm2_7099

… le plus extrême: ECHAM4 première période de 2010 à 2039 sur base d’incréments de changements (T et P/P) par rapport aux 30 dernières années

h de l’ordre de 7 m

8


Simulation des scénarios climatiques influence sur la piézométrie dans l’aquifère

… le plus extrême: ECHAM4 première période de 2010 à 2039 sur base d’incréments de changements (T et P/P) par rapport aux 30 dernières années

110.00

111.00

112.00

113.00

114.00

115.00

116.00

117.00

118.00

119.00

120.00

121.00

122.00

123.00

124.00

125.00

126.00

01/0

1/6

9

01/0

1/7

0

01/0

1/7

1

01/0

1/7

2

01/0

1/7

3

01/0

1/7

4

01/0

1/7

5

01/0

1/7

6

01/0

1/7

7

01/0

1/7

8

01/0

1/7

9

01/0

1/8

0

01/0

1/8

1

01/0

1/8

2

01/0

1/8

3

01/0

1/8

4

01/0

1/8

5

01/0

1/8

6

01/0

1/8

7

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8

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9

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0

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1

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2

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3

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4

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5

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1/9

6

Chronology

Pie

zom

etr

ic le

vel (

m)

Reference

cgcm1_1039

cgcm1_4069

cgcm1_7099

echam4_1039

echam4_4069

echam4_7099

hadcm2_1039

hadcm2_4069

hadcm2_7099

… galerie se désature entraînant des problèmes numériques


Simulation des scénarios climatiques estimation bilantaire annuelle

Percolation(m3/s)

Débit de base

(m3/s)

Différence (m3/s)


Réserve(m3/s)

Réserve(mm)

Hcraie(m)

Simulationde

Référence

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 2.55 0.89 1.66 2 -0.34 -22 -0.44

1986 3.49 1.64 1.85 2 -0.15 -10 -0.19

‘Annéesplutôt

humides’

1983 4.94 1.97 2.97 2 0.97 63 1.26

1988 5.32 2.07 3.25 2 1.25 81 1.62

ECHAM4 30 years

‘Annéesplutôt

sèches’

1977 0.99 0.38 0.61 2 -1.39 -90 -1.80

1986 2.36 0.91 1.45 2 -0.55 -35 -0.71

‘Annéesplutôt

humides’

1983 3.99 1.19 2.80 2 0.8 52 1.04

1988 4.09 1.29 2.80 2 0.80 52 1.04


Conclusions

pour prédictions fiables … simulations ‘physiquement significatives’ et ‘spatialement distribuées’ …pour notamment tenir compte des hétérogénéités des aquifères;

l’impact des changements climatiques sur les réserves en eaux souterraines est loin d’être simple à prédire;

ici calculs sous hypothèses fortes:

sollicitations de l’aquifère inchangées;

occupation du sol inchangée;

scénarios climatiques ramenés à des incréments moyens par rapport à la situation actuelle : peu réaliste;

incertitude des scénarios n’est pas prise en compte;

tendances vers des déficits: mauvais signe car cela ne pourra que se confirmer si irrigation croissante, si plus d’extrêmes climatiques, etc.

quid de l’évolution de la qualité ?A. Dassargues & S. Brouyère 2004

Crédits S. Brouyère & G. Carabin, Hydrogéologie et Géologie de

l’Environnement, Dpt GéomaC, ULg

C. Sohier & S. Dautrebande, Hydraulique agricole, HA-FUSAGx, Gembloux

J-F. Deliège & J. Smitz Centre Environnement (CEME-ULg)

Merci


Quelques références Arnell, N., 2002, Hydrology and Global Environmental Change, Prentice Hall, 346 p.

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