미래 인구-가구-산업 변화를 고려한 물 수요추정과 상수관망 최적 재설계 = Water Demand Estimation and Optimal Redesign of Water Distribution Networks Considering Future Population, Household, and Industrial Changes

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 파주시를 대상으로 인구 및 가구 구조 변화, 산업환경 변화, 관망 노후화, 기상이변 등 장래 상수도 운영에 영향을 미치는 주요 요인을 종합적으로 고려하여 2021년부터 2050년까지의 미래 물 수요 변화와 상수관망의 수리적 성능 변화를 분석하였다. 가정용 및 비가정용 수요 산정을 위해 「장래인구추계(2022~2072년)」, 「장래가구추계(2022~2052년)」, 「서울워터 2023」, 「2030 파주도시기본계획」을 활용하였으며, 이를 바탕으로 미래 수요 증가, 관로 노후화에 따른 유량계수 저하, 폭염 및 가뭄 조건을 조합한 4개의 시나리오를 구축하였다.
EPANET을 이용한 수리해석 결과, 관망의 압력 안정성은 기상 조건 변화의 영향을 가장 크게 받는 것으로 나타났다. 특히 폭염으로 인한 급수량 증가와 가뭄으로 인한 공급수두 저하는 복합적으로 작용하여, 2050년 기준 관망 전반에 걸쳐 광범위한 기준압력 미달 구간을 발생시키는 것으로 분석되었다. 또한 관망 노후화는 말단부 압력 저하와 마찰손실수두 증가를 유발하여 일부 지역의 수리적 취약성을 더욱 강화하는 요인으로 확인되었다.
이러한 분석 결과를 기반으로 유전알고리즘(GA)을 적용하여 관로별 관경 재설계 최적화를 수행한 결과, 중·소구경 관로를 중심으로 한 제한적 관경 확대만으로도 압력 안정성을 효과적으로 확보할 수 있는 비용 효율적인 재설계 방안을 도출하였다. 이는 장래 수요 변동성과 기상이변에 대응할 수 있는 현실적인 관망 개량 전략을 제시한다는 점에서 의미가 있다.
본 연구는 미래 수요예측, 시나리오 기반 수리해석, 최적 재설계를 하나의 분석 체계로 통합함으로써, 장기적인 상수관망 안정성 확보와 합리적인 투자 우선순위 설정을 지원할 수 있는 실무적·학문적 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• 1.3 논문의 구성 5
• 제2장 이론적 배경 및 선행연구 8
• 2.1 상수도 시스템의 개념 8
• 2.2 미래 물 수요 예측 9
• 2.2.1 물 수요 예측의 개념 9
• 2.2.2 인구 및 산업환경 변화 요인 10
• 2.2.3 수요예측 기법 및 적용사례 12
• 2.3 관망 노후화에 따른 유량계수(C) 변화 14
• 2.4 기후변화가 물 수급에 미치는 영향 15
• 2.5 수리해석(Hydraulic Simulation) 이론 16
• 2.6 유전알고리즘(Genetic Algorithm, GA) 최적화 이론 18
• 2.7 선행연구 고찰 및 차별성 19
• 제3장 연구 방법론 23
• 3.1 연구 대상지역 선정 23
• 3.2 데이터 수집 및 구성 25
• 3.2.1 장래 인구, 가구 추계 25
• 3.2.2 서울워터 2023 28
• 3.2.3 2030 파주도시기본계획 29
• 3.3 미래 물 수요 산정 방법 30
• 3.3.1 인구변화를 반영한 물 수요 산정 방법 30
• 3.3.2 산업환경 변화를 반영한 물 수요 산정 방법 31
• 3.4 수리해석 모형 구축 33
• 3.4.1 EPANET 모형 구축 33
• 3.4.2 시나리오별 조건 설정 35
• 3.5 GA 최적화 방법 37
• 제4장 분석 결과 41
• 4.1 미래 물 수요 산정 결과 41
• 4.1.1 인구변화를 반영한 물 수요 산정 결과 41
• 4.1.2 산업환경 변화를 반영한 물 수요 산정 결과 42
• 4.2 수리해석 결과 44
• 4.2.1 시나리오별 수리해석 결과 44
• 4.2.2 압력 미달 절점식별 및 취약 구역 분석 46
• 4.3 최적화 결과 53
• 4.3.1 GA 최적화 결과 53
• 4.3.2 최적 재설계 결과 55
• 제5장 결론 57
• 참고 문헌 61
• ABSTRACT 66