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문제 정의
- 상수관의 주재료인 주철관과 강관의 사용연수에 따른 발현확률이 높은 유속계수를 예측할 수 있다면 상수관망의 설계 및 운영관리에 큰 역할을 할 것이라고 생각된다. 따라서 본 연구에서는 강관의 사용연수 20년 이하와 21년 이상, 주철관의 사용연수 20년 이하와 21년 이상에서 유속계수의 통계적 특성을 분석하였다. 통계적 분석을 통하여 향후 20년 후의 상수관의 유속계수의 발현가능성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단하였다.
- 본 연구에서는 유속계수를 명확하게 설계에 적용하기 위하여 매설 후 20년 이상 경과 또는 20년 이하의 광역상수도의 8개구간에 걸쳐 수압을 실측하고 유속계수를 산정하였다. 그리고 기존의 측정된 유속계수를 수집 및 분석하여 향후 관종별, 관경별, 그리고 경과연수별 유속계수의 변화 추이를 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 국내 광역상수도의 유속계수에 대한 기존 측정 자료를 분석 및 정리하였다. 일반적으로 안전성 검토에 의한 유속계수는 1회를 기준으로 5년마다 정밀안전진단을 수행하고 있다.
- 또한 강관과 주철관의 경우 원수와 정수로 분류하고 사용연수에 따라 10년 이하, 11년∼20년, 21년∼30년, 31년 이상으로 분류하여 각각의 사용연수에 따른 관경별 유속계수를 분석하였다.
- 이에 따라 기존 측정 자료인 수도권 및 남강댐계통 광역상수도 등 전 구간에 대하여 유속계수 산정이 가능한 구간조건에 부합한 구간들의 유속계수를 분석하였다. 먼저 전 구간 유속계수를 강관과 주철관 및 PC관등으로 분류하였다. 또한 강관과 주철관의 경우 원수와 정수로 분류하고 사용연수에 따라 10년 이하, 11년∼20년, 21년∼30년, 31년 이상으로 분류하여 각각의 사용연수에 따른 관경별 유속계수를 분석하였다.
- 일반적으로 수도관로의 통수 능력은 Hazed-Williams 공식에서 사용되는 유속계수에 의해 판단하여 관로의 통수 능력 관리가 체계적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서는 4개 권역 관리단의 매설 후 20년 이상 경과한 관로구간을 선정하여 압력로거를 설치하고 현장에서 관내 수압을 측정하고 유속계수를 산정하였다. 유속계수 산정구간 선정에 제약이 많아 초기 시공된 관로 중각 관경, 관종, 매설년도 및 용도 등을 감안하여 유속계수 측정이 가능한 대표구간을 선정하였다.
- 본 연구에서는 광역상수도의 4개 권역에서 사용연수 20년 이상 경과한 관로를 선정하여 압력과 유량을 실측하고 유속계수를 산정하였다. 산정결과, 유속계수는 모두 110이상을 유지하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 실제 유량과 압력측정을 통하여 실제 유속계수를 산정하였다. 총 4개 권역에서 매설 후 20년 이상 경과된 권역별 2개의 직선형 관로를 선정 하였고 20년 이상경과한 광역상수도에서 압력과 유량을 실측하고 유속계수를 산정하였다.
- 산정결과, 유속계수는 모두 110이상을 유지하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 실측된 유속계수를 수집하여 현재의 광역상수도의 상태 및 유속계수의 설계기준을 비교할 수 있었다. 자세한 결과는 아래와 같다.
- 수리적 거동 분석 시 오차를 최소화하기 위해 각 구역의 시·종점 및 관저고가 높은 지점의 경우 정밀도가 높은 데이터로거를 통해 측정하였다.
- 수압 측정 지점은 관로 분기점, 관경의 변화지점, 관 종류의 변화지점 등을 종합적으로 고려하여 선정하였으며, 유량측정지점은 관리단에서 운영·관리중인 유량계의 TM자료를 우선적으로 사용하였다. 수압은 48시간동안 1분 간격으로 측정하였으며, 측정 지점은 권역별로 각 4개소이다. 수리적 거동 분석 시 오차를 최소화하기 위해 각 구역의 시·종점 및 관저고가 높은 지점의 경우 정밀도가 높은 데이터로거를 통해 측정하였다.
- 앞서 선정한 4개 권역 광역 상수도에서 수압측정을 하였다. 수압 측정 지점은 관로 분기점, 관경의 변화지점, 관 종류의 변화지점 등을 종합적으로 고려하여 선정하였으며, 유량측정지점은 관리단에서 운영·관리중인 유량계의 TM자료를 우선적으로 사용하였다.
- 본 연구에서는 4개 권역 관리단의 매설 후 20년 이상 경과한 관로구간을 선정하여 압력로거를 설치하고 현장에서 관내 수압을 측정하고 유속계수를 산정하였다. 유속계수 산정구간 선정에 제약이 많아 초기 시공된 관로 중각 관경, 관종, 매설년도 및 용도 등을 감안하여 유속계수 측정이 가능한 대표구간을 선정하였다. 수압 실측 구간에 대해서는 관리주체로부터 제수밸브가 완전히 개방되어 있음을 확인 후 현장에서 설치되어 있는 또는 휴대용 디지털 측정 장비를 이용하여 각각의 측정구간에 대해 수압, 유량측정(관리주체 제공)을 반복 실측하고 해당 구간에 대한 관저고를 비교하여 유속계수를 산정하였으며, 산정된 유속계수 자료는 통계처리 기법인사분의 범위를 이용, 이상치를 제거하여 결과치의 정확도를 높였다.
- 구간별 대표 유속계수는 48시간 동안 1분 간격으로 측정된 수압을 사용하여 각각 2,880회에 걸쳐 산정된 유속계수의 평균값으로 결정한다. 이러한 방법으로 산정된 유속계수와 기존에 다년간 실측하여 산정된 유속계수를 통하여 관종별 유속계수 현황을 파악하였고 이를 통하여 광역상수도의 현재 상태를 예측하였다. 상수도의 도·송수관로 수리계산에 통상 적용되는 수리공식은 아래 식(1)과 같은 Hazen-Williams공식으로서 관내 면의 조도에 따라 달라지는 유속계수를 포함하고 있다.
- 일반적으로 안전성 검토에 의한 유속계수는 1회를 기준으로 5년마다 정밀안전진단을 수행하고 있다. 이에 따라 기존 측정 자료인 수도권 및 남강댐계통 광역상수도 등 전 구간에 대하여 유속계수 산정이 가능한 구간조건에 부합한 구간들의 유속계수를 분석하였다. 먼저 전 구간 유속계수를 강관과 주철관 및 PC관등으로 분류하였다.
- 정수용 강관과 주철관으로 나누어 사용연수에 따라 10년 이하, 11년∼20년, 21년∼30년, 31년 이상으로 분류하여 각각의 사용연수에 따른 관경별 유속계수를 분석하였다.
- 본 연구에서는 실제 유량과 압력측정을 통하여 실제 유속계수를 산정하였다. 총 4개 권역에서 매설 후 20년 이상 경과된 권역별 2개의 직선형 관로를 선정 하였고 20년 이상경과한 광역상수도에서 압력과 유량을 실측하고 유속계수를 산정하였다. 표 1, 2, 3, 그리고 4는 구미권, 성남권, 과천권, 그리고 광양권역의 유속계수 산정결과를 나타내고 있다.
대상 데이터
- 수압 측정 지점은 관로 분기점, 관경의 변화지점, 관 종류의 변화지점 등을 종합적으로 고려하여 선정하였으며, 유량측정지점은 관리단에서 운영·관리중인 유량계의 TM자료를 우선적으로 사용하였다.
데이터처리
- 그리고 기존의 측정된 유속계수를 수집 및 분석하여 향후 관종별, 관경별, 그리고 경과연수별 유속계수의 변화 추이를 확인할 수 있었다. 또한 앞서 산정한 유속계수를 통계적 확률분포로 나타내어 분석하였다.
- 유속계수 산정구간 선정에 제약이 많아 초기 시공된 관로 중각 관경, 관종, 매설년도 및 용도 등을 감안하여 유속계수 측정이 가능한 대표구간을 선정하였다. 수압 실측 구간에 대해서는 관리주체로부터 제수밸브가 완전히 개방되어 있음을 확인 후 현장에서 설치되어 있는 또는 휴대용 디지털 측정 장비를 이용하여 각각의 측정구간에 대해 수압, 유량측정(관리주체 제공)을 반복 실측하고 해당 구간에 대한 관저고를 비교하여 유속계수를 산정하였으며, 산정된 유속계수 자료는 통계처리 기법인사분의 범위를 이용, 이상치를 제거하여 결과치의 정확도를 높였다. 구간별 대표 유속계수는 48시간 동안 1분 간격으로 측정된 수압을 사용하여 각각 2,880회에 걸쳐 산정된 유속계수의 평균값으로 결정한다.
- 유속계수의 통계적 분석과 유속계수의 확률분포와 Weibull분포의 상관관계를 검증하기 위하여 확률가중 모멘트법을 통한 k2검정, K-S(Kolmogorov Smirnov)검정, CVMCramer Von Mises)검정 방법으로 아래 Table 6과 같이 적합도를 검증하였다. 표에서 볼 수 있듯이 세 가지 검정방법 모두에서 Weibull분포의 적합도가 검증되었다.
- 분석한 결과를 통하여 유속계수의 분포가 Weibull 확률분포를 따르는 것을 알 수 있었다. 적절한 Weibull분포를 구하기 위하여 먼저 유속계수의 평균(mean)과 분산 (variance)을 구한 뒤 표준편차(standard deviation)를 계산하였다. 식 (7)과 식 (8)은 Weibull분포를 나타내기 위한 매개변수를 계산하는 과정으로, 확률밀도함수와 누가확률밀도함수 이다.
성능/효과
- 1) 정수용 강관의 관경별 유속계수는 변화가 미미하다고 할 수 있었으나 정수용 주철관의 경우는 관경이 커짐에 따라 눈에 띄게 유속계수가 감소하였다.
- 2) 정수용 강관의 관경별 사용연수에 따른 유속계수는 사용연수 20년에서는 유속계수가 110이상 이었으며 30년 후 유속계수는 100이상의 될 것으로 판단된다.
- 3) 정수용 주철관의 관경별 사용연수에 따른 유속 계수는 사용연수 20년에서는 유속계수가 110이상을 유지하는 것으로 나타났다. 30년 후 유속계수는 700mm에서 다소 작은 수치를 나타냈으나 전반적으로 100이상을 유지할 것으로 판단된다.
- 3) 정수용 주철관의 관경별 사용연수에 따른 유속 계수는 사용연수 20년에서는 유속계수가 110이상을 유지하는 것으로 나타났다. 30년 후 유속계수는 700mm에서 다소 작은 수치를 나타냈으나 전반적으로 100이상을 유지할 것으로 판단된다.
- 4) 정수용 강관의 사용연수 20년 이하에서는 유속 계수가 평균 117.7로 나타났으며 21년 이상 강관에서는 109.3으로 나타났다. 또한 20년 이하 주철관에서는 유속계수가 평균 118.
- 본 연구에서는 유속계수를 명확하게 설계에 적용하기 위하여 매설 후 20년 이상 경과 또는 20년 이하의 광역상수도의 8개구간에 걸쳐 수압을 실측하고 유속계수를 산정하였다. 그리고 기존의 측정된 유속계수를 수집 및 분석하여 향후 관종별, 관경별, 그리고 경과연수별 유속계수의 변화 추이를 확인할 수 있었다. 또한 앞서 산정한 유속계수를 통계적 확률분포로 나타내어 분석하였다.
- 하지만 하향직선의 경사도는 그리 크지 않았으며 따라서 유속계수 감소폭은 크지 않았다. 따라서 설계 시 20년 이상 된 정수 주철관과 강관 모두 유속계수는 110을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다. 이 결과를 통해 관종에 적합한 유속계수를 사용하여 안정성과 경제성이 확보된 최적의 상수도 설계기준을 수립함으로써 건설비용을 대폭 절감할 수 있을 것이다.
- 통계적 분석을 통하여 향후 20년 후의 상수관의 유속계수의 발현가능성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단하였다. 분석한 결과를 통하여 유속계수의 분포가 Weibull 확률분포를 따르는 것을 알 수 있었다. 적절한 Weibull분포를 구하기 위하여 먼저 유속계수의 평균(mean)과 분산 (variance)을 구한 뒤 표준편차(standard deviation)를 계산하였다.
- 본 연구에서는 광역상수도의 4개 권역에서 사용연수 20년 이상 경과한 관로를 선정하여 압력과 유량을 실측하고 유속계수를 산정하였다. 산정결과, 유속계수는 모두 110이상을 유지하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 실측된 유속계수를 수집하여 현재의 광역상수도의 상태 및 유속계수의 설계기준을 비교할 수 있었다.
- 주철관의 경우 21년 이상 된 관의 유속계수가 강관의 유속계수보다 훨씬 큰 것으로 나타났다. 주철관과 강관 모두에서 유속계수는 대부분 사용 연수에 따라 약간 감소하는 것을 알 수 있었다. 하지만 하향직선의 경사도는 그리 크지 않았 으며 유속계수 감소폭은 크지 않았다.
- 주철관의 경우 21년 이상 된 관의 유속계수가 강관의 유속계수보다 훨씬 큰 것으로 나타났다. 주철관과 강관 모두에서 유속계수는 대부분 사용 연수에 따라 약간 감소하는 것을 알 수 있었다. 하지만 하향직선의 경사도는 그리 크지 않았 으며 유속계수 감소폭은 크지 않았다.
- 표 1, 2, 3, 그리고 4는 구미권, 성남권, 과천권, 그리고 광양권역의 유속계수 산정결과를 나타내고 있다. 표에서 볼 수 있듯이 20년 이상경과한 관이지만 대부분 110이상을 유지하고 있어서 관내면의 조도상태는 양호할 것으로 판단되었다.
- 검정, K-S(Kolmogorov Smirnov)검정, CVMCramer Von Mises)검정 방법으로 아래 Table 6과 같이 적합도를 검증하였다. 표에서 볼 수 있듯이 세 가지 검정방법 모두에서 Weibull분포의 적합도가 검증되었다.
후속연구
- 따라서 설계 시 20년 이상 된 정수 주철관과 강관 모두 유속계수는 110을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다. 이 결과를 통해 관종에 적합한 유속계수를 사용하여 안정성과 경제성이 확보된 최적의 상수도 설계기준을 수립함으로써 건설비용을 대폭 절감할 수 있을 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 강관의 사용연수 20년 이하와 21년 이상, 주철관의 사용연수 20년 이하와 21년 이상에서 유속계수의 통계적 특성을 분석하였다. 통계적 분석을 통하여 향후 20년 후의 상수관의 유속계수의 발현가능성에 대한 예측이 가능할 것으로 판단하였다. 분석한 결과를 통하여 유속계수의 분포가 Weibull 확률분포를 따르는 것을 알 수 있었다.
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