[논문]상수도시스템 수질사고 인지를 위한 유속기반 수질계측기 위치 결정

홍성진; 이찬욱; 박지승; 유도근

doi:10.3741/jkwra.2020.53.11.1015

상수도시스템 수질사고 인지를 위한 유속기반 수질계측기 위치 결정
Velocity-based decision of water quality measurement locations for the identification of water quality problems in water supply systems 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.11, 2020년, pp.1015 - 1024

홍성진 (수원대학교 토목공학과) , 이찬욱 (수원대학교 토목공학과) , 박지승 (수원대학교 토목공학과) , 유도근 (수원대학교 건설환경에너지공학부)

초록
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최근 인천, 서울 적수 사고와 같은 관로 내 수질오염 사고가 지속적으로 발생되고 있다. 이러한 수질문제를 인지하기 위해서는 적절한 위치에 수질계측기를 설치하고 미리 계측하여 수용가의 수도꼭지까지 물 공급이 되기 이전에 발견 혹은 차단할 필요가 있다. 그러나 모든 관로에 수질계측기를 다수 설치하는 것에는 유지비용증대와 같은 한계점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 관로 내 수질문제 인지를 위한 유속기반의 수질계측기 설치위치를 결정하고 우선순위를 선정하는 방법론을 제안하였다. 제안된 절차를 관 파괴 시나리오와 국내에서 실제 운영 중인 비상연계관로가 포함된 관망운영 시나리오에 적용해 수질계측기 위치를 결정하고 결과를 분석하였다. 결정 결과 개별적인 관로의 파괴와 비상연계에 의한 비정상상황 발생시 대수용가와 탱크 주변, 그리고 비상연계관로 인근에 위치한 관로의 유속이 급격히 변하여 탁수발생에 의한 수질사고가 나타날 수 있을것으로 나타났다. 제안된 유속기반의 수질계측기 위치 결정 절차는 향후 관 청소를 위한 차단 및 비상관로 운영 계획 수립 등 수질모니터링 지점 선정 기법으로 활용 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, water pollution accidents have continued to occur in pipelines such as red water Incheon and Seoul. In order to recognize this water quality problem, it is necessary to install a water quality sensor in an appropriate location and measure it in advance to detect or block the water supply to the water faucet of the shelter. However, there are limitations, such as maintenance costs, to installing multiple water meters in all pipelines. Therefore, this study proposed a methodology for determining and prioritizing the installation location of flow-based water quality sensor for the recognition of water quality problems in pipelines. We applied the proposed procedure to the pipe break scenario. The results of the determination of the location of the water quality sensor were presented by applying it to the pipe network that actually operates the emergency pipe in Korea. The result of the decision showed that in the event of abnormal situation caused by the destruction of individual pipes, the flow rate of the pipes around the aqueduct and the tank may change rapidly, resulting in water quality accidents caused by turbidity. In the future, it is expected that the water quality monitoring point selection method, such as establishing an external pipe operation plan for pipe cleaning, will utilize the procedure for determining the location of the water quality sensor according to the velocity.

주제어

표/그림 (15)

그림 Table 1. Based on flushing minimum velocity
그림 Fig. 1. Application methodology procedure
그림 Fig. 2. Flow sensitivity methodology procedure
그림 Fig. 3. Utopian approach
그림 Fig. 4. Application Networks
그림 Fig. 5. Status of emergency connected pipelines by block of D-city
표 Table 2. Emergency connection supply pipeline operating scenarios in normal and abnormal situations
그림 Fig. 6. Rate of change of velocity by pipe (Net3)
그림 Fig. 7. Results of positioning water quality sensor (Net3)
표 Table 3. Position determination result of water quality sensor by velocity and direction (Net3)
표 Table 4. Number of pipelines that satisfy the flow rate range in normal and abnormal situations
표 Table 5. Position determination result of water quality sensor by velocity and direction (D-city)
그림 Fig. 8. Rate of change of velocity by pipe (D-city) (0.3 m/s < V)
그림 Fig. 9. Rate of change of velocity by pipe (D-city) (0.3 m/s ≤ V < 0.9 m/s)
그림 Fig. 10. Results of positioning water quality sensor (D-city)

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해서 침전될 수 있는 평상시 해당 관로 내 유속과 이를 탈리시킬 수 있는 유속의 실험 데이터나 기준 값이 필요하다. 그러나 현재까지 이와 같은 실험이 진행된 바는 거의 없어 본 연구에서는 플러싱에 규정되어있는 값과 상수도 시설기준(2018)에 제시되어있는 기준을 활용하고자 하였다. 우리나라 상수도 시설기준(2018) 상에서는 관로 내 침전물을 방지하기 위해 최소 유속기준을 0.
이러한 선행연구들의 결과는 목적에 따른 오염 탐지와 관련한 연구로 그 우열을 가리기 어렵다. 다만, 대규모 테러와 같은 피해 정도가 매우 큰 수질오염과 관련한 연구에 집중되어 수행되었다.
본 연구에서는 유속인자를 활용하여 탁수발생이 가능한 유속의 범위를 결정하고 수질계측기 위치를 결정하는 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론을 관 파손 시나리오와 우리나라 D시의 실제 관망도에 비상공급 시나리오를 구성하여 적용하고 그 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 침전 및 탈리되는 유속조건하의 관망 내 수질계측기 위치 결정 방법론을 제안하고자 하였다. 방법론 절차는 Fig.

가설 설정

관로 내 탁수가 발생할 수 있는 원인은 유향의 변동, 유속, 관로의 구배 등 다양하다. 본 연구에서는 관로 내 유속을 기반으로 탁수 발생 가능 지점을 탐지하고 그 지점에 수질계측기가 설치되어야 할 것이라고 가정하였다. 이를 위해서 침전될 수 있는 평상시 해당 관로 내 유속과 이를 탈리시킬 수 있는 유속의 실험 데이터나 기준 값이 필요하다.
43%가 탁수 발생 가능성이 있으므로 해당 관로에는 수질 계측기가 설치되어야 한다는 것을 의미한다. 상수도 시설기준 최소유속(0.3 m/s 이상)을 만족시키지 못하는 관로가 많은 원인은 배수지 한 개가 담당하는 블록 1개 전체가 공급이 불가한 상황을 모의하였다는 것과 모든 수용가는 물 공급을 무조건 해준다는 가정 하에 있는 수요기반해석(Demand Driven Anlysis, DDA)을 수행하였기 때문인 것으로 판단된다.
9 m/s의 유속으로 플러싱을 적용하여야 탈리될 것으로 권장한 바 있다. 이에 가장 안정적인 조건의 0.9 m/s 이상일 경우 침전물이 탈리 될 것으로 가정하였다. 즉, 본 연구에서는 두 개의 유속기준을 토대로 수질계측기위치를 결정하였다.

제안 방법

두 번째 적용 시나리오는 비상연계공급 시나리오로서 비상관로를 보유하고 있는 D시 관망에 적용하였다. 물 공급시스템 내 특정지역에 비상상황이 발생할 경우 해당 관로는 차폐되어 물 공급이 불가한 상황이 발생할 수 있다.
본 연구에서는 일반적으로 발생 가능한 비정상상황에 대한 수질계측기 위치를 결정하기 위하여 관로 내부에서 침전 및 탈리가 발생 될 수 있는 유속의 범위를 지정하고 수리해석 결과를 통해 확보된 관로별 유속 정보를 활용하였다. 마지막으로 결정된 수질계측기 설치 우선순위 결정을 위한 유속기반의 방법론을 제안하고 가상관망 및 우리나라 실제 관망에 적용하여 그 결과를 분석하였다.
1과 같다. 먼저, 본 연구에서는 수질계측기 설치 목적을 비정상상황시 발생가능한 수질 사고 인지를 위함이므로 상수도 관망 시스템에서 발생 가능한 비정상상황을 수립한다. 다음으로 대표적 수리해석 프로그램중 하나인 EPANET2.
본 연구에서 제안된 방법론 절차를 두 가지 비정상상황 시나리오에 대해 적용하였다. 첫 번째 시나리오는 Net3 관망에 적용하였으며 관 파손으로 인한 수질계측기 위치 결정 시나리오를 수립하였다.
(2020)는 수계전환에 의한 시나리오를 기반으로 우리나라 실제 관망에 적용해 수질계측이 필요한 지점을 제시한 바 있다. 본 연구에서는 일반적으로 발생 가능한 비정상상황에 대한 수질계측기 위치를 결정하기 위하여 관로 내부에서 침전 및 탈리가 발생 될 수 있는 유속의 범위를 지정하고 수리해석 결과를 통해 확보된 관로별 유속 정보를 활용하였다. 마지막으로 결정된 수질계측기 설치 우선순위 결정을 위한 유속기반의 방법론을 제안하고 가상관망 및 우리나라 실제 관망에 적용하여 그 결과를 분석하였다.
0(Rossman, 2000)을 활용해 수리해석을 수행한다. 수리해석 결과를 토대로 확보된 정상 및 비정상상황에 대한 관로 내 유속을 도출한다. 이때, 유속은 정상 및 비정상상황에 대한 평균 유속을 의미한다.
마지막으로 탈리가 될 수 있는 유속기준의 경우 과거 인천 적수사태와 관련하여 유속이 2배 이상 증가하게 되면 탈리가 발생할 수 있다는 점을 참고하였다(ME, 2019). 이 같은 경우에는 아직 정확히 정해져 있는 기준이 없기 때문에, 인천 적수 사건에 대한 원인을 기반으로 하였다. 따라서, 비정상상황에서는 기존 정상상황에서 선정된 유속보다 2배 이상이 되는 경우를 찾고 탁수가 발생 가능한 지점이라고 판단하였다.
본 연구에서는 유속인자를 활용하여 탁수발생이 가능한 유속의 범위를 결정하고 수질계측기 위치를 결정하는 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론을 관 파손 시나리오와 우리나라 D시의 실제 관망도에 비상공급 시나리오를 구성하여 적용하고 그 결과를 분석하였다. 관 파손 시나리오 적용 결과 탱크 등과 같은 경우가 유속 범위 내에 포함될 수 있음을 확인하였다.
제안된 방법을 EPANET2.0 예시 관망인 Net3와 우리나라 D시 물 공급시스템에 적용하였으며 각각의 구성도는 Fig. 4와 같다. 먼저, Net3의 경우 Fig.
9 m/s 이상일 경우 침전물이 탈리 될 것으로 가정하였다. 즉, 본 연구에서는 두 개의 유속기준을 토대로 수질계측기위치를 결정하였다. 첫 번째로, 정상상황에서 평균 0.
본 연구에서 제안된 방법론 절차를 두 가지 비정상상황 시나리오에 대해 적용하였다. 첫 번째 시나리오는 Net3 관망에 적용하였으며 관 파손으로 인한 수질계측기 위치 결정 시나리오를 수립하였다. 일반적으로 상수도시스템에 발생할 수 있는 관로 사고는 일부지역의 관 소실 또는 파괴로 인한 단수로서 이와 같은 경우 유향변동뿐만 아니라 유속 변화의 가능성이 있어 관 파손에 의한 시나리오에 대해 적용하고 그 결과를 분석할 필요가 있다.
이런 경우 기존매설되어 있던 비상관로를 통해 물 공급을 받을 수 있다. 해당 시나리오는 유속의 변화가 크게 발생할 가능성이 있고 유향의 변동까지 생길 수 있으므로 제안된 방법론을 적용하기에 적합한 시나리오로 판단하였다.

대상 데이터

해당 시스템은 3개의 배수지는 각각 3개의 배수지를 담당하고 있다. 비상상황을 고려하여 1블록과 2블록을 연결하는 1개의 비상연계관로와 2블록과 3블록을 연결하는 9개의 바상연계관로가 구성되어 있다. 대상 네트워크의 평균 수압은 39.
유속에 의해 탁수가 발생 가능한 관로는 V < 0.3 m/s 기준으로 6개(50, 181, 319, 185, 277, 271번)의 관로가 선정되었으며 0.3 m/s ≤ V <0.9 m/s의 경우는 323번 관로 1개가 추가 결정되었다.

이론/모형

먼저, 본 연구에서는 수질계측기 설치 목적을 비정상상황시 발생가능한 수질 사고 인지를 위함이므로 상수도 관망 시스템에서 발생 가능한 비정상상황을 수립한다. 다음으로 대표적 수리해석 프로그램중 하나인 EPANET2.0(Rossman, 2000)을 활용해 수리해석을 수행한다. 수리해석 결과를 토대로 확보된 정상 및 비정상상황에 대한 관로 내 유속을 도출한다.
마지막으로 탈리가 될 수 있는 유속기준의 경우 과거 인천 적수사태와 관련하여 유속이 2배 이상 증가하게 되면 탈리가 발생할 수 있다는 점을 참고하였다(ME, 2019). 이 같은 경우에는 아직 정확히 정해져 있는 기준이 없기 때문에, 인천 적수 사건에 대한 원인을 기반으로 하였다.
이를 기반으로 유향의 민감도를 산정하게 된다. 최종적으로 정상상황에서는 유향에 민감하지 않고 비정상상황시 급격히 민감해지는 관로를 결정하기 위하여 Fig. 3과 같이 Utopian Approach(Xanthopulos et al., 2000) 방법에 의해 (1, 0)으로 설정된 이상점(Utopian Point) 으로부터의 길이를 구하여 길이가 가장 짧은 순서를 활용해 최종 수질 계측기 위치 결정 우선순위를 결정한다.

성능/효과

8 and 9와 같다. LB-09번 관로가 기존 정상상황 대비 155.23배로 유속이 비정상상황에서 급격히 가장 많이 증가하는 것으로 나타났다. 그다음으로 HD-11, HD-10, HD-09순으로 100배 이상 증가하였다.
비상상황을 고려하여 1블록과 2블록을 연결하는 1개의 비상연계관로와 2블록과 3블록을 연결하는 9개의 바상연계관로가 구성되어 있다. 대상 네트워크의 평균 수압은 39.62m로 정상상황에서는 적정수압으로 원활히 물 공급이 이루어지고 있는 것으로 나타났다.
유향을 고려하고 정규화된 점수로 평가한 결과 모든 관로가 Table 5와 같이 비정상상황에서 유향 변동의 민감도가 매우 큰 것으로 나타나 첫 번째 기준 다음으로 해당 관로도 충분히 탁수발생에 위험이 있을 수 있는 것으로 나타났다. 두 번째 기준에 의한 공간적인 분포 양상은 Fig. 10과 같이 대부분 비상관로 인근이 아닌 2블록에 의해 공급을 받는 3블록 내에 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 물을 공급받는 과정에서 유속과 유향이 크게 변동되는 것과 이러한 유속의 변화가 공급을 받는 지역에 집중된다는 것을 의미한다.
두번째 유속범위를 만족한 개수는 47개로 2.43%가량의 관로가 0.3 m/s ≤ V < 0.9 m/s 범위내의 유속으로 침전물이 생기고 있을 것으로 나타났다.
관 파손 시나리오 적용 결과 탱크 등과 같은 경우가 유속 범위 내에 포함될 수 있음을 확인하였다. 또한, 비상공급 시나리오 적용 결과 비상관로 주변 관로의 유속이 매우 급격히 변화하는 것을 알 수 있었다. 적용한 유속 범위의 경우 기존 제시되어 있는 문헌을 참고하였으나 향후 실제 침전, 탈 리가 될 수 있는 유속에 대한 정량화된 실측값이 기반되어야 할 것으로 사료된다.
9 m/s 범위내의 유속으로 침전물이 생기고 있을 것으로 나타났다. 비정상상황시에는 전체 관로대비 각 각 124개, 20개가 2배 이상의 유속을 보유하게 됨으로써 침전된 이물질이 탈리될 수 있을 것으로 나타났다. 이는 전체 관로대비 7.
결과를 정리하면 다음과 같다. 유속에 의해 탁수발생 위험이 가장 큰 관로는 비상관로 인근 관로이며 2번째로 수질계측기 설치를 고려해야하는 관로의 위치는 비상관로를 통해 물공급을 받는 지역인 것으로 나타났다.
따라서, 침전물이 생길 수 있는 확률이 첫 번째 기준에 비해 비교적 적으므로 유향을 추가적으로 고려할 필요가 있다. 유향을 고려하고 정규화된 점수로 평가한 결과 모든 관로가 Table 5와 같이 비정상상황에서 유향 변동의 민감도가 매우 큰 것으로 나타나 첫 번째 기준 다음으로 해당 관로도 충분히 탁수발생에 위험이 있을 수 있는 것으로 나타났다. 두 번째 기준에 의한 공간적인 분포 양상은 Fig.
우리나라 D시 관망에 비상관로 사용 시나리오를 기반으로 제안된 방법론을 적용하고 제안된 유속범위 안에 속하는 관로의 개수는 Table 4와 같다. 정상상황시 첫 번째 유속범위를 만족한 개수는 363개로 전체관로 대비 18.74%에 해당한 관로가 평균 유속 0.3 m/s이하로 운영되는 것으로 나타났다. 두번째 유속범위를 만족한 개수는 47개로 2.
즉, 본 연구에서는 두 개의 유속기준을 토대로 수질계측기위치를 결정하였다. 첫 번째로, 정상상황에서 평균 0.3 m/s미만의 유속을갖고 운영되는 관로의 경우 관로내 침전물이 많아 유속이 크게 변화할 경우 탈리되는 침전물에 의해 탁수가 발생한다. 두 번째로, 0.
9 m/s의 기준을 만족한 관로는 323번 관로로 해당 관로는 침전물이 없을 확률도 있으므로 유향의 변동조건을 추가적으로 확인할 필요가 있다. 추가 조건을 고려한 결과 Table 3과 같이 비정상상황에서 유향의 변동이 크게 발생하는 것으로 나타나 탁수발생 가능성이 있는 것이 확인되었다. 따라서 해당 관로 또한 수질계측기가 설치되어야 할 것으로 판단된다.
4(a)와 같이 2개의 배수지와 92개의 절점 그리고 117개의 관로로 구성되어 있으며 3개의 탱크로 구성되어 있다. 평균 수압은 57.70 m로 정상적인 상황에서는 원활히 물 공급이 이루어지고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

0.3 m/s ≤ V < 0.9 m/s의 기준을 만족한 관로는 323번 관로로 해당 관로는 침전물이 없을 확률도 있으므로 유향의 변동조건을 추가적으로 확인할 필요가 있다.
적용한 유속 범위의 경우 기존 제시되어 있는 문헌을 참고하였으나 향후 실제 침전, 탈 리가 될 수 있는 유속에 대한 정량화된 실측값이 기반되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 제안된 절차는 모든 수용가의 수요량을 만족하는 조건을 갖는 수요기반해석을 기반으로 수행된 결과로 압력조건에 따라 유속의 변화를 확인하기 위해 수압기반해석을 통한 검보정이 추가될 필요가 있다.
연구결과는 향후 스마트 상수도 시스템을 위한 수질계측기의 적절한 설치지점을 선정하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 본 연구에서 고려한 유속뿐만 아니라 일반적으로 발생 가능한 관로 내 수질오염 사고에 대한 추가적인 매개변수 인자를 종합적으로 고려하여 수질위험도가 높은 관로 위치를 결정한다면 정체구간, 구배 등이 포함된 상수도 시스템에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
이를 위해 본 연구에서는 부압이 발생한 절점에 대해서는 해당 지점의 수요량을 “0”으로 설정하여 큰 차이가 없다는 점을 보였지만 수압기반해석(Pressure Driven Anlysis) 등을 적용하였을때 관파괴 및 관내의 압력이 낮은 상태일 경우 수요기반해석(Demand Driven Anlysis, DDA)의 방법으로는 한계가 있을수 있으므로 향후, 보다 적절한 해석을 위해 수압기반해석(Pressure Driven Analyis, PDA) 등의 방법을 적용할 필요가 있을 것으로 사료된다.
또한, 비상공급 시나리오 적용 결과 비상관로 주변 관로의 유속이 매우 급격히 변화하는 것을 알 수 있었다. 적용한 유속 범위의 경우 기존 제시되어 있는 문헌을 참고하였으나 향후 실제 침전, 탈 리가 될 수 있는 유속에 대한 정량화된 실측값이 기반되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 제안된 절차는 모든 수용가의 수요량을 만족하는 조건을 갖는 수요기반해석을 기반으로 수행된 결과로 압력조건에 따라 유속의 변화를 확인하기 위해 수압기반해석을 통한 검보정이 추가될 필요가 있다.
연구결과는 향후 스마트 상수도 시스템을 위한 수질계측기의 적절한 설치지점을 선정하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 본 연구에서 고려한 유속뿐만 아니라 일반적으로 발생 가능한 관로 내 수질오염 사고에 대한 추가적인 매개변수 인자를 종합적으로 고려하여 수질위험도가 높은 관로 위치를 결정한다면 정체구간, 구배 등이 포함된 상수도 시스템에도 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 현재까지 수행된 수리해석 기법은 모든 절점의 수요량을 만족시킨 다는 가정하에 수행된 수요기반해석(Demand Driven Analysis, DDA) 방법으로 부압발생의 소지가 있다.

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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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