하수관거 보수방법선정을 위한 최적화 및 CSOs 대책시설 용량산정에 관한 연구 = Optimization for selecting sewer rehabilitation methods and estimation of the capacity of facility to control combined sewer overflows

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Urban sewer system consists of sewer network, wastewater treatment plant(WWTP), and receiving body of waters. They are interconnected together to perform organically their roles to maintain water circulation, to preserve water system, and to improve water quality.
The purpose of this research was to establish the ways of selecting sewer rehabilitation methods for sewer maintenance and of utilizing the existing detention ponds to control contaminants loads in CSOs to a water body under wet-weather conditions in urban areas.
Included in the study were: 1) Identification of the relation between the cause of sewer defection and the infiltration and inflow(I/I), 2) Establishment of regression equation to evaluate the volume of infiltration and then to predict an infiltration treatment cost, 3) Formulation of optimization problem on selecting sewer repair methods in implementing sewer rehabilitation to minimize the sum of the infiltration treatment cost and sewer rehabilitation cost, 4) Characterization of urban stormwater runoff, and 5) Suggestion of control alternatives for controlling CSOs using existing detention ponds during wet-weather.
Bivariate and partial correlation analysis was performed to identify the collinearity and multicollinearity between the independents, the cause of sewer defection and the dependents, I/I. From the results of correlation analysis, several independents showed severe collinearity and the exact estimates of I/I couldn't be predicted by the least square method.
Multivariate regression technique was used to establish an regression equation to evaluate the volume of infiltration and to predict the cost to treat infiltration.
Optimization problem on selecting sewer rehabilitation methods in implementing sewer rehabilitation was formulated to minimize the sum of the infiltration treatment cost and sewer rehabilitation cost. The various causes of sewer defects were considered in the optimization model developed in this study, which could be more applicable to short-term rehabilitation program than the existing sewer rehabilitation optimization models. As a result of application of the optimization model, the sum of the costs of infiltration and rehabilitation decreased by about 4.3% comparing with when applying the existing criteria of sewer repair methods (defect ratio of 0.2). Rehabilitation cost could be saved by 13% when applying the optimization model.
The characteristics of runoff and CSOs during rainfalls were measured and model prediction was also conducted. Three types of rainfall analysis were conducted for modeling. The first type of rainfall was predicted using the IDF (Intensity-Duration -Frequency) curve, the second type was the representative single rainfall event, which was analyzed by SYNOP in SWMM using the concept of IETD(Inter event time definition), and the third type of rainfall analysis was to use the whole yearly precipitation data for actual continuous simulation.
In this study, three scenarios were considered to use the detention reservoir as CSOs storage and treatment facilities based on the annual outflow results of XP-SWMM at Han-Nam subcatchment. The first scenario was to use the whole volume (35,000m³) of the detention pond to store the CSOs. The second was to use only about a half (15,000m³) of the reservoir as two storage tanks of 7,500m³. The third was to separate the second scenario's volume into storage (7,500m³) and sedimentation treatment facility (7,500m³). Sedimentation treatment facility was suggested to use as storage tank as well, in case of insignificant CSOs occurrence. The flowrate of sedimentation tank was assumed as 1.0m³/sec and the removal efficiencies of COD, BOD, TS, and TSS were as 30%, 30%, 60%, and 60%, respectively. The sewage stored during rainfall was assumed to send to sewage treatment plant after rain stopped, meaning that all the contaminants in it could be removed in CSOs control facilities.
The scenario study using the representative single rainfall and the continuous simulation by the actual precipitation data of 2005 showed similar results. In case of scenario 1, CSOs volume could be removed up to 39% and contaminants from 36% to 58%. Among three scenarios, scenario 1 seemed the best alternatives for CSOs control. However, replacement of the whole detention pond for flood control with CSOs control facility could raise questions on how to pacify the anxiety of inhabitants as well as the economical issue to purchase additional pumps to control flood. Scenario 3 looked better than scenario 2 as the contaminant loading reduction rate was improved significantly and CSOs volume improved a little by using storage tank and sedimentation tank simultaneously.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 하수관거정비사업에 있어 전체보수 및 부분보수 등의 보수방법을 선정하는 경우 하수관거정비비용과 침입수처리비용을 최소화하면서 침입수를 많이 유발하는 다양한 하수관거의 불량원인을 고려할 수 있는 최적화 모델을 제시함으로서 설계변수로서 하수관거의 보수방법을 제시할 수 있는 단기적인 하수관거정비를 위한 비용 최적화 모델을 제시하였다. 최적화 모델의 적용에 있어 모델의 적용대상지역내에서 발생하는 침입수량의 예측과 이를 처리하기 위한 비용의 정량화를 위한 목적으로 하수관거의 결함원인에 따른 침입수 발생량을 추정할 수 있는 회귀식을 제시하였다.
또한 도시지역의 강우유출로 인해 발생하는 합류식하수관거의 월류수를 제어하기 위해 기존에 설치된 유수지에 대해 침수피해방지의 원래 목적을 유지하면서 유수지 일부의 체적에 대해 저류 또는 저류-처리시설의 운영 가능성 및 오염부하의 저감효율의 변화에 대해 예측함을 목적으로 하였다. 대상유역내 유수지로 유입되는 하수의 실측조사를 통하여 대상지역 하수도시스템의 현황을 파악하고 이를 토대로 합류식하수관거 월류수 오염저감 방안을 도출하였으며, 관리대안의 적용효과에 대해서는 강우유출 모델을 이용하여 모의한 결과를 비교 분석하였으며, 본 연구의 결과들을 요약하면 다음과 같다.
I/I발생에 영향을 미치는 관거 불량원인에 대한 상관분석결과 독립변수들 상호간의 공선성의 존재로 인해 통계적으로 유의미한 회귀식을 추정할 수 없었으며, 합류식 하수관거에 있어 침입수발생량은 연결관 결함 및 기타 관거 결함 발생 개소수에 비례하여 1차함수식(선형)으로 증가한다고 할 수 있다. 관거결함원인에 따른 침입수발생량에 대한 회귀분석을 통한 예측모형을 구축하고 그 결과를 이용하여 실제 하수관거 정비대상지역내 우선적 보수가 필요한 관거 55개를 대상으로 적용하였다. 예측된 침입수 발생량을 하수관거내 결함의 가중치를 이용하여 배분하여 보수방법의 선정에 따른 침입수 저감비용 및 보수비용의 최소화를 목적함수로 하는 최적화 모델을 제시하였다.
최적화 모델을 이용하여 보수방법을 결정하는 경우 기존의 불량비를 기준으로 보수방법을 결정하는 경우에 비해 총 비용에 있어 4.3% 비용효과적인 보수방법의 선정이 가능한 결과를 얻었으며, 관거전체를 전체보수 또는 부분보수하는 경우에 비해 13% 비용개선효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 전체보수 및 부분보수의 내구연한의 결정에 따른 공사 후 침입수 발생율의 결정에 따라 크게 다른 결과를 얻을 수 있으며, 이에 대한 후속연구가 반드시 필요하다고 할 수 있다.
또한 본 연구에서는 CSOs 대책시설의 하나로 유수지의 활용가능성을 제시하기 위해 다양한 강우사상에 대한 CSOs발생량을 SWMM을 이용하여 예측하고 이를 유수지활용의 시나리오에 따라 월류수제어효율에 대해 제시하였으며, 월류수량의 삭감과 월류수내 오염부하량 삭감 측면에서 볼 때 유수지 용량 전체를 사용하는 것이 가장 효율적이지만, 유수지 용량 전체를 CSOs오염저감대책으로 사용할 경우 침수방지를 위한 펌프용량의 증대를 위한 펌프 구입비용을 고려한 경제성 분석 뿐 아니라, 침수피해에 대한 예측이 무엇보다 필요하며, 펌프용량을 증대시키면서 부분적으로 유수지 용량을 사용할 경우에는 저류조만으로 사용하기보다는 저류조와 저류침전조를 병행하여 사용하는 것이 효율적인 것으로 나타났다.
이러한 CSOs 대책시설에 대한 연구결과는 각 유역에서 총량오염관리 개념이 도입되면서 오염원에 대한 총체적 관리가 체계화 되고 있는 현재의 실정에서 방류수역의 목표수질에 적합한 수준으로 강우유출 오염부하를 관리하고 제어할 수 있는 통합관리 방안을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구범위 및 내용 = 4
• 제 2 장 문헌고찰 = 6
• 2.1 침입수/유입수 = 6
• 2.1.1 침입수/유입수의 정의 = 6
• 2.1.2 침입수/유입수의 영향 = 9
• 2.1.3 침입수/유입수(I/I) 산정 방법 = 11
• 2.1.3.1 건기 침입수/유입수 = 11
• 2.1.3.2 강우유발 침입수/유입수 = 14
• 2.1.3.3 문제점 및 개선방안 = 18
• 2.2 강우유출수의 특성 = 18
• 2.2.1 유량 및 오염부하 발생특성 = 18
• 2.2.2 초기세척현상 = 21
• 2.2.2.1 초기세척의 정의 및 범위 = 21
• 2.2.2.2 초기세척의 특성 = 23
• 2.3 SWMM = 25
• 2.3.1 SWMM의 개요 = 25
• 2.3.1.1 수문/수리 모듈 = 26
• 2.3.1.2 보조모듈 = 27
• 2.3.2 SWMM을 이용한 유출량과 오염부하의 산정 = 28
• 2.3.2.1 지면저류 손실량 산정 = 28
• 2.3.2.2 강우 침투량 산정 = 29
• 2.3.2.3 유출량 산정 = 32
• 2.3.2.4 비점염원 오염물질의 유출량 산정 = 33
• 제 3 장 하수관 보수방법선정의 최적화 = 39
• 3.1 서론 = 39
• 3.2 연구방법 및 내용 = 41
• 3.2.1 전국 하수관거 실태조사결과 = 42
• 3.2.1.1 하수관거 시설현황 = 42
• 3.2.1.2 표본지역 및 확대적용 결과 = 42
• 3.2.1.3 관거 내부조사 결과 = 43
• 3.2.1.4 침입수/유입수 조사결과 = 44
• 3.2.1.5 하천수, 계곡수, 농업용수 등 불명수 조사결과 = 47
• 3.2.2 타당성 조사결과보고서의 문제점 = 48
• 3.2.3 하수관거 불량원인과 I/I발생량과의 상관분석 = 50
• 3.2.3.1 변수간의 상관관계 분석 = 50
• 3.3 통계분석을 이용한 하수관거 불량원인에 따른 침입수, 유입수, I/I발생량 예측모형 = 54
• 3.3.1 연구가설의 설정 = 54
• 3.3.2 연구모형의 설정 = 55
• 3.3.3 종속변수 및 독립변수의 설정 = 55
• 3.3.4 변수간의 상관관계 분석 = 55
• 3.3.5 회귀모형의 적합도 검정 = 57
• 3.3.6 회귀모형의 통계적 유의성 검정 = 57
• 3.3.7 회귀계수의 통계적 유의성 검증 및 각 변수간의 편상관계수 및 다중공선성 진단 = 58
• 3.3.8 잔차항의 불편성, 등분산성, 독립성, 선형성 및 정규분포 진단 = 60
• 3.3.9 회귀분석 결과 해석 = 61
• 3.3.10 회귀모형의 적합도 및 통계적 유의성 비교 = 61
• 3.3.11 회귀모형의 예측력 비교 = 62
• 3.3.12 회귀모형의 제시 = 63
• 3.3.13 회귀분석의 결론 = 64
• 3.4 단기적인 하수관거정비사업의 최적보수방법 선정 = 65
• 3.4.1 서론 = 65
• 3.4.2 모델의 가정과 수식화 = 67
• 3.4.3 최적화 모델의 적용 = 70
• 3.4.4 보수방법 선정결과 = 72
• 3.4.5 결론 = 78
• 제 4 장 CSOs 유출모형 해석 및 CSOs 대책시설의 용량산정 = 80
• 4.1 개요 = 80
• 4.2 연구방법 및 내용 = 82
• 4.2.1 분석대상지역 = 82
• 4.2.2 강우, 유량 및 수질조사 = 83
• 4.2.2.1 유량측정 = 83
• 4.2.2.2 수질조사 = 83
• 4.3 유량 및 수질조사결과 = 85
• 4.3.1 청천시 발생하수량 및 수질분석 = 85
• 4.3.1.1 유량측정결과 = 85
• 4.3.1.2 수질분석결과 = 85
• 4.3.2 우천시 발생하수량 및 수질분석 = 86
• 4.4 모델의 구축 = 88
• 4.4.1 기본자료의 구축 = 88
• 4.4.2 민감도 분석 = 94
• 4.4.3 보정 및 검증 = 98
• 4.4.3.1 보정방법 = 98
• 4.4.3.2 보정 및 검증결과 = 101
• 4.4.4 확률강우량 = 112
• 4.4.4.1 확률강우량 산정 = 112
• 4.4.5 IETD(Inter Event Time Definition)를 이용한 표준강우의 선정 = 115
• 4.4.5.1 IETD의 정의 = 115
• 4.4.5.2 IETD 산정방법 = 116
• 4.4.5.3 IETD의 신뢰구간 결정방법 = 119
• 4.4.5.4 적정 IETD 결정 = 123
• 4.4.5.5 서울지역 표준강우의 선정결과 = 130
• 4.4.6 강우주상도 = 132
• 4.4.6.1 강우의 시간적 분포 분석방법의 비교검토 = 132
• 4.4.6.2 설계강우의 시간적 분포모형의 선택 = 135
• 4.4.7 설계강우 = 137
• 4.5 CSOs 오염부하량 산정 = 139
• 4.5.1 CSOs 발생 기준의 선정 = 139
• 4.5.1.1결과해석을 위한 계획시간최대하수량의 선정 = 139
• 4.5.1.2 우수유출량 산정 = 140
• 4.5.1.3 CSOs발생 기준선정 = 140
• 4.5.2 재현기간 및 지속시간별 확률강우량에 대한 모델적용결과의 해석 = 141
• 4.5.2.1 재현기간 1개월 지속시간 240분 (R=12.4mm, I=3.1mm/hr) = 141
• 4.5.2.2 재현기간 3개월 지속시간 240분 (R=24.4mm, I=6.1mm/hr) = 143
• 4.5.2.3 재현기간 6개월 지속시간 240분 (R=37.4mm, I=9.3mm/hr) = 145
• 4.5.2.4 재현기간 1년 지속시간 240분 (R=57.2mm, I=14.3mm/hr) = 147
• 4.5.2.5 재현기간 2년 지속시간 240분 (R=79.8mm, I=20.0mm/hr) = 149
• 4.5.3 표준강우에 대한 모델적용결과의 해석 = 151
• 4.5.4 연속강우에 대한 모델적용결과의 해석 = 153
• 4.6 CSOs 대책시설의 용량산정 = 158
• 4.6.1 개요 = 158
• 4.6.2 연구방법 및 내용 = 159
• 4.6.3 시나리오를 이용한 삭감부하량의 산정 = 159
• 4.6.3.1 CSOs 오염물 삭감을 위한 시나리오별 가정사항 = 159
• 4.6.3.2 시나리오별 삭감부하량의 산정을 위한 운영체계 설명 = 162
• 4.6.4 연구결과 = 165
• 4.6.4.1 재현기간 및 지속시간별 확률강우량 적용 = 165
• 4.6.4.2 표준강우적용 = 170
• 4.6.4.3 2005년 실강우를 이용한 연속모의결과적용 = 180
• 4.6.5 시나리오별 유수지 활용효과의 비교 = 187
• 제 5 장 결론 = 189
• 참고문헌 = 192
• 국문요약 = 201
• Abstract = 204