배수관망에서 측정 지점별 수압변동 특성 및 구역 평균수압 산정 방법 개발

국문 초록 (Abstract)

근대적인 상수도시설이 도입된 이래 약 100년의 역사를 가진 한국의 상수도는 새로운 21세기의 패러다임으로 고효율 상수도 시스템을 구축하고자 노력하고 있다. 고효율 상수도라 함은 상수도의 3대 목표인 수량의 안정적 공급, 수질의 안정성 확보, 수압의 균등성 확보라는 목표로 최적의 유지관리가 가능한 상수도 시스템을 구축하는 것이다. 상수도의 3대 목표 가운데 수압의 균등성 확보를 위해서 평상시에는 적정한 수압으로 안정적인 공급을 하고 비상시에도 물을 가급적 안정적으로 공급할 수 있도록 정비하는 것이 필요하다.
급수구역은 구역내의 물수요 실태나 지형, 지세에 따라 대응 또는 복수의 배수계통으로 구성되는데, 평상시 안정급수확보 및 비상시의 응급급수대책을 위해서는 급수구역이 자연적으로나 사회적 조건에 맞도록 적절한 배수계통으로 구성된 관망을 형성하고 있어야 하며, 유지관리가 용이하고 또한 관내의 수질을 충분히 유지할 수 있도록 블록시스템(block system), DMA(District Metered Areae)로 정비하여 구축하는 것이 좋다. 이처럼 평균수압의 중요성은 제시되고 있으나, 평균수압 산정에 있어서 측정기간, 측정간격 등에 대한 명확한 제시가 없다.
상수도 시설기준 유지관리편에서 수압 측정간격에 대하여는 배수조정을 위해 수압 및 수량 측정을 이용하여 관망 주요지점에서 항상 측정·기록해서 장래 참고자료로 보존해 두어야 한다고 명시 되어 있다. 그러나 수압 측정간격에 따라서 수압 데이터의 저장능력과 정확한 수압측정의 신뢰도가 떨어 질 수 있기 때문에 수압 측정간격에 대한 연구가 필요하다.
측정기간에 대하여는 상수도관망 기술진단 메뉴얼 개발연구와 유수율 제고사업 추진 메뉴얼에서 ‘배수관망 해석을 위하여 각 측점별 48시간 이상의 수압(㎏f/㎠ 또는 m)의 변동을 측정하여 주간 및 야간의 수압을 조사한다.’고 명시되어 있다. 국외의 경우에는 M. Tabesh는 ‘수압측정기간은 기후변화, 계절, 요일 등이 변화함에 따라 그 산정결과가 달라질 수 있다.’ 이처럼 국내·외의 문헌에서 평균수압 산정시 수압측정기간이 변화함에 따라 그 산정결과가 달라질 수 있다는 점에서 세밀한 기준이 정비되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 U시 S배수구역의 간접배수시의 겨울철과 여름철 계측자료를 이용하여 1분 단위의 계측자료를 이용하여 간격별 최대오차율을 산정하였고, 1분 단위 측정자료 대비 95% 신뢰성 있는 수압 측정간격에 대하여 연구하였다.
측정기간에 대하여 전체 계측자료의 평균수압을 산정한 후 기간별 평균수압과의 오차율에 대하여 비초과확률 개념의 적용가능성을 검토하고자 한다. 본 연구를 통하여 적정한 수압 측정기간을 산정하고, 배수구역의 평균수압 산정에 있어서 그 측정기간을 단축시킬 수 있는지를 검토하고자 하였다. 또한 관망해석을 실시하여 구역 평균수압 산정방법에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 평균수압의 발생특성과 그 산정방법을 비초과확률을 이용하여 나타내었으며, 평균수압을 산정하는 방법으로서 유용한 기초자료가 될 것이라 판단된다. 그러나 관망해석을 이용하여 지점 평균수압과 구역 평균수압을 검토하는 과정에서 추가적으로 많은 절점을 확보하고 C계수의 조합과 관로의 매설년수를 고려하여 구역 평균수압을 산정하는데 오차를 줄이는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the modern drinking water system has been introduced into Korea a century ago, highly efficient system has been established to meet soaring needs from the 21st century. The Korean water system has evolved to achieve high efficiency throughout assuring stable supply in quantity, low contamination in quality, and uniformity of water pressure in the distribution network. One of outstanding evolution in the water distribution system includes a Block System to attain higher efficiency in both its maintenance and the custody of water quality. The uniformity of hydraulic pressure is critical in the Block System to assure stable water supply in an emergency as well as in ordinary requirements. Therefore, it was recommended to keep pipe pressure data at the major points of network for future reference by the Korean Standard Handbook for Drinking Water Distribution System. As the needs for hydraulic pressure increased, the optimal interval and duration of its measurement became an issue because of the cost for data handling and the reliability of its measurement, depending on diverse factors such as season and time of weekdays. Although the significance of hydraulic pressure was already addressed, there are few researches on the measuring intervals of the average hydraulic pressure.

Since a water distribution segments inside “U” city in Korea kept obtaining hydraulic pressure in every minute during summer and winter seasons, their hydraulic pressure data were chosen as relatively error-free reference data to obtain the longest measuring period. Five minutes was shown to be optimal data collection period for summer and winter seasons with 95% confidence level. Extending data collection period from one minute to five minutes could make data-backup interval of the system longer from 43 days to 120 days by reducing the number of data. The duration time for the hydraulic pressure(㎏f/㎠ or m) measurement was suggested to be approximately no less than 2 days including day and night by previous two field manuals named “Technical Manual for Diagnosis of Water Distribution Network” and “Manual for Actions to Improve Rate of Metered Water”. The duration time for data collection was analyzed with the concept of non-exceedance probability. It was shown that more than four days are required to obtain average data with 95% confidence level for summer and winter seasons. DMA-averaged pressure is often used as a representative for a Block System. The DMA-averaged hydraulic pressure was obtained by multiplying weighting factors from consumed water at each node or allocating the fraction of influenced link to the hydraulic pressure at each node predicted by EPANET. The DMA-averaged hydraulic pressure showed 13.15 meter and 0.45 meter difference from hydraulic pressure at a node for block 2 and 3 respectively using weighing factors obtained from the fraction of influenced link to the hydraulic pressure. The difference was caused from the number of calibration points. Block 2 and block 3 has one and three calibration points respectively. When UARL equation was used for four-days-averaged hydraulic pressure at the block 2, unmetered water was 66,899 L/d which was comparable with 58,105 L/d and 57,606 L/d from the methods both multiplying weighting factors by consumed water at each node and allocating the fraction of influenced link to the hydraulic pressure at each node respectively.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• 2. 연구내용 및 구성 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 수압관리 사례연구 4
• 1.1 수압관리 개념 및 적용사례 5
• 1.1.1 블록시스템 (Block System) 5
• 1.1.2 DMA(District Metered Area) 12
• 2. 수압자료 통계 분석 이론 16
• 2.1 자료 간격별 최대오차율 17
• 2.2 비초과확률 분석 19
• 2.3 적용된 확률분포의 검정방법 21
• Ⅲ. 대상지역 일반특성 및 연구방법 24
• 1. 대상지역 일반특성 24
• 1.1 급수현황 25
• 1.2 주요시설 현황 26
• 1.2.1 대상지역 배수지 현황 26
• 1.2.2 측점지점별 수압계 설치 현황 27
• 1.2.3 Block별 배수관 매설 현황 31
• 1.2.4 수도계량기 설치 현황 32
• 2. 연구방법 33
• 2.1 수압 측정자료의 이상자료 판정 35
• 2.1.1 배수지 정수압 관련검토 35
• 2.1.2 지반고를 고려한 동수두 관련검토 41
• 2.1.3 기타 불량자료 검토 43
• 2.2 시간적 평균수압 결정을 위한 수압 측정간격 분석 44
• 2.3 시간적 평균수압 결정을 위한 수압 측정기간 분석 46
• 2.4 공간적 평균수압 검증 및 적용 48
• 2.5 누수 평가 지표 50
• Ⅳ. 평균수압 결정을 위한 수압 측정간격 분석 53
• 1. 수압 측정간격에 따른 평균수압 변동 특성 53
• 1.1 Block 유입부 평균수압 변동특성 54
• 1.1.1 Block 2 평균수압 변동특성 54
• 1.1.2 Block 3 평균수압 변동특성 60
• 1.1.3 Block 4 평균수압 변동특성 65
• 1.1.4 Block 5 평균수압 변동특성 70
• 1.2 Block 중간부 평균수압 분포특성 73
• 1.2.1 Block 1 평균수압 변동특성 73
• 1.2.2 Block 4 평균수압 변동특성 78
• 1.3 Block 말단부 평균수압 분포특성 88
• 1.3.1 Block 1 평균수압 변동특성 88
• 1.3.2 Block 3 평균수압 변동특성 89
• 1.3.3 Block 5 평균수압 변동특성 97
• 2. 수압 측정간격의 종합검토 102
• Ⅴ. 평균수압 결정을 위한 수압 측정기간 분석 105
• 1. 수압 측정기간에 따른 평균수압 분포 특성 105
• 1.1 Block 유입부 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 106
• 1.1.1 Block 2 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 106
• 1.1.2 Block 3 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 111
• 1.1.3 Block 4 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 116
• 1.1.4 Block 5 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 121
• 1.2 Block 중간부 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 123
• 1.2.1 Block 4 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 123
• 1.3 Block 말단부 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 133
• 1.3.1 Block 1 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 133
• 1.3.2 Block 3 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 143
• 1.3.3 Block 5 측정기간에 따른 평균수압 발생특성 150
• 2. 수압측정기간의 종합검토 152
• Ⅵ. 공간적 평균수압 결정 및 적용 155
• 1. 구역 평균수압 산정 방법 155
• 1.1 Block 2 156
• 1.2 Block 3 159
• 2. 구역 평균수압 산정방법의 적용 163
• 2.1 Block 2 164
• 2.2 Block 3 165
• 3. 공간적 평균수압 결정방법 종합검토 166
• Ⅶ. 결론 167
• 참고 문헌 171
• 부 록 172
• 영문요약 183