상수도관망 내 탁수 확산 모델 개발 및 사고 대응을 위한 제수밸브 위치 선정 = Development of Discolouration Spread Model in the Water Distribution Systems and Selecting Location of Water Control Valve for Accident Response

국문 초록 (Abstract)

상수도관망 내에서 탁수사고가 발생할 경우 수도사업자는 국민의 피해를 최소화하기 위해 신속히 출동하여 제수밸브를 차단할 필요가 있다. 그러나 현실적으로 사고 발생 이후 시간이 경과함에 따라 탁수가 확산된 범위를 정확하게 파악할 수 없으므로 차단해야 하는 제수밸브를 정확히 선정하기에는 한계가 존재한다.
따라서, 본 연구에서는 상수도관망 내에서 탁수사고가 발생할 경우, 탁수가 확산되는 경향을 정량적으로 모의하기 위해 탁수 확산 기초 모델을 개발하였다. 또한, 탁수사고 발생 시 탁수 피해 범위를 최소화하기 위한 차단 필요 제수밸브를 선정하는 방법론을 개발하였다.
과거에 수행한 플러싱 자료를 바탕으로 평상시와 플러싱 시 관로 내 유속 및 유량의 변동에 의해 발생하는 수리전단력 차에 의한 탈리속도(erosion rate)를 추정하는 탁질물질 탈리 모델을 개발하였다. 탈리속도와 수리전단력 차의 관계를 도출한 결과, 수리전단력 차가 5.0 N/m2 이하인 경우와 5.0 N/m2 초과인 경우 모델의 상관계수가 각각 0.74, 0.60으로 도출되는 것으로 나타나 독립변수가 종속변수를 잘 설명하는 모델이 개발되었음을 확인하였다. 해당 모델을 활용하여 사고시 각 관로에서 수리전단력 차에 의해 발생할 수 있는 탁수의 농도를 정량화할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 축적기간에 따른 관로 표면적당 실제 물질축적량을 추정하는 탁질물질 축적 모델을 개발하였으며, 물질축적량은 평상시 평균 유속에 의해 차이가 날 것으로 판단하여 저유속관로, 중간유속관로, 자가세척유속관로의 세 그룹으로 구분하여 모델을 개발하였다. 저유속관로, 중간유속관로, 자가세척유속관로에서의 축적 모델의 상관계수는 각각 0.80, 0.83, 0.51로 도출되었다. 저유속관로 및 중간유속관로에서는 독립변수와 종속변수의 관계를 매우 잘 설명하는 모델이 개발되었으나, 자가세척유속관로에서는 데이터 표본 수가 적으며, 데이터의 분포가 일관성을 띠지 않아 타 유속의 관로보다 상대적으로 상관계수가 작게 나타난 것으로 판단된다. 해당 모델을 활용하면 관로별 물질의 축적량을 산정하여 관로의 유지관리 측면에서 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 개발된 모델을 적용하여 실제 상수도관망에서 탁수 확산을 모의하고 검증하기 위해 탁수가 발생할 수 있는 시나리오를 선정하였다. 시나리오는 크게 4가지로 시나리오 1(배수지에서 고농도 탁수 유출), 시나리오 2(배수지에서 저농도 탁수 유출), 시나리오 3(비상연계관로 사용), 시나리오 4(소화전 사용)로 구성하였다.
시나리오 1과 2의 경우에는 탁수가 주요분기점에 도달하는 시간이 사고 발생 시각에 따라 1시간 45분에서 4시간 10분까지 차이가 날 수 있는 것으로 파악되어 시간대별 물사용량에 따라 탁수 확산속도가 달라짐을 확인하였으며, 사고발생시각 및 경과시간에 따라 차단해야 하는 제수밸브의 위치가 다름을 확인하였다.
시나리오 3과 4의 경우 개발된 탁질물질 축적 모델을 활용하여 각 관로 내 축적물질의 양을 추정하였으며, 탈리 모델을 활용하여 각 관로에서 사고시의 수리학적 변동에 의해 발생한 탁수의 농도를 정량적으로 파악할 수 있음을 확인하였다.
그 다음으로, 상수도관망 내 탁수발생 시 탁수 피해 범위를 최소화하기 위한 차단 필요 밸브 선정 방법론을 개발하였으며, 해당 방법론을 연구대상지역에 적용해본 결과 사고발생시각과 경과시간에 따른 탁수확산 모의 결과를 바탕으로 확산범위에 따른 차폐구역을 설정함으로써, 차단해야 할 밸브를 정확히 선정할 수 있음을 검증하였다.
본 연구에서 상수도관망 내 탁수 확산 모델과 차단 필요 밸브 선정 방법론을 활용하면 수도사업자가 실제 발생 가능한 여러 유형의 사고를 사전에 모의하여 대응 방안을 마련할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 최근에 관로 내 수질사고가 증가하는 추세를 보임에 따라 수질 조기 감시 체계(Contamination Warning System, CWS)와 연계가 가능할 것으로 판단되며, 실시간 운영자료와의 연계를 통해 더 정확한 차폐구역을 설정할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the event of a discolouration accident within the water distribution network, the water service provider needs to quickly respond and shut off control valves in order to minimize damage to the public. However, in reality, as time passes since the accident, it is not possible to accurately determine the range which the discoloured water has spread, so there is a limit to selecting a control valves to be closure.
Therefore, in this study, A basic model is developed which can quantitatively simulate the diffusion of discoloured water in the distribution network, and simulated the spread of discoloured water in the water distribution network by accident scenario using the developed model and pipe network analysis program. In addition, a methodology was proposed to select control valves to be closure to minimize the range of damage based on the simulation results of discoloured water spread by first identifying the location of the control valves in research area.
Based on past flushing data, material erosion model is developed that estimates the erosion rate due to the hydraulic shear force difference generated by the fluctuation of the flow rate and velocity in the pipeline during normal times and during flushing. The Correlation coefficient of model which hydraulic shear force is less than or equal 5.0 N/m2 is 0.74 and the correlation coefficient of model which hydraulic shear force is upper than 5.0 N/m2 is 0.60. Therefore models are confirmed that dependent variable can explain independent variable well.
In addition, a material accumulation model was developed to estimate the actual material accumulation per pipe inner surface area according to the accumulation period, and it was determined that the material accumulation amount would differ depending on the average flow velocity in normal situation. The model was developed by dividing it into three groups. The correlation coefficients of the accumulation models in the low-velocity pipe, medium-velocity pipe, and self-cleaning flow pipe were derived as 0.80, 0.83, and 0.51, respectively. In the low-velocity and medium-velocity pipelines, a model that explains the relationship between independent and dependent variables very well has been developed. It is considered that the correlation coefficient is small. If the model is used, it is judged that it can be used in the maintenance of pipelines by calculating the amount of material accumulated in each pipeline.
In this study, scenarios in which discolouration can occur were selected to simulate and verify the diffusion of discoloured water in an actual water distribution system by applying the developed model. Scenarios are divided into four major scenarios: Scenario 1 (high-concentration discoloured water outflow from the reservoir), Scenario 2 (low-concentration discoloured water outflow from the reservoir), Scenario 3 (using an emergency connection pipe), and Scenario 4 (use of a fire hydrant).
In the case of Scenarios 1 and 2, it was found that the time for discoloured water to reach the intersections can vary from 1 hour 45 minutes to 4 hours 10 minutes depending on the time of the accident. It was confirmed that the location of the control valve to be closure is different depending on the time of the accident and the elapsed time.
For Scenarios 3 and 4, we estimate the amount of accumulated material in each pipeline using the developed material accumulation model, and we confirm that each pipeline can quantitatively identify the concentration of table water caused by the mathematical variation at the time of the accident.
Next, we developed a method for selecting a shutoff control valve to minimize the damage range of discoloured water when discolouration occurs in the water supply network. As a result of applying the method to the research target area, based on the results of simulation of discoloured water spread according to the accident time and elapsed time, It was verified that the valve to be shut off can be accurately calculated by setting the segment according to the spread range.
In this study, it is judged that if the discoloured water spread model in the water distribution system and the method for selecting valves requiring shutoff are used, water service providers will be able to prepare countermeasures by simulating various types of accidents that may actually occur in advance. As the number of water quality accidents is increasing, it is judged that it is possible to link with the Contamination Warning System (CWS), and it is judged that more accurate segments can be set by linking with real-time operation data.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 필요성 및 목적 1
• 제2절 연구 내용 3
• 제2장 이론적 고찰 6
• 제1절 상수도관망에서의 탁질물질 발생 매커니즘 6
• 1. 상수도관망에서의 탁질물질 발생 6
• 2. 상수도관망에서의 탁수발생 연구사례 15
• 제2절 상수도관망 내 탁수 확산 모의 20
• 1. 관망해석의 기초방정식 20
• 2. EPANET을 활용한 관망 수리해석 기법 24
• 3. EPANET을 활용한 관망 수질해석 기법 31
• 4. 엔트로피 기법(Entropy method) 33
• 제3절 상수도관망 내 탁수 확산 방지 36
• 1. 그래프 이론(Graph theory) 36
• 2. 최소고립구역 37
• 제3장 연구방법 및 내용 39
• 제1절 연구대상지역 선정 39
• 1. 연구대상지역 현황 및 특성 39
• 2. 연구대상지역 관망도 구축 42
• 제2절 상수도관망 내 탁수 확산 기초 모델 개발 43
• 1. 탁질물질 탈리 모델 개발 43
• 2. 탁질물질 축적 모델 개발 50
• 제3절 상수도관망 내 탁수 확산 모의 53
• 1. 정상상황 시나리오 53
• 2. 비정상상황 시나리오 57
• 3. 유향민감도 분석 방법 62
• 4. 엔트로피 기법을 활용한 탁수발생 고위험 관로 선정 65
• 제4절 탁수 피해범위 최소화를 위한 차단 필요 제수밸브 선정 66
• 1. 사고 대응 시간 산정 방법 66
• 2. 탁수 피해범위 최소화를 위한 차폐구역의 설정 방법 68
• 제4장 연구결과 72
• 제1절 상수도관망 내 탁수 확산 모델 개발 결과 72
• 1. 탁질물질 탈리 모델 개발 결과 72
• 2. 탁질물질 축적 모델 개발 결과 83
• 제2절 상수도관망 내 탁수 확산 모의 결과 97
• 1. 정상상황 시나리오에서의 탁수 확산 모의 결과 97
• 2. 비정상상황 시나리오에서의 탁수 확산 모의 결과 115
• 제3절 탁수 피해범위 최소화를 위한 차단 필요 제수밸브 선정 147
• 1. 차폐구역의 설정 결과 147
• 2. 정상상황 시나리오에서의 차단 필요 제수밸브 선정 결과 148
• 3. 비정상상황 시나리오에서의 차단 필요 제수밸브 선정 결과 154
• 제5장 결론 162
• References 165
• <부록 A> - 차폐구역 및 차폐구역 포함 절점, 관로,
• 밸브 정보 173
• Abstract 193
• 감사의 글 197