상수관망에서의 누수는 경제적으로 많은 피해를 유발하고 있고 도로밑에서 발생된 누수는 시민들의 안전을 크게 위협하고 있다. 노후화된 상수관의 교체나 개선이후에도 지속적으로 누수는 발생하고 있고 그 위치를 찾기 위해서 많은 투자와 노력이 필요한 실정이다. 지난 자료를 통하여 유수율을 살펴보면 2011년 정수장에서 생산된 6,021백만m³의 수돗물 중 요금이 징수된 유수유량은 약 4,920백만m³(유수율 83.2%)로 상수도의 선진국에 비하여 매우 낮은 수준을 나타내고 있다(National Waterworks Information System, 2011). 상수관망에서의 누수는 수자원의 손실뿐 만 아니라 압력저하로 인하여 설계 시 기대하는 수압보다 낮은 압력을 나타냄으로써 가압설비가 필요하게 되고 관망의 유지관리가 어렵게 되어 경제적으로 많은 손실을 끼칠 수밖에 없다. 따라서 누수를 탐지하고 누수지점을 찾아낼 수 있는 방법이 지속적으로 연구되고 있다.

Koo et al. (2003)은 누수방지 및 저감을 위한 다양한 방법 중에서 펌프 및 감압밸브를 이용하여 수압조절로 누수량을 저감시키는 방법에 주목하여 관망해석방법을 이용하여 가능성을 검토하였다. 소블럭별로 측정한 유량을 이용하여 모델링의 보정에 이용하고 제안된 방법의 타당성을 검증하였다. 또한 개발된 누수량 배분방법을 이용하여 연구대상지역에서의 누수량저감 시나리오에 적용하고 누수량의 가능 감소량을 검토하여 과학적인 배급수 관리의 기능성과 수리적 적절성을 검토하였다.

Park et al. (2004)는 누수위치 탐지를 위한 최적화 기법을 비교하였다. 먼저 상수관망 임의의 지점에서 발생한 누수를 관측하고 측정한 자료는 단위 시간별 측정자료를 추출하였다. 추출된 자료는 최적화 기법을 통해 누수량 및 누수위치를 추적한다. 누수탐지 전산프로그램에서 최적화 기법은 프로그램의 효율성을 지배하는 주요소가 된다. 본 연구에서는 집단진화(SEC) 기법을 이용한 관망 누수위치 탐지 프로그램과 기존의 유전자 방법(GA)을 이용하였다. 누수위치 탐지 프로그램을 각각의 최적화 변수에 대해 분석하고 수치해석을 이용하여 두 최적화 기법에 대해 직접 비교하였다. 누수위치탐지 전산프로그램에서 최적화 기법으로 집단진화방법이 계산효율과 최적해 탐지능력 측면에서 유전자 방법보다 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.

Kim et al. (2006)은 누수를 최소화하기 위해 PRV(Pressure Reducing Valve)의 사용과 펌프의 스케줄을 통하여 압력을 제어하는 방법을 제안하였다. 이 연구를 위해 EPANET가 사용되어 상수관망을 해석하였고 두 개의 상수관망 블록에서 PRV와 펌프의 제어를 통해 연간 80,000에서 110,000 m³의 물을 절약할 수 있다는 결과를 보여주었다.

Lee et al. (2006)은 상수관망의 누수를 천이류해석을 통하여 탐지하는 방법을 제안하고 있다. 단일관로에서 많은 누수실험이 이루어졌고 천이류해석 결과와 비교분석하였다. 누수지점을 통과한 천이류는 통상적인 관로에서 발생한 천이류의형태와 다르다. 이점을 이용하여 천이류분석 결과를 통하여 누수지점을 추적하는 방법을 제시하였다.

Choi et al. (2008)은 누수의 효과적인 저감을 위해 제수밸브의 최적설치위치를 제안하고 있다. 최적설치위치탐색을 위해 Genetic Algorithm이 사용되었고 사례연구를 통하여 그 적절성을 검증하였다. 복잡한 급배수관망시스템에서 발생되는 잦은 배경누수량을 최소화하기 위하여 관압과의 상관관계를 고려한 누수량 산정과 최적화기법을 적용하여 누수량을 최소화할 수 있는 밸브운영 방안을 모의하였다.

Jun et al. (2008)은 상수관망의 영향행렬지수를 기반으로 한 상수관망의 실시간 모니터링 지점의 결정 알고리즘을 개발하였다. 상수관망이 노후화됨에 따라 파괴나 누수와 같은 운영상의 문제가 빈번하게 발생하고 상수관망의 상태를 보다 정확히 파악하여 운영할 경우 안정적인 상수관망의 운영이 가능할 것이다. 상수관망의 실시간 모니터링 센서중 대표적인 Online 압력계를 모든 지점에 설치할 경우 과다한 초기투자비용이 소요되며 시스템의 유지관리 측면에서도 적절치 않기 때문에 상수관망의 실시간 모니터링 지점과 압력계 대수 선정방법을 제안하였다. 제안된 방법은 영향행렬지수(Effect Index Matrix)를 기반으로 하며 영향행렬지수내 column search를 수행하여 Online 압력계의 위치를 선정한다. 제안된 방법을 미국의 Cherry Hill 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.

Kim et al. (2012)은 물 공급계통인 상수관망에서 물 손실을 저감시키기 위한 방법중 하나로써 수도미터로부터 기록되는 물 사용량 데이터를 이용하여 누수패턴을 추출함으로써 누수감시가 가능하도록 하는 모형을 개발하였다. 이는 탐사장비에 의한 누수감지와 상호 보완적으로 활용할 수 있는 것으로서 사용량 자료를 분석하여 사전에 처리된 자료의 노이즈와 결함 있는 계측값을 필터링하는 기법이 도입된 것이며 신속한 감지를 통해 누수지속시간을 감소시킴으로서 누수량의 저감을 목료로 한다.

Cha and Kim (2012)는 실제도시의 상수도 관망 블록시스템 구축을 통하여 누수를 저감시킨 사례를 소개하였다. 블록시스템 구축 후 pressure relief valve를 설치하고 3 kg/cm²으로 세팅후 블록전체의 압력분포를 30% 낮출 수 있었으며 누수율도 7%가량 낮출 수 있었다.

Yoo et al. (2012)는 엔트로피 이론을 이용하여 상수관망에서 압력계설치위치의 최적화에 대해 연구하였다. 엔트로피이론을 이용하여 특정절점에서 필요유량의 변화에 따른 결과로써 다른 절점에서의 압력변화를 규정하는 것에 의해 압력계의 최적설치위치를 선택한다. 필요유량의 변화로써 두 가지 경우가 고려되었는데 첫째 모든 절점에서의 필요유량이 최고치의 경우와 기본필요유량에 근거한 정규분포를 갖는 필요유량의 경우로 구성되어있다. 실제 압력변화패턴은 각 절점에서 변하는 압력을 반영하기 위하여 EPANET의 에미터기능을 사용하여 결정하였다. 최적의 압력계설치위치는 엔트로피기준에 의해 전체 시스템으로부터 제일 많은 정보를 주거나 받는 절점을 우선순위로 정하는 방법으로 결정된다. 제안된 모형은 가상의 관망과 실제의 상수관망에 적용되었고 최적의 압력계위치 조합이 민감도분석에 의해 계산되었다.

Kong et al. (2013)은 누수수리 전후 관망에서 발생하는 신호를 수집하여 누수지점의 상태에 따라 비교분석함으로써 누수음의 주파수특성에 대한 자료를 구축하였다. 그 결과, 직관부에서 누수가 발생한 경우, 측정되는 누수음의 주파수 대역은 이음부에서 누수가 발생한 경우에 비해 상대적으로 고주파 대역임을 확인하였다. 또한 누수발생시 전 주파수 대역에서 관망 신호 세기가 증가하였음을 확인하였다.

상수관망의 효율적인 관리와 경제적 피해를 최소화하기 위하여 정확한 누수탐지가 필요하다. 또한, 누수탐지를 위한 지속적인 모니터링을 위해서는 누수의 수리학적 특성을 파악하고 정확히 그 특성을 인지할 필요가 있다. 본 연구에서는 실제 상수관망 파일럿플랜트에서 누수를 재현하고 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. 또한, 누수의 수리학적 특성을 파악하기 위하여 압력변위와 누수거리와의 상관관계와 압력변위와 누수량의 상관관계를 실험을 통하여 확인하였다.

상수관망에서 누수와 같은 이상징후의 포착을 위해 센서의 설치가 필요하다. 하지만 많은 숫자의 파이프가 도시 전체에 광범위하게 매설되어 있기 때문에 모든 곳에 센서를 설치한다는 것은 사실상 불가능할 것이다. 따라서 특정 위치 혹은 절점에 압력센서나 누수와 관련한 센서를 설치해야 하며 그 지점을 선정하는 것은 상수관망의 효율적인 운영측면에서 매우 중요한 일이다. 그리고 몇 개의 센서를 설치해야 하는가도 중요한 관건일 것이다. 본 연구에서는 기존의 연구(Kwon, 2013)에서 제안된 모니터링 지점선정방법 중 식 (1)과 같이 압력기여도분석방법을 선택하여 파일럿플랜트에 압력센서를 설치하였다. Fig. 1은 모니터링 지점선정방법으로서 압력기여도 계산을 위한 흐름도(Flow chart)를 보여주고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 모니터링 지점선정을 위하여 먼저 정상상태의 상수관망의 해석결과가 필요하며 각 절점에 가정한 추가필요유량을 합하여 상수관망해석을 수행한다. 모든 절점에 대해서 추가필요유량을 합한 후 관망해석이 마무리되면 그 결과를 사용하여 절점의 최초압력과 유량변화로 인한 압력변위의 비를 합산하여 압력기여도를 분석하는데 압력기여도가 높은 절점을 우선순위로 정하게 된다.

여기서 k는 절점수, j는 절점번호이며, Δh_j는 특정 절점에서 발생한 유량변화로 인한 각 절점에서의 압력수두변위, h_i는 특정 절점의 최초 압력수두이다.

본 연구에서는 실제크기의 파이프와 펌프를 사용하는 대규모 파일럿플랜트에서 누수를 재현하고 그에 따른 압력변위를 측정하였다. Fig. 2는 파일럿 플랜트의 전경을 보여주고 있다. 파이프는 모두 100 mm의 균일한 직경을 갖는 주철관을 사용하였으며 144개의 절점과 179개의 파이프 그리고 한 개의 펌프로 이루어졌다.

아래 Fig. 5와 같이 파일럿플랜트에서 단일관로의 누수실험을 수행하였다. 먼저 총 연장 46 m에서 유량 0.0016 m3/sec을 흐르게 한 뒤 상류부에서 6 m, 26m 떨어진 곳에서 누수를 발생시키고 압력계를 상류부와 하류부에 설치하여 압력변위를 측정하였다. 누수 발생 전의 압력을 2분간 측정하여 평균한 값과 누수 발생 후의 압력을 2분간 측정하여 평균한 값의 차를 그래프로 나타냈다. 압력 로거는 초당 1개의 데이터를 수집하도록 설정하였다. Fig. 5는 총 연장 46 m길이의 실험관로위치를 나타내고 있으며 Fig. 6은 실험결과를 나타내고 있다. Fig. 7은 총 연장 170 m의 실험관로 위치를 나타내고 있으며 Fig. 8은 실험결과를 보여주고 있다. 유량은 0.0027 m³/sec을 흐르게 한 뒤 상류부로부터 8곳의 다른 위치에서 누수를 발생시키고 상류부와 하류부에 압력계를 설치하여 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. Fig. 9는 실험관로 위치를 나타내고 있으며 Fig. 10은 그 결과를 보여주고 있다. 유량을 0.0036 m³/sec로 증가시키고 누수실험을 수행하였다. 누수지점은 상류부로부터 8곳의 다른 위치에서 누수를 발생시키고 누수량을 변화시키며 압력변위를 측정하였다. 그래프에 표기한 길이는 각각의 상류/하류부에서 누수지점까지의 거리를 나타낸다. 그래프에서 보는 바와 같이 누수로 인한 상류/하류부 압력변위는 누수량에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 세 경우 모두 비교하였을 때 총 연장에 대한 누수 실험 결과는 차이를 보이지 않았다. 각 누수 지점에서의 기울기가 거의 비슷한 것으로 보아 상류/하류부 압력변위는 누수지점과 센서 사이의 거리에 민감하게 반응하지 않는 것을 알 수 있다. 상류/하류부에서의 그래프 기울기를 비교하였을 때 누수로 인한 압력변위는 누수지점의 상류부 센서에도 크게 반응하는 것을 확인하였으나 하류부 센서에서 좀 더 민감하게 반응하며 선형식의 기울기가 크다는 특징을 확인할 수 있었다. 이는 누수가 관로 하류부의 압력저하에 미치는 영향이 훨씬 더 크다는 것을 나타내며 상류부의 압력저하에도 어느 정도 영향을 미치는 것을 의미한다.

본 연구에서는 파일럿플랜트에서 누수로 인한 압력변위를 측정하고 EPANET을 통하여 결과를 비교하였다. 파일럿플랜트의 특정 지점에서 누수를 발생시키고 네 개의 센서지점에서 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. 또한 네 개의 센서지점을 5차례 바꿔가면서 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. EPANET으로 계산된 압력변위와 비교한 결과, 실측된 압력변위가 1.5배 이상 큰 것으로 나타났다. 또한 단일관로에서의 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. 누수로 인한 수두손실실험은 파일럿플랜트의 단일관로에 누수를 발생시키고 압력계를 상류부와 하류부에 설치하여 압력변위를 측정하였다. 누수로 인한 상류/하류부 압력변위는 누수량에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 본 실험에서는 상류/하류부 압력변위가 누수지점과 센서사이의 거리에 민감하게 반응하지 않았다. 누수로 인한 압력변위는 누수지점의 상류부 센서에도 크게 반응하는 것을 확인하였으나 하류부 센서에서 더 민감하게 반응하며 선형식의 기울기가 크다는 특징을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 사용한 가정 누수량은 상당히 많은 양으로써 앞으로 더 복잡하고 규모가 큰 상수관망에 적용하고 더 작은 누수량에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다. 누수량과 누수거리에 대한 정확한 상관관계식이 도출되려면 많은 양의 누수관련 실험이 이루어져야하며 이러한 노력은오랜 기간 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다. 향후 누수에 대한 더 많은 연구를 통하여 누수특성을 정확히 분석하고 실제 상수관망에 적용한다면 누수로 인해서 발생하는 많은 자원의 낭비를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.