▲ 박규홍 교수(중앙대학교 토목공학과)

우천 시 하수관거의 운영유지관리를 성공적으로 시행하기 위해서는 효과적인 계획 수립이 필요하다. 이는 의도한 목표달성을 위해 재작업(Rework)의 양을 최소화시키는데도 도움이 된다.

우기(雨期) 시 하수관거 운영유지관리 계획 수립에 중요한 항목으로는 첫째, 하수관거와 처리장 유량의 상호연관성을 고려해 비용 효과적인 대안 분석을 시행해야 한다는 것이며 둘째, 하수처리장 밖에서 일하는 작업자와 발주자, 주민의 연결을 돕는 요원을 기획단계에서부터 참여시켜야 한다. 셋째, 하수처리장과 지자체의 위험수준을 고려한 대안들 중 의사결정이 이루어지고 일단 작업이 완료되면 그 결정을 받아 들여야 한다는 것이다.

 

■ 기존 하수관거 실태조사 우기 시 운영 유지관리 계획을 수립하기 전에 검토해야 할 부문은 △기존 하수관거의 실태조사 △하수처리 구역 선정 △하수량 결정 △하수량의 용량과 한계 △하수관거 용량의 실태 파악 등이 있다. 이를 바탕으로 미래수요를 고려한 장래 하수계획을 수립할 수 있다.

첫 번째, 계획 수립 전 기존 하수관거의 실태조사를 통해 기존 하수관거의 정보를 활용하는 것은 시간과 돈을 절약시킬 뿐 아니라 운영관련자의 목표달성에 도움이 된다. 이는 시스템의 한계와 실태를 인지하지 못할 때 발생할 수 있는 위험을 감소시키기 때문에 사용되는 데이터의 수준을 평가해야 한다. 이러한 데이터를 수집, 분석하기 위해서는 몇 가지 유의할 점이 있다.

 

▲ 기존 하수관거 실태를 알아보기 위해서는 지형·지리 등 처리 구역의 현황과 하수관망의 위칟표고·관경·매설 년도·시공상의 특징 등 관망의 특성을 파악하고, 기본하수량·건기 시 침입수량·강우 유발 침입수량 등 기존의 하수량을 정량화하는 등 기존 하수관거의 실태조사를 해야 한다.

우선 데이터 수집과 분석 전에 성과평가 과정을 이해해야 한다. 연구자는 많은 데이터를 수집하고 분석하지만 연구결과의 일부만이 성과 평가에 필요하며, 필요 이상의 연구와 조사는 오히려 성과평가를 지연시킨다는 것을 상기해야 한다.

또 데이터 수집, QA/QC(품질보증/품질관리), 성과평가 예측을 용이하게 하는 정보 시스템을 구축해 사용해야 할 필요가 있다. 즉 검사자의 기억력, 수첩의 기록은 편리하지만 사용에 한계가 있으며, 잘못된 기억은 성과평가를 방해하는 결과를 초래하기도 한다.

그러나 이와 같은 시스템의 사용 및 데이터 베이스(DB)의 기록은 훈련받은 관리자만이 사용할 수 있다는 단점이 있고, 더욱이 데이터 분석자는 볼 수 있으나 QA/QC 검사자가 볼 수 없는 경우 잘못된 분석을 수행할 가능성이 있다.

마지막으로 기지의 상태에 적합한 분석기술을 사용해야 한다. 이는 평가 과정이 단순한 가정에서 유발되는 오류에 민감하지 않을 때에만 그 가정을 사용하라는 것이다. 예를 들어, 동수경사선이 관저와 평행하다는 가정은 우기 시 펌프장에서 역류 또는 하류부의 Surcharge(과부하) 발생을 검토할 경우 하수관거 용량을 과대 평가하게 되는 오류를 범하기 쉽다. 아울러 과거의 방법을 사용하는 것도 추세 분석을 용이하게 하거나 성과평가의 이해 및 완수에 도움이 되는 경우도 있다.

이러한 유의사항을 바탕으로 지형·지리 등 처리 구역의 현황과 하수관망의 위칟표고·관경·매설 년도·시공상의 특징 등 관망의 특성을 파악하고, 기본하수량·건기 시 침입수량·강우 유발 침입수량 등 기존의 하수량을 정량화 하는 등 기존 하수관거의 실태를 조사해야 한다. 이 때 성과목표 및 기존의 한계점, 하수량의 제약조건, 빈번한 막힘, 빈번한 민원 등을 인지하는 것이 중요하다.

 

■ 하수처리 구역 선정 하수처리 구역 선정은 단순히 기존 관거의 지리적 위치를 파악하는 것부터 처리 구역을 특정배수분구로 나누는 것까지를 의미한다. 처리 구역은 제공되는 서비스(분류식 우수관, 분류식 오수관, 합류식)의 형태, 매설 년도, 관거와 펌프장의 공간적·물리적 특성에 따라 분류하며, 앞서 언급한 특성을 사용해 상세 내역을 인지하는 것이 중요하다.

 

▲ 하수관거 운영유지관리의 미래 수요를 고려한 장기계획 수립은 처리구역의 변화(도시의 성장과 재개발), 시스템의 지속성(자산관리, I/I제어), 법적 요구조건의 변화를 반영해야 하며, 상기 세 목표는 상호 연관성과 지속성을 가져야 한다.

기존 관거 특성 파악을 위해 적용할 주요 원칙은 데이터 수집과 분석 전에 성과평가 과정을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어 여러 지자체에서 통합·적용되는 CSO(합류식 하수관거 월류수) 장기 제어계획을 수립할 경우 더욱 상세한 특성 파악이 필요하다.

특히 하수량 결정 단계에 있어 “공간적인 측면에서 어떻게 측정하는가?”, “어떤 조건에서 하수량이 결정하였는가?”, “하수량은 얼마나 정확한가?” 등의 질문이 발생한다.

우기 시 분석을 위해 공간적인 이사 분포는 모든 하수 흐름에 대해 설명할 수 있을 정도로 충분해야 한다. 다시 말해, 미확인 방류수를 포함한 월류수량을 포함하는 하수 정량화 기술을 상시 사용할 필요가 있다는 것이다.

미확인 방류수는 방류 수역에 잠겨서 눈에 띄지 않는 상태로 방류되는 것과 합류식 지역 물받이로의 역류, 호우 시 지하시설 보호를 위해 맨홀로부터 양수되는 방류수 등을 포함한다.

 

■ 하수 정량화 조건 우기 시 분석에서 하수 정량화 조건은 반드시 첨두우기조건을 포함해야 한다. 대부분의 하수도 체계에서 우기 시 역류와 Surcharge가 발생하며, 하수정량화 기술이 역류와 Surcharge가 없는 정상유량 조건의 가정에 기초하고 있어 분석이 복잡하다. 더구나 우기 시 조건에서 하수관거의 성과는 짧은 강우지속시간 동안의 첨두유량을 파악할 필요가 있다.

또한 정상적인 하수 흐름 조건에서 도달할 수 있는 정확도를 우기 시에도 기대할 수는 없다. 특히 하수정량화 방법론의 보정과 검증할 때의 조건을 첨두유량 조건과 일치시키기 어렵기 때문이다.

기존 시스템에서 하수량 결정을 위해 선호하는 것이 유량 모니터링이다. 유량 모니터링은 기존 조건의 특성 파악을 위한 원리를 검토, 문헌 고찰과 함께 앞서 언급한 매번 다른 우기 시 조건에 따라 유량을 모니터링할 수 있는 원리를 이해하는 것이 중요하다.

그러나 우기 첨두유량 조건에서의 유량 모니터링은 필연적으로 불완전하고 부정확하다. 이는 우기 시 첨두유량 모니터링의 한계로 가정에서 기초한 계산(종종 모델에서 나타남)량이기 때문이다.

따라서 이를 극복하기 위해서는 계산과정의 각 가정을 확인·평가해 문서화하는 것이 필요하며, 앞으로의 정량화를 위해 적절히 사용할 수 있도록 정리해 두어야 한다. 아울러 원래의 하수정량화 과정의 한계를 명확히 제시하고 적절하게 정성적인 결론을 도출해야 할 것이다.

하수량 결정에 있어 반드시 고려할 점은 ‘하수량은 무한히 다양한 조건 중 단 한 경우의 추정 값일 뿐’이라는 것이다. 강우와 침수 확률의 통계는 하수유량의 다양성을 설명하는 매우 유용한 도구이나 첨두유량을 정의하기보다는 하수정량화를 통해 “얼마의 재현확률을 갖는 첨두하수량”임을 제시하는 것이 더 바람직하다.

수문학 이론에 의하면 첨두유량의 확률은 이와 관련한 강우강도의 확률과 거의 같지 않다. 다양한 첨두하수량 조건(빈도와 지속시간의 변화에 따라 많은 첨두조건이 존재함)에서 하수관거의 성과를 평가하는 것이 점점 표준화된 방법으로 되어 가고 있다.

또한 하수관거의 용량과 한계를 인지하여야 한다. 하수관거의 용량은 관경과 경사도에 의해 결정된다. 하수관거 용량은 하수관이 만관(滿管) 미만의 수심으로 흐를 때와 수리적으로 정상적인 상태의 하수 흐름을 가정해서 설계되며, 평상시 하수 표면의 상태는 하수관거와 평행하다고 가정한다.

만약 하류부의 오수관거가 과부화된 경우에는 상류부의 하수관거 어디에선가 Surcharge되어 하수가 흘러나오고 있는 것이다. 상류부 하수관거의 하수유출지점 수위는 하류부 하수관거의 Surcharge 수위까지 상승한다.

[그림 1] 건기시 하수관거의 상태

[그림 2] 우기시 하수관거의 상태

하수관거 용량의 실태를 파악해야 한다. 이 때 시설의 훼손이나 월류없이 하수관거에 이송될 수 있는 허용 가능한 관거 시스템의 Surcharge 용량을 포함해야 한다. 허용 가능한 관거 시스템의 Surcharge 용량 계산법은 단순 시스템에서는 하류부 유출지점 수위로부터 계산을 시작해 동수경사를 사용하여 계산하는 Manning 공식에 의한 수동계산도 무방하며, 대규모 시스템은 컴퓨터 모델을 사용한 것이 바람직하다.

하수관거 용량현황 파악은 기존의 하수량을 파악해야 하며, 월류가 발생할 경우 용량이 적절하지 못하다고 가정할 수 있다. 또한 최근 모니터링을 통해 구한 첨두유량을 모니터링 지점에 가장 가까운 구성요소의 용량과 비교해 용량현황을 비교할 수 있다.

모니터링 시 추가적으로 확보해야 할 기록은 하수종말처리장의 유량기록, 펌프장 운전기록, 하수관거 시스템의 유량 모니터링, 월류에 관한 기록, 배수설비 역류에 관한 민원기록 등이다.

 

■ 장래 하수량 산정 하수관거 운영유지관리의 미래 수요를 고려한 장기계획 수립은 처리구역의 변화(도시의 성장과 재개발), 시스템의 지속성(자산관리, I/I제어), 법적 요구조건의 변화를 반영해야 하며, 상기 세 목표는 상호 연관성과 지속성을 가져야 한다.

이에 따라 장래 하수량을 추정해 성과목표를 설정하고, 대안을 제시·평가한 후 가장 적합한 대안을 선정해야 한다. 선정된 대안은 일정대로 실행될 수 있도록 실행계획을 수립해 재원 조달과 계획실행을 위한 업무위임 방안을 제시하여야 한다.

이중 장래 하수량을 계산하는 방법 중에 기초가 되는 것이 RDII(강우유발 침입수와 유입수) 추정을 통한 하수량 계산법이 있다. 이는 1인당 원단위를 적용해 관경 1㎜당, 연장 1m당 RDII값을 사용한다. RDII는 맨홀의 수와 가장 상관이 높으며(Bennett et al., 1999), 기존 관거를 연구할 때 현장 특이성이 매우 크고 다양하다.

장래의 우기 시 하수량 예측은 빗물이 하수관거로 침입할 것인지 아닌지를 제어하는 수단의 효율성에 달려 있다. 장래의 RDII값을 사용하려 할 때 단순화를 위한 가정을 필연적으로 사용하게 되겠으나, 결국에는 부정확한 것으로 입증될 가능성이 매우 높다.

장래 우기 시 하수량을 계산할 때는 △하수관거로부터 빗물을 배제하는 우수배제시설의 효율 △오수관거로부터 빗물을 제외시키는 건축법 △건축법 시행의 효율 △오수관거로부터 빗물을 제외시키는 하수관거 시공지침 △하수관거 시공지침의 시행효율 △강우유발 I/I를 피하기 위한 개인하수도의 유지관리 △강우유발 I/I를 피하기 위한 공공하수도의 유지관리 등을 고려해야 한다.

 

■ 설계 강우 특정 지리적 위치에서 경제적인 우기제어계획에 적합한 단 하나의 설계 강우값은 없다. 특정한 첨두 강우강도의 강우는 하수관거 시설과 처리시설의 대안을 평가할 때는 적합할 수 있지만, 저류의 영향을 평가할 때는 잘못된 결과를 초래할 수 있으며, 다른 한편 특정한 강우량과 빈도를 갖는 강우는 우수저류의 분석을 위해서는 유용하지만 하수관거시설의 평가를 위해서는 부적절할 수 있다.

두 가지 중 어떤 강우가 내리든, 연간부하량, 방류횟수를 추정할 때 그리고 관거 내 저류시설이 연간 월류체적에 미치는 영향을 추정할 때에는 부정확한 결과를 얻게 된다. 설계강우가 공표되어 있는 경우는 미지의 용량부족 확률이 있는 시설이라 말할 수 있다. 설계강우 분포가 모든 지속시간과 빈도에 대한 첨두강우 강도와 일치하지 않으면, 주어진 빈도에 의한 설계강우로 설계한 관거시설은 다른 강우 빈도에 의해 구한 것보다 더 자주 용량부족 현상을 겪게 된다. 즉 재현기간 5년, 24시간 지속시간의 강우에 대해 설계되면 관거상류부는 재현기간 5년, 지속시간 1시간의 강우에 용량이 부족하다.

또한 설계강우로 설계한 저류시설은 동일빈도를 갖는 더 긴 지속시간의 강우 시 용량이 부족할 수 있고 특정강우에 대해 설계된 처리시설은 유사한 빈도의 강우라도 다른 지속시간과 분포가 다른 강우 시에 비슷한 용량부족의 위험을 안게 된다.

아울러 주어진 강우에 대해 적절하게 설계되어도, 하수도 시설의 요소 중 어느 하나가 용량부족이면, 다른 부분도 용량부족 현상 발생할 수 있다. 예를 들어 하수처리장이나 우수저류시설이 선행강우로 가득 채워져 역류가 발생하게 되면, 상류부의 관거시설에서도 surcharge로 인한 용량부족 현상이 일어난다.

한편, 연속강우해석방법 대비 설계강우해석방법은 대부분 연속강우해석법이 기술적으로 더 적합하지만, 시간이 많이 소요되어 종종 실현 불가능할 때가 있다는 결론을 얻게 된다. 설계강수해석법 사용 시는 강우사상의 독립성과 비독립성에 관한 가정을 검증하는 데에 필요한 시간이 더 크며, 일반적인 소규모 강우사상에 대한 우기 시 영향 분석 비용이 소요된다.

우기 시 강우의 빈도, 강우량, 부하량을 산정하기 위해 연속강우해석법을 사용할 것을 권장하며, 보조 하수관거의 필요성에 대한 상세한 검토를 위해 장기 강우기록을 이용해 선정된 강우를 이용하는 것이 좋은 방법이다. 최선의 방법은 여러 다른 시나리오에 대해 하수관거 시스템의 성과를 평가하고 단 하나의 강우에 대한 해석은 지양해야 한다.