• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.428-428
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• 2021

상수관망 내 수질사고는 매우 다양한 원인과 상황에서 시·공간적으로 광범위하게 발생가능하다. 일반적인 수질사고의 정성적 정의는 "정상적인 운영에 비하여 상대적으로 비정상적인 활동이나 행동에 의해 발생되는 수질문제"라고 할 수 있으나, 이는 매우 광의적이라 할 수 있으며 실제 현장에서는 발생 가능한 모든 수질사고 시나리오를 미리 예측하여 대비하기에 한계가 있다. 본 연구에서는 국외 및 국내 지자체, 그리고 K-water 등의 자료를 확보하여, 상수도 공급계통에서 발생한 수질사고 사례 및 발생 빈도 등을 분석하였다. 이를 상수도 관망 내에서 발생빈도가 잦고 피해영향이 큰 대표 수질사고 발생 시나리오 선정에 활용하였다. 과거 사례를 분석한 결과, 관망 내 대표적인 수질사고는 정상적 운영조건 (예, 정수처리문제에 의한 유출수내 고탁도 발생)뿐 만 아니라, 비정상적인 운영조건 (수계전환, 밸브조작 등에 의한 유속, 수압 변동에 의한 고탁도 발생)에서 발생 가능함을 확인하였다. 이와 같은 대표적 수질사고는 수리학적 조건의 변화에 따라 관망 내 수질이 변화되어 발생되므로, 수질사고의 현실적인 모의를 위해서는 합리적인 수리학적 관망해석이 수반되어야 한다. 상수관망 시스템의 수리해석 기법은 크게 수요기반해석(Demand Driven Analysis; DDA)과 수압기반해석(Pressure Driven Analysis; PDA)로 구분 가능하다. 기본적으로 정상적 운영조건은 수요기반해석의 수행이 적절하며, 비정상적 운영조건은 수압저하에 의한 수리적상태가 변동하므로 수압기반해석이 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 대표적 수질사고의 모의 시 필요한 적정수리해석 기법을 제안하고, 각 적정 해석기법 별 검·보정이 필요한 인자들에 대해 제시하였다. 이와 같은 수리해석 기법을 적절히 활용할 경우, 관망 내 탁수사고 발생 가능성이 높은 지점 등을 결정하는 방법론의 정확도가 높아질 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.271-271
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• 2017

상수관망 수리해석 기법은 절점의 사용량 및 누수량을 기지의 값으로 고려하여 총 수요량이 모두 공급될 수 있다고 가정하여 해석하는 수요기반해석(Demand Driven Analysis, DDA)과 사용량과 누수량은 절점 압력수두에 의해 달라질 수 있어, 공급가능량 및 누수량과 절점의 압력수두 모두를 미지수로 고려하여 해석하는 수압기반해석(Pressure Driven Analysis, PDA)으로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 수압기반사용량 모의(Pressure Dependent Demand, PDD)와 수압기반누수량 모의(Pressure Dependent Leakage, PDL)기능이 모두 구현되고, 다양한 시나리오 분석이 가능한 소프트웨어(SW)인 K-NRisk를 개발하였다. K-NRisk는 2016년 7월에 공개된 상수관망 해석범용모형인 EPANET3 소스코드 기반으로 개량 개발되었으며, 기존 EPANET2와 비교하였을 경우 사용자 편의성 증대를 위한 입출력 기능 및 SW 활용도 제고를 위한 대표업무분석 기능이 신규 개발, 강화되었다. 개발된 SW를 관망정비 및 공급안정성 확보 목적을 위한 수리해석 시 적용하여 그 결과를 분석하였다. 적용결과 기존 수요기반해석이 가지고 있는 한계점을 보완하고, 실제업무 시 활용가능함을 확인하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.200-200
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• 2019

본 연구에서는 실제 가압장 및 가압장후단부의 상수도관망에 발생가능한 수충격해석을 수행하고 신뢰성해석을 수행하여 파괴확률을 정량적으로 산정하였다. 이를 위해 가압장의 펌프운영조건을 다르게 적용하였고 관말단부의 압력센서를 이용하여 토출압을 선택적으로 운영하면 수충격의 규모도 작아지고 파괴확률도 대폭 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 가압장의 토출압을 선택적으로 운영하기 위해서는 관말단부에 필수적으로 충분한 수압이 존재해야하며 이를 위해서 실시간 모니터링이 가능한 압력계를 설치하게 된다. 이 압력계로부터 수신되는 데이터를 통하여 펌프의 운영이 이루어지고 최소한의 에너지 사용을 통해 효율을 증대하고 피해율도 저감하게 된다. 본 연구에서 개발된 센서기반 펌프운영시스템이 적용된 실제 상수도관망은 현재 가압장의 운영조건으로 24시간 75m의 펌프 토출압을 유지하고 있으며 관말단부의 수용가에 충분한 수압이 전달되고 있다. 가압장의 고압유지는 관말단부에 충분한 수압을 전달하기 위한 것이지만 상수도관망에서 누수와 시설물에 대한 많은 피해를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 가압장의 펌프토출압을 75m와 60m로 선택적 운영을 할 수 있도록 프로그램을 개발하였다. 기존 가압장의 운영조건과 선택적 운영조건을 사용하여 수충격해석을 수행하였고 신뢰성해석모형을 사용하여 파괴확률을 정량적으로 산정할 수 있었다. 가압장의 운영조건을 최적화하여 효율은 증대하고 피해율을 저감할 수 있는 방법을 찾을 수 있었다. 이를 위해서 가압장의 인버터 설치는 물론이고 펌프의 최적운영을 위해 개발된 펌프운영 프로그램을 가압장 배전반에 장착하여 경제적인 운영이 될 수 있을 뿐만 아니라 실제 상수관망에서 과도한 수압으로 인해 발생할 수 있는 여러 가지 피해를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서는 기존의 펌프장 토출압으로 운영되었을 때와 비교하여 에너지 절감율을 정량적으로 산정하여 비교분석하였다. 가압장 후단의 작은 마을을 대상으로 하여 절감된 전기요금은 적은 양이라 할 수 있겠으나 개발된 시스템을 전국에 적용한다면 에너지 절감으로 인한 경제적 파급효과는 크다고 할 수 있다.

• 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 2020년도 학술발표회
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• pp.90-90
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• 2020

상수관망시스템은 관할 지역 내 생활 및 공업용수를 공급하기 위한 사회기반시설물로써, 비상시에도 사용자의 용수 수요를 충족하기 위한 안정적인 성능이 요구된다. 이러한 상수관망시스템의 용수공급능력은 비상시 용수공급가능량, 공급수압 등 여러 가지 수리해석 결과를 통해 판단할 수 있다. 그러나, 시스템의 설계 및 운영 과정에서 다양한 성능들을 시간·공간적으로 모두 고려하는 것은 매우 복잡한 과정을 거치므로, 복합적인 용수공급 성능을 집약적으로 평가하기 위한 신뢰도 지수들이 개발되었다. 여기서 신뢰도 지수들은 각각의 이론적 접근방법에 따라 시스템의 특정 성능에 다소 편중된 평가 결과를 갖는 것으로 알려져 있으며, 따라서 상수관망시스템의 설계 및 운영 시, 목적과 특성에 맞는 적합한 신뢰도 지수를 선정하고, 적용하기 위한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 상수관망시스템의 구조적 특성 및 핵심 성능에 따른 신뢰도 지수별 적용성을 평가하기 위해, 다양한 형태의 네트워크에서 몇 가지 공급부하 시나리오를 바탕으로 수리해석 결과와 신뢰도 지수 간의 상관성을 분석하였다. 또한, 다기준 분석기법을 통해 종합적인 시스템 핵심 성능에 대한 신뢰도 지수의 상관성을 분석함으로써, 시스템 전반에 대한 신뢰도 지수별 적용성을 함께 평가하였다. 본 연구 결과는 향후 상수관망시스템의 설계 또는 기존 시스템의 보강 및 운영계획 수립 등을 위한 연구에서 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.2-2
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• 2019

네팔의 경우 상하수도를 비롯한 기본적인 위생시설이 크게 미비하며 수도인 카트만두조차 수십 년 된 노후관로가 상수관으로 이용되고 있다. 또한, 하수처리 시설이 사실상 전무하며, 지하수를 주요 수원으로 활용하는 대다수 지역은 식수의 오염에 따른 수인성 전염병에 취약한 실정이다. 따라서 네팔에서는 깨끗한 물과 안정적인 수도공급, 하수처리 시설의 확보가 무엇보다 중요한 과제이며, 이에 스마트워터그리드 기술의 도입을 통한 수질개선, 안정적인 수도공급방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 국내에서 개발된 스마트워터그리드 기술을 네팔 소도시에 적용하기 위한 방법론을 제안하였다. 네팔 소도시의 수자원 및 상수도 시설을 답사하여 문제점을 파악하고, 시설 및 운영현황을 분석하였다. 현장조사 자료를 기반으로 스마트워터그리드 기술의 적용 방향과 단기 및 중장기 계획을 제시하였다. 또한, 네팔 소도시 중 하나인 Beni시를 시범지역으로 하여 과거 30년 동안 월 강수량 기반의 가뭄지수를 분석하고, EPANET을 통하여 상수관망해석을 실시였다. 연구 결과, 가뭄의 발생횟수가 점차 빈번해지는 것으로 나타났으며, 상수관망 해석 시 대부분의 수요절점 내 수압이 설계기준보다 낮은 것으로 모의되었고, 향후 관 노후화를 고려한 절점 수압의 확보와 수질개선 방안이 제시될 필요가 있는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.92-92
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• 2020

최근 지진 발생 빈도와 규모가 증가함에 따라 지진재해에 취약한 지하구조물의 내진성능 향상 및 신속한 복구에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 지하구조물 중 하나인 상수관망은 음용수를 안전하고 원활하게 공급하는 사회기반시설물로써 대부분의 시설물이 지하에 매설되어 있어 지진재해에 매우 취약하다. 지진으로 인해 상수관망 내 누수 및 파손 등의 피해가 발생할 경우, 물 공급이 중단되어 경제적 손실과 사회 전반적인 불편이 우려되므로 피해 관로의 신속한 파악과 복구가 이루어져야 한다. 상수관로에 발생하는 피해는 크게 누수와 파손으로 구분할 수 있다. 관로가 파손된 경우 용수가 표층으로 새어나오기 때문에 탐지가 용이하지만, 누수의 경우 표층으로 드러나는 피해가 없어 탐지 및 수리가 어려운 단점이 있다. 이러한 누수가 장기간 방치될 경우, 해당 시스템의 유수율 감소로 인한 경제적인 손실과 더불어 공급수압의 저하, 그리고 오염물 침투의 위험이 존재한다. 이러한 피해를 막기 위해서는 신속히 누수 지점을 파악한 후, 피해 관로의 교체 혹은 보수가 이루어져야 한다. 현장에서 누수를 직접 탐지하는 방법은 정확도가 높은 반면, 많은 인력과 장비 그리고 비용이 소모되는 단점이 존재한다. 따라서 현장 누수탐지에 앞서 컴퓨터를 이용한 간접 누수탐지 기법이 지속적으로 개발될 필요가 있다. 본 연구에서는 현장 누수탐지의 탐지효율을 향상시키기 위해 수압, 유량 등의 관측 데이터와 수리해석 모의 및 최적화 기법을 활용한 컴퓨터 기반의 다중누수 탐지모형을 개발하였다. 개발 모형은 국내에서 운영 중인 소블럭 상수관망시스템에 적용하여 검증하고 탐지효율을 분석하였다. 컴퓨터 모의를 이용한 다중누수 탐지모형은 지진이나 홍수와 같은 대규모 재난 발생 후, 상수관망시스템의 신속한 복구 및 운영 정상화를 위한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제45권5호
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• pp.455-464
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• 2012

이 논문에서는 관망시스템의 수격압 현상을 모의하기 위해서 합성 부정류 마찰 모형을 개발하였다. 부정류 마찰항을 고려하기 위한 방법으로 빈도 의존 마찰항과 순간 가속도 기반 마찰 모형을 합성하였으며, 특성선 방법을 모형 개발의 기반으로하였다. 관망에서의 부정류 모형으로 가장 널리 쓰이는 Zielke의 마찰항 모형과 Ramos의 마찰항 모형들과 종합적인 비교를 수행하였다. 모의 결과를 검증하기 위해서 고빈도로 수압을 측정할 수 있는 자료 획득체제를 구비한 관망시스템을 구축하였다. 정상상태에서 밸브 급폐로 야기된 수격압의 수압 시계열을 2가지 Reynolds수에서 확보하였다. 모의결과는 pilot 관망체제에서 확보한 실험 자료와 비교하였다. 부정류 마찰항 모형의 매개변수 보정을 위해서 시행착오 방법이 도입되었으며, 부정류 마찰항들을 비교한 결과는 수격압에서 수압이 감쇄되는 과정에 대한 전반적인 이해를 돕고자 하였다. 이와 같은 결과는 관망의 천이류를 적절히 예측하는데 부정류 마찰항의 적절한 고려가 필수적인 부분임을 알려 주고 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.401-401
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• 2019

상수관망시스템은 정수처리 된 용수를 수요처에 공급하는 사회기반시설물이며, 주로 지하에 매설되는 시설물의 특성상 관로에 누수가 발생하였을 경우, 정확한 발생지점을 파악하기가 어렵다. 특히, 지진에 의해 시스템 내 다중지점에 누수가 발생할 경우, 장기간 경제적 손실과 사용자의 불편이 예상되므로 신속히 누수지점을 파악한 후, 피해 관로의 적절한 교체 혹은 보수가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 지진으로 인해 상수관망에 발생한 다중 누수관로의 정확한 탐지를 위해 다양한 누수탐지 기법을 제안하고 모의결과를 비교, 분석하였다. 가상의 다중 누수 시나리오를 모의한 후, 시스템 내 설치된 수압계와 유량계의 누수발생 전, 후 모니터링 값을 이용하여 1) 최적화 알고리즘을 이용한 Calibration 기법, 2) 수리해석을 통한 누수지점 역추적 기법, 3) 인공신경망을 이용한 Pattern 학습법 등을 적용하였다. 동일한 다중 누수 시나리오를 각 누수탐지 기법에 적용함으로써 누수지점 산정 결과에 대한 정확도를 비교, 분석하였다. 본 연구는 최근 국내에서 발생빈도가 높아지고 있는 지진재해 발생에 대비하여 상수관망시스템의 지진피해 복구 연구를 위해 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.202-202
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• 2019

상수관망 시스템의 목적은 수요자에게 양적으로 안정하고 질적으로 안전한 용수를 적정 수압으로 공급하는 것이다. 그러나, 상수관망 시스템은 노후화, 시공 중 파손 등 다양한 내 외적 요인들에 의해 파괴가 불가피하며, 이를 복구하는 과정에서 단수는 필연적으로 발생하게 된다. 단수피해를 효율적으로 감소시키는 방법은 인근 배수블록과의 비상연계를 실시하는 것이다. 비상연계란, 관망의 파손 등 비정상상황 발생 시 단수구역에 용수를 공급하기 위해, 인접한 배수블록과 연결된 비상관로를 운용하여 인접 배수블록으로부터 단수구역에 용수를 공급하는 것을 의미한다. 본 연구에서는 비상연계 시 연계공급을 실시하는 배수블록에서의 문제점이 아닌 연계공급을 받는 배수블록에서의 문제점을 실제 A시 관망을 바탕으로 분석하고, 이에 대한 해결책을 제안하였다. 실제 A시에서는 직경 600mm 간선관로(수지식)의 파손으로 2지 배수블록 하단부가 단수되는 사고가 발생하였다. 이에 단수피해를 최소화하고자 인근 배수블록인 1지 배수블록과의 비상연계를 실시하였으나, 2지 배수블록 하단부의 말단부분에서 고압이 발생하고 관로 파손과 같은 추가적인 문제가 발생하였다. 본 연구에서는 A시에서 실시한 비상연계 시나리오를 구축한 후 수원에서의 유한함을 고려할 수 있는 A-PDA 기반 수리해석을 실시하여 대한 고압발생의 원인을 분석하였다. 고압 문제의 원인은 연계 공급을 실시하는 1지 배수블록과 2지 배수블록간의 고도차에 의해 발생한 것으로 사료되며, 이에 대한 해결책으로 감압밸브 추가 설치, 주요 관로 복수화 방안을 제시하였다. 이후 각 해결책에 따른 모델을 구축한 후 수리해석을 실시하여 해결책이 상수관망에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구는 실제 관망에서 비상연계 시 발생한 문제를 분석함으로써 비상연계 시스템 구축 시 추가적으로 발생 가능한 문제 및 해결방안을 제안하였다.