[20년01월] 1. 재난 대비 상･하수 관로 설계 기술 동향

 

 

Environmental facilities, including water and sewer network, are basic facilities that are indispensable for maintaining people’s lives and urban functions. If the function of the system is broken for a long time, it can lead to increased social costs. As of 2016, the level of technology related to disaster safety in Korea is 73.0% compared to developed countries, showing an average disparity of 6.4 years. In particular, the design level in the water supply and sewage field is that the design guideline for quantifying disasters such as earthquakes and inundation has not been formulated, and the design is being done at the discretion of the designer due to the absence of a manual. It is. There is no development of design software for disasters in terms of design and maintenance software. In Japan, specific design standards for seismic design of water and sewage facilities have been established, and clear design guidelines for disaster preparedness have been secured, such as the publication of design examples from private companies. In the case of the United States as well, technological development in related fields such as establishing earthquake-resistant design standards has been actively conducted through public-private cooperation. Therefore, policy support is necessary to prepare specific design guidelines for disaster preparedness and develop disaster simulation design softwares.

이정구 부장, 상하수도1부(jklee6@samaneng.com)

홍창선 차장, 상하수도1부(cshong1@samaneng.com)

김영준 대리, 상하수도1부(yjkim7@samaneng.com)

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1. 서론

최근 지진과 집중호우 등 각종 재난이 빈번하게 발생함에 따라 상･하수도 관로를 포함한 환경시설의 운영관리를 위한 재난대비 기술 수요가 발생하고 있다. 이는 재난의 대형 및 복합화, 지구환경의 변화에 따른 신종재난 발생 등 재난 환경의 변화에 따라 첨단기술을 접목한 새로운 재난대비 기술의 필요성이 증가하고 있기 때문이다.
특히 2016년 9월 12일에 발생한 경주지진은 기상청 관측 이래 국내에서 발생한 가장 큰 지진으로 국민적 관심을 모았으며, 지진발생빈도가 증가하고 있는 가운데 재난에 대한 대응책을 마련해야 한다는 사회적 공감대를 형성하고 있다. 하지만, ｢상수도 시설 내진현황(2017.09, 환경부)｣을 분석한 결과 전국 지방상수도 시설 5,045개소 중 3,174개소(62.9%)가 내진설계 및 성능인증이 미비한 것으로 검토되었으며(송옥주 의원실, 2017), 내진보강 계획 수립을 위한 상수도 시설물 전수조사 결과 관망을 포함한 상수도 시설의 내진보강이 필요한 시설물은 전체 2,568개소 중 1,106개소의 보강이 필요하다고 보고되고 있다(국민안전처, 2015).
상･하수도 관망/관로를 포함하는 환경시설은 국민의 생활과 도시의 기능 유지에 필수불가결한 기본 시설로서 재난 발생 후 피해복구가 빠르게 진행되지 않을 경우 사회･경제 시스템의 기능이 장기간 마비될 수 있으며, 이는 사회적 비용의 증가로 이어질 수 있다. 따라서 재난을 대비한 국･내외 상･하수도 관망/관로의 설계 동향을 알아보고, 재난 대비 상･하수 관로 설계 기술의 개발 필요성에 대해 서술하고자 한다.

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2. 본론

 

2.1 국내 동향

2.1.1 설계 지침
현재 국내의 재난 대비 상･하수도 관망/관로의 설계기술은 지진을 대비한 내진설계에 집중되고 있다. 2016년 경주 지진 발생 이후 ｢상하수도 주요시설물의 내진설계 기준 개설 기초 연구(환경부, 2017)｣를 통해 기존 상･하수도 분야의 내진설계에 대한 보완 및 수정사항을 제시하였으며, ｢내진설계기준 공통적용사항(국민안전처, 2017)｣을 반영하여 개정된 ｢상수도 설계기준(환경부, 2019)｣, ｢하수도 설계기준(환경부, 2019)｣를 발간하였다.
해당 기준에 따르면, 내진설계의 목적으로 상수도는 지진발생시 급수기능 확보를 하수도는 환경오염 및 수인성 전염병 발생 등 2차 재해 최소화를 제시하고 있으며, 내진설계시 시설물의 내진성능 수준으로 ‘기능수행’ 수준과 ‘붕괴방지’ 수준을 만족하도록 요구하고 있다. 또한, 상･하수도를 구성하는 개별 시설의 중요도 및 지진에 의한 시설의 손상으로 초래될 수 있는 영향 범위를 고려하여 Table 1과 같이 내진등급을 분류하고 있다.

 

Table 1. 내진등급에 따른 성능목표 및 시설

지진을 제외한 국내의 재난 대비 설계기술은 상수도 분야에 국한되어 있으며, 상수도 공급시설 안정화 계획의 일환으로 ‘관로복선화’, ‘지하 수도터널’, ‘수도시설 비상연계’와 ‘블록시스템 구축 및 비상연결관로 설치’를 제시하고 있다(환경부, 2018).

2.1.2 설계 기술 및 소프트웨어 개발 동향
국내 상･하수도 관망/관로 설계 소프트웨어 개발은 기존에 사용 중인 설계 소프트웨어의 기능부재에 따른 보완성격의 기술개발로 최근 상수도 분야에서는 다양한 시나리오에 따른 관망 설계의 적정성 분석, 최적화 알고리즘을 활용한 관경결정의 최적화, 대규모 단수영역을 파악 등에 집중되어 있다. 또한, 정상운영 중 수요량 기반 해석에서 비정상 운영시 절점 압력수두와 공급량 간 관계식을 통해 수리해석을 진행하는 소프트웨어 개발이 이루어지고 있다.
모니터링 분야에서는 상수도의 경우 유수율 제고 및 단수 영향 최소화를 위해 ICT 기반의 상수관망 모니터링 기술을 개발하고 있으며, 하수도의 경우 I/I분석을 통한 유지관리체계 구축과 계측장비를 통한 실시간 데이터 분석 등이 수행되고 있다.
앞서 언급한 바와 같이 일반적인 관망해석 및 모니터링 기술의 소프트웨어는 국내에서도 많은 개발과 발전이 이루어지고 있으나, 지진 및 침수 등 재난 발생시 상･하수도 관망/관로의 취약점을 분석하고, 이를 해결하는 소프트웨어 개발은 해외 대비 뒤쳐지고 있는 실정이다.

  1) GSWaterS-Design
GS건설은 에코스마트 상수도시스템 개발사업단에 참여하여 블록시스템 설계가 가능한 GSWaterS-Design 소프트웨어를 개발하였으며, 해당 소프트웨어는 블록 분할 기능, 세그먼트 분할 기능, 설계 최적화 기능, PDD(Pressure Dependent Demand) 관망해석 기능, 센서 위치 선정 기능 등의 상수관망 모니터링이 가능하며, 단수발생 가능성 및 피해를 최소화 할 수 있는 기능을 탑재하고 있다. 다만, 지진발생과 같은 재난발생을 대비한 설계 기능은 탑재하지 않고 있다.

  2) STEP
㈜이피에스이엔이에서 개발한 소프트웨어로 상수관망 블록유지관리시스템은 상수관망운영, 상수시설물 대장관리, 관망진단(일반기술진단) 등의 기능을 갖추고 있으며, 하수관로 모니터링시스템은 하수관 유량 상태 실시간 모니터링, 문제 발생 시 경보알림, 침입수/유입수 분석, 오염부하량 분석, 하수시설물 대장관리 등의 기능을 갖추고 있다. 그러나 재난 발생 모니터링 및 그에 따른 진단 기능은 탑재하지 않고 있다.

  3) Water Logics
㈜케이엠에스의 상수관망 최적관리시스템은 관망 실시간 감시, 운영 및 분석, 시설물 관리, 수리해석, 빅데이터기반 업무지원시스템, 누수감지시스템 등을 갖추고 있으며, 유량 및 수압감시를 통한 효율적인 블록 운영관리와 누수방지, 수질오염 예방을 통한 수돗물 신뢰성 향상을 지원하고 있다. 따라서, 일상적인 수준의 상수관망 운영관리에는 적합한 것으로 판단되나, 재난 상황에서 피해범위 및 규모를 예측하고 의사결정을 지원하는 재난 대비 기능은 탑재되어 있지 않다.

 

 

2.2 해외 동향

2.2.1 설계 지침
  1) 일본
지진 등의 자연재해가 빈번한 일본은 일본수도협회(JWWA)를 중심으로 비상대응매뉴얼(Emergency Response Manual)을 만들어 천 곳이 넘는 물 관련 공공사업자가 이를 공유하고 재난 발생 시 조직적으로 업무를 분다하여 재해를 대응하고 있으며, 정부 주도로 지진에 대비한 상수도 관망의 내진화를 진행 중이다.
일본의 방재기본계획은 ｢재해대책기본법｣에 따라 중앙방재회의에서 매년 검토 후 작성하는 최상위 계획으로서, 재난 예측부터 복구에 걸친 전주기 재난대응 방재과학기술분야 R&D를 수립하고 있다.

Table 2. 일본의 기관별 지진방재 관련 종합계획

수도시설에 대한 내진설계 기술은 내진공법지침에 따라 시설물의 내진성을 향상시키고, 재난 발생 시 응급복구기간을 설정하여 응급급수 목표를 설정하는 등 Lifeline 확보를 위한 설계기술이 적용되고 있다. 수도시설 내진공법 지침에 따르면 수도시설에 대한 성능 규정형 설계의 계층 모델을 수립하여 계층별 내진성능을 규정하고 기술적 사고방식을 수립하여 설계자가 합리적인 재난 대응 수도시설 설계를 수행할 수 있도록 유도하고 있다.

 

Fig. 1. 일본 수도시설 성능 규정형 설계의 계층 모델

 

재난대응 설계기법으로 1997년 누수방지대책지침에 따라 배수관망 블록시스템을 포함한 배수지 및 간선계통별 소블록 공급체계를 구축하였으며, 도수 및 송수관로 복선화를 통해 무단수 공급체계를 구축하고 대심도 송수터널과 비상급수시설을 구축하여 재난 발생 시 비상급수 및 조기복구가 가능하도록 설계에 반영하고 있다.

  2) 미국
미국은 물 분야 지진 저항력의 증대를 위해 지진재해 탄력성 제고 연구를 진행 중이며, 지진복구 가이드라인 수립 등 수도시설의 잠재적 자산을 보호할 수 있도록 힘쓰고 있다.

 

Fig. 2. 미국 환경보호국 홈페이지의 지진 복구 가이드라인

 

미국의 NIBS(National Institute of Building Sciences)는 2004년에 상수관로 내진설계를 위한 가이드라인 개발을 위하여 G&E Engineering Systems Inc.와 계약을 체결하고 FEMA와 공동으로 ｢Seismic Guidelines for Water Pipelines(2005, FEMA, NIBS)｣라는 관망관련 재난대비 가이드라인을 제시하였다.

  ①Easy to implement : 용이하게 활용할 수 있는 보편적인 파이프라인 기술 제공
  ②Easy to understand : 실제 설계사례를 통하여 예측사항에 대한 직관력을 가짐
  ③Easy to use throughout the 50 United States : 위험도, 관로설치지점 등 50개주 전체에 적용할 수 있는 방법을 포함
  ④ Easy to use by small and large utilities : 소형 및 대형 수자원기업 모두가 사용할 수 있는 기법 제공
  ⑤Geared to be Cost Effective : 성능기반설계(performance based design)에 기초한 경제적 내진설계 접근

본 가이드라인에서는 설계자가 보유하고 있는 정보와 목적에 따라 3가지의 내진설계절차와 평가방법을 소개하고 있으며, 해당 내용은 다음과 같다.

Table 3. 미국의 내진설계 평가방법

3) 영국
영국은 합리적인 누수관리를 위하여 1980년 구역개량(Distric Metering)과 낭비개량(Kaste Metering)을 개념을 도입하였고, 그 결과 DMA(District Metered Area)관리를 통해 상수관망 유지관리 기술을 발전시켜왔다.
환상형 송수관로(TWRM) 설계기술을 통해 대심도 콘크리트 터널을 건설하여 정수장으로부터 생산된 정수를 자연유하로 유입시킨 후 터널과 배수간선의 접점에 설치된 입갱으로부터 펌프로 양수하여 무단수 공급체계를 구축하였다.

2.2.2 설계 기술 및 소프트웨어 개발 동향
해외 상･하수도 설계소프트웨어 중 재난 대비 설계가능 소프트웨어는 InfoWorks社의 WS Pro, Sensus社의 Smart Water Network, Suez社의 Aquadvanced 등이 있으며, 상･하수관망 해석 기능 외에 재난 대비 설계 및 모니터링, 사고 확률 예측 등의 기능을 탑재하고 있어 국내와 기술격차가 큰 것으로 파악된다.

  1) InfoWorks : WS Pro
상수관망 모델을 관리･분석할 수 있는 종합모델관리 솔루션으로서 GIS기반 데이터 활용, 각종 시뮬레이션 및 수충격 해석이 가능하고, 특히 위험관로 분석 및 오염사고 시뮬레이션을 통해 재난 대비 설계 및 모니터링 가능한 특징이 있다.

  2) VEOLIA : MOSARE(관망분석통계)
상수관망의 상태를 나타내는 지표인 파이프 스케일로 계산한 사고확률을 적용하여 관망 모니터링 업무를 수행하고 있으며, 관망의 수명, 지역적 특성 및 사고 확률 등을 종합 분석하여 유지･보수 관로를 선정하고 이를 실무에 적용하고 있다.

  3) Thames Water
음향파장을 통한 배관의 두께와 누수를 감지하게 도와주는 Echologics Acoustic 모니터링 기술을 사용하여 시설 교체와 합리화를 위한 모니터링 프로그램의 구조화를 개시하였으며, 개선된 모니터링 기술을 통해 대형관의 파손 예측 및 방지에 활용할 수 있다.

  4) Sensus : Smart Water Network
Xylem사의 Sensus는 Smart Water Network를 구성하여 모니터링 및 원격진단을 통해 유지관리 문제를 우선적으로 관리할 수 있다. 현장 센서, 측정 및 제어장치를 통하여 시설물을 모니터링하고, 관망내 양방향 네트워크를 통해 관망의 취약부분을 점검할 수 있는 기능을 탑재하고 있다.

 

Fig. 3. Smart Water Network

  5) Suez : Aquadvanced
비용 증가의 원인이 되는 노후 배관에 대한 지속적인 모니터링이 가능하고 관망의 성능을 실시간으로 측정하기 위해 개발된 프로그램이다. 실시간 관찰이 가능한 센서를 활용하여 누수지점 확인 및 지속적인 수질 모니터링이 가능하고, 측정된 데이터를 분석하는 의사 결정 지원 소프트웨어를 통해 수압 변화 등에 대한 신속한 대응 관리가 가능한 특징이 있다.

 

 

2.3 해외 출장

하수도시설 견학을 통한 일본의 재난재해 대응과 관련된 기자재 및 설계 사례 확인과 현지 설계사(Nissuicon) 미팅을 통한 재난관련 일본의 상･하수도 관망/관로 설계기준 및 설계기법 자문을 위해 해외 출장을 실시하였다.

2.3.1 요코하마 하수도 박람회(下水道展'19横浜, Sewage Works Exhibition 2019) 참관
346개사가 1,098부스 규모로 지반 액상화에 의한 맨홀부상 피해방지 제품 등 재난을 대비한 다양한 하수도 기자재를 전시하였다.
지진시 액상화에 대응한 맨홀부상방지 기술은 동일본 지진시 광범위한 액상화로 노면 및 관침하, 맨홀 돌출현상 등 하수관로와 맨홀에서 많은 피해가 발생했다고 한다. 그에 대한 대책으로 맨홀부상 방지대책을 적용하고 있으며, 대표적으로 와이드 세이프 파이프 공법, 앵커윙 공법, 맨홀 플랜지 공법 등이 있다. 와이드 세이프 파이프 공법은 지진시 발생하는 맨홀 주변의 간극수를 맨홀에 설치한 집수관을 통해 맨홀 내부로 배수하는 공법으로 과도한 수압을 분산시켜 맨홀 부상을 방지하는 공법이다. 앵커윙 공법은 지반의 정착층에 앵커를 타설하여 맨홀 부상을 물리적으로 방지하는 공법으로 정착층에 타설 앵커부, 맨홀 및 부재 고정 브래킷, 결합로프로 구성되어 있다. 맨홀 플랜지 공법은 맨홀 외부에 블록형태의 부재를 설치하고 내부에 중량물체를 충진하여 하중을 재하하여 부상 방지를 도모하는 공법으로, 부상방지 플랜지, 중량체로 구성되어 있다. 3개 공법에 대해 일본하수도신기술기구에서 실증시험을 수행하였으며, 실험 결과 3개 공법 모두 맨홀 부상방지 대책으로 효과가 있음이 확인되었다고 한다.

 

Table 4. 맨홀 부상방지 기술

2.3.2 아리아케(有明) 물재생센터 견학
아리아케 물재생센터는 시설용량 30,000㎥/일로 도쿄도(東京道) 스나마치 처리구에서 발생된 하수를 A2O(혐기-무산소-호기법) 및 생물막여과법으로 처리하고 있다. 방류수는 재생수 활용 : 물재생센터 유지관리용수, 인근 부도심 화장실 용수, 유리카모메선(전철) 세정용수 등으로 활용하고 있다. 본 처리시설에서는 재난방지 기술로 맨홀과 관로 접합부에 고무로 제작된 신축이음을 설치하여 지진발생 시 유동성 확보 및 피해를 최소화하고 있다.

2.3.3 미카와시마(三河岛) 물재생센터 견학
미카와시마 물재생센터는 시설용량 665,000㎥/일로 도쿄도(東京道) 아리카와구, 타이토구, 분쿄구, 토시마구, 치요다구, 신주쿠구, 키타구에서 발생된 하수를 처리하고 있다. 본 처리시설에서는 재난방지 기술로 부상방지맨홀을 설치하여 지반 액상화에 따른 맨홀부상을 방지하고 있으며, 재난발생에 따른 하수관로 유실시 최소한의 처리로 도시기능 유지를 위해 처리장내 별도 오수유입구를 설치하여 재난발생시 차량으로 오수를 이송 및 처리가 가능하도록 계획되어 있다.

2.3.4 설계사 Nissuicon 미팅
Nissuicon은 1959년 5월 25일에 설립된 회사로 기술인력 743명을 보유한 상하수도 분야 일본 최대의 설계사이다.
설계사 미팅을 통해 재난 대비 일본의 상하수도 설계기준 및 기법을 소개 받았으며, 재난 관련 일본의 상하수도 설계자료를 입수할 수 있었다. 일본의 경우 상수도와 하수도 분야 각각 내진설계 기준이 정립되어 있으며, Nissuicon에서 ｢내진설계 예｣라는 지침을 발간하여 다양한 설계사례를 소개하여 설계자가 대응할 수 있도록 하고 있다. 과거에는 지진발생시 무피해를 목표로 설계를 수행하였으나, 현재에는 경제성을 고려하여 Lv1 : 구조물 파괴가 되지 않는 수준 또는 Lv2 : 구조물 파괴가 되더라도 기능은 유지할 수 있는 수준으로 발주처의 의지에 따라 설계를 수행하고 있다. 내진설계와 관련해서는 일본에서 사용되는 내진 관련 설계식을 그대로 이용하기 보다는 한국 실정에 맞게 물성치와 변수값을 고려하여 수정하는 것이 필요하므로 상하수도 시설의 내진설계를 위한 보다 세부적인 지침 마련이 필요한 것으로 판단된다.
재난을 대비한 설계 소프트웨어는 보유하고 있지 않으나, 지진시 지자체 서버 등 유지관리시설 파괴에 대비한 클라우드 기반의 관로 관리 시스템인 BlitzGIS를 보유하고 있다. 약 2,000km의 관로시설 관리에 적용되고 있으며, 모바일 기반의 정보열람 기능, 실시간 메모 전송 기능, 누수 또는 파손 발생관로에 대한 정보 검색기능, 사진 및 동영상 공유를 통한 실시간 감시 기능, 관로 내 수위 관리기능, 강우에 따른 경계 체제 통지 기능 등을 탑재하고 있다. 동일본 지진시 지자체 데이터센터 파손시에도 클라우드 기반의 데이터 제공으로 관로 정보를 정상적으로 제공할 수 있었으며, 피해현황 집계, 기능유지 관망의 파악, 긴급 복구 등에 활용되어 효율적인 재난 대응을 지원할 수 있었다고 한다.

Fig. 4. Smart Water Network

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3. 결론

최근 지진과 집중호우 등 각종 재난이 빈번하게 발생함에 따라 상･하수도 관로를 포함한 환경시설의 운영관리를 위한 재난대비 기술 수요가 발생하고 있으며, 이는 재난의 대형 및 복합화, 지구환경의 변화에 따른 신종재난 발생 등 재난 환경의 변화에 따라 첨단기술을 접목한 새로운 재난대비 기술의 필요성이 증가하고 있기 때문이다. 하지만, 2016년 현재 국내의 재난안전관련 기술수준은 선진국 대비 73.0%로 평균 6.4년의 격차를 보이고 있다.

특히 국내 상･하수도 분야 설계 수준은 지진 및 침수 등 재난에 대한 수치화된 설계 지침이 수립되어 있지 않으며, 매뉴얼의 부재로 인해 설계자의 판단하에 설계가 진행되고 있는 실정이다. 이러한 상황에서 상･하수도 관망/관로 재난 대비 설계의 목적인 급수기능 확보와 환경오염 및 수인성 전염병 발생 등 2차 재해 최소화 등 기능유지 관점의 설계 수행을 위해서는 재난 방지 관련 설계기술 및 가이드라인 마련이 반드시 필요한 것으로 판단된다.
일본의 경우는 상하수도 시설 내진설계에 대한 구체적인 설계기준이 마련되어 있으며, Nissuicon 등 민간회사에서 설계사례집을 발간하는 등 명확한 재난대비 설계 가이드라인이 확보되어 있다. 미국의 경우에도 NIBS(National Institute of Building Sciences)에서 민간기업인 G&E Engineering Systems Inc.와 계약을 체결하여 FEMA와 공동으로 상수관로의 내진설계 가이드라인 개발을 진행하였으며, 이를 통해 ｢Seismic Guidelines for Water Pipelines(2005, FEMA, NIBS)｣를 발간하는 등 민관협력이 활발하게 이루어지고 있다.

따라서, 재난시 기능유지 관점의 설계지침 및 기술개발, 시설의 취약지점 도출 및 위험도 평가 방법 등 구체적인 설계지침 마련이 시급한 실정이다.
설계 및 유지관리를 위한 소프트웨어 측면에서도 현재 국내의 상･하수도 관망/관로의 설계 소프트웨어는 기본적인 관망해석 및 관로설계가 가능한 수준이지만, 재난을 대비한 설계 소프트웨어의 개발은 전무한 상황이다. 따라서, 국내에서 발생가능한 재난 시나리오별 상하수도 시설의 취약점 분석과 대응방안별 효과 분석을 지원하는 재난 설계 소프트웨어 개발이 필요하며, 관련 연구개발에 정책적 지원이 필요한 것으로 판단된다.

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Reference

1. 송옥주 의원실(2017), “국민 30%, 내진(耐震) 안된 상수도에서 급수”
2. 국민안전처(2015), “2단계(2016~2020) 기존 공공시설물 내진보강 기본계획”
3. 환경부(2019), “상수도 설계기준”
4. 환경부(2019), “하수도 설계기준”
5. 환경부(2018), “수도정비 기본계획 수립지침”
6. 서울물연구원(2018), “국내외 상수도 시스템의 지진피해 예방 및 복구 대책”
7. 국립재난안전연구원(2016), “재난안전 분야 과학기술 수준 조사 연구”