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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 광역상수도에서의 안정적인 수돗물 공급을 평가하기 위한 위기대응 취약성 분석 방법을 제시하고 이를 이용한 광역상수도 연계운영의 효과를 평가할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 광역상수도 연계운영 평가를 위해 위기대응 취약성 분석을 수행하였으며, 상수도 관망에서의 위기대응 취약성 분석과 관련된 많은 연구들을 검토하였다. 그 결과 위기대응 취약성 분석방법은 위상적 방법과 수리학적 방법으로 크게 2가지로 분류 할 수 있었다.
- 본 연구에서는 광역상수도에서의 안정적인 수돗물 공급을 평가하기 위한 위기대응 취약성 분석 방법을 제시하고 이를 이용한 광역상수도 연계운영의 효과를 평가할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. N 광역상수도를 대상으로 위기대응 취약성 분석을 수행하였으며, 관로별, 구간별, 계통별 및 전체 광역상수도에 대한 위기대응 취약성을 산정하기 위하여 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 및 K-NRiskQ를 활용한 시나리오별 수요부족량을 산정하였다.
가설 설정
- 따라서, N 광역상수도 관로 대부분이 30년 이내에 매설된 관로이며, 최근에 부분적인 개량공사 등을 시행하고 있는 점을 감안하여 N 광역상수도 관로 전체의 관파손확률을 0.08(건/km/year)으로 가정하였다. 그리고, 관로가 파손되면 복구시간 만큼의 단수 및 수요부족량이 발생하게 되며, 이는 일반적으로 관경이 커질수록 관 파손 복구시간과 수요부족량이 늘어나게 된다.
제안 방법
- 본 연구에서는 광역상수도에서의 안정적인 수돗물 공급을 평가하기 위한 위기대응 취약성 분석 방법을 제시하고 이를 이용한 광역상수도 연계운영의 효과를 평가할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. N 광역상수도를 대상으로 위기대응 취약성 분석을 수행하였으며, 관로별, 구간별, 계통별 및 전체 광역상수도에 대한 위기대응 취약성을 산정하기 위하여 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 및 K-NRiskQ를 활용한 시나리오별 수요부족량을 산정하였다. 특히, 관 파손시 부족 수요량을 산정하기 위하여 3가지 분석 시나리오로 설계하였으며, 시나리오 1은 비상연계관로가 모두 닫혀 있어 연계 이전의 상태를 평가하는 것이고, 시나리오 2은 현재 부분적으로 비상연계관로를 개방하고 있는 운영상태를 평가하고, 시나리오 3은 모든 비상연계관로를 개방하여 기존에 설치되어 있는 모든 비상연계관로 개방하는 것으로 하였다.
- N 광역상수도의 연계운영 평가를 위하여 먼저, 관로별 위기대응 취약성 분석을 시행하였다. 위기대응 취약성 분석을 위해서 관로별 파손확률, 관경별 복구시간, 관 파손시 물부족량 등을 통해 산정하였다.
- 그리고, 관로의 파손 확률은 노후도에 따른 관 파손 확률(건/km/year)과 관 연장을 곱하여 확률적으로 계산 할 수 있도록 하였다. 다음 Fig.
- 다음은 연구대상지역의 관 파손시 부족 수요량을 산정하기 위하여 3가지 분석 시나리오를 설계하였다. 시나리오 1은 비상연계관로가 모두 닫혀 있어 연계 이전의 상태를 평가하는 것이고, 시나리오 2은 현재 부분적으로 비상연계관로를 개방하고 있는 운영상태를 평가하고, 시나리오 3는 모든 비상연계관로를 개방하여 기존에 설치 되어 있는 모든 비상연계관로를 개방하는 것이다.
- 0을 기반으로 다른 상용화된 관망해석 프로그램에 비해 이면누수 및 파손누수 모의 모듈, 누수량 산정 및 자동배분 모듈, 압력기반해석 누수모의 알고리즘, 해석결과 기반 누수 성능평가지표 표출, 비정상상황시 피해분석, 압력기반 수요민감도 분석 등의 차별화된 기능 등을 수행할 수 있는 프로그램이다. 따라서 본 프로그램 이용하여 관 파손시의 비정상 상태를 모의하고, 그 결과를 이용하여 각 관로 파손 시 예상되는 수요 부족량을 산정하여 위기대응 취약성을 산정하는데 활용하였다.
- 마지막으로, 연구대상지역의 관 파손시 부족 수요량을 산정하기 위한 시나리오 분석결과와 관 파손확률, 관 파손시 복구시간을 활용하여 시나리오별 위기대응 취약성을 정량적으로 산정하여 광역상수도 연계운영 평가를 수행하였다. 연구절차는 Fig.
- 연구대상지역의 상수도 GIS, 공급량 자료, 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 등의 자료를 수집하였다. 상수도 GIS와 공급량 자료 등을 이용하여 관망해석을 위한 관망도를 작성하였고, 수리해석 모의 편의성을 위해 비상연계관로 기준으로 관망도 개략화를 수행하였다.
- N 광역상수도의 연계운영 평가를 위하여 먼저, 관로별 위기대응 취약성 분석을 시행하였다. 위기대응 취약성 분석을 위해서 관로별 파손확률, 관경별 복구시간, 관 파손시 물부족량 등을 통해 산정하였다. 다음 Table 3은 SP 계통내 관로별 기초정보이고, Table 4는 SP 계통내 관로별 관 파손시 물부족량 및 위기대응 취약성을 각 시나리오별로 산정한 결과이다.
- (1996), Paik (2007), Kim (2009), Yoo (2012), Choi and Koo (2015) 등이 적용한 바 있다. 이와 같이, 본 연구에서는 기존 연구에서 제시한 위상적 방법과 수리학적 방법 중 수리학적 방법을 적용하여 위기대응 취약성을 분석하였으며, 이를 통해 광역상수도 연계운영을 평가하였다.
- 이와 마찬가지로 HD계통, SC계통, NH계통, CM계통, GJ계통 등 N 광역상수도 내 206개 관로에 대하여 시나리오 1~3에 대한 위기대응 취약성 분석을 동일한 방법으로 산정하였고, 구간별, 계통별, 광역상수도 전체에 대한 위기대응 취약성을 산정하는데 활용하였다.
- N 광역상수도를 대상으로 위기대응 취약성 분석을 수행하였으며, 관로별, 구간별, 계통별 및 전체 광역상수도에 대한 위기대응 취약성을 산정하기 위하여 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 및 K-NRiskQ를 활용한 시나리오별 수요부족량을 산정하였다. 특히, 관 파손시 부족 수요량을 산정하기 위하여 3가지 분석 시나리오로 설계하였으며, 시나리오 1은 비상연계관로가 모두 닫혀 있어 연계 이전의 상태를 평가하는 것이고, 시나리오 2은 현재 부분적으로 비상연계관로를 개방하고 있는 운영상태를 평가하고, 시나리오 3은 모든 비상연계관로를 개방하여 기존에 설치되어 있는 모든 비상연계관로 개방하는 것으로 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 먼저, 광역상수도 연계운영 평가를 수행하기 위하여 비상연계관로가 설치되어 운영되고 있는 대상지역을 선정하였다. 연구대상지역의 상수도 GIS, 공급량 자료, 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 등의 자료를 수집하였다.
- 2와 같다. 연구대상 지역의 분석범위는 송수관로로 한정하였으며, SP-HD 계통, SC-NH 계통, CM-GJ 계통 별로 총 15개의 비상 연계관로가 설치 및 운영되고 있으며, 각 계통별 관로 및 관망도 개략화를 통한 구간 현황은 다음 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 먼저, 광역상수도 연계운영 평가를 수행하기 위하여 비상연계관로가 설치되어 운영되고 있는 대상지역을 선정하였다. 연구대상지역의 상수도 GIS, 공급량 자료, 관 파손확률, 관 파손시 관경별 복구시간 등의 자료를 수집하였다. 상수도 GIS와 공급량 자료 등을 이용하여 관망해석을 위한 관망도를 작성하였고, 수리해석 모의 편의성을 위해 비상연계관로 기준으로 관망도 개략화를 수행하였다.
- 위기대응 취약성을 통한 광역상수도 연계운영 평가를 위한 연구대상지역은 비상연계관로가 잘 운영되고 있고, 관망도 및 운영자료의 수집이 용이한 N 광역상수도로 선정하였다. N 광역상수도 연평균 용수수요량은 180,572.
이론/모형
- 본 연구에서는 K-water에서 자체 개발한 PDA 관망해석 프로그램인 K-NRiskQ를 이용하였다. K-NRiskQ는 EPANET 3.
- 시나리오 1은 비상연계관로가 모두 닫혀 있어 연계 이전의 상태를 평가하는 것이고, 시나리오 2은 현재 부분적으로 비상연계관로를 개방하고 있는 운영상태를 평가하고, 시나리오 3는 모든 비상연계관로를 개방하여 기존에 설치 되어 있는 모든 비상연계관로를 개방하는 것이다. 이러한 시나리오 분석을 통해 현재의 광역상수도 연계운영 상태를 평가하고, 향후 운영 방안을 도출하고자 하였으며, 이러한 분석은 K-water에서 개발한 PDA기반의 비정상상태 모의 프로그램인 K-NRiskQ를 활용하였다.
성능/효과
- CM계통과 GJ계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1, 시나리오 2, 시나리오 3으로 갈수록 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 시나리오 2에서 시나리오 3으로 갈수록 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 그리고, CM-GJ 계통 전체에 대한 위기대응 취약성을 시나리오별로 계산해보면 시나리오 1에서 310,426.
- N 광역상수도 전체의 위기대응 취약성을 기준으로 평가하였을 경우 비상연계관로가 운영되고 있지 않은 시나리오 1의 결과보다 비상연계관로를 일부 운영하고 있는 시나리오 2의 경우에 약 30.6%의 위기대응 취약성이 감소하였고, 시나리오 3과 비교시에는 약 86.2%의 위기대응 취약성이 감소된 것을 알 수 있다. 이는 N 광역상수도의 현재 비상연계관로 운영상태에서 추가적인 비상연계관로 운영을 통해 위기대응 취약성을 보다 더 감소시킬 수 있음을 의미한다.
- SC계통과 NH계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1과 시나리오 2에서 시나리오 3으로 갈수록 크게 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 시나리오 1과 시나리오 2의 비상연결관 운영상태가 동일함에도 불구하고 SC계통과 NH계통의 시나리오 1과 시나리오 2의 위기 대응 취약성은 다소 증감한 것으로 나타났다.
- SP계통과 HD계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1에서 시나리오 3으로 갈수록 크게 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, SP계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1이 1,957.
- 따라서, SC계통과 NH계통의 시나리오 1과 시나리오 2의 위기대응 취약성 차이는 큰 의미는 없다고 볼 수 있다. 결과적으로 SC-NH 계통 전체에 대한 위기대응 취약성을 시나리오 별로 계산해보면 시나리오 1에서 23,173.70 ㎥/year, 시나리오 2에서 22,114.34 ㎥/year, 시나리오 3에서 4,986.39 ㎥/year으로 크게 감소된 것을 알 수 있으며, 이는 비상연계관로의 운영에 따라 SC-NH 계통에 대한 위기대응 취약성은 충분히 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다.
- 이는 SP-HD 계통내의 1번과 2번 비상연계관로의 운영 상태는 HD계통의 위기대응 취약성 해소에 영향이 거의 없다는 것을 의미하며, 오히려 2개의 비상연계관로 운영에 따른 수요변동 등의 원인에 의해 HD계통의 위기대응 취약성이 증가한 것으로 판단된다. 결과적으로 SP-HD계통 전체에 대한 위기대응 취약성은 비상연계관로가 없는 상태에서 비상연계관로를 2개 운영하고 있는 시나리오 2로 운영함으로써 16,573.58 ㎥/year에서 15,935.62 ㎥/year로 감소하여 총 637.96 ㎥/year 만큼의 위기대응 취약성이 해소되었다고 볼 수 있다. 그리고 3개의 SP-HD 비상연계관로를 모두 운영할 경우에는 SP-HD계통 전체 위기대응 취약성은 6,650.
- 본 연구에서는 광역상수도 연계운영 평가를 위해 위기대응 취약성 분석을 수행하였으며, 상수도 관망에서의 위기대응 취약성 분석과 관련된 많은 연구들을 검토하였다. 그 결과 위기대응 취약성 분석방법은 위상적 방법과 수리학적 방법으로 크게 2가지로 분류 할 수 있었다. 위상적 방법은 정해진 상수도 관망에서 구성요소간의 물리적으로 연속되지 않을 확률을 측정하는 것과 관련되어 있으며, 수리학적 방법은 적합한 절점 수량과 압력으로 수요자에게 물을 공급하지 못할 확률로써 정의하는 것이다.
- 96 ㎥/year 만큼의 위기대응 취약성이 해소되었다고 볼 수 있다. 그리고 3개의 SP-HD 비상연계관로를 모두 운영할 경우에는 SP-HD계통 전체 위기대응 취약성은 6,650.22 ㎥/year으로 감소함으로써 3개의 SP-HD 비상 연계관로를 모두 운영하지 않은 경우보다 9,923.36 ㎥/year 만큼 위기대응 취약성이 감소된 것을 알 수 있다.
- 특히, 상수도 관망 네트워크화 중 광역상수도 연계운영의 경우에는 도입 규모는 작지만 실행력이 매우 우수하며 수돗물 공급 중단 없이 안전한 수돗물을 제공할 수 있다는 점에서 가장 우선적으로 시행할 필요가 있는 방법이다. 더 나아가 광역상수도 연계운영에 의한 안전하고 안정적인 수돗물 공급뿐만 아니라 에너지 관리측면에서 에너지 손실이 최소가 되도록 상수도 관망을 재구축 할 수 있다는 점에서 그 효율성은 더 클 것으로 판단된다.
- 분석결과, N 광역상수도 전체의 위기대응 취약성을 기준으로 평가하였을 경우 비상연계관로가 운영되고 있지 않은 시나리오 1의 결과보다 비상연계관로를 일부 운영하고 있는 시나리오 2의 경우에 약 30.6%의 위기대응 취약성이 감소하였고, 시나리오 3과 비교시에는 약 86.2%의 위기대응 취약성이 감소된 것을 알 수 있었다. N 광역상수도의 안정적인 수돗물 공급을 위한 계획수립시 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 산정값과 산정방법을 이용하여 비상연계관로의 운영평가 또는 각 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 우선순위를 산정하여 비상연계관로의 추가설치 및 운영에 대한 판단근거로 활용할 수 있을 것이라 판단된다.
- 위와 같이 N 광역상수도 내 206개 관로에 대한 관로별 위기대응 취약성과 구간별 위기대응 취약성 산정을 통해 SP계통, HD계통, SC계통, NH계통, CM계통, GJ계통, SP-HD계통, SC-NH계통, CM-GJ계통에 대한 위기대응 취약성을 각각 산정할 수 있었다. 이와 마찬가지 방법으로 N 광역상수도 전체에 대한 위기대응 취약성을 산정할 수 있으며, 그 시나리오별 결과는 다음 Table 8과 같다.
- SP계통과 HD계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1에서 시나리오 3으로 갈수록 크게 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, SP계통의 위기대응 취약성은 시나리오 1이 1,957.78 ㎥/year에서 현재 운영상태인 시나리오 2가 461.13 ㎥/year으로 급격히 감소한 반면에 HD계통의 위기대응 취약성은 14,615.80 ㎥/year에서 15,474.49 ㎥/year로 다소 증가한 것으로 나타났다. 이는 SP-HD 계통내의 1번과 2번 비상연계관로의 운영 상태는 HD계통의 위기대응 취약성 해소에 영향이 거의 없다는 것을 의미하며, 오히려 2개의 비상연계관로 운영에 따른 수요변동 등의 원인에 의해 HD계통의 위기대응 취약성이 증가한 것으로 판단된다.
후속연구
- 2%의 위기대응 취약성이 감소된 것을 알 수 있었다. N 광역상수도의 안정적인 수돗물 공급을 위한 계획수립시 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 산정값과 산정방법을 이용하여 비상연계관로의 운영평가 또는 각 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 우선순위를 산정하여 비상연계관로의 추가설치 및 운영에 대한 판단근거로 활용할 수 있을 것이라 판단된다. 그리고, 광역상수도의 안정적인 수돗물 공급을 위한 연계관로 운영뿐만 아니라 관망 복선화 및 네트워크화 등의 설계시에도 중요한 설계인자로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고, 광역상수도의 안정적인 수돗물 공급을 위한 연계관로 운영뿐만 아니라 관망 복선화 및 네트워크화 등의 설계시에도 중요한 설계인자로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 N 광역상수도의 현재 비상연계관로 운영상태에서 추가적인 비상연계관로 운영을 통해 위기대응 취약성을 보다 더 감소시킬 수 있음을 의미한다. 또한, N 광역상수도의 안정적인 수돗물 공급을 위한 계획수립시 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 산정값과 산정방법을 이용하여 비상연계관로의 운영평가 또는 각 관로별, 구간별, 계통별 위기대응 취약성 우선순위를 산정하여 비상연계관로의 추가설치의 판단근거로써도 활용할 수 있을 것이라 판단된다.
- 수돗물 공급서비스에 대한 시민들의 요구수준이 점점 높아진다는 것은 단수에 의한 일상생활의 불편함과 업무 중단에 따른 손실 방지의 가치가 증대되고 있음을 의미하며, 공급자 입장에서는 단수를 최소화 하도록 하는 안정적 용수공급 시스템의 구축이 요구되고 있다. 즉, 앞으로의 상수도사업은 신규 용수공급을 위한 신설 및 확장사업 보다는 개량, 교체 등 갱생 사업으로 중심이 옮겨져 가고, 이에 따라서 단수 없는 안정적이면서 안전한 상수도 공급을 동시에 추구하는 방향으로 전환될 것으로 예측된다.
- 또한, 비상연계관로를 더 많이 운영할수록 위기대응 취약성 값을 더 많이 감소시킬 수 있지만, 이 경우 특정지역에 대한 수압저하 및 출수불량의 원인을 제공할 수 있으며, 더 나아가 비상연계관로의 과도한 운영에 따른 관로내 유속저하로 인한 수질 문제 등을 발생할 수도 있게 된다. 향후 이러한 사항들을 고려하여 지역규모별 위기대응 취약성의 한계치를 결정하기 위한 추가적인 지표 및 방법론이 도입된다면 특정 지역에 대한 위기 대응 취약성 분석을 통한 비상연계관로 운영평가 및 안정적인 수돗물 공급을 위한 관망시설 설계시 보다 정확한 의사결정근거로 활용 될 수 있을 것이라 판단 된다.
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