• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.463-463
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• 2023

국내 수도관 보급률이 증가하면서 기존 노후화된 수도관들과 추가로 노후화된 수도관들이 증가하고 있다. 경과년수가 오래된 시설이 증가하는 것은 잠재적인 사고발생 위험을 증가시킨다. 실제 노후화된 상수도 시설물로 인해 단수, 누수, 수질오염, 지반함몰 발생이 증가하는 추세이다. 이러한 현상들은 시민들의 생활과 안전, 경제활동에 직접적인 영향을 끼치기 때문에 이에 대한 대책 마련이 시급한 상태이다. 본 연구에서는 AI를 기반으로 상수도관의 노후도 및 위험도를 예측하는 모델을 설계하고자 하였다. 대상지역을 인천광역시 서구로 선정하여 유량과 수질의 실시간 계측데이터를 수집하였다. 딥러닝 기법 중 하나인 LSTM(Long Short-Term Memory)을 이용하여 데이터를 예측하였고, 결정계수(R²)와 RMSE(Root Mean Square Error)로 학습데이터와 검증데이터의 비율을 정하여 예측도를 평가하였다. 유량과 수질 데이터 중 80%는 학습데이터로 20%는 검증 데이터로 분리하였고, LSTM의 셀과레이어 수를 해석에 적합한 범위로 설정한 결과, 실제값과 예측값이 높은 상관성을 보이는 것으로 나타났다. 예측된 유량 및 수질의 결과는 상수도 관리에 중요한 정보를 제공하며, 사고 위험도 평가와 관 노후화에 따른 대응력을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권spc1호
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• pp.1211-1222
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• 2022

상수도 관망 운영 단계에서 비정상상황은 필연적으로 발생하며, 이때 밸브를 이용한 구역의 격리가 필요하다. 밸브를 이용한 구역 격리 시 흐름 경로와 유향, 유속의 변화와 같은 수리적 변화로 인해 수리적 피해는 불가피하며, 대부분의 기존 연구들은 수리적 피해를 최소화할 수 있도록 밸브의 위치를 결정하여 왔다. 다만, 수리적 변화는 예지치 못한 수질 사고를 유발할 수 있기에, 격리 시 수질 사고 발생 여부를 미리 판단할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 밸브 위치에 따른 예지치 못한 수질 문제를 예방할 수 있는 밸브 설계 방안을 제안한다. 이를 위한 격리 전후의 관로별 흐름 특성 변화율을 정량화하는 유향 변경률 인자(Flow Direction Change Ratio, FDCR)와 신뢰도(reliability)를 고려한 최적 설계 방법론을 제안하였으며, 해당 모형을 가상 상수도 관망에 적용하여 FDCR 고려 유무에 따른 설계안을 비교하였다. 설계 결과 FDCR을 고려한 경우 기존 설계안 대비 유향 변동이 없는 것을 확인하였으며, 세그먼트 격리에 따른 절점별 압력과 관별 유속의 평균과 변동성을 확인한 결과 기존 설계안 대비 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한 설계안 비교를 위해 그래프 이론 기반 인자인 수리학적 거리 인자(Hydrualic Geodesic Index, HGI)를 활용하였으며, HGI가 높은 설계안이 유향 변동성이 낮은 것으로 나타났다. 본 연구는 향후 수질 사고를 고려한 밸브 시스템의 설계 및 운영에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.429-429
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• 2021

2019년 발생한 인천광역시 붉은 수돗물 사태로 급수구역에 포함된 26만 1천 세대, 63만 5천 명이 직·간접적인 피해를 입은 바 있다. 경제적 피해액으로 추정할 경우 최소 1,280억 원 이상으로 보고된 바 있으며, 이와 같은 상수관망의 수질사고 확산은 장기간 동안 시민의 건강과 생활환경 수준을 저하시킨다. 따라서 상수도시스템의 수질사고확산 모델링 및 방지기술을 통한 수질안전성의 재확인이 필요하며, 이것은 상수도시스템의 지속가능성을 높여 국민이 체감하는 물 환경 수준 제고에 기여가 가능하다. 관망 내 수질해석을 직접적으로 수행하는 모델은 국외적으로 다양하게 개발(PODDS, EPANET-MSX, EPANET2.2 등)된 바 있으나 검·보정을 위한 수질측정 자료 부족 등으로 적용이 제한적이라는 한계가 현재에도 존재한다. 이를 보완하기 위해 수질자료에 비해 그 양이 많고 획득방법이 상대적으로 수월한 수리학적 계측자료 및 해석결과를 활용한 관로 내 체류시간 등을 활용한 연구가 수행된 바 있다. 그러나 이와 같은 수리학적 해석 결과를 활용하는 경우에도 계측자료를 기반으로 한 수리학적 검·보정은 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 관로 내 체류시간에 직접적인 영향을 미치는 유량 및 유속자료를 중심으로 수리학적 관망해석의 결과를 최적 검·보정하는 방법론을 제안하였다. 기존 상수관망 수리해석의 검·보정은 일부 지점에서 수압을 측정하고, 수리해석 결과로 도출되는 해당 지점의 수압이 실측된 결과와 유사하도록 관로의 유속계수를 적절히 보정하는 형태로 진행되었다. 그러나 본 연구에서는 관로유량과 유속자료의 목적함수 내 가중치를 수압자료보다 크게 설정하여 체류시간 중심의 검·보정이 수행될 수 있도록 하였으며, 검·보정 대상인자 역시 대수용가의 수요량, 수요패턴, 그리고 관로유속계수로 확장된 모형을 구축하였다. 최적화 기법으로는 메타휴리스틱 기법중 하나인 화음탐색법을 활용하였다. EPANET 2.2 Toolkit과 Visual Basic .Net을 연계하여 프로그래밍하였으며, 개발된 모형을 실제 지방상수도 시스템에 적용하여 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.430-430
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• 2021

최근 상수관망 시스템에 ICT 기술을 접목하여 수돗물 공급에 대한 신뢰도를 향상시키기 위한 노력이 증가하고 있다. 특히, 관 내 수질이 일정 기준 미달인 경우 실시간 수질 감지를 통해 이상수질을 자동으로 배출하는 자동드레인 시스템이 수질사고 예방 및 대응 방안으로 주목받고 있다. 현재 자동드레인 시설은 관로 말단에서의 잔류염소 유지를 위한 목적으로 주로 사용되고 있고, 도시지역 내 수질사고에 대비한 설치, 운영사례는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 인천시 Z지역 내 자동드레인의 운영에 따른 상수관망의 수리적 특성을 분석하였다. EPANET 프로그램을 사용하여 배수지에서 수질오염이 발생한 조건을 가정하였고 배수지의 공급량에 따라 2가지 모의조건으로 나누었다. 첫 번째 모의조건은 배수지의 공급량을 일정하게 유지시킨 상태로 자동드레인의 배출량을 증가시키는 것이었고, 두 번째 모의조건은 급수구역의 공급량을 일정하게 유지시킨 상태로 자동드레인의 배출량을 증가시키는 것이었다. 각 조건별로 자동드레인의 배출량을 증가(배수지의 10%~90%)시키면서 관망 전체의 수리적 변화(압력, 에너지)를 비교·분석하였다. 첫 번째 모의조건에서는 자동드레인 배출량이 증가할수록 모든 절점에서 압력이 증가하였고 수두가 낮은 절점일수록 압력 변화가 커지는 것으로 나타났다. 또한, 인천 Z지역에서는 60% 이상 배출 시 에너지가 거의 증가하지 않고 일정한 값으로 수렴하는 경향을 보였다. 두 번째 모의조건에서는 자동드레인의 배출량이 증가할수록 압력이 모든 절점에서 동일하게 감소하였으며 에너지는 일정하게 증가하였다. 본 연구 결과는 상수관망 내 수질관리 시스템 구축 시 기초자료로 활용될 수 있으며 스마트 물 관리에 도움이 될 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.173-173
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• 2021

현재까지 상수도관망 내 수질적 거동에 대한 분석은 (1) 네트워크 수질 모델(EPANET 수질모의 등)에 기반한 방법과 (2) 시공간적 저해상도 데이터에 기반한 데이터 분석법이 주를 이루었다. 그러나 현존 네트워크 수질 모델은 수질 사고의 복잡한 물리·화학적 거동을 상세히 모의하기 어렵다. 반면 계측 및 통신기술의 발달로 고해상도 수질 데이터의 실시간 수집이 가능해지면서 사고의 사전감지, 발생시 즉각적 탐지 및 대응을 위한 데이터 분석법에 관심이 증가하고 있다. 서울 문래동, 인천, 포항의 경우에서도 알 수 있듯이, 수질사고 발생 시 원인물질의 시공간적 이송 또는 전파에 대한 정보는 사고대응에 유용하게 활용된다. 본 연구는, 비정상적인 수질변화의 계통 내 전달 시간을 계산하기 위해 고해상도 수질 스마트 미터 데이터에 기반한 데이터 분석법을 개발하였다. 물공급 하류방향의 수질변화 전달 시간 정량화를 위해 화음탐색법 기반 동적시간워핑(Dynamic time warping; DTW) 기술을 이용하였고, 원데이터의 전처리를 위해 이동평균필터링을 수행하였다. 개발된 분석법은 A시 생산 및 배·급수과정의 감시지점에서 10초 단위로 계측된 다양한 수질변수(pH, 탁도, 잔류염소, 전기전도도, 수온 등)의 공간적 변이 전파시간을 결정하기 위해 적용되었다. 분석에 활용한 데이터는 데이터 통신 및 측정 기기에 의한 이상값과 운영상황의 변화에 따라 변동한 값을 처리하기 이전의 데이터이다. 데이터 품질에 의한 영향을 배제하기 위해 이상값이 발생하지 않은 기간을 파악한 후, 그 기간에 대하여 분석하였다. 계통 내 위계에 따라 두 지점의 측정값의 전파시간을 정량화한 결과, 지점에 따라 전파시간이 다르게 나타났다. 또한, 같은 두 지점에 적용한 결과라도 DTW를 적용하는 기간과 이동평균필터링의 크기에 따라 수질변화 전달 시간이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 분석법은 다변량 수질변수 간의 영향관계를 파악하는데 확장 적용이 가능하다. 또한, 이 방법의 실시간 적용을 통해 동적으로 변화하는 전달시간을 주기적, 공간적으로 갱신하여 관망 수질 변화 모니터링이 가능하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.77-77
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• 2023

네팔은 6천여 개가 넘는 강이 존재하며 불안정한 기후로 인해 산사태와 홍수가 빈번하게 발생하고 있고, 노후된 상수도 시설 문제도 있어 효과적인 물관리 대책이 필요하다. 이 연구는 네팔 카트만두 인근의 소도시인 둘리켈시를 대상지역으로 하여 스마트 물관리 도입 방안에 대한 타당성 연구조사를 수행하였다. 이를 통해 스마트물관리(SWM) 사업계획을 수립하고, 상수도 관리 기술이 둘리켈시 수돗물 공급 전과정에서 수량·수질을 체계적으로 관리할 수 있도록 계기를 마련하는 것을 목표로 하였다. 주요 연구로 국내 스마트물관리 기술의 네팔 적용성 분석, 수운영 자료및 현황 조사, 스마트 물관리 도입을 위한 수도 시설의 설계 방향을 수립하였고, 기술 도입과 확대 방안을 제시하였다. 스마트 물관리 기술의 적용 타당성 분석을 위하여 현장 조사를 수행하였고, 수리 계측데이터의 분석, 수원지, 정수장, 주요 관로에서의 수질을 분석하였다. 이외에 관망수리해석을 기반으로 대상지역 내 공급가능한 수량을 산정하였고, 상수도 공급이 어려운 지역에 대한 추가시설 확보방안을 제시하였다. 현재 조건에서의 상수도 운영, 관리체계를 분석하여 노후화된 상수도 시설의 개선 및 보완 방안, 스마트 물관리 기술 도입 가능성도 제시하고자 하였다. 연구 결과를 기반으로 기본계획과 실시설계를 통하여 스마트 물관리 인프라가 둘리켈시에 도입될 경우, 물 공급의 불균형으로 인한 피해를 최소화하고, 수돗물의 안정적인 공급 및 수질 안정성 확보, 상수관망에서 수질 및 누수 사고에 대처가 가능할 것으로 보이며 인근 카트만두를 비롯한 지방 소도시에도 스마트 물관리 기술적용에 기틀이 될 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제56권11호
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• pp.705-720
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• 2023

국내에서는 지속적인 상수도 수질사고 발생으로 인해 수돗물 수질에 대한 이용자 불신이 확산되고 있다. 특히, 수질사고 외에도 수돗물에 포함된 염소 성분 등으로 인해 맛, 냄새 등에 대한 이용자들의 수질민원 또한 지속적으로 발생하고 있다. 따라서 상수도 사업자들은 이용자에게 공급되는 잔류염소농도가 충분히 잔류하면서도 과도하게 유지되지 않도록, 시간적(Scheduling) 및 공간적(Rechlorination) 관점에서 상수관망 내 잔류염소농도가 균등하게 분포하도록 다양한 방법을 검토 및 적용하고 있다. 본 연구에서는 상수관망 해석을 통한 월별 잔류염소농도 최적 관리 방법의 일환으로, 대규모 상수관망시스템을 대상으로 Lab-scale 실험을 통한 수체반응계수, EPANET 수질해석을 통한 관체반응계수 등 관망 수질반응계 수를 온도별로 추정하고, 온도별 수질반응계수를 바탕으로 염소투입농도 조건에 따른 월별 잔류염소농도 분포 현황을 분석하였다. 분석 결과, 온도 조건이 달라짐에 따라 잔류염소농도 하한 및 상한기준을 만족시킬 수 있는 효율적인 염소투입농도 조건 또한 달라지므로, 월별 잔류염소농도의 공간적 분포를 고려하여 구체적이고 정량적인 염소투입 계획 수립이 필요한 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.78-78
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• 2016

다이옥산, 페놀 등의 오염물질 유출로 인한 수질오염사고 발생시 사건 유형에 따라 단수로 인하여 국민들이 불편 겪거나 및 유해물질에 노출되는 등 안전성에 대한 우려가 있다. 본 연구는 수질 오염사고 발생시 댐 추가방류를 통해 위와 같은 문제를 해소하는데 기여하여 단수 등으로 인해 소비자들이 겪을 수 있는 불편을 방지하여 소비자효용의 감소를 줄이고, 안전성측면에서 수자원에 대한 소비자효용을 증가시키는 편익을 추정하고자 한다. 본 연구는 제주도 제외 전국 1,000 가구를 대상으로 한 일대일 개별면접 방식의 설문조사 수행하여 자료를 얻었고, 이 자료를 바탕으로 가구당 WTP의 대푯값을 추정하기 위해 KDI의 CVM 분석지침(2012)을 적용하였다. 수질오염사고 발생시 댐 추가방류에 대한 대푯값 WTP는 2,132.7(원/년/가구)로 추정되었다. 또한 추정결과 상수항 및 제시금액 항의 추정계수는 1.1451(t-값 5.83)와 -0.7286(t-값-5.54)로 모두 유의수준 1%에서 통계적으로 유의하여 설문조사가 제대로 수행되었음을 확인하였다. 국내에는 수질개선과 관련된 다양한 연구들이 존재하지만 댐 추가방류를 통한 수질오염사고 해소 편익 등과 특정사안에 대한 연구들은 존재하고 있지 않다. 따라서 본 연구의 분석결과는 수질 오염 사고로 인한 댐 추가방류의 가치에 대한 선제적인 연구로서 방법론적인 지침과 향후 수자원 개발 및 활용을 위한 정량적인 정보로 활용될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권spc1호
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• pp.1197-1210
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• 2022

최근 국내에서는 관로 노후화 및 다양한 수질사고 발생으로 인해 상수도 분야에 대한 관심이 급증함에 따라, 상수도 서비스에 대한 이용자들의 수질민원 또한 증가하고 있다. 수질민원의 경우 실제 수질오염뿐만 아니라 소독을 위한 잔류염소농도에 대한 불편을 포함하고 있으며, 따라서 사용자에게 공급되는 잔류염소농도를 균등하게 유지하기 위해 재염소 처리와 같은 다양한 노력이 시도되고 있다. 본 연구에서는 상수관망 내 잔류염소농도 모의를 위해 적용 대상지역의 수질반응계수를 추정하였으며, 수질기준을 만족시키는 동시에 잔류염소농도 균등화를 고려하기 위한 염소 투입 및 재투입 최적화 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 국내 대규모 지방상수도를 대상으로 적용하였으며, 격자탐색법을 통해 다양한 염소 투입/재투입 계획을 비교 분석하고, 공급 잔류염소농도의 적합성 및 균등성을 중심으로 최적화한 결과를 제시하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권11호
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• pp.1015-1024
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• 2020

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.