▲ 대구광역시 상수도사업본부 최철식 시설부장

■ 글 싣는 순서 ■

① 블록시스템 도입 연구 필요성
② 블록시스템 설정기준·구축
③ 원격감시 관리 효과 분석
④ 블록별 관망해석에 의한 물세척 효과
⑤ 비상급수관리체계 개선 효과
⑥ 결  론

 최 철 식 박사
·대구시 상수도사업본부 시설부장(현)
·한국상하수도협회 표준화 심사위원(현)
·환경부 유수율제고기술지원단 위원
·영남대 환경대학원 공학박사
·영남대 환경대학원 도시계획학 석사

상수도 관망 정형화·관리 온라인 시스템 필요
대구시, 3중식혼합형 배수관망 블록시스템 채택…비용 절감
 

■ 연구 필요성 및 배경

정수장에서 정수된 수돗물을 수요자가 사용하기까지는 ‘배수관망’이라는 수돗물의 수송체계를 거쳐야만 한다. 배수관망을 구성하는 시설로는 배수지와  가압장, 그리고 송수관, 배수관 및 급수관과 같은 상수도관이 있다.

수돗물 수송체계의 중추기능을 가진 배수관망은 급수의 안정을 위해서는 수량적으로 충분히 공급되어야 하고, 수압에 있어서는 최소잔류수압을 유지해야 한다. 특히 맑은 물 공급을 위해서는 배수관망내의 수질상황을 분석할 수 있는 상시 모니터링 감시체계를 구축해야 하며, 수자원의 효율적인 이용과 상수도사고의 예방측면에서는 누수를 최소화할 수 있어야 한다.  

운영관리 측면에서는 급수상황을 정확히 알기 위해서 실시간에 대한 관망해석을 할 수 있어야 하며, 수계조정이나 비상급수 시 단수지역과 흐린물 출수지역을 정확히 예측할 수 있어야 하고, 상수도관의 정비를 효과적으로 시행하기 위해서는 관망해석을 할 필요가 있다.

상수도관은 인위적으로 설치되는 시설물로서 내구연수가 영구적이지 못할 뿐만 아니라 대부분 지하 환경에 매설되므로 시각적으로 엄폐되어 유지관리가 어렵고 중력에 의한 자연유하식 흐름으로 물이 수송되는 것이 아니고 대개가 관수로에 의해 수송되므로 관 내부에는 항상 수압이 작용하여 관로 사고 위험이 상존한다.

그리고 시간대별 물 사용의 변화로 관말 급수전에서는 수압변동이 크게 일어나며, 또한 상수도관은 자정작용 능력이 없어 수질의 2차적인 오염도 있을 수 있으므로 계획적인 관리가 필수적이다.

대부분의 경우 도시화로 인해 도시가 평면적으로 확장함에 따라 급수구역 또한 지속적으로 확장되었으며, 이로 인해 송수 및 배수시설이 늘어나 배수관망이 복잡한 구조로 바뀌어 배수관망의 기능이 떨어져 있는 실정이다. 수량 및 수질, 그리고 수압의 관리측면에서는 사전 예방적관리가 되지 못하고 문제 발생 후 대처하는 사후 관리체제가 되므로 상수도행정이 신뢰받지 못하는 원인이 되어 왔다.

따라서 상수도관망의 순기능을 높이기 위해서는 관망의 정형화가 이루어져야 하며 관망의 관리에 있어서도 온라인(On Line) 시스템이 필요한 것으로 판단된다.

■ 연구 목적

특히 우리나라는 누수방지사업을 효율적으로 추진하기 위해 관망에 대한 블록화가 필요하게 되어 2001년에 『상수도 유수율제고 업무처리 규정』을 고시하고 블록구축에 대한 기본적인 기준을 마련하여 시행해 오고 있다. 이로 말미암아 배수관망의 블록화가 유수율 제고를 위한 수단으로만 인식될 수도 있음을 간과할 수 없는 사실이며 더구나 유수율 제고측면에서 블록화가 되면 안정급수나 비상급수 측면에서는 또 다른 문제를 일으킬 수 있다.

그러므로 이 연구논문에서는 우리나라의 블록시스템 설정기준과 지금까지 블록화를 통해 나타난 여러 가지 문제점을 보완하여 블록시스템을 구축하고, 원격감시체계 구축과 블록별 관망해석에 의한 물세척 및 비상급수체계에 대해서도 검토하여 대구광역시 배수관망의 효율적인 유지관리를 위한 기초자료로 활용함을 목적으로 두고 있다.

■ 블록시스템 이론

배수관의 배치에는 격자식(Looped Pipe Network)과 수지상식(Tree Pipe Network) 2종류가 있다. 이와 같은 관계들을 관망(Network)이라 한다. 격자식은 망목식이라고도 하며 그물눈과 같이 관이 서로 연락하고 있으므로 물이 정체하지 않고 수압도 유지하기 쉽고 화재 때에 특히 유리하다. 그러나 관망의 수리계산은 매우 복잡하다.

수지상식은 관이 서로 연락되어 있지 않고 나뭇가지 형상으로 각각 갈라져서 말단으로 갈수록 관이 좁게 되어 수압을 서로 보완할 수 없으므로 수압의 저하가 뚜렷하다. 결국 큰 관경을 필요로 하기 때문에 비경제적이 된다. 또 말단은 물이 정체하여 취미, 적수 등의 원인이 되므로 때때로 소화전을 열어서 퇴수 할 필요가 있다. 그러나 수리계산은 간단하고 정확히 할 수 있으며 단수밸브가 적어 관리가 용이하다.

수지상식은 농촌지역 등에서 지형상 부득이한 경우에는 사용되나 일반적으로는 격자식으로 계획한다. 그러나 대도시의 경우는 격자형으로 관망 구성이 되어도 관경이나 관망 형성이 비합리적이어서 지역별로 수압 불균형을 일으키고 누수측정이 어렵고 누수수선이나 개조공사를 할 때도 필요 이상의 지역까지 단수하는 등의 문제점이 있다.

그러므로 이들 제반 문제를 해결하기 위하여 1가구 단위의 소블록을 만들고 이것을 다시 합쳐 중블록, 대블록으로 확장 형성하며, 대블록에서 중블록, 중블록에서 소블록으로 물을 유입시키는 관망체계가 블록시스템(Block System)의 일반적인 개념이다.

배수관망의 블록시스템 구축방식을 소개하면, 첫째, 급수구역을 배수계통별로 여러개의 블록으로 나누고 각 구역은 말단에 비교적 대구경관으로 연결한다. 둘째, 각 블록을 지형(고저, 도로, 하천, 궤도 등)과 배수계통의 조건에 따라 급수 인구 2만 명 정도의 대블록으로 구분하고 대블록 상호간의 급수관 조직은 △배수본관은 250mm 이상의 관으로 조직 △인접하는 대블록 사이에는 2∼3개소의 연락점을 설치 △평상시 최소동수압은 200KPa(2.0㎏f/㎠)로 한다.

셋째, 상기 대블록을 다시 지형·동명을 고려하여 몇 개의 소블록으로 나누며 소블록이 담당할 급수인구는 2천 명 정도이다. 소블록과 배수본관과의 관계, 소블록 상호간의 조직은 대블록을 조직하는 배수본관망과 소블록을 조직하는 배수지관과는 전혀 별개의 관망으로 한다. 즉, 복식배수관망으로 한다. 또 배수본관망으로부터 배수지관망의 주입점은 2개소로 한다.

이 경우 주입점들이 배수지관망의 동일 단수구역이 되지 않도록 하고, 인접하는 소블록 사이에는 1개소의 연결점을 갖도록 하며, 평상시 최소동수압은 150KPa(1.5㎏f/㎠)로 하고, 화재 시에는 허용최소수압 이상으로 한다.

■ 배수관망 발전형태

배수관망의 형태를 살펴보면 시대적으로 단일배수관로, 수지상식 배수관망, 단식격자형 배수관망, 복식격자형 배수관망, 3중식격자형 배수관망으로 발전하고 있으며, 상수도의 규모에 따라서는 위에 열거한 순서가 역순으로 된다.

▲ [그림 1] 단일배수관로 시스템

▲ [그림 2] 수지상지 배수관망 시스템

▲ [그림 3] 단식격자형 배수관망 시스템

단일배수관로는 상수도 시설물 초기의 형태로서 배수관경이 작고, 긴급히 상수도관을 부설할 경우의 배수관로 형태이다. 수지상식 배수관망 형태에서는 배수본관과 배수지관의 구분이 어려우며 배수관경이 250mm 이하인 경우로서 소규모 상수도시설 지역이나 수요밀도가 낮은 지역에 있어서의 배수관망 형태이다.

단식격자형 배수관망은 배수관망시설의 전형적인 형태로서 관망계산에 있어서 우선 이러한 관망형태를 만들고 난 다음, 수요밀도에 따라 순차적으로 계획한다. 배수본관의 관경을 250∼500mm, 배수지관의 관경은 80∼200mm 정도이다.

복식격자형 배수관망은 단식격자형 배수관망 형태에 비하여 유지관리기능을 높이기 위한 관망 형태로서 많은 수도사업자의 당면 목표인 형태이다. 배수본관의 관경은 250∼500mm, 배수지관의 관경은 80∼200mm 정도이다.

3중식격자형 배수관망은 현재의 여러 배수관망 형태 중에서 최고의 정비수준 관망형태로서 특징은 △배수본관망과 배수지관망으로 나누어 해석하므로 관망해석이 용이 △배수지관망의 수압분포와 유량분배가 균등하게 유지 △관내 압력조절에 의한 누수방지와 누수조사가 용이 △3중식격자형 배수관망의 배수간선 관경은 600mm 이상, 배수주관 관경은 250∼500mm, 배수지관의 관경은 80∼200mm 정도이다.

▲ [그림 4] 복식격자형 배수관망 시스템

▲ [그림 5] 3중식격자형 배수관망 시스템

② 영국
영국의 경우 1980년 누수통제방법의 일환으로 구역계량(District Metering)과 낭비계량(Waste Metering)을 채택하면서 배수관망이 블록시스템화 되었다. 구역계량이란 유량계를 구역 내 요충지에 설치하여 급수전 2천∼5천 전(栓)을 기준으로 유량계를 통해 급수하고 유량계를 매주 또는 매월 정기적으로 검침하여 특정지역의 급수량이 현저하게 증가하였으면 이를 분석하여 점검팀을 보내 급수전, 소화전, 밸브 등의 상수도부속시설물에 대해 음청탐지하는 누수통제방법이다.

낭비계량이란 급수전 1천∼3천 전을 기준으로 배수계통 내의 밸브를 닫아 구역을 분리시키고 유량계를 설치하여 한 방향으로 급수하며 유량계로 최소야간유량(MNF : Minium Night Flow)을 측정하여 누수유무를 판단하고 누수지점의 탐사는 밸브를 순차적으로 닫아 누수구역을 축소시켜 누수지점을 찾아내는 누수통제방법이다.

③ 한국
우리나라는 장래 물 부족에 대한 심각성과 누수방지의 필요성을 인식하고 2001년 2월 23일 상수도 유수율 제고업무처리 규정을 제정했고, 이 규정에 의거 유수율제고 종합계획을 수립하면서 배수관망을 대블록, 중블록, 소블록으로 구축하는 블록시스템을 시행하게 되었다.

 2006년 5월에는 유수율제고 종합계획을 「수도정비기본계획 수립 지침」에 포함시켰으며, 2007년 1월 22일에는 상수도관망의 기술진단범위 및 시행방법을 고시했고, 2007년 12월에는 상수도 관망진단 매뉴얼과 유수율제고 사업추진 매뉴얼을 제정했다. 대블록은 정수장의 송수계통 급수구역으로 설정하고, 중블록은 가압장 및 배수지 급수구역을 기본으로 급수전 1천500∼5천 전 규모로 했고, 소블록은 급수전 500∼1천500전 규모로 경계를 설정했다.

④ 대구광역시 
1985년 3월∼1986년 9월까지 당시 내무부가 대구, 인천, 대전, 광주, 마산을 포함한 전국 15개 도시에 대해 지방상수도 누수방지사업에 관한 기술용역을 용역단(Engineering Science사, Norplan사, 한국종합기술개발공사)에 수행하게 함으로써 영국에서 채택한 구역계량과 낭비계량을 도입하여 배수관망의 블록시스템을 시작하게 된 계기가 되었다. 그러나 구역계량과 낭비계량은 누수방지를 목적으로 추진되므로 관망해석, 안정급수, 맑은 물 공급, 수질관리, 비상급수, 관망정비, 원격감시 및 제어, 전산화 등에 있어서는 취약해 관망의 정형화가 필요하여 블록시스템의 기준을 설정하게 되었다.

여기서 대블록의 규모는 동일 수리계통 정수장의 송수계통별로 구역을 나누는 것을 기본으로 하고, 대용량의 정수장에 있어서 조절배수지가 있다면 조절배수지별로 했고, 중블록은 누수통제방법에 있어서 구역계량구역으로 규모는 급수전 2천∼5천 전 정도의 크기로 하며, 소블록 4∼6개를 포함하는 정도로 했고, 소블록은 누수통제방법에 있어서 낭비계량구역으로 규모는 급수전 500∼1천 전 정도로 기준을 설정했다.

그리고 구역의 역할과 구역의 경계조건 및 구역의 관망구성에 대해서도 기준을 설정했다. 2002년 대구광역시 수도정비기본계획에서는 상기기준을 적용하여 대블록 9개, 중블록 231개, 소블록 561개를 계획하여 구축하고 있다.
 
■ 블록시스템 도입효과

블록시스템을 도입 시 효과는 △계획수립 △수량관리 △유지관리 △비상시 대응력 등에 대해 블록시스템의 효과는 다음과 같다. 첫째, 계획수립(The plan establishment) 시 지역별 수량파악이 용이하여 합리적인 수량배분계획을 수립할 수 있으며, 물 수요량의 변화에 따른 배수관의 증설 규모 및 시기를 합리적으로 선정할 수 있다. 또 소블록 내의 관망조직을 명확히 파악하여 효율적인 노후관 정비계획을 수립할 수 있다.

둘째, 수량관리(Water volume management)에서는 수질변화에 대하여 신속한 대처가 가능하며, 영향범위를 최소화할 수 있는 것은 물론 가압, 감압 등 수압조절의 필요성을 파악할 수 있으며 출수 불량지역에 대한 검토가 쉬워진다. 또한 블록별 물의 사용처가 분명해지므로 물 수요의 변화에 따라 탄력적으로 대응할 수 있다.

셋째, 유지관리(Maintenance) 측면에서는 소블록의 유입량 측정 및 물 사용량에 따른 유수율 분석이 용이해지며, 단수가 불가피한 작업시 최소한의 단수구역으로 작업을 완료할 수 있고, 배수관의 기능 파악이 용이하며, 집중적인 누수탐사를 수행할 수 있다. 넷째, 비상시 대응력(countermeasure for an emergency)은 적수, 단수, 사고재해 등의 원인과 영향범위를 쉽게 파악할 수 있어 신속한 대응이 이루어 질 수 있으며, 블록간 비상연결관을 설치하여 시설의 탄력성 및 응급상황 대처능력을 크게 향상시킬 수 있다.

■ 관세척 방법

관을 세척하는 방법은 물세척(Flushing)과 기구세관(Cleaning)으로 나눌 수 있다. 물세척은 소화전이나 퇴수밸브를 통해 유속에 의해 물을 배출시키는 방법으로 일방향(Unidirectional)세척, 재래식(Conventional)세척, 연속퇴수(Continuous Blowoff)로 나누며, 기구 세관은 관로 내부의 스케일 등을 제거하기 위한 기구를 삽입하여 세관하는 방법으로 공기세관(Air Scouring), 스왑(Swab)세관, 피그(Pig)세관, 스크레이퍼(Scraper)세관, 워트젯(Water Jet)세관 등이 있다.

관 세척방법에 따라 관에 미치는 영향을 보면 일방향 세척, 재래식 세척, 연속퇴수와 같은 물세척과 기구세관 중 공기세관과 스왑세관은 관 내면에 손상을 거의 주지 않지만, 피그세관, 워트젯세관, 스크레이퍼세관과 같은 기구세관은 관 내면에 손상을 줄 수 있다. 그러므로 시멘트모르터라이닝 된 닥타일주철관(DCIP)의 실코트(Seal Coat) 제거에는 관 내면에 손상을 주지 않는 물세척이나 기구세관 중 공기세관과 스왑세관 공법을 적용해야 한다.

■ 관망해석 프로그램

배수관망 해석은 원격감시를 통하여 배수관망내의 주요 지점에 대한 수압 및 유량 등의 자료를 수집한 후 관망해석모형을 이용하여 원하는 목적에 가장 부합하는 최적의 설계 및 운영방식을 선택하는 것이다. 현재 활용되고 있는 관망해석 프로그램에 대해서 기술하고 이를 비교 분석하면 다음과 같다.

① EPAnet
이 프로그램은 미국 환경청(EPA)의 Drinking Water Research Division에서 개발된 것으로 KYPIPE 모형을 기본프로그램으로 하여 관망의 물리적 특성이나 관경, 관길이, 조도계수, 용수사용량을 이용하여 절점별, 시간별 수리적 특성이나 유량과 압력을 계산하고, 계산된 수리학적 조건에 따른 수질변화를 모의한다.

EPAnet의 기능으로는 상수도 관망시스템의 정상류에 대한 수리 및 수질 변화를 모의할 수 있으며, 관로시스템의 절점 좌표값을 입력하여 변환함으로써 관로시스템 및 모의해석 결과를 그래픽으로 출력할 수 있다. 또한 수질예측에 필요한 매개변수의 추정을 위해 보존성 물질과 비보존성 물질을 이용하여 관내 수리 및 수질을 추적할 수 있어 상수관망에서의 수리 및 수질 변화를 쉽게 알 수 있도록 했다.

② H2O NET
제작사는 미국 Montgomery Waston이며, AutoCAD를 기반으로 만들어진 모델링시스템으로 프로그램의 주 엔진은 EPANET 1.1e이며 관망해석할 수 있는 절점수는 일반적으로 1천 개 정도이다. SCADA 시스템과는 호환되지 않고 GIS와는 호환성이 있다.

③ Kentucky Pipe Network(KYPIPE) 
관로시스템의 정상류에 대한 유량 및 수압계산을 위한 프로그램으로 1980년 미국 Kentucky대학의 Don J. Wood에 의하여 개발되었다. 관로시스템에서의 초기 유량값을 가정하지 않으며, 각 관로에 대한 절점유량방정식과 에너지방정식을 선형화기법을 이용하여 전체 관망에 대한 행렬식을 만들어 Gaussian-Elimination 방법에 의하여 선형연립방정식을 해석함으로써 전체관로의 유량과 수두를 계산한다.

④ MIKE NET
덴마크 수리연구소(Danish Hydraulic Institute)가 제작하였고, 프로그램의 주엔진은 EPANET2.0이며 관망 해석할 수 있는 절점수는 250에서부터 무한대까지 가능하다. SCADA 시스템과 GIS, CAD, EXCEL, Database, Oracle과는 호환이 가능하다.

⑤ SYNERGEE 
제작사는 케나다 Stoner이며 프로그램의 주엔진은 자체엔진을 사용하며 관망해석 할 수 있는 절점수는 일반적으로 1천 개 정도이다. SCADA시스템과 GIS, CAD, Database와 호환이 가능하다.

⑥ Water CAD
Haestad Methods Inc에 의해 개발된 관로시스템의 정상류 해석 프로그램으로 윈도우, 윈도우95 및 윈도우NT 환경 아래에서 Auto CAD, Microstation 등과 연결하여 그래픽을 이용한 관로시스템 자료의 구축이 가능하다. 또한 시간변화에 따른 배수지 수위를 모의할 수 있고 수질모델링의 수행이 가능하고, 해석결과는 위크시트 및 그래프 등으로 출력된다.

CYBERNET, KYPIPE 1.0, 2.0, 3.0 그리고 EPAnet 등의 기존 자료와 호환성을 가지고 있어 이를 Import하여 사용할 수 있다. 프로그램의 주엔진은 EPANET1.1e를 사용하며 관망해석 할 수 있는 절점수는 일반적으로 1천 개 정도이다. SCADA 시스템과는 호환이 되지 않고 GIS, Database와는 호환이 불완전하다.

⑦ WADISO
WADISO는 1980년대 초 미국 USACE Waterways Experiment Station Thomas M. Walski와 Johannes Gessler, 그리고 John W. Sjostrom에 의해 개발된 프로그램으로 관로시스템의 각 관로에 대한 유량 및 에너지방정식을 비선형방정식으로 구성하고, 이를 수치 해석함으로써 수두를 결정한 다음, 각 절점에서의 유량을 환산하며 관로의 손실수두는 Hazen-Williams식을 사용한다. 관망설계 시 압력, 유량의 변화에 따른 관경에 대한 모의기능이 있으며 펌프운영에 따른 유량과 압력의 모의도 가능하다.

⑧ CYBERNET 
KYPIPE와 미국의 EPA에서 개발한 수질관련 프로그램인 EPAnet를 조합한 것으로 Auto CAD를 이용, 관로시스템을 도형적으로 표현하여 해석하는 전문적인 상용프로그램이다. 관로시스템을 구성하고 있는 각 관로의 개수에 따라 가격이 달라지며 소규모의 관로시스템 해석프로그램 가격은 저렴한 편이고, 해석해야 할 관로의 수가 증가할수록 가격이 비싸지는 단점을 갖는다.

⑨ LOSS
관로시스템에서 손실수두에 영향을 미치는 인자인 관 마찰, 굴곡손실, 조도계수, 수로연장, 단면형상, 내경 등을 고려하여 총 손실 낙차를 계산하는 프로그램이다.

⑩ UNDP
이 프로그램은 UN에서 프로그램 개발능력이 부족한 저개발국 및 개발도상국의 지원을 위해 세계은행으로부터 지원을 받아 미국의 North Carolina 대학에서 개발된 프로그램으로 Source Code가 제공되고 있으며, 컴퓨터 언어는 BASIC으로 되어 있다. 타 프로그램들과는 달리 목적별로 10개의 프로그램이 있어 종합적인 검토를 위해서는 사용자가 프로그램을 합성하거나 각 결과를 종합 검토하여야 한다. 이 프로그램은 급수 및 하수관망의 계획, 설계 및 계획의 경제성 평가를 위한 단가 등을 산정할 수 있는 기능을 갖는다.

⑪ USU Pipe Network
이 프로그램은 미국의 Utah State University의 R. Jeppson에 의해 개발되었으며 컴퓨터 언어는 Fortran과 C언어로 되어 있으나 Source Code가 제공되지 않고 판매되고 있다.

⑫ SIMDRU
SIMDRU 프로그램은 연속방정식, 운동량방정식 및 콜리브록방정식을 이용하여 관로 시스템의 절점별 유량 및 압력 등 유체의 흐름 해석을 하는 프로그램으로 수지형 및 폐합형 관로시스템의 해석과 복합관로의 수격압을 비롯한 정상 및 비정상 상태의 흐름해석이 가능하다. 이는 독일의 W. Zielke에 의해 개발되었으며, 1980년에 네 번째 개정판이 나왔으며, 컴퓨터 언어는 FORTRAN으로 되어 있으나 계약조건에 따라 Source Code가 제공되기도 하고 제공되지 않고 판매도 되고 있다.

⑬ LIQT & SWS
미국의 Stoner에 의해 개발된 상업용 프로그램이다. 정상류 상태와 압력 및 유량이 시간에 따라 변화하는 관내의 유체이동에 대한 해석이 가능하다. SWS는 각종 자료 및 결과를 화면상에 도형적(Graphical)으로 나타낸다.

⑭ WASMACS
영국의 Bruneleogkrdml Sterling 교수에 의해 개발된 프로그램으로 관망의 해석보다는 관로와 펌프 등의 최적운영에 필요한 각종 설비의 운전과 실제자료의 Data Base화 까지 처리할 수 있는 운영 프로그램들로 구성되어 있다.

⑮ WATER
미국의 WISCONSIN 대학의 Dr. Holub이 Canada의 Municipal Hydraulics Ltd.와 공동으로 개발한 프로그램으로 기본적인 관로시스템 해석을 위한 비교적 단순한 프로그램이다. 논문에서는 관로시스템의 해석기법 보다는 각종 해석기능과 결과의 표현방법 및 사용목적을 중심으로 위 프로그램들의 각종 기능 및 특성을 비교했다. 

[다음호에 계속]