도시 빗물펌프장 예측운영시스템의 스마트 운영기법 개발
Smart Operation Rule Development of Urban Pump Station Predicting and Operating System
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Abstract
본 연구에서는 기존 도시 빗물펌프장의 펌프운영기법을 개선하여 도시 내수침수 저감 및 운영효율화를 도모하고자 하였다. 이를 위하여, 기 설치된 빗물펌프장 최적예측운영시스템(FFC6)의 축적된 과거 운영 자료를 분석하여 문제점을 도출하였으며, 최적의 펌프운영을 위한 개선방식을 펌프교번운전 기능구현과 신규 펌프운영규칙 개발의 두 가지로 결정하여 연구를 수행하였다. 펌프교번운전 기능은 펌프장의 배수 유역면적, 유수지 및 펌프 용량 등 현장 여건과 강우의 규모 등에 따라 현장 운영자들이 펌프의 운영순서를 선택적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 신규 펌프운영 규칙은 예측유입량의 기울기에 따라 펌프의 호기별 순차가동과 전량배제가 자동적으로 결정되는 것으로, 기존 FFC6 시스템에 탑재된 운영규칙 선택의 어려움을 보완할 수 있다. 개선된 방법론을 실제 빗물펌프장에 적용하여 검증하였으며, 본 개선된 방식은 현장 운영자들의 의견이 고려된 실무적인 방법론으로 기 설치된 빗물펌프장 운영 시스템의 활용도가 더 높아질 것으로 기대된다.
Trans Abstract
Study focuses on improvement of pump operation method in existing pump station for urban inundation reduction and operation efficiency. For this purpose, optimal predicting operation system(Flood Free City6, FFC6) of existing pump station has been used to deduce problem from past operation data. Improvement method for optimal pump operation was performed by adding pump alternating operation function and new pump operation rule. Pump alternating operation function uses site conditions such as drainage basin area, reservoir, pump capacity and rainfall size which has the advantage of selectively utilizing site managers for pump operation order. New pump operation rule is decided depending on slope of predicted inflow whether to operate pump fully or orderly in automatically which can compensate the problem of selecting operation rule in existing FFC6 system. Improved methodology was applied to actual pump station for verification. Various pump operator opinions were considered in improved method. This method will have more higher utilization if it is applied to existing pump operation system.
1. 서론
최근 산업화와 도시화에 의해 지구온난화가 진행되면서 기후변화에 의한 집중호우, 돌발홍수 등의 이상기후 현상이 증가하고 있다. 특히 산업과 인구가 집중된 서울과 같은 도심지에서는 불투수 면적 증가로 유역 도달시간이 줄어들고 유역출구의 유출량이 증가하고 있다. 이에 따라 서울의 침수피해 및 내수침수 잠재 위험성은 높아지고 있으며, 기존에 설치된 우수관거 및 빗물펌프장의 수방능력검토 필요에 따라 빗물펌프장 신설 및 증설, 빗물저류조 신설사업을 실시 중에 있다. 그러나 이와 같은 구조적인 대책뿐만 아니라, 빗물펌프장에서의 효과적인 펌프 운영 및 내배수시스템의 통합 운영과 같은 비구조적인 방안이 반드시 필요하다.
빗물펌프장은 각각의 펌프 가동 수위를 설정하고 있으며, 강우 발생 시 수위표를 모니터링하여 집수정 내 기준수위 도달 시 펌프를 순차적으로 가동하고 있다. 기존의 시스템은 기준수위 도달 시 펌프의 가동이 자동적으로 이루어지도록 되어있었으나, 실제로 대다수의 펌프장이 강우 발생 시 운영자에 의한 수동으로 전환되어 운영되고 있었다. 이것은 최근의 게릴라성 호우의 증가에 따른 펌프 운영 방법의 최우선순위가 펌프의 조기가동이었기 때문이다. 이는, 기존 자동운영시스템은 유수지 수위 기준으로 유효수심에 따라 펌프 작동 여부가 결정되어 조기가동이 불가능한 상황이었다. 결과적으로 위와 같은 펌프 조기가동 지침은 현장에 설치된 자동운영시스템의 활용성을 낮추고 있었다.
이 같은 문제 해결을 위해, 서울의 일부 빗물펌프장에서 강우에 따른 유수지로의 유입량을 예측하여 펌프 조기가동을 실행하는 빗물펌프장 자동운영시스템 Flood Free City 6(FFC6)이 시범적으로 현장에 적용되고 있다. 현재 서울시 내의 11개 빗물 펌프장에 실제 설치 및 운영 중에 있다. Kim et al.(Construction & Transportation R&D Report, 2008)은 2003~2008년에 걸쳐 국토교통부의 지원을 받아 강우에 따른 유수지로의 유입량을 예측하고, 내수위, 외수위 및 수문 작동에 따른 자연 방류량을 예측할 수 있으며, 상류 우수관의 과부하 여부에 따라 펌프를 조기 작동할 수 있는 빗물펌프장 운영프로그램(FFC6) 모형을 개발한 바 있다. Yoo et al.(2010)는 FFC6 프로그램을 이용한 빗물펌프장 운영시스템 개선 현황 및 도시유역 침수저감 효과에 관한 연구, Joo et al.(2010)은 빗물펌프장 운영시스템 개선 및 적용과 경제효과분석에 관한 연구를 수행한 바 있다.
빗물펌프장 운영에 관한 연구를 살펴보면, Yun et al. (1995)은 유수지 배수펌프 운영조작 모형의 개발, Sim et al.(1992)은 자기 조정력을 가진 퍼지제어기법에 의한 우수배제펌프의 적응제어가 있다. Jun et al.(2007)은 도시 내배수시스템 실시간 운영모형의 개발에 관한 연구, Lee et al. (2007)은 내배수시스템 실시간 운영 모형을 이용한 배수펌프장 운영기법 개발한적 있으며, Park et al.(2010)은 도시침수 피해방지를 위한 도시 내배수 통합관리시스템의 필요성을 제시하여 빗물펌프장 운영에 관한 연구가 활발히 연구되어 왔다. 최근에는 Sim et al.(2015)은 빗물펌프장 전문가로부터 운영에 관한 결과 분석을 한 적이 있으며, Lee et al.(2015)은 도시 빗물펌프장에서의 펌프가동대수를 추가로 가동시키는 강화된 제어규칙을 정의하여 강제배제효과분석을 하여 제어규칙의 강화방향을 제시하였다. 또한 Song et al.(2015)은 외수위관측 지점을 기반으로 한 빗물펌프장 운영방안을 연구를 하였다.
해외의 경우, Feng et al.(2011)는 큰 용량의 빗물펌프장 최적 운영에 관한 연구를 하였으며 Yuri et al.(2002)는 빗물펌프장 신뢰성 지표에 관한 연구를 한적 있다. 최근 Zhuan et al.(2013)는 빗물펌프장 내에 있는 다양한 펌프 스케줄링에 관한 연구를 하였다.
본 연구는 기존에 설치되어 따로 운영 및 관리되던 우수관망, 빗물펌프장 시설 등의 내배수시설물을 통합운영 함으로써 내배수시설의 성능을 극대화하여, 효율적이고 안정적으로 내수침수를 예방하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 빗물펌프장 자동운영시스템(FFC6)이 실제 운영되면서 축적된 운영 자료를 분석하여 그 문제점을 도출한 후, 그 결과 나타난 운영개선기법을 개발하여 적용분석 하였다.
2. 스마트 빗물펌프장 운영기법
2.1 펌프가동순서(교번운전) 연구
현재 FFC6가 설치된 각 빗물펌프장은 운영자의 편의성 등에 따라 하나의 펌프 가동방식(각 호기별 고정 순차 작동, 각 호기별 순환 작동 등)을 고정해서 사용하고 있다. 그러나 다양한 호우사상에 따라 다양한 펌프가동순서 결정 방법이 설정될 수 있으며, 사용자 역시 예보된 호우사상의 규모 및 지속기간에 따라 탄력적인 펌프 운영을 해 내수배제효율을 극대화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 세 가지 운영 방식을 새롭게 개발하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
우선 Rotation 1 방식은, 각 펌프의 용량에 무관하게 순차 순환식으로 펌프가 운영되는 방식이다. 한 예로, 한 펌프장에 5대의 펌프가 있다고 가정하였을 경우 용량에 상관없이 사전에 정해놓은 순서에 따라 순차적으로 순환 운전되는 것이다. 즉 첫 강우에 따른 운영의 경우 1호기-2호기-3호기-4호기-5호기 순서로 운전되며, 두 번째 강우의 경우 2호기-3호기-4호기-5호기-1호기 순서로, 세 번째의 경우 3호기-4호기-5호기-1호기-2호기 순서로 운전되는 것이다. 이와 같은 운전방식은 일정 펌프 호기가 다른 펌프에 비해 반복 또는 집중적으로 운전되는 것을 방지하기 위한 방식으로 펌프 기기의 부하를 줄여주는 방식이다. 펌프 토출량을 고려하지 않아 큰 용량의 펌프가 우선 가동되어 펌프에 무리가 갈 수 있어, 토출량을 고려한 펌프 용량별 순환식으로 운영할 필요가 있다.
Rotation 2 방식은 Rotation 1 방식과는 다르게 용량별로 순차 순환식으로 진행되는 방식이다. 즉 우선 펌프 용량에 따라 작은 용량의 펌프가 우선적으로 먼저 가동되고, 후에 큰 용량의 펌프가 가동되는 방식이다. 만약, 총 5대의 펌프 중에서 3대(1, 2, 3호기)의 경우 각 50m3/min의 용량을 가지고 있으며, 2대(4, 5호기)의 경우 100m3/min의 용량을 가지고 있다면, 첫 강우에서는 1호기-2호기-3호기-4호기-5호기 순서로 가동되며, 두 번째 강우에서는 2호기-3호기-1호기-5호기-4호기, 세 번째 강우에서는 3호기-1호기-2호기-4호기-5호기가 작동되는 방식이다. 이와 같은 운전방식은 일정 펌프 호기가 다른 펌프에 비해 반복 또는 집중적으로 운전되는 것을 방지하는 것 뿐 만 아니라, 작은 용량의 펌프가 먼저 운전되어 잦은 펌프의 on/off를 방지할 수 있는 방식이다.
Rotation 3은 용량별 교차 순환식으로 진행되는 방식이다. 즉 각 용량별로는 순차 순환식으로 가동되지만, 각 호기별로 작은 용량 다음에 큰 용량 그 다음 다시 작은 용량으로 용량에 따라 교차로 가동된다. 그러나 기계의 부하를 줄이기 위해 큰 용량이 먼저 운전되지는 않는다. 즉, 총 5대의 펌프 중에서 3대(1, 2, 3호기)의 경우 각 50m3/min의 용량을 가지고 있으며, 2대(4, 5호기)의 경우 100m3/min의 용량을 가지고 있다면, 첫 강우에서는 1호기-4호기-2호기-5호기-3호기 순서로 가동되며, 두 번째 강우에서는 2호기-5호기-3호기-4호기-1호기, 세 번째 강우에서는 3호기-4호기-1호기-5호기-2호기가 작동되는 방식이다. 이와 같은 운전방식은 일정 펌프 호기가 다른 펌프에 비해 반복 또는 집중적으로 운전되는 것을 방지하는 것 뿐 만 아니라, 개별 호기별로는 작은 용량의 펌프가 먼저 운전되지만 전체적으로는 작은 용량 - 큰 용량의 펌프가 교번 운전됨에 따라 기계에 부하가 되지 않는 선에서 내수배제 효과를 극대화 할 수 있는 방식이다.
2.2 펌프운영규칙 결정기법 개선 연구
FFC6 모형은 총 3가지의 펌프운영규칙을 내장하고 있어, 빗물펌프장의 여건이나 해당 지역의 기후 특성에 따라 각 펌프운영규칙을 사용자가 선택할 수 있게 구성되었다. Rule 1은 n 분 후에 예측 된 유수지 수위에 의해 펌프를 순차적으로 가동하는 규칙이며, Rule 2는 평상시에는 Rule1과 동일하지만 예측 결과 상류 우수 관거에 과부화(Surcharge)가 발생하는 경우에는 배수효과로 인한 상류의 침수 피해를 저감하기 위하여 n 분 후 까지 유입될 우수 유입량 전량을 펌프를 이용하여 배제시키는 규칙이다. Rule 3는 현재의 수위를 기준으로 산정된 현재(t = t)에서의 유량과 한 단계 다음 시간(t = t +1)동안의 유량을 방류하여 내배수시스템의 안정성을 최대한 유지하고자 하는 규칙이다.
앞서 필요성에서 언급한 바와 같이 방재시설 운영의 특성상 기기의 안전성을 우선시하는 운영자의 경우 기계적인 부하가 걸릴 수 있는 Rule 3의 사전설정 및 전체 강우적용에 부담을 느끼고 있다. 또한 큰 규모의 강우가 예보되더라도 초기 운영의 경우 상대적으로 안정적인 Rule 1의 운영을 하는 것이 선호되고 있으며, 실제로 많은 강우가 내릴 경우 어느 시점에서 Rule 1에서 Rule 3로 변경을 해야 하는지에 대한 가이드라인이나 매뉴얼이 없어 운영자 관점에서 어려움이 있는 것이 사실이었다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 향후 유입되는 유입량 또는 유입량의 추세를 파악하여 펌프 2대 이상이 동시에 추가적으로 운전되어야 하는 유입량이 들어올 것으로 예측되는 경우 자동적으로 Rule 1에서 Rule 3로 펌프운영규칙을 변경하는 방법을 새로운 방법으로 제시하였다.
Proposed Pump Operating Rule
본 방식은 강우의 특성 및 관로 연결 상태 등에 따라서 간혹 하류관거의 통수능에 영향이 없는데도 불구하고 상류관거에 과부화 현상이 나타날 수 있는 기존의 불확실성이 있는 전량배제결정방식(Rule 2)의 단점을 보완할 수 있으며, 특히 펌프 2대 이상이 동시에 추가적으로 운전되어야하는 유입량이 상당히 많을 경우에만 전량배제 방식을 취하게 되므로, 잦은 펌프 on/off의 문제점을 가지고 있는 Rule 3의 단점도 동시에 해결할 수 있는 방식이라 할 수 있다.
3. 적용 및 결과 분석
3.1 대상 펌프장 현황
금회 적용 대상인 가산1빗물펌프장의 현황은 다음 Fig. 2와 Table 1과 같다. 가산1빗물펌프장은 서울특별시 금천구에 위치하고 있으며, 유역면적은 약 48ha이며, 4,200m2의 면적과 9,000m3의 용량을 가진 유수지가 존재한다. 총 펌프의 토출량은 540 m3/min이며, 100m3/min 용량 3대와 170m3/min 용량 2대로 구성되어 있다.
Gasan1 Pump Station
Gasan1 Pump Station Status
Table 2는 실제 운영 및 모의에 사용된 가산1빗물펌프장의 호기별 운영 및 정지수위를 나타낸다. 즉 현재 가산1빗물펌프장은 E.L 6.2m부터 E.L. 6.6m까지 0.1m 간격으로 펌프가 순차적으로 가동되도록 설정되어 있으며, 펌프가 한번 켜지면, 펌프가 가동될 수 있는 최저 수위인 E.L. 5.5m 까지는 가동이 가능하도록 설정되어 있다. 이 경우 기존 모형의 Rule 3이 설정되어 운전될 경우에는 호기별 운전 수위에 관계없이 최소운영가능수위인 E.L. 5.5m가 유지될 수 있는 운전가능한 최대한의 펌프가 가동되게 된다. 이와 같은 운전 방식을 제안된 펌프가동순서(교번운전) 및 펌프운영규칙에도 동일하게 적용하여 모의하게 된다.
Gasan1 Operate/Stop Water Level(m)
우선 펌프가동순서(교번운전)의 Rotation 1 방식은, 각 펌프의 용량에 무관하게 순차 순환식으로 펌프가 운영되는 방식으로 현재 가산1빗물펌프장에는 100m3/min 용량 3대와 170m3/min 용량 2대로 구성되어 있으므로, 100-100-100-170-170의 펌프용량 순서대로 순차 순환식으로 펌프가 운영된다. 따라서 이 경우에는 170의 용량이 제일 먼저 가동될 수도 있다.
Rotation 2 방식은 Rotation 1 방식과는 다르게 용량별로 순차 순환식으로 진행되는 방식이다. 즉 우선 펌프 용량에 따라 작은 용량의 펌프가 우선적으로 먼저 가동되고, 후에 큰 용량의 펌프가 가동되는 방식이다. 따라서 총 5대의 펌프 중에서 3대의 경우 각 100m3/min의 용량을 가지고 있으며, 2대의 경우 170m3/min의 용량을 가지고 있으므로, Rotation 1방식과는 달리 용량이 작은 100m3/min 펌프가 항상 먼저 운전된다.
Rotation 3은 용량별 교차 순환식으로 진행되는 방식이다. 즉 각 용량별로는 순차 순환식으로 가동되지만, 각 호기별로 작은 용량 다음에 큰 용량 그 다음 다시 작은 용량으로 용량에 따라 교차로 가동된다. 총 5대의 펌프 중에서 3대의 경우 각 100m3/min의 용량을 가지고 있으며, 2대의 경우 170m3/min의 용량을 가지고 있으므로, 100-170-100-170-100의 펌프용량 순서로 운영이 되게 된다.
제안된 펌프운영규칙의 경우 가산1빗물펌프장의 유수지 수위-용량 관계곡선에 따라 2대의 펌프가 가동될 수 있는 용량이 사전에 결정되게 되며, 이 값을 이용하여 펌프의 운전규칙이 Rule 1에서 Rule 3으로 자동적으로 전환되게 된다.
3.2 제안된 펌프가동순서(교번운전) 적용 결과
3.2.1 실강우사상 분석 결과
FFC6 설치 이후 실제로 운영된 2013년과 2014년의 4개의 실제 호우사상에 대하여 제안된 펌프가동순서(교번운전) 방식을 운영을 하였다. Table 3은 호우사상의 특징을 나타낸다. 운영한 결과를 현재 펌프장 예측 운영시스템에 의한 결과와 비교하였다. Fig. 3은 유수지 수위 곡선을 나타낸다. 본 장에서 모의한 4개의 관측호우사상은 당해 연도에 큰 사상들이지만 모두 재현기간이 3년 미만인 비교적 작은 호우사상들이다. 따라서 펌프운영 규칙에 상관없이 4가지의 관측 호우사상 모두에서 H.W.L 이내에서 빗물펌프장이 안정적으로 운영되었다.
Actual Rainfall Event
Reservoir Time-Stage Curve
호우사상 별 유수지 수위곡선에 의하면, 대체적으로 실제 운전에 있어서 운전자들은 예측운전(FFC6)모형을 100% 사용하지 않으며, 특히 초기의 경우 가동수위가 되지 않은 상황에서도 기존 자동운영을 통해 운전을 해 초기에 낮은 수위를 유지하는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 유수지의 전반적인 수위는 강우가 지속될수록 제안된 교번운전 방식보다 높게 나타나는 경향이 있었다.
Table 4는 펌프운영순서(교번운전) 방식에 따른 유수지 최고수위를 나타내고 있다. 대체적으로 제안된 펌프운영순서 방식이 실제 운전보다 약 7~10cm 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 일부 사상의 경우 실제운영의 유수지 최고수위가 더 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이것은 실제 운영시 운전자의 운영 방식에 따라 기존 자동운영과 예측운영(FFC6 모형)을 혼용한 결과이다.
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(Alternating Operation)(m)
3.2.2 확률호우사상 분석 결과
가산1빗물펌프장의 설계빈도인 30년 빈도를 포함한 호우사상에서 제안된 펌프운영순서(교번운전) 방식을 적용하여 모의를 수행하였다. 일정치 않은 강우의 형태를 반영하기 위하여 다양한 호우사상을 적용하였으며, Table 5는 적용한 서울의 확률강우사상을 나타낸다. 각각의 호우사상은 Huff 1∼4분위로 시간분포시켜 적용하였으며, 총 64개의 호우사상에 대하여 모의를 수행하였다.
Applied Probabilistic Rainfall Event
3.2.2.1 5년 빈도 호우사상
가산1빗물펌프장의 설계빈도보다 낮은 5년 빈도 호우사상에 대하여 FFC6를 모의 운영하였다. 모든 Rule에서 유수지의 HWL인 E.L. 8.2m보다 낮은 수위에서 안정적으로 펌프장을 운영하였다. 유수지 최대 수위는 다음 Table 6과 같으며, Fig. 4는 60분 지속기간, Huff 1~4분위의 유수지 수위 결과를 나타낸다.
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(5yr Frequency)(m)
Reservoir Time-Stage Curve(5yr Frequency, 60min Duration)
3.2.2.2 10년 빈도 호우사상
가산1빗물펌프장의 설계빈도보다 낮은 10년 빈도 호우사상에 대하여 FFC6를 모의 운영하였다. 모든 Rule에서 유수지의 HWL인 E.L. 8.2m보다 낮은 수위에서 안정적으로 펌프장을 운영하였다. 유수지 최대 수위는 Table 7과 같으며, Fig. 5는 60분 지속기간, Huff 1~4분위의 유수지 수위 결과를 나타낸다. 전반적으로 Rotation 3의 유수지 최대수위가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Rotation 1과 Rotation 2의 경우 펌프가 가동되고 모두 꺼지는 횟수가 3회를 초과하지 않으면 운전 방식이 거의 동일하게 되므로, 거의 동일한 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(10yr Frequency)(m)
Reservoir Time-Stage Curve(10yr Frequency, 60min Duration)
3.2.2.3 20년 빈도 호우사상
가산1빗물펌프장의 설계빈도보다 낮은 20년 빈도 호우사상에 대하여 FFC6를 모의 운영하였다. 모든 Rule에서 유수지의 HWL인 E.L. 8.2m보다 낮은 수위에서 안정적으로 펌프장을 운영하였다. 유수지 최대 수위는 다음 Table 8과 같으며, Fig. 6은 60분 지속기간, Huff 1~4분위의 유수지 수위 결과를 나타낸다. 전반적으로 Rotation 3의 유수지 최대수위가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Rotation 1과 Rotation 2의 경우 펌프가 가동되고 모두 꺼지는 횟수가 3회를 초과하지 않으면 운전 방식이 거의 동일하게 되므로, 거의 동일한 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(20yr Frequency)(m)
Reservoir Time-Stage Curve(20yr Frequency, 60min Duration)
3.2.2.4 30년 빈도 호우사상
가산1빗물펌프장의 설계빈도인 30년 빈도 호우사상에 대하여 FFC6를 모의 운영하였다. 모든 Rule에서 유수지의 HWL인 E.L. 8.2m보다 낮은 수위에서 안정적으로 펌프장을 운영하였다. 유수지 최대 수위는 다음 Table 9와 같으며, Fig. 7은 60분 지속기간, Huff 1~4분위의 유수지 수위 결과를 나타낸다. 전반적으로 Rotation 3의 유수지 최대수위가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Rotation 1과 Rotation 2의 경우 펌프가 가동되고 모두 꺼지는 횟수가 3회를 초과하지 않으면 운전 방식이 거의 동일하게 되므로, 거의 동일한 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(30yr Frequency)(m)
Reservoir Time-Stage Curve(30yr Frequency, 60min Duration)
3.3 개선된 펌프운영규칙 적용 결과
가산1빗물펌프장의 설계빈도인 30년 빈도를 포함한 호우사상에서 제안된 펌프운영규칙을 적용하여 모의를 수행하였다. 실제운영사상의 경우 고빈도 강호우사상이 없었기 때문에 20년 및 30년 빈도의 60분 지속기간의 고빈도 강호우 사상을 적용하여 분석하였다.
Table 10은 제안된 펌프운영규칙에 따른 유수지 최대수위를 나타내고 있으며, Fig. 8은 유수지 수위를 기존 운영 룰(Rule 1)과 비교하여 나타낸 것이다. 새롭게 제안된 펌프운영규칙이 최소 8 ~ 15cm의 유수지 최대수위의 저감효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 물론 새롭게 제안된 운영규칙이 기존 FFC6 모형의 Rule 3보다는 낮은 저감효과를 나타낼 것이라는 것은 자명한 사실이다. 그러나 기존의 불확실성이 있는 전량배제결정방식의 단점을 보완할 수 있으며, 특히
Maximum Reservoir Level According to Proposed Pump Operating Sequence(Huff 2, m)
Maximum Reservoir Level According to Pump Operating Sequence(60min, Huff 2)
펌프 2대 이상이 동시에 추가적으로 운전되어야하는 유입량이 상당히 많을 경우에만 전량배제 방식을 취하게 되므로, 잦은 펌프 on/off의 문제점을 가지고 있는 Rule 3의 단점도 동시에 해결할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 또한 제안된 방식은 현장 운영자들이 고려하는 안전성도 만족시킬 수 있는 운전방식이며, 의사결정자의 임의적 판단 없이 운영 방식이 자동 전환되므로, 실제 적용할 경우에도 그 활용도가 높아질 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 빗물펌프장 자동운영시스템(FFC6)이 실제 운영되면서 축적된 운영 자료를 분석하여 그 문제점을 도출한 후, 그 결과 나타난 운영개선기법을 개발하여 적용/분석하였다.
현재 FFC6 프로그램은 서울시 내의 11개 빗물펌프장에 설치 완료되어 운영 중에 있다. 본 연구에서는 펌프가동순서 (교번운전)와 펌프운영규칙 결정기법 개선에 대한 연구를 수행하였다. 현재 FFC6가 설치된 각 빗물펌프장은 운영자의 편의성 등에 따라 하나의 펌프 가동방식(각 호기별 고정 순차 작동, 각 호기별 순환 작동 등)을 고정해서 사용하고 있다. 그러나 다양한 호우사상에 따라 다양한 펌프가동순서 결정 방법이 설정될 수 있으며, 사용자 역시 예보된 호우사상의 규모 및 지속기간에 따라 탄력적인 펌프 운영을 해 내수배제효율을 극대화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 세 가지 운영 방식을 새롭게 개발하여 적용하였으며, 그 결과 현재의 모형보다 유수지 최고수위 등에 있어 효과적임을 확인할 수 있었다. 특히 현재는 FFC6 모형이 활용되고 있지만, 아직까지도 초기 운영은 운영자가 직접 운전하고 있다. 그러나 제안된 운영방식을 사용할 경우에는 호우사상 전반적으로 낮은 유수지 수위를 유지할 수 있었으며, 상대적으로 현재의 실제 운영방식은 호우 후반부로 갈수록 유수지 수위를 낮게 유지할 수 없음을 확인하였다.
또한 큰 규모의 강우가 예보되더라도 초기 운영의 경우 상대적으로 안정적인 Rule 1의 운영을 하는 것이 선호되고 있으며, 실제로 많은 강우가 내릴 경우 어느 시점에서 Rule 1에서 Rule 3로 변경을 해야 하는지에 대한 가이드라인이나 매뉴얼이 없어 운영자 관점에서 어려움이 있는 것이 사실이었다. 따라서 본 연구에서는 향후 유입되는 유입량 또는 유입량의 추세를 파악하여 펌프 2대 이상이 동시에 추가적으로 운전되어야 하는 유입량이 들어올 것으로 예측되는 경우 자동적으로 Rule 1에서 Rule 3로 펌프운영규칙을 변경하는 방법을 새로운 방법으로 제시하였다. 적용결과, 본 방식은 강우의 특성 및 관로 연결 상태 등에 따라서 간혹 하류관거의 통수능에 영향이 없는데도 불구하고 상류관거에 과부화 현상이 나타날 수 있는 기존의 불확실성이 있는 전량배제결정방식(Rule 2)의 단점을 보완할 수 있으며, 특히 펌프 2대 이상이 동시에 추가적으로 운전되어야하는 유입량이 상당히 많을 경우에만 전량배제 방식을 취하게 되므로, 잦은 펌프 on/off의 문제점을 가지고 있는 Rule 3의 단점도 동시에 해결할 수 있었다.
본 연구결과를 통해 동일한 설계조건을 가진 빗물펌프장에서도 펌프의 조작에 따라 내수피해의 정도를 줄일 수 있을 것으로 기대하며, 이는 펌프시설 증대에 비한 예산절감 효과를 극대화 할 수도 있을 것이다. 본 연구의 스마트 빗물펌프장 운영기법이 적용 및 보완된다면, 기 설치된 빗물펌프장 운영 시스템의 활용도가 더 높아질 것으로 기대되며, 최종적으로 국내⋅외 도시홍수 방재를 위한 인프라 구축 사업에도 적극적으로 활용 가능한 프로그램으로 성장이 가능하다.
감사의 글
This work was supported by a grant from The National Research Foundation (NRF) of Korea, funded by the Korean government (MSIP) (No. 2016R1A2A1A05005306).