[논문]상수관 파괴에 의한 피해 경감기법의 개발

전환돈; 박무종; 김중훈; 이환구

상수관 파괴에 의한 피해 경감기법의 개발
Development of a Method to Reduce Damages by Pipe Failures 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.8 no.6, 2008년, pp.31 - 36

전환돈 (한밭대학교 토목시스템공학부) , , 박무종 (한서대학교 토목공학과) , 김중훈 (고려대학교 건축 사회환경공학과) , 이환구 (현대건설(주) 기술개발원 설계실 수자원)

초록
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배수시설은 합리적인 계획으로 배치하여 시간적으로 변동하는 수요량에 대하여 적정한 수질의 물을 적정한 압력으로 연속적이면서 안정적으로 공급해야 한다. 또한 상수관 파괴 같은 사고가 발생했을 경우에도 용수 수요자에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 안정성이 높은 시설을 목표로 구축되어야 한다. 본 연구에서는 상수관 파괴에 의한 피해를 합리적으로 경감시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 본 연구를 위해 기존의 상수관 파괴에 의한 피해영역 산정기법과 신뢰도 산정기법을 통해서 상수관망을 분석하고 상수관 파괴에 의한 피해 경감기법을 도출하였다. 분석결과 minimum cutset에 속하는 상수관의 내구성을 중요우선순위에 따라 향상시킴으로써 상수관 파괴에 의한 피해를 효과적으로 경감시킬 수 있었으며 제안된 방법을 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A water distribution system should be constructed reasonably to supply water for the customer with proper quality and pressure as demands at nodes fluctuate with time. Also it should be reliable to minimize undesirable effects on the customer when various accidents happen such as pipe failures. A new method is presented here to reduce damages by pipe failures. For the work, two methods, namely, the method for estimating practical extent of damage by pipe failures and for estimating water distribution reliability, are adopted to analyze a water distribution system and to explore the damage reduction by pipe failures. As the results from the analysis of the model, the damage can be reduced effectively by increasing durability of each pipe in minimum cutsets according to the order of priority. The suggested method was applied to the Cherry-Hill network to verify its applicability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 박재일(2006)의 모델을 통해서는 관망 내 전체 상수관 중에서 어떤 상수관을 보강해야 할 것인가를 알 수 있으나 관 파괴시 피해의 크기를 고려한 보강 우선순위를 결정할 수는 없다. 본 연구에서는 박재일(2006) 모형의 단점을 보완하여 상수관 파괴에 따른 피해의 크기를 정량적으로 산정할 수 있는 방법을 제시하였으며 이를 바탕으로 피해를 효과적으로 경감시키기 위하여 보강의 우선순위를 결정하는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 상수관 파괴에 의한 피해를 합리적으로 감소시킬 수 있는 방법을 제시하였다. Jun (2005)이 제시한 상수관 파괴에 의한 피해영역 산정기법과 박재일(2006)이 제시한 신뢰도 산정기법을 통해서 상수관망을 분석하여 minimum cutset에 속하는 상수관의 내구성을 중요우선순위에 따라 향상시킴으로써 수관 파괴에 의한 피해가 효율적으로 감소될 수 있다는 결론을 내릴 수 있었으며 제안된 방법을 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.
또한 상수관파괴 같은 사고가 발생했을 경우에도 용수 수요자에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 안정성이 높은 시설을 목표로 구축되어야 한다. 본 연구에서는 상수관 파괴에 의한 피해를 효과적으로 경감시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 연구에 따른 결론을 다음과 같이 정리하였다.

제안 방법

(2) 박재일 (2006)의 신뢰도 산정모형을 보완하여 상수관 파괴에 의한 피해를 효과적으로 경감시키기 위하여 보강의 우선순위를 결정하는 방법을 제시하였으며 그 방법을 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다. 적용결과 시스템 전체의 신뢰도 향상은 미미하였으나 상수관 파괴에 의한 피해는 효과적으로 경감시킬 수 있었다.
Cherry Hill 상수관망은 90개의 노드, 104개의 파이프(6, 8, 12 인치 3종 관경으로 구성), 94개의 제수 밸브 등으로 구성되어 있다. (그림 2(a)) 본 연구에서 AWQUH를 171 gallon/ day/person (http://water.me.vccs. edu/math/waterdemand2.html)을 EPANET 입력 단위와 동일한 GPM으로 변환하여 적용하였다. 파괴 시 가장 많은 단수 인구를 발생시키는 segment는 그림 2(b)와 같다.
본 연구에서는 상수관 파괴에 의한 피해를 합리적으로 감소시킬 수 있는 방법을 제시하였다. Jun (2005)이 제시한 상수관 파괴에 의한 피해영역 산정기법과 박재일(2006)이 제시한 신뢰도 산정기법을 통해서 상수관망을 분석하여 minimum cutset에 속하는 상수관의 내구성을 중요우선순위에 따라 향상시킴으로써 수관 파괴에 의한 피해가 효율적으로 감소될 수 있다는 결론을 내릴 수 있었으며 제안된 방법을 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.
Su 등(1987)은 네트워크 내에서 파괴 시 수리학적인 비정상 상태를 유발할 수 있는 구성 요소의 최소한의 집합으로 정의되는 minimum cutset을 기반으로 시스템의 신뢰도를 산정하였다. Minimum cutset을 구하기 위해 다양한 상수관이나 2개 이상의 상수관 조합을 결정하고 해당 상수관에 대한 파괴 모의를 통해 시스템 내의 어느 하나의 node라도 기준이하의 압력 저하를 유발하는 조합을 minimum cutset으로 규정하였다. 그러나 이 모형은 피해영역을 파괴된 상수관에 한정함으로써 실제 피해 영역을 고려하지 못한 단점을 가지고 있다.
상수관의 신뢰도는 Su 등(1987)의 식을 이용하여 추정하였으며 펌프 및 탱크와 같은 요소는 파괴가 발생할 경우 시스템 전체가 마비되어 본 연구의 범위를 벗어나게 되므로 신뢰도 추정에서 제외하였다. 개개의 상수관의 신뢰도는 Su 등 (1987)에 의해 제시된 St. Louis 시에서 장기간의 상수관 파괴기록으로부터 추정된 회귀식을 바탕으로 추정하였다. (식 (7)~(10))
본 모델은 segment를 cutset으로 하여 이 중 ‘상수관망의 기능 저하를 유발하는 최소한의 cutset’을 minimum cutset으로 정의하였다.
본 적용에서는 파괴 시 가장 큰 단수인구가 발생하는 S(20)에 속한 7개의 상수관을 14inch의 관으로 교체하여 각각의 신뢰도가 0.99이상이 될 수 있게 하였다. 아래의 표 2는 보강 결과를 나타낸다.
Su 등(1987)은 cutset을 ‘상수관망에서 일부 절점의 용수공급 불가능 상태를 야기하는 구성요소의 집합’으로 정의하고 상수관망에서 2~3개의 상수관이 동시에 파괴될 수 있는 상황을 고려였다. 수리학적 모의를 통해 해당 조합의 파괴모의결과 기준치 이하로 압력이 저하되는 절점의 유무로 minimum cutset을 추정하였다. 그러나 이는 파괴의 영역을 해당 상수관 에만 한정함으로써 실제로 발생할 수 있는 피해 영역을 고려하지 못하였으며 그 결과에 기인한 압력 저하 역시 신뢰할 수 없는 단점이 있다.

대상 데이터

적용대상 지역은 미국 Connecticut 주에 위치한 Cherry Hill 상수관망을 선정하였다. Cherry Hill 상수관망은 90개의 노드, 104개의 파이프(6, 8, 12 인치 3종 관경으로 구성), 94개의 제수 밸브 등으로 구성되어 있다.

이론/모형

상수관의 신뢰도는 Su 등(1987)의 식을 이용하여 추정하였으며 펌프 및 탱크와 같은 요소는 파괴가 발생할 경우 시스템 전체가 마비되어 본 연구의 범위를 벗어나게 되므로 신뢰도 추정에서 제외하였다. 개개의 상수관의 신뢰도는 Su 등 (1987)에 의해 제시된 St.
5 kgf/cm²)이하의 압력저하를 유발하거나 비의도적 구역고립(unintended isolation)을 유발하는 것으로 한정되었다. 이러한 과정을 통하여 시스템 내의 segment 중 minimum cutset 이 정의되면 success mode approach를 적용하여 시스템 신뢰도를 추정하게 된다. 아래는 시스템의 신뢰도를 추정하는 식을 나타낸다.

성능/효과

아래의 표 2는 보강 결과를 나타낸다. 보강 결과 전체 시스템의 신뢰도는 0.137310에서 0.141551로 증가 수준이 미미 하였지만 총 ENCOS는 285.52명에서 252.17명으로 11.68% 감소하였다.
(2) 박재일 (2006)의 신뢰도 산정모형을 보완하여 상수관 파괴에 의한 피해를 효과적으로 경감시키기 위하여 보강의 우선순위를 결정하는 방법을 제시하였으며 그 방법을 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다. 적용결과 시스템 전체의 신뢰도 향상은 미미하였으나 상수관 파괴에 의한 피해는 효과적으로 경감시킬 수 있었다.

후속연구

(3) 차후 과제로서 상수관의 내구성 증가뿐만 아니라 제수 밸브 설치를 통한 구조적 개선을 통한 피해 경감기법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배수시설은 무엇을 목표로 구축되어야 하는가?	통계청의 자료에 따르면 2004년 기준 전국의 총 수도관의 연장은 약 5,322 km이며 이 중 배수관은 3,344 km로서 천체 관로의 63%를 이를 정도로 전체 상수시스템의 많은부분을 차지하는 시설물이다. 이러한 배수시설은 합리적인 계획으로 배치하여 시간적으로 변동하는 수요량에 대하여 적정한 수질의 물을 적정한 압력으로 연속적이면서 안정적으로 공급해야 하며 상수관 파괴 같은 사고가 발생했을 경우에도 용수 수요자에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 안정성이 높은 시설을 목표로 구축되어야 한다. 우리나라는 1908년 서울에 최초 수도를 공급한 이후로 1954년 22%에 불과하던 급수보급률이 2004년 기준 91%에 이르고 있으나(KOSIS 국가통계포털) 도시화에 따른 인구 집중으로 인해 용수가 부족한 지역이 나타나고 있으며 관로의 노후화 및 상수관 등의 구성요소의 파손 등으로 인한 단수가 빈번하게 발생하고 있어 상수관망의 설계 및 유지관리를 위한 합리적이고 고도화된 기법의 개발이 필요하다.
	상수관망은 무엇인가?	상수관망(water distribution system)은 도시기능 유지를 위한 용수공급에 필요한 사회시반시설물 중의 하나로서 정수장에서 정수된 용수를 수송, 분배, 공급하는 기능을 가지며 상수관, 펌프 및 밸브 등이 조합된 매우 복잡한 네트워크 시스템이다. 통계청의 자료에 따르면 2004년 기준 전국의 총 수도관의 연장은 약 5,322 km이며 이 중 배수관은 3,344 km로서 천체 관로의 63%를 이를 정도로 전체 상수시스템의 많은부분을 차지하는 시설물이다.

참고문헌 (7)

박재일 (2006) 상수관망의 신뢰도 추정을 위한 Segment기반 Minimum cutset method, 석사학위논문, 고려대학교
환경부 (2004) 상수도 시설기준. 환경부
Jun, H.D. (2005) Strategic valve locations in a water distribution system, Ph.D. Dissertation, Virginia Polytechnic and State University, Blacksburg, Virginia
Mays, L.W. (1996) Review of reliability analysis of water distribution systems. Stochastic hydraulics '96, K. K. Tickle et al., eds., Balkema, Rotterdam, The Netherlands, pp. 53-62
Mays, L.W. (2004) Water supply systems security. The McGraw-Hill companies, New York
Su, Y.C., Mays, L.W., Member ASCE, Duan, N. and Lansey, K.E. (1987) Reliability based optimization model for water distribution systems. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 12, pp. 1539-1556
Walski, T.M. (1993) Water distribution valve topology for reliability analysis. Reliability engineering & system safety, Vol. 42, No. 1, pp. 21-27

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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