물공급시스템 수질사고 확산제어를 위한 체류시간 기반 대응구역 구축 방법론 개발
Developing a Methodology to Establish Response Zones based on Travel Time for Controlling the Spread of Water Quality Incidents in Water Supply Systems
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Abstract
상수관망시스템은 관로의 노후화에 따른 누수 및 파손으로 생긴 외부오염, 수리학적 유량 변경에 의한 관로 내 퇴적물질 부유 등의 원인으로 수질문제가 발생할 수 있다. 공급 과정에서 발생하는 수질문제는 대응이 늦어질 시 주민들의 건강 문제와 지역의 경제적인 피해가 발생하게 된다. 이러한 사고 확산을 최소화하기 위해서는 제어기법의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 관망 내 수질사고 확산 양상을 체류시간 기반으로 사전에 파악해 산정하고, 사고확산을 실무적인 관점에서 효율적으로 제어할 수 있는 구역화 방법론을 제안하였다. 이렇게 제안된 방법론을 한국의 A시 구역의 관망시스템에 적용되었다. 새롭게 정의되는 구역의 결과를 수질사고 발생 시 실무적으로 관리, 제어하고자 하는 목표 체류시간에 따라 정량적으로 분석하였다. 분석 결과에 제안된 방법론은 수질사고의 신속한 대응 측면에서 새로운 개념의 대응 구역구축이 가능함을 보여주었다. 이는, 위기 대응에 핵심적으로 운용되어야 하는 밸브를 중심으로 작동되는 구역을 설계하여 목표에 맞는 대응시간 안에 명확한 수질사고 확산 제어 구역화가 가능하다.
Trans Abstract
Water quality issues may arise within the water pipe network system due to external contamination from water leaks, aging pipes leading to damage, and the presence of suspended sediments resulting from changes in hydraulic direction. Promptly addressing these water quality problems during the supply process is crucial, as delays can swiftly escalate health risks for residents and cause economic damage to the region. Therefore, developing control techniques is imperative to minimize the rapid dissemination of accidents. This study aims to proactively identify and calculate the spread pattern of water quality incidents within the pipe network, utilizing residence time as a critical factor. A practical and efficient spread control zoning methodology was proposed to curtail the expansion of accidents. Applying the proposed methodology to the pipe network system in Cty A (Korea) involved quantitative analysis of newly defined areas based on the target residence time intended for practical management and control during water quality accidents. The results of the analysis demonstrate that the proposed method offers the potential to establish a novel concept of a response area for rapid reactions to water quality incidents. This facilitates the design of a zone centered around valves essential for crisis response, thereby creating an area with precise control over the spread of water quality accidents within a target response time.
1. 서 론
상수도관망시스템은 대부분 지하에 매설되어 설치, 운영되는 사회기반시설물 중의 하나이다. 수원에서 정수 된 물을 배수지로부터 각 수용가의 수도꼭지까지 공급한다. 상수관망의 유지관리기술은 오랜 시간 질적인 측면에서 상당한 발전이 진행되었다. 하지만 관로의 노후화에 의한 조기 파손, 유향 변경에 의해 관내 퇴적물질의 부유되고 이러한 원인들로 수질문제가 발생하게 된다. 일례로 2019년 5월 발생한 인천광역시 붉은 수돗물 사태는 급수구역에 포함된 26만 1천 세대, 63만 5천 명이 물 공급 중단, 정수필터와 생수 구매, 피부질환 및 위장염 등의 직간접적인 피해를 보았고 경제적 피해 금액이 1,280억으로 추정된 바 있다. 또한 2019년 11월 발생한 광주시 수돗물 유해 물질 검출 사고는 상수도관의 내부 코팅 막에 노후화가 진행되면서 이탈하게 돼 500여 세대와 학교에서 단수, 흐린 물 피해가 발생했다. 따라서 이와 같은 물공급 과정에서 발생한 수질사고로 인해 주민들의 건강 문제와 지역의 경제적인 피해인 직간접적인 피해를 최소화하기 위해서는 수질사고 확산양상을 미리 인지하고 예방할 수 있는 방법론의 마련이 필요하다.
상수관망 내 오염물질의 확산을 제어하기 위해서는 시스템 내에 설치된 제수밸브를 적절한 시간에 폐쇄하는 대책을 마련해야만 한다. 이와 같이 상수관망 내 제수밸브에 의해 제어되어 발생하는 폐합된 구역은 Fig. 1에서 제시된 그림과 같이 제수밸브에 의해 구분되는 구역이라 할 수 있는 세그먼트(Segment) 등으로 정의된다.
Example of Segments
P3 관로로 구성된 S(1)에서 오염물질이 유입되는 상황을 가정한다면, 관로 체류시간인 15분 이내에 밸브 V2를 닫으면 S(2)에 오염물질이 유입되어 확산되는 상황을 방지할 수 있다. 그러나 실제로 수질사고 대응 시 사고가 발생한 지점을 명확하게 파악하는 것은 쉽지 않기 때문에 사고를 인지하는 시간이 먼저 소요된다. 추가적으로, 밸브 제어와 시설물 수리를 위해 발생 지점까지 출동하는 시간, 밸브를 가동하는 시간이 사고 대응을 위해 필요하다. 따라서 실무적 시간과 사고에 따른 관로를 통한 실제적 확산 시간을 함께 고려한 대처방안이 필요하다. 구역화와 관련된 대부분의 기존 연구에서는 세그먼트의 물리적인 병합과 분할에 중점을 두거나 수두손실 등의 수리학적인 인자를 활용한 수리적 평활화 관점의 세그먼트 설계 등이 수행되었다(Jun, 2005; Jun et al., 2012; Lee and Jung, 2019).
본 연구에서는 수질사고 발생 시 확산 방지 대응시간 내 체류시간을 가지는 세그먼트를 구축하여 대응시간 내에 모든 수질사고 확산을 제어하는 것이 본 연구의 목적이다. 즉, 관망 내 수질사고 확산 양상을 체류시간을 기반으로 해 미리 파악하여 산정하고, 사고확산을 실무적인 관점에서 효율적으로 제어하는 확산제어 구역화 설계 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론을 한국의 세종시 6배수지 구역 관망시스템에 적용하고, 수질사고 발생 시 실무적으로 관리, 제어하고자 하는 목표 체류시간에 따라 새롭게 정의되는 구역의 결과를 정량적으로 비교, 분석하였다.
2. 방법론
2.1 세그먼트 체류시간 산정
본 연구에서는 수질사고 발생 시 관로 내 체류시간을 우선적으로 산정하기 위하여 Yoo et al. (2021)에 의해 제안된 방법론을 활용하였다. 활용된 방법론의 절차는 Fig. 2와 같다. 우선 수요량의 변동성을 고려한 다수의 수요량 조합을 생성하고 EPLANET2 (Rossman, 2000) 수리해석을 수행한다. 각 수리해석 결과를 분석하여, 개별 관로의 유향을 결정하고, 그 결과를 인접행렬이라고 하는 매트릭스로 표현하여 정리한 후 관로의 평균 유속과 길이를 활용한 지점 간 최단 경로 기반 대표 체류시간을 도출한다.
Procedure for Calculating Travel Time in Individual Pipes according to the Spread of Water Quality Accidents
Fig. 2의 과정에서 결정되어야 하는 수리해석 시나리오 결과에 따른 관로의 유향(양방향성 및 단방향성)은 EPANET2를 1,000번 구동했을 경우 700번 이상 단 방향으로 결정되는 관로는 관로유형이 대체적으로 민감하게 변경되지 않는다고 판단하여 단방향 관로로 고려한다. 이에 포함되지 않는 관로는 민감한 관로로 판단하여 양방향으로 고려한다. 1,000번 구동 결과 관로의 평균적인 유속이 0.2 m/s 이하이면서, 도출된 체류시간이 1,000분 이상으로 상당히 크게 도출되면, 저유속정체 관로로 정의하고, 관망해석의 불확실성 및 정체구역에 의한 부적절한 세그먼트 구성을 방지하기 위하여 해당 관로의 체류시간은 60분으로 가정한다. Fig. 3과 같은 예로, 절점 N1에서 절점 N2에서의 유향 결괏값이 1,000인 경우 우측으로 유체가 이동하게 된다. 절점 N2에서 절점 N3는 결괏값이 980, 절점 N3에서 절점 N4까지는 870인 경우는 각각 상향, 우측으로 유체가 이동한다. 절점 N4에서 절점 N5로 가는 유속이 0.2 m/s 이하고 체류시간도 1,000분 이상이므로 체류시간을 60분으로 대체하여 체류시간을 산정한다. 구해진 최종 인접 행렬에 의해 관망 시스템 내 모든 두 절점 간 최단 경로를 산정하고 최단 경로 내에 있는 절점의 정보를 구한다.
Example Network for Description of Travel Time
각 경로에 있는 관로의 길이와 수리 해석 결과를 기반으로 나타나는 평균 유속 정보를 획득하여 각 관로의 체류시간을 계산한다. 체류시간의 최대 시간 및 최소 시간은 임의의 시작 지점과 종점을 가정해 각 관로의 체류시간을 합산하여 경로들의 결괏값을 계산한다. 그중에서 최장 시간이 최대 시간 최단 시간이 최소 시간이라고 한다.
2.2 수질사고 대응시간 산정
사고인지 시간은 수질사고 발생 후 사고 접수까지의 시간 또는 실시간 수질계측기를 통해 파악하기까지 소요되는 시간이다. 그러나 정확한 산정에 어려움이 있어 기존 관망시스템의 세그먼트별 체류시간 평균값으로 산정한다. 본 연구에서 적용된 A시 배수구역에 대한 세그먼트별 체류시간 중 20분 이하 1,000분 이상의 세그먼트를 제외하고 평균값을 도출해낸 결과 167분이 도출되었다. 교통상황, 기상상황 등을 고려했을 경우 여유시간 15분을 가산하여 총 182분으로 계산한다. 현장 출동 시간은 출동 지점부터 사고 발생 지점까지의 거리와 차량 평균 이동속도를 고려한다. 정확한 수질사고 발생 지점을 정의하기에는 어려움이 있으므로, 출동 지점에서 최단 거리와 최장 거리까지 소요되는 시간의 평균값을 현장까지 인력이 출동할 수 있는 시간으로 도출한다. 이를 세종지역에 적용하여 차량 평균 이동속도를 40 km/hr로 설정 후 A시 상하수도사업소에서 대상 관망까지의 최단 거리를 고려할 경우 이동시간은 9.15분, 최장 거리를 고려할 경우 이동시간은 18분으로 산정되었다. 이를 최소 및 최대 시간의 평균값인 14분으로 출동시간을 가정하였다. 제수밸브 작동시간의 경우 K-water (2021)에 의하면 밸브 상태가 양호할 경우에는 5초/회전, 밸브 상태가 불량할 경우에는 15초/회전이 소요된다. 관경 150~200 mm (밸브 회전수 : 약 20~25회)의 제수밸브 개폐시간은 준비 시간 등을 포함하여 약 8분으로 산정한다. 설정된 사고인지 시간, 현장 인력 출동시간, 그리고 제수밸브 작동시간을 고려한 총 수질사고 대응시간은 각 인자를 합산하여 도출한다.
2.3 세그먼트 결합, 재설계 방법
세그먼트 결합을 통한 수질사고 대응 구역 구축의 과정은 설정된 구역별 총 대응시간 산정, 세그먼트 상하관계 및 연결성 파악, 사전에 설정된 대응시간 이내의 시간을 갖는 세그먼트 구축으로 구성된다. 세그먼트 결합 방법에서 적용된 가정 조건은 다음과 같다.
1) 수원과 물공급 흐름 방향을 기준으로 관망도의 좌측에서 우측 방향으로 세그먼트 결합한다.
2) 밸브는 기존 설치 기준을 따르되 산정한 대응시간과 1,000분 사이의 체류시간을 가지는 관로에는 밸브를 추가한다.
3) 관로 1개의 체류시간이 산정한 대응시간 이상 1,000분 이하의 값에 포함되면 그 관로 1개 자체를 하나의 세그먼트로 취급한다. 이 관로는 전체 세그먼트 개수에서 제외한다.
3. 적용 및 결과
제시된 수질사고 확산 제어를 위한 체류시간을 기반으로 설계방법론을, 국내 A시 상수관망에 적용하였다. A시 상수관망 수리해석을 위해 EPANET2 입력자료가 구축되었으며, 대상구역의 총 수요량은 8,475 m3/day이다.
Fig. 4와 같이 대상으로 하는 급수구역의 기존 세그먼트는 총 82개(Case 1)이며, 144개의 밸브로 구성된다. Table 1에서 제시된 바와 같이 82개 세그먼트의 평균 체류시간은 146.2분이다. 체류시간 30분 이하는 13개, 31분 이상 90분 이하는 20개, 91분 이상 150분 이하는 3개, 151분 이상 210분 이하는 43개이다. 관망도의 좌측은 대체로 210분 이하의 체류시간, 우측은 211분 이상의 체류시간 형태로 분포되어 우측이 전반적으로 저유속인 것을 확인할 수 있다.
Existing Segment Composition of City A’s Water Pipe Network (Case 1)
Results by Target Response Time Cases
Case 2로 명명된 적용지역에 적용되는 총 대응시간은 사고 인지 시간(182분), 현장 인력 출동시간(14분), 제수밸브 작업시간(14분)을 모두 합한 값인 210분이다. 적용지역의 현재 운영 상황을 그대로 모두 고려한 대응시간이라 할 수 있다. 해당 대응시간에 적절한 구역 분할을 수행한 결과는 Fig. 5와 같다.
Segment Construction Results Considering the Target Response Time of 210 Minutes (Case 2)
210분의 대응시간을 기준으로 구축된 세그먼트의 체류시간은 전부 151분에서 210분 사이에 분포한다. 기존 밸브 위치와 비교했을 경우 총 31개의 밸브의 수가 감소한 것을 알 수 있다. 이는 210분을 세그먼트로 구축함으로서 밸브 관리 인원의 효율적인 배분이 가능하게 된다.
비교를 위해 대응 시간을 150분으로 줄인 목표(Case 3), 270분으로 늘린 목표(Case 4)를 설정한다. 대응구역 구축 결과는 Figs. 6 및 7과 같다. 150분의 경우 체류시간 30분 이하 세그먼트 2개, 31분 이상 90분 이하 6개, 91분 이상 150분 이하 66개로, 대부분 체류시간 91분에서 150분 사이에 분포하는 것을 볼 수 있었다. 기존 밸브의 위치와 비교해 보면 30개가 감소했다. 150분으로 구축된 세그먼트는 210분, 270분으로 구축된 세그먼트에 비해 밸브의 수가 각각 4개, 16개가 많아 수질사고 발생 시 확산 피해 규모, 세그먼트 폐합 시 피해 규모가 축소된다. 가장 빠른 대응시간 내에 수질사고 확산제어가 가능하므로 인적자원, 경제적 투자여력이 존재하는 지역에 효과적으로 적용될 경우 피해 규모의 저감 효과를 확인할 수 있다. 하지만 세그먼트와 밸브를 관리하는 인원이 증가하고, 밸브 설치 비용이 증가하는 단점이 있다.
Segment Construction Results Considering the Target Response Time of 150 Minutes (Case 3)
Segment Construction Results Considering the Target Response Time of 270 Minutes (Case 4)
270분의 대응시간을 기반으로 구축된 세그먼트는 체류시간이 대부분 211분에서 270분 사이에 분포했으며 기존 밸브 위치와 비교하여 27개 감소했다. 270분으로 구축된 세그먼트는 광범위한 지역의 세그먼트 간소화 목적에 유용하고 세그먼트와 밸브 개수만 고려한다면 가장 적은 시설물의 개소수로 사고대응이 가능하다고 할 수 있겠지만 단일 세그먼트의 크기가 크므로 폐합시켰을 때 단수되는 구역이 광범위해질 수 있다. 관망 내 수질사고 확산 양상을 체류시간기반으로 사전에 파악하여 산정하고, 수질사고확산을 효율적으로 제어할 수 있는 밸브 및 세그먼트를 설정하는 것은 실무적인 관점에서 효율적이라 판단된다.
본 연구에서 설정된 150분, 210분, 그리고 270분을 대응시간으로 설정하여 구축된 세그먼트는 대응시간이 증가할수록 세그먼트의 크기가 증가하나 밸브의 숫자와 세그먼트의 숫자는 감소했다. 반면, 대응시간이 감소하면 세그먼트 영역이 축소되고 밸브 개수와 세그먼트 개수가 자연적으로 증가한다. 목표 대응시간의 증감에 따른 장점과 단점을 기술한 결과는 Table 2와 같다.
Summary of Pros and Cons according to Target Response Time
상대적으로 목표 대응시간이 적은 150분(Case 3)의 경우, 수질사고 발생 시 사회⋅경제적 피해가 큰 지역에 적합하며 단수 및 수질피해 확산피해 제로화를 목적으로 하는 공급 지역에 도입될 수 있다. 적용지역의 현재 평균 체류시간을 고려한 대응시간인 210분(Case 2)을 적용한 지역의 분할기법은, 추가적인 투자 없이 수질 피해 저감과 안정적 공급 관리를 달성하고자 하는 지역, 수질사고 발생 시 일부 지역의 단수를 통한 우회 공급 및 문제 해결이 가능한 지역에 적용이 가능하다. 상대적으로 매우 큰 목표 대응시간을 가진다 할 수 있는 270분(Case 4)의 설계안은 급수지역의 수용가 밀집도가 낮고, 수질 피해에 대한 민원발생 빈도가 낮은 지역에 적합하다 할 수 있다.
4. 결 론
상수관망 내에서 수요지까지의 공급의 지속성과 물의 안정성을 유지하기 위해서는 끊임없이 시설물에 대한 비상시 대처 방안이 필요하다. 또한 갑작스럽게 오염물질이 유입 되었을 시 피해를 최소화하기 위해서 매뉴얼을 만들어 신속하게 사고를 인지하고 계획된 대처방안을 빠르게 실행할 필요가 있다. 따라서 수질사고를 대처하는 것은 피해를 최소화할 뿐 아니라 2차적으로 이어지는 피해를 미리 막을 수 있어 용수의 안정적인 공급과 소비자에게 돌아가는 피해 최소화를 위해 필수적이다.
본 연구에서는 관망 내 수질사고 확산 양상을 체류시간 기반으로 사전에 파악하여 산정하고, 사고 확산을 실무적인 관점에서 효율적으로 제어하는 구역화 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론을 한국의 A시 구역 관망시스템에 적용해 수질사고 발생 시 실무적으로 관리, 제어하고자 하는 목표 체류시간에 따라 수질사고 발생 시 새롭게 정의되는 구역의 결과를 정량적으로 분석하였다.
분석 결과 제안된 방법론은 수질사고의 신속한 대응 측면에서 새로운 개념의 대응 구역 구축이 가능함을 보였다. 즉, 위기 대응에 핵심적으로 운용되어야 하는 밸브를 중심으로 작동되는 구역을 설계하여 명확한 수질사고 확산 제어가 목표에 맞는 대응시간 안에 구역화가 가능하게 되었다. 즉, 적정 목표 대응시간을 설정함에 따라, 지자체 및 급수구역에 적합한 수질사고 발생 시 사고대비 인력 배분, 비상시 밸브운영 최소화 등의 달성이 가능할 것이라 기대된다.
향후에는 본 연구에서 가정되거나 수작업을 통해 배치한 밸브 중 중요 구역의 밸브를 원격 제어 밸브로 대체하여 실제 관망의 상태를 즉각적으로 파악할 수 있는 시스템을 개발하거나 알고리즘을 개발할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 제안된 방법은 하나의 대상지역에 적용할 수 있는 기법이 아니라 지자체의 운영에 대한 의지나 가용한 운영 인력에 따라서 적절한 대응시간과 체류시간을 맞춘 설계가 가능하므로 타 급수지역에 적용이 가능하다. 향후, 실제 현장의 예산 및 인력 투입가능성과 서비스 요구수준을 고려한 자동화된 최적설계안 도출 기법의 개발이 가능할 것이다.
감사의 글
본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 가뭄대응 물관리 혁신기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2022003610001).