[20년01월] 2. 상수도관망의 운영조건을 고려한 유수율별 적정 유지관리비 예측 모델 개발

 

For the asset management of a water pipe network, it would be necessary to understand the extent of the maintenance cost required for the water pipe network for the future. This study would develop a method to draw the optimum cost required for the maintenance of the water pipe network in waterworks facilities to maintain the aim revenue water ratio and to achieve the target revenue water ratio, considering the water service providers’ waterworks condition and revenue water ratio comprehensively.

This study conducted a survey with 96 water service providers as of the early 2015 and developed models to estimate the optimum maintenance cost of the water pipe network, considering the characteristics of the water service providers. Since the correlation coefficient of all the developed models was higher than 0.95, it turned out that it had significant reliability, which was statistically significant.

As a result of applying the developed models to the actual water service providers, it was drawn that increasing revenue water ratio to more than a certain level can reduce the maintenance cost of the water pipe network by a great deal. In other words, it is judged that it would be the most efficient to secure the reliability of waterworks management by increasing the short-term revenue water ratio to more than a certain level and gradually increase the revenue water ratio from the long-term perspective.

It is expected that the proposed methodology proposed in this study and the results of the study will be used as a basic research for planning the maintenance of water pipe network or establishing a plan for waterworks facilities asset management.

김창환 상무(상하수도기술사), 상하수도2부(chkim3@samaneng.com)

노주환 전무, 상하수도2부(jhnoh1@samaneng.com)

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1. 연구방법

1.1 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델 개발

 

상수도관망의 유지관리비에 영향을 미치는 요인은 매우 다양하다. 본 연구에서는 상수도관망의 유지관리비에 영향을 미칠 것으로 판단되는 수도사업자의 특성과 상수도관망에 대해 실제 지출된 유지관리비를 조사하였다. 조사 결과를 바탕으로 유수율에 따른 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델을 개발한 뒤 1 개 지방상수도 사업자를 대상으로 모델을 적용하여 실증연구를 수행하였다. 본 연구의 연구흐름도는 Fig 1.과 같다.

 

Fig 1. Flow chart of this study

 

 

1.2 수도사업자 상수도관망 유지관리비 조사

 

본 연구에서는 공기업특별회계로 관리되고 있는 116 개 상수도 지방공기업 중 최근 정부규모의 대단위 관망관리사업이 실시된 태백권 4 개 도시의 수도사업자, 제주특별자치시 수도사업자, 최근 특별자치시로 승격되어 장기간의 통계자료 구축이 미미한 세종시 수도사업자, 광역으로부터의 원정수 수수율이 100 %인 수도사업자를 제외한 96 개의 상수도 지방공기업을 조사 대상으로 선정하였다.

지방공기업 결산 자료상 영업비용은 인력운영비, 동력비, 약품비, 원정수구입비, 수선교체비, 감가상각비, 민간위탁비, 연구개발비, 경상이전, 일반운영비, 퇴직급여충당금전입금, 기타영업비용로 구분할 수 있으며, 정수시설과 상수도관망을 포함한 모든 상수도시설에 대한 비용이 나타나있다. 상수도관망의 유지관리비는 지방공기업 결산 자료에 나타나 있는 전체 영업비용 중 상수도관망의 유지관리에 사용한 비용만을 구분하여 산정하였다. 인력운영비의 경우, 정수시설 관리업무를 위해 배치된 인력과 상수도관망 관리업무를 위해 배치된 인력을 구분하였으며, 구분을 위하여 수도사업자 조사를 실시하였다. 수선교체비와 일반운영비의 경우 결산 내역을 검토하여, 상수도관망의 수선교체비 및 일반운영비로 활용된 비용만을 구분하여 적용하였다. 동력비의 경우 대다수의 동력비가 상수관망의 운영을 위해 사용되는 비용임을 고려하여 본 연구에서는 동력비가 100 % 상수관망에 투입된다고 가정하였다. 한편, 약품비, 원정수구입비의 경우 정수장의 운영을 위해 사용되는 비용이고, 감가상각비, 경상이전비, 퇴직급여충당금전입금, 기타영업비의 경우 회계처리의 목적을 갖는 비용항목이라 할 수 있다. 또한 민간위탁비, 연구개발비 역시 상수도관망의 유지관리를 위해 사용되는 비용이라 할 수 없으므로 해당 비용은 고려하지 않았다.

 

 

Table 1. Selected influence factor for water pipes maintenance cost

 

 

1.3 상수도관망 유지관리비 영향 요인 조사

 

상수도관망 유지관리비와 밀접한 관련이 있을 것으로 추정되는 총 31 가지의 인자를 사전 전문가 조사를 통해 선정하였으며, 선정된 인자들은 Table 1과 같다. 선정된 항목에 대한 조사는 2014 상수도통계(MOE, 2016)와 지방공기업 경영정보 공개시스템을 통해 공개되어있는 2014년 지방공기업 감사결과를 중심으로 실시하였다. 한편, 조사자료의 신뢰성을 제고하기 위하여, 조사된 자료는 각 상수도 지방공기업별 홈페이지를 통해 공개된 자료와의 비교검토를 실시하였으며, 차이가 발생한 경우에는 사업장 방문 또는 온라인 조사를 추가로 실시하였다.

 

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2. 연구결과

 

2.1 수도사업자 상수도관망 유지관리비 조사 및 영향요인 분석 결과

 

92 개 수도사업자에 대해 조사한 상수도관망 유지관리비는 수도사업자의 급수 규모에 따라 편차가 상당한 값이므로, 수도사업자별 관망의 규모를 고려하여 상수도관망 유지관리비 원단위(백만 원/km)를 산정하여 비교분석을 수행하였다. 다음 Fig. 2은 특･광역시, 시지역, 군지역 수도사업자의 상수도관망 유지관리비 원단위를 비교한 결과를 나타내며, Table 2는 지역별 상수도관망 유지관리비 원단위에 대한 통계자료를 나타낸다.

 

Fig 16. Unit cost for water pipes maintenance by region

 

 

Table 2. Statistics of unit cost for water pipes maintenance by region

특･광역시의 경우 상수도관망 유지관리비로 관로 1 km 당 평균 10.34백만 원의 비용을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 반면, 시･군지역의 경우 평균 3.60백만 원/km, 2.86백만 원/km로 특･광역시의 25 % ∼ 30 % 수준의 비용원단위를 갖는 것으로 나타났다.

특･광역시와 시･군지역의 상수도관망 유지관리비는 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 특･광역시 유지관리비 원단위 최대값과 시지역 유지관리비 원단위 최대값은 큰 편차가 없는 것으로 나타났다. 또한, 시지역과 군지역은 상수도관망 유지관리비 원단위 사이의 명확한 차이가 없는 것으로 나타났다. 이와 같이 명확한 구분이 어려운 원인은 행정적인 기준에 의해 구분된 특･광역시/시지역/군지역은 수도사업자의 수도여건을 반영하고 있지 못하고 있기 때문이라 판단된다. 그러므로 표준화된 유지관리비의 적용을 위해서는 행정적 기준에 의해 구분된 수도사업자가 아닌 수도사업자의 특성을 반영한 구분이 필요할 것으로 판단된다.

수도사업자별로 산정한 상수도관망 유지관리비와 선정한 31 개 영향요인 사이의 상관분석을 실시한 뒤, 표준상관계수와의 비교를 위한 t-검정을 수행한 결과는 다음 Table 2와 같다. 유의수준 0.05일 때의 표본 수 92 개에 대한 표준 상관계수는 0.2672로 나타난다. 그러므로 상수도관망 유지관리비와의 상관계수가 0.2672 이상으로 나타난 인자는 신뢰수준 95%에서 상관성이 있는 것으로 판단할 수 있다.

상관분석 결과 상수도관망 유지관리비와 유효한 상관성을 나타내는 인자는 모두 17 개로 나타났다. 여기서, 인자와 인자 사이의 상관성이 나타나는 경우에는 두 가지 인자 모두를 활용하는 것보다 한 가지 인자를 활용하는 것이 타당하다. 따라서 각 개별 인자들 사이사이의 상관분석을 통해 상수도관망 유지관리비 영향인자로써, 최종적으로 9가지 영향인자(유수수량, 유수율, 누수량, 관로연장, 급수전밀도, 21년 이상 관로 비율, 재정자립도, 유지관리비원단위, 기술기능직직원수)를 선정하였다.

 

 

Table 3. Result of correlation analysis using t-test

 

 

2.2 수도사업자의 군 분류 결과

 

수도사업자의 군은 상관분석의 결과로 선정된 9 가지 상수도관망 유지관리비 영향요인에 대한 주성분분석을 실시하고, 주성분분석결과를 중심으로 군집분석을 수행함으로써 분류하였다.

9 가지 상수도관망 유지관리비 영향요인에 대한 주성분분석을 실시한 결과 3주성분까지 고유값이 1이상으로 나타났으며, 3주성분까지의 누적 분산값은 81.069 %로 나타났다. 이는 주성분 3 가지가 전체 분산량의 81.069 %를 설명하고 있음을 나타내며, 이를 통해서도 3주성분까지 추출한 결과가 양호함을 판단할 수 있다. 다음 Table 4는 주성분분석결과의 해석의 용이성을 고려하여 주성분축이 상호 독립적이도록 직교상태를 유지하면서 회전을 시키는 varimax rotation을 수행한 결과를 나타낸다. 주성분 분석 결과, 제1주성분은 관로연장, 기술기능직직원수, 유수수량, 누수량, 급수전밀도 순으로 성분이 적재되는 빈도가 높은 것으로 나타났다. 제2주성분의 경우 유수율과 재정자립도가, 제3주성분의 경우 21년 이상 관로 비율과 유지관리비원단위가 적재되는 것으로 나타났다.

 

Table 4. Varimax rotation result of principal component analysis

3가지의 주성분으로 요약된 요인점수를 활용하여 96 개 수도사업자에 대한 K-평균 군집분석을 실시한 결과 특별시인 S시는 독립적인 군을 형성하는 것으로 나타났다. 다음 Table 5는 수도사업자의 분류를 위해 4 개로 나누어진 군에 포함된 표본의 숫자, 상수도관망 유지관리비 원단위 및 유수율의 평균 및 편차를 나타낸다.

 

 

Table 5. Result of cluster analysis

여기서, 군집별 상수도관망 유지관리비 원단위 평균값과 유수율은 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 독립적인 군을 형성한 1군을 제외하고, 2군, 3군, 4군을 대상으로 상수도관망 유지관리비 원단위 평균값과 유수율이 차이를 나타내는 것이 통계적으로 유의한 차이인지를 파악하기 위하여 분산분석을 수행하였으며, 그 결과는 Table 6과 같다.

 

Table 6. Results of variance analysis

분산분석 결과, 총 4 개의 군으로 분류된 수도사업자 군이 군별로 상수도관망 유지관리비 원단위와 유수율 사이의 차이가 있다는 결과가 도출되었다. 따라서 본 연구에서 주성분분석을 통해 도출한 주성분을 기준으로 구분한 수도사업자 군은 수도사업자의 상수도관망 유지관리비 원단위와 유수율을 구분짓는 것으로 판단할 수 있다. 상수도관망 유지관리비 원단위와 유수율은 수도사업자의 상수도관망 유지관리업무 특성을 구분짓는 요인으로 작용하고 있는 것으로 나타났다.

1군을 제외한 나머지 군의 특성은 다음과 같이 요약할 수 있다. 2군에 포함된 수도사업자는 도시 규모가 크고, 유수율이 80.0 % 이상으로 높은 특성을 나타내었다. 또한 노후관로의 비율이 10.0 % 미만으로 낮게 나타났다. 3군에 포함된 수도사업자는 유수율이 80.0 % 이상으로 높게 나타났으나 노후관로의 비율이 10.0 % 이상으로 나타나, 2군과 3군 수도사업자를 구분하는 주요 특성 중 하나로 노후관로의 비율이 작용하는 것으로 나타났다. 한편, 4군에 포함된 수도사업자는 대부분 군 단위 도시로 도시 규모가 작은 수도사업자였다. 또한 4군에 포함된 수도사업자는 유수율이 대부분 70.0 % 미만으로 낮고, 노후관로의 비율이 높은 특성을 나타내었다.

 

 

2.3 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델 개발 결과

 

표본 숫자가 1 개인 1군을 제외하고, 2군과 3군, 4군 수도사업자에 대하여 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델을 개발한 결과는 Table 7과 같다.

 

Table 7. Developed model for optimum maintenance cost of water pipes

각 군별 모델은 통계적으로도 유의한 것으로 나타났다. Table 8은 각 군별 모델의 모형 유의성을 검정하기 위한 분산분석의 결과를 나타낸다. F통계량에 대한 유의확률이 모든 모형에서 0.05보다 낮게 나타나, 모형이 유의하다는 결론이 도출되었다. Table 9는 각 군별 모델에 포함된 회귀계수의 유의성 검정 결과를 나타낸다. 각 독립변수들의 t통계량에 대한 유의확률은 95 % 신뢰수준에서 모두 유의한 결과를 나타내었다. 결론적으로 본 연구에서 개발한 수도사업자 군별 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델은 모두 통계적으로 유의한 것으로 나타났으며, 모델의 상관계수를 보았을 때, 상당한 신뢰성을 가질 수 있을 것으로 판단된다.

 

Table 8. Results of variance analysis for developed model

 

Table 9. Results of significance test of regression coefficients

 

광역시 또는 일정규모 이상의 도시로 80 % 이상의 유수율을 달성하고 있는 수도사업자의 경우(2군), 유지관리비가 관망유지관리비 원단위와 기술기능직 직원수에 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서, 유지관리비를 줄이기 위해서는 투입되는 유지관리비를 줄이는 방안 또는 기술기능직 직원수를 줄이는 방안을 생각해볼 수 있겠으나, 관망유지관리비를 줄이기 위해 직원수를 줄이는 것은 효율적이지 않을 수 있으므로 효율성분석과 같은 면밀한 검토가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

그 외의 지역에서는 상수도관망 유지관리비가 관로연장, 유수율, 21년 이상 관로 비율 등의 함수로써 표현되었다. 특히, 유수율을 높이기 위해서는 유지관리비의 증가가 필요한 것으로 나타났으며, 21년 이상 관로비율이 증가할수록 유지관리비가 증가하는 점(4군)을 고려하였을 때, 노후관의 증가추이를 고려하여 점진적으로 유지관리비를 증가시킬 필요가 있다는 결과가 도출되었다.

따라서 향후 시･군지역의 유수율의 제고를 위해서는 노후관로에 대한 대비가 가능한 수준의 상수도관망 유지관리비를 편성할 필요성이 있다고 판단된다.

 

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Reference

 

1.김기범, 김창환, 신휘수, 서지원, 형진석, 구자용.“수도사업자의 수도여건과 유수율에 따른 상수도관망 적정 유지관리비 산정 모델 개발 연구”, 환경정책기반 공공기술개발사업 - 상수도시설의 운영 및 자산관리 통합시스템 개발(2014000700001), pp.11-16

2.Dandy, G. C., and Engelhardt, M. O. (2006). Multi-objective trade-offs between cost and reliability in the replacement of water mains, Journal of Water Resources Planning and Management, 132 (2). 79-88.

3.KECO(Korea Environment Corporation), (2010), Basic plan for construction of optimal water pipe network management system in Taebaek region, KECO.

4.Kim, K. (2015). The optimal renewal planning using dynamic programming in water pipelines, Master’s Thesis, University of Seoul, pp.193.

5.Kim, M., Inakazu, T., Koizumi, A., and Koo, J. (2013). Statistical approach for corrosion prediction under fuzzy soil environment, Environmental Engineering Research, 18 (1). 1-7.

6.Kleiner, Y., Adams, B. J., ASCE, and Rogers, J. S. (2001). Water distribution network renewal planning, Journal of Computing in Civil Engineering, 15 (1). 15-26.

7.Shin, H. (2012). Optimal scheduling of replacement and renovation of water distribution systems using genetic algorithm, Master’s Thesis, University of Seoul, pp.137.

8.Walski, T. M., and Pelliccia, A. (1982). Economic analysis of water main breaks, Journal of American Water Works Association, 74 (3). 140-147.