2002년, ‘하수관거정비원년’ 선포

환경관리공단은 부실한 하수관거의 침입수/유입수 유입 등에 따른 하수처리장 처리효율 저하 등으로 하수관거정비 필요성이 대두됨에 따라 하수관거 정비사업 현황을 조사하게 됐다. 전국 하수관거정비 타당성 조사를 통해 하수관로 8.6m당 1개소가 불량인 것을 발견했으며, 150개 하수처리장 중 유입수질이 설계수질의 50%이하인 곳이 전체의 70% 에 달하는 것으로 조사됐다.

하수처리장 수질 목표달성을 위해서는 하수관거 정비가 우선적으로 필요하다. 환경관리공단은 2002년을 ‘하수관거정비원년’으로 선포하고 하수도정책의 최우선 과제로 하수관거 정비를 추진해왔다. 이를 위해 시행되고 있는 주요 정비사업에는 한강수계 하수관거 정비사업(2001∼2010년)이 있다.

2001년부터 2005년까지 실시된 1단계 정비에 6천120억 원이 투입, 총 874km가 정비됐으며, 2006년부터 2010년까지 실시되는 2단계 사업에는 5천280억 원이 투입, 714km가 정비될 예정이다. 이 사업은 수도권 상수원지역 9개 시·군을 대상으로 실시되고 있다.

또, 댐 상류 하수도시설 확충사업이 현재 실시 중이다. 이 사업에는 총 1조3천125억 원(하수처리장 532개소, 하수관거 398km)이 투입되며, 7개 다목적댐 상류 28개 시·군에서 사업이 진행 중에 있다.

주요 사업 중에 하나인 BTL 하수관거 정비사업도 올해 마무리가 지어질 예정이다. 사업비는 총 5조6천140억 원(하수관거 8천824km)이 투입됐으며, 77개 시·군에서 실시돼 오고 있다.

하수도·하수관거 보급 크게 증대

하수관거정비 재정사업은 1992년부터 예산을 지원해 연간 약 5천억 원 규모의 지원이 이어지고 있으며, 2007년까지 3조5천억 원 국고지원이 이뤄져 왔다. 2004년까지는 지방양여금으로 추진됐으나 2005년부터 국고보조로 전환돼 사업이 진행됐다.

하수관거 정비 사업예산은 향후 2020년까지 4만9천km 정비에 30조 원 이상이 소요될 것으로 예상된다. 이를 통해 하수관거 보급률은 2005년 68%에서 2020년 82∼83%로 증대될 것으로 예상된다.

이를 통해 하수도 보급률은 1992년 38.8%에서 2006년 85.5%로 46.7% 확대됐으며, 하수관거 보급률은 1992년 62.6%에서 2006년 71.2%로 8.6% 확대되는 사업성과를 가져오게 됐다. 이를 통해 관거정비사업 추진으로 한강수계 각 지천의 수질이 획기적으로 개선되는 계기가 마련됐다.

그렇다면 하수관거 유지관리가 왜 필요한 걸까? 하수관거 유지 관리는 하수 이송기능 유지에 매우 큰 영향을 준다. 하수슬러지, 토사 퇴적에 따른 통수능 감소를 방지하며, FOG(Fats, Oils, Grease) 등의 관내벽 협착에 따른 통수단면 감소를 막아준다. 아울러 압송펌프장 등 기계설비 가동효율 저하 방지에도 큰 효율을 가져다준다.

 

하수관거 유지관리 전담조직 필요

하수관거 유지관리는 하수처리장 운영효율 향상에도 매우 큰 도움을 준다. 이를 통해 부실 하수관거 내 침입수/유입수 유입으로 인한 처리장 유입수질 저하에 따른 하수처리장 운영효율 감소를 막을 수 있다. 또 시설물의 적정 내구연한을 유지시켜 준다.

막대한 예산이 투자된 하수관거 시설에 대해 연 1∼2회 청소 및 준설만 실시하는 자산관리로는 내구연한이 감소돼 관거 자산 가치가 저하된다. 생애주기비용(Life Cycle Cost)을 고려한 자산관리시스템 도입으로 하수관거의 효율을 높여 준다. 아울러 하수관거 투자에 대한 성과 증대와 체계적이고 과학적 기준에 의한 유지관리 추진이 가능하도록 하수관거 유지관리업무 정착이 필요하다.

이를 통해 유지관리 대상 관거 선별 기준 확립 및 관거 정비 이력자료를 축적할 수 있으며, 사후대응형 유지관리와 사전예방형 유지관리를 병행함에 따라 투입비용 대비 관거정비 효과를 극대화시킬 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 과학적이고 전문성이 강화된 지속적인 하수관거 유지관리 수행 및 전담 관리조직이 필요하다.

 

새크라맨토시, 자산관리효과 높여

하수관거 유지관리에 대한 외국 사례를 몇 가지 소개하고자 한다. 미국의 새크라멘토시의 하수관거 자산 관리의 경우 자산관리시스템을 통한 예방관리를 실시해 최소비용으로 최대효과 창출토록 하고 있다. 이를 통해 시설물에 대한 생애주기비용(Life Cycle Cost) 감소효과로 예산 절감해오고 있다. 자산관리기법에 의한 유지관리 효과를 보고 있는 경우이다.

 

▲ 새크라멘토시 하수관거 자산관리기법

네덜란드는 하수관거 유지관리에 GIS를 적용시키고 있다. 1년 1회 항공측량 실시하고 있으며, 10년마다 준설 및 보수를 실시하고 있으며, 2중 저류시스템 도입을 통해 CSOs에 의한 오염물질 방류횟수를 줄여나가고 있다. 또 우천 시에는 CSOs 중 10%만 방류토록 하고 있다.

호주의 뉴사우스웨일즈주는 하수관거 내 허용치 이상의 과잉 침입수/유입수는 관거정비를 통해 제거토록 하고 있으며, 이때 비용-효과분석과정을 통해 최적의 관거 보수 규모를 결정짓고 있다.

뉴사우스웨일즈주는 최적의 관거 보수 규모를 유지하고 있는데 이는 침입수/유입수로 인한 추가운반 및 처리비용과 이를 저감하는데 소요되는 관거 보수 비용의 합이 최소가 되는 규모가 되도록 하고 있는 제도다.

 

신시내티, 미개선 시 국고 중단

미국의 신시내티시의 침입수/유입수 관리도 눈여겨볼 필요가 있다. 이곳은 하수관거사업의 국고지원을 판단하기 위해 각 지자체의 관거정비 사업계획서(특히 I/I분석보고서)와 하수관거정비 사업후의 사업효과 검증보고서를 비교·검토 해 개선여부 판단해오고 있다.

개선이 안 될 경우 원인 분석 및 조치완료까지 국고보조금 지급을 중단토록 하는 등 매우 강력한 유지관리체계를 구축해나가고 있다. 그렇다면 유럽의 하수관거 유지관리는 어떠할까?

프랑스는 하수관거 모니터링시스템 구축으로 실시간 제어시설 운영하고 있으며, 덴마크는 통합적 유역 모델링 시스템(하수관처리장 모형제어 등)을 개발해 나가고 있다. 이탈리아는 베니스 연안의 수질개선을 위해 하수관거에서 하수처리장에 이르는 통합적 하수도 관리시스템 구축해놓고 있다.

 

한강하수관망 계측시스템 추진

한강수계 하수관망 계측시스템관리사업은 공단에서 시행한 한강수계 하수관거 정비 시범사업(1단계)이 준공됨에 따라 당해 유역의 하수관거 모니터링시스템을 통합 효율적으로 유지관리하고 관거정비사업 추진효과 제고 및 공공하수도 운영효율을 개선키 위해 수행되고 있다.

사업은 2007년 12월에 1단계 시설물 준공에 따른 용인시 등 5개 시·군에서 유지관리 위수탁 요청이 진행됐으며, 2008년 3월에서 3월까지 하수관망 계측시스템 위수탁 협약을 위한 경기도와 업무협의가 이뤄졌다.

이후 경기도 및 9개 시·군 한강수계 하수관망 계측시스템 협약 요청이 들어오게 됐고, 지난 6월 3일에 경기도 및 9개 시·군과 공단 간 협약 체결이 이뤄졌다. 아울러 지난 7월 20일 시·군 별 시설물 인계인수 및 모니터링 PC(서버) 이전 등 모니터링 상황실 구축이 진행됐다.

이번에는 하수관망계측시스템 현황에 대해 설명하겠다. 하수관망계측시스템은 유량계가 설치된 하수처리구역에 대한 하수량 및 강우량 등의 정보를 감시 분석해 하수관거내 침입수/유입수를 정량적으로 분석해 관거 이상유무 판단하는 기능을 수행한다. 이를 통해 하수관거 정비를 위한 정보 확보 및 관거정비 효과 분석이 이뤄지며 하수처리장 운영 및 설계를 위한 기초자료 확보가 가능해진다.

하수관망 계측시스템은 한강수계 하수관거 정비사업 시 구리시 등 9개 사업에 18개소(시스템) 설치됐으며, 댐상류 하수관거 정비사업 시 합천댐 등 9개 사업에 14개소(시스템) 설치될 예정이다. 아울러 BTL 관거정비사업(공단공사관리)를 통해 청주 등 35개 사업에 35개의 시스템이 설치될 예정이다.

 

▲ 하수관망 계측시스템 개요도

침입·유입수, 하수처리 ‘악화’

침입수(Infiltration)는 관거불량, 지하수위 상승, 상수관의 누수 등에 의해 하수관망으로 유입되는 오수 이외의 물을 의미한다. 유입수(Inflow)는 우천 시 오수관에서 발생하는 유량 증가분으로 지속유입수(Steady Inflow), 직접유입수(Direct Inflow), 총유입수(Total Inflow)로 구분된다.

I(침입수)/I(유입수)는 관거 내 유량을 증가시키는 관거 통수능 문제 및 희석에 의한 유입하수 농도 저하로 인해 하수처리장의 처리효율을 악화시키는 문제를 발생시킨다. 침입수(Infiltration) 발생 원인으로는 배수설비 연결관의 접합 불량과 오수관거의 파손 및 균열, 그리고 오수관거 이음부 이완 및 어긋남 및 맨홀 접합부 불량 등을 들 수 있다. 그 외 지속적 유입수(Steady Inflow)도 원인에 포함시킬 수 있다.

유입수(Inflow) 발생 원인으로는 맨홀 및 배수설비 등의 불량, 우수관거의 오수관에의 오접, 맨홀 뚜껑 파손 및 불량, 맨홀 슬래브 및 벽면 시공 불량, 배수설비의 배수관 접합 불량, 오수받이 파손 및 균열로 인한 빗물 유입 등을 들 수 있다.

 

▲ 하수관망 계측시스템 하수관거 유지관리

다양한 평가법으로 I/I량 분석

침입수/유입수 분석방법에는 물 사용량 평가법(Water Use Evaluation)이 사용된다. 이는 I/I량 = 건기평균유량(㎥/일) - 오수발생량(㎥/일)으로 측정되며, 건기평균유량(㎥/일)은 유량측정을 통한 실측 데이터로 오수발생량(㎥/일)은 물사용량×오수전환율로 계산이 이뤄진다.
물 사용량을 이용해 하수량을 산정하고 실유량 측정값과의 차이를 침입수/유입수로 산정하는 방법이기에 정확한 물사용량 자료 확보 및 분석에 많은 시간과 노력이 따른다.

또 하나의 측정 방법이 일 최대-최소 유량평가 방법(Maximum-Minimum Daily Flow Evaluation)이다. 이는 I/I량 = 건기평균최저유량(㎥/일) - 산업폐수량(㎥/일)로 측정되며 일 침입수량 및 일 평균 산업폐수량은 일정하고 건기 시 일유량의 증가는 가정에서 발생하는 생활하수량에 기인해 계산된다. 이는 야간생활하수 발생량에 대한 고려가 없어 침입수 산정시 실제값 보다 크게 발생되는 경우 발생되기도 한다.
일 최대 유량평가 방법(Maximum Daily Flow Evaluation)은 I/I량 = minQ_max - minQ_min(㎥/일)을 통해 측정이 이뤄진다. minQ_max는 일 최소유량값 중 최대값(㎥/일)이며 minQ_min는 일 최소유량값 중 최소값(㎥/일)을 나타낸다.
일 최소유량 발생 시점에선 생활하수 발생량과 산업폐수 발생량이 없다. 이 평가방법에서는 강우사상이 발생하지 않는 전제조건에서 발생된 일 최소 유량을 모두 침입수량으로 산정하고 장기측정에 의한 지하수위 영향을 평가하는 방법으로서 단기 측정자료를 이용할 경우 타방법과 편차가 크게 발생할 수 있다.

야간생활하수평가 방법(Nighttime Domestic Flow Evaluation)은 I/I량 = 건기평균최저유량(/일) - 산업폐수량(/일) - 야간생활하수(/일)로 측정된다. 일최대-최소 유량평가법과 동일한 원리를 이용하여 침입수량을 산정하며, 야간활동인구에 의한 유량(Nighttime Domestic Flow : NDF)을 고려한 것이 특징이다.
이 평가방법은 명확한 공장폐수량 확보와 더불어 야간 생활하수 발생량에 대한 실측 및 통계적 근거 보완을 통해 국내 실정에 맞는 결과를 도출할 수 있다. 타 방법론에 비해 보다 명확(간단)하고 논리적인 산정 방법론으로 평가할 수 있다.

 

▲ 침입수 발생 원인

▲ 유입수 발생 원인

침입수 야간 생활하수평가법 산정

국내에 본격적으로 분류식 하수관거 정비사업이 수행되기 시작하면서 미국, 유럽 및 일본 등 선진국에서 사용되던 침입수 및 유입수 평가방법이 도입됐다. 당시 평가방법이 다양하고 I/I 산정 값의 활용도에 따라 선택의 폭이 다양해짐에 따라 국내 실정에 맞는 최적의 하수관거 I/I 산정방법 및 활용방안을 개발하고자 했다.

유효데이터 판정 및 획득은 침입수/유입수 분석용 Raw Data(시계열 유량-강우량 자료)를 활용했으며, 침입수/유입수 산정을 위한 Raw Data의 구분(청천일/우천일 구분)으로 유효성 판단 및 유효자료를 최종 획득했다.

침입수 산정방법에는 기준(Main) 침입수 산정방식의 야간생활하수평가법을 따랐다. 이를 통해 유효 청천일 유량자료를 통한 일단위 최소발생하수량(평균값) 파악하고 침입수 산정기간 단위별 최소발생하수량의 통계치(평균값) 확보했다. 또, 침입수 산정기간 단위별 침입수 산정 속성인자(통계 평균값) 획득 검증하고 침입수 발생량(㎥/day)을 산정했다.

 

▲ 유량-강우량 시계열의 원시데이타의 청천일/우천일 구분

유입 자료로 기저하수발생 산정
보조(Sub) 침입수 산정방식으로 물사용량평가법을 활용했다. 이를 통해 유효 청천일 유량자료를 통한 일단위 최소발생하수량(평균값)을 파악했으며 침입수 산정 기간 단위별 일평균 하수발생량(통계치)을 계산해냈다.

아울러 침입수 산정기간 단위별 침입수 산정 속성인자(통계 평균값) 획득 검증 및 예상발생하수량과 침입수 발생량(㎥/day)을 산정키도 했다.

유입수는 강우에 의해 오수관에서 발생하는 유량증가분을 계산하는 것으로, 우천 시 증가한 유량 측정분에서 청천 시 기저하수발생량 측정분을 제함으로서 강우에 의하여 유발된 유입수량을 산정하는 방식을 취하고 있다. 즉, 유입수(Inflow) = 우천시 측정유량 - 청천시 기저유량으로 나타낼 수 있다.
이를 통해 유효 청천일 유량자료를 통한 기저하수발생유형(Base line; 기저유량) 과 유효 우천일 유량자료와 청천일 기저하수 발생유형과의 잔차(Residue) 산정해 낼 수 있었다. 또 산정된 잔차값을 이용한 시계열 그래프 작성하고 유입수 발생 경계치(Boundary) 적용 및 강우발생 사상별 유입수 파악을 할 수 있도록 했다.

 

GIS 연계 통합관리시스템 모색

공단은 침입수/유입수에 대해 유량 Data 및 I/I 분석 자료 활용도를 높여나가기로 했다. 기존의 하수관거 불량률 판단은 CCTV 조사에 의한 방법으로 전지역 조사일 경우 조사비용 및 조사기간 과다 소요되고 조사비용편익이 초과됐다.

또 CCTV 조사를 건기에 시행할 경우 우기 시 지하수위 상승 등에 의한 침입수/유입수 미조사 문제점 대두되곤 했다. 이에 침입수/유입수 평가방법 도입, 허용 I/I 이상의 문제 지역에만 CCTV 조사 등 정밀조사를 시행하고 정비하는 관리체제 전환이 필요하다.

또, BTL 하수관거 정비사업 성과를 평가지표 반영해 시설 준공이후 3년간 I/I 발생량 자료 Data Base화로 하수관거유지관리실적 평가방안 수립해 나가기로 했다. 운영개시 3년 경과 후 부터 I/I 성과지표에 대한 성과 평가 실시하고, 초기 3년의 자료와 비교하여 I/I량의 증가 발생여부로 상대평가를 해나갈 계획이다.

10년 이후부터는 I/I 발생량으로 판단하는 절대평가가 진행되도록 할 것이다. 향후 정책 추진방향으로는 유입수/침입수 분석기준 및 시스템 전송규격 통일을 위해 하수관거 유량계 모니터링 시스템 표준과 수립 연구용역을 구축하고 국내실정에 맞는 하수관거 침입수/유입수 산정방법 및 적용방안 연구용역을 수행해나갈 계획이다.

또 유역개념의 유지관리 도입을 통해 물환경관리기본계획 및 4대강 비점오염원관리종합대책상의 유역별 수질관리체계 이행수단으로써의 하수도정비를 해나가고, 물환경관리 기본계획에서 수계별, 유역별 정책목표와 관리특성을 고려하여 권역별 수질관리체계 구축해 나가도록 할 것이다.

아울러 GIS와 연계된 하수관거 통합관리시스템 구축을 통해 유역관리 개념의 과학적, 체계적 운영기법 도입을 적극적으로 모색해 나갈 방침이다.