1. 서 론

현재 국내를 포함한 많은 나라는 인구 감소 시대를 맞이하고 있다. 인구감소는 지방 소멸 도시(Shrinking cities)라는 현상을 가져오며, 이는 수십 년에 걸친 만성적 인구감소로 인해 발생한다. 쇠퇴를 겪고 있는 각 지방 도시에서는 물 분배 시스템의 물리적 규모가 감소하지 않고 일정하게 유지되는 특징을 보인다. 이는 시스템의 지형적 특성에 기인하는데, 지하에 매설된 관로는 해체를 위해 굴착 등의 방법을 필요로 하므로 인구감소에 유연하게 대응하기 어렵다. 인구감소가 지속되면서 활용도가 낮은 인프라가 증가하고, 이로 인해 물 분배 시스템 네트워크 전체의 유량이 감소하게 된다. 이는 관로의 성능 저하를 가속화시킬 수 있으며, 정체된 물이나 수질 악화로 이어질 수 있다. 결과적으로, 더 많은 인구를 위해 보수적으로 설계된 인프라를 유지하는 비용은 인구가 줄어듦에 따라 증가할 수밖에 없으며, 이는 지방자치단체의 부담으로 작용할 수 있다. 이러한 상황은 1인당 서비스 비용을 높여 상수도 사용자에게 사용성 저하와 사회적 불평등을 초래할 수 있다 (Butts and Gasteyer, 2011).

국내에서는 상수도의 효율적 공급을 위해 생산 및 전달 방법에서 차이가 발생한다. 지방상수도 사업을 운영하는 자치단체는 자체 시설을 통해 수돗물을 생산하여 공급하거나, K-water와 같은 광역 생산 체계를 통해 생산된 수돗물을 구입하여 제공할 수 있다. 이와 같은 생산 환경에 대한 차이는 광역상수도 혜택을 직접적으로 받는 지역과 그렇지 못한 지역의 비용적 불리함을 가져온다(Jang and Shin, 2009). Table 1은 국내 상수도 생산에 따른 비용을 연도별로 나열한 것이며, Fig. 1은 이를 그래프로 나타낸 것이다. Table 2는 2013년부터 2022년까지의 행정구역별 유수율, Table 3은 동일 기간의 누수율을 나타낸다. 각 Fig. 1 및 Tables 1 and 2는 환경부가 발간하는 2013~2022년의 상수도 통계자료를 활용하여 재구성하였다(ME, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023). Table 1에 나타난 상수도 요금은 매년 증가하는 추세를 보이며, 생산 단가 또한 같이 상승하는 추세를 보인다. 하지만 현실화율은 증가 추세를 보였지만 2018년 이후 점차 하락하는 추세를 보인다. 현실화율이 지속적인 하락 추세를 보일 시 적자 운영이 발생할 가능성이 커지며, 요금 인상이 필요할 수밖에 없게 되어 사용자의 경제적 부담을 증가시킬 수 있다. 또한 장기적 관점에서 시설 유지 및 관리의 어려움이 생길 수 있어 상수도 품질에 영향을 미칠 수 있다.

Fig. 1.

Domestic average cost of tap-water

또한 Table 2와 Table 3에서 나타난 결과는 유수율 제고 사업을 통해 누수율과 유수율이 매년 긍정적인 변화를 가져온 사실을 알 수 있다. 하지만 전국 평균을 바라볼 때 제고 사업을 통해 개선된 누수율은 2019년 이후 정체구간을 가진다. 또한 감소하는 인구와 별개로 시·군 지역의 단위 급수량은 상승하는 추세를 보였다. 이는 각 지방의 높은 누수율에 기인하기 때문이다(KRIHS, 2021). 이와 같이 누수 관리 측면에서 지방 도시의 시설 관리 및 구축 수준, 지형 및 관로 조건을 개선하는 것은 지역의 공간 및 지형적 특성에 따라 한계가 있음을 의미한다. 따라서 인구감소에 대응하기 위해 물 분배 시스템의 잠정적 해체에 대한 기술적 방안들이 연구되고 있다. 이는 사전 예방적 관리로 전환하여 필요 이상으로 큰 인프라 공간을 해결하고자 하는 목적을 갖는다. 예를 들어, 비상 상황 대응력을 기준으로 하여 빈 주거 지역에서의 관로 해체 영향을 평가하거나, 폐기된 네트워크의 사회경제적 상태가 성능 지표에 미치는 영향을 평가한 연구가 수행된 바 있다(Faust and Abraham, 2014). 또한 인구감소가 지속되는 상황은 기존 물 분배 시스템의 과잉 용량, 운영 비용 증가, 그리고 수질 저하와 같은 문제를 가져올 수 있다. 따라서, Hasegawa et al. (2016)는 인구감소를 겪는 물 분배 시스템의 효율적인 관리를 위해 관로의 관경 축소 경제성을 검토하고, 이를 최적화하는 모델을 제안하였다. 유전 알고리즘과 로컬 서치 알고리즘을 결합한 모델을 통해 생애주기 비용(Life cycle cost, LCC)을 최소화하면서도 시스템의 신뢰성을 유지할 수 있는 최적의 관로 교체 계획을 수립할 수 있음을 확인하였다. 특히, 관경 축소가 때로는 펌프 운영 비용 증가로 이어질 수 있으나, 적절한 조건에서는 경제적으로 유리할 수 있다는 점을 강조하였다. 또한, 인구변화에 대한 불확실성으로 인해 미래 시나리오를 고려한 물 분배 시스템 설계 측면에서 비효율성이 발생할 수 있다. 따라서, Tsegaye et al. (2020)은 지속가능한 도시 개발에서 물 분배 시스템의 유연성을 강조함으로써, 미래의 불확실성에 대비할 수 있는 설계 전략인 Genetic Algorithm based Flexibility Optimization (GAFO)을 사용한 모델을 제안하였다. GAFO는 인구변화를 포함한 다양한 미래 시나리오를 고려하여 최적의 물 분배 시스템 설계안을 도출하였으며 단계별로 시스템을 발전시켜 나갈 수 있는 전략을 제공하여 점진적으로 변화하는 지방도시의 물 분배 시스템 설계안을 제시하였다. 이는 기존 설계에 비해 비용을 35%~72% 절감하는 효과를 보였다. 또한, Tariq et al. (2023)은 인구감소가 이루어지는 도시에서 물 분배 시스템의 수질 저하 가능성을 검토하였고, 이에 따라 인구감소가 이루어지는 도시에서 발생할 수 있는 수질 오염 사건이 소비자의 지불 의향에 미치는 영향을 분석한 바 있다. 반면, 인구감소에 따른 인프라의 설계 및 운영은 물 분배 시스템 뿐 만 아니라, 국가에서 주도적인 공급을 필요로 하는 전력시스템에서도 해결해야 할 중요한 과제로 나타나고 있다. 인구 감소는 전력 수요의 감소와 인프라의 과잉 용량을 초래하여, 기존 전력시스템의 유지 및 운영 효율성을 저하시킨다. 이러한 상황에 대응하기 위해, Huang (2011)은 미래상황의 변화에 대응하기 위한 유연한 설계를 제안하며, 이는 변화하는 수요량에 적응할 수 있는 능력을 갖춘 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.

결과적으로, 인구감소에 따른 물 분배 시스템의 설계 및 운영을 위해 과도한 인프라를 제거하거나 교체할 시 비용 측면에서 유리할 수 있지만, 면밀한 분석이 선행되지 않은 채 단순한 해체로 이어질 경우 오히려 비용을 증가시킬 수 있다. 그러나 적절한 검토를 통해 인프라를 잠정적으로 해체하는 것은 인구감소 대응에 유리할 수 있다. 다만, 인프라의 최종적인 해체는 향후 유입 인구에 대한 유연한 대응을 어렵게 할 수 있다. 수도 요금 인상과 같은 정책적 대안이 인구감소에 대응하기 위한 방안이 될 수 있지만, 적절한 검토와 제도가 시행되지 않을 경우 해당 도시와 타 도시 간의 양극화 현상을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 지방 도시의 물 분배 시스템을 대상으로 수리 및 수질 인자의 변화와 인구감소 간의 관계를 정량화 하였으며, 이를 분석하여 지방상수도 사용자의 사용성 증대 및 불평등 해소를 위해 인프라의 잠재적 가용중단의 적정성을 검토하였다.

2. 연구 방법

인구감소에 대응하기 위해 물 분배 시스템 내 관로의 가용중단의 적정성을 판단하기 위해서는 몇 가지의 방법론이 선행되어야 한다. 첫 번째로 인구감소에 대한 수리 및 수질 인자의 영향을 정량화하기 위해 물 분배 시스템 내 인구감소에 대한 모의가 수행되어야 하며, 두 번째로 인프라의 잠재적 가용중단을 위해 비가용성 관로를 식별하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 실제 지방상수도 네트워크를 대상으로 인구감소를 모의하였다. 모의는 최대 및 최소 인구감소율을 적용하여 모의하였으며 적용된 인구감소율에 따른 비가용성 관로를 식별한 후 대상 관로를 선정하여 가용중단을 모의하였으며 이에 따른 관로의 가용중단 및 개선의 적정성을 검토하였다.

2.1 인구감소 모의

인구감소에 따른 수리 및 수질 인자의 정량화를 위해서는 물 분배 시스템 내 인구감소의 모의가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 수리해석 프로그램 EPANET 2.2(Rossman et al., 2020)을 활용하여 인구감소 모의 후 수리 및 수질 인자를 획득하였다. 인구는 네트워크 내 수요량과 직접적인 관계를 가지며 이에 대한 변화는 인구의 변화를 의미할 수 있다. 따라서 인구감소가 네트워크에 미치는 영향을 분석하기 위해 수요량을 감소시킬 시 감소된 비율에 따라 인구감소를 정량적으로 모의할 수 있다. 모의를 위해 대상 네트워크 내 수요 절점의 수요량를 감소 후 재적용하여 인구감소를 모의하였다. 이때 각 절점의 수요 감소량은 인구 감소율에 따라 반영된다. 해당 방법론을 통해 인구감소 비율에 따른 네트워크 내 수리 및 수질 인자의 변화를 정량화할 수 있다. 본 연구에서 수행한 EPANET 2.2 기반 인구 감소 시뮬레이션은 지방상수도를 사용하는 물 분배 시스템 내 특정 블록을 가정하여 모의하였다. 따라서 각 세부 구역의 인구 감소율을 적용하는 것이 아닌 대상 네트워크의 모든 수요 절점에 동일한 인구 감소율을 적용하였다.

2.2 비가용성 관로 식별 방법

네트워크의 비가용성 관로를 식별하지 않은 채 단순히 네트워크 말단의 관로의 중단만을 모의하는 것은 압력 감소와 미공급 수요량이 발생하는 등 부정적인 효과를 가져올 수 있다. 따라서 본 연구에서 두 가지의 인자를 고려하여 비가용성 관로를 식별하였다. 본 연구에서 정의하는 비가용성 관로는 인구감소가 이루어짐에 따라 물 분배 시스템 운영에 있어 상대적으로 중요도가 감소하여 가용성이 저하되는 관로를 의미한다. 첫번째 인자는 시스템 가용성(System Availability, SA)으로써 수리 및 수질 인자의 개선을 수행하기 위해 활용된다. 인구감소가 이루어진 후 네트워크 내 특정 관로의 가용을 중단하였을 때 수리 및 수질 인자의 긍정적인 영향을 가져와야 하며 부정적인 영향을 가져올 시 관로 가용중단의 적절한 방안이 될 수 없다. 따라서 시스템 가용성 내 고려되는 세부 인자는 특정 관로의 가용 중단을 수행하였을 때 절점의 미공급 수요량, 네트워크 내 최대 수령(Max Water Age), 가용 중단에 따른 네트워크의 압력 저감량을 고려하였다. 미공급 수요량은 가용중단을 수행한 후의 네트워크 내 절점의 미공급 수요량을 나타낸다. 관로의 가용을 중단하여 수리 및 수질 인자의 개선이 이루어져도 미공급 수요량이 발생할 시 적절한 방안이 될 수 없다. 따라서 관로 가용중단을 통해 네트워크 내 미공급 수요량을 고려하기 위해 적용되었다. 최대 수령은 가용중단을 수행한 후 전체 네트워크의 최대 수령을 의미하며 최대 수령의 개선을 통해 수질 인자의 간접적 개선을 목표로 한다. 수령은 직접적인 수질 인자를 나타내지 않지만 수령이 높을 시 적정량의 잔류염소를 유지하지 못한 채 공급될 수 있으며 벽체 반응을 통한 수질 악화를 야기할 수 있다. 따라서 네트워크 내의 전반적인 수질 인자를 개선하고자 최대 수령을 고려하였다. 또한 네트워크 내에서 관로의 가용중단을 모의하기 때문에 보다 현실적인 수리해석 결과를 얻기 위해 압력 기반 시뮬레이션을 수행하였다. 이는 절점의 압력에 따라 실제 수요량이 변화한다는 가정을 가지기 때문에 네트워크 내 변화하는 관로의 상태에 알맞게 현실적인 해석 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서 압력 기반 시뮬레이션의 수행을 위해 사용되는 관계식(Wagner et al., 1988)은 Eq. (1)과 같다. 압력 기반 시뮬레이션을 적용할 시 특정 절점에서 요구되는 압력은 관로의 사용 중단에 영향을 받아 요구 압력에 도달하지 못할 수 있다. 따라서 관로의 가용중단에 따른 압력 저감량을 획득할 수 있다. 이는 관로의 가용중단에 따른 압력의 부정적 영향을 제외하고자 하는 목표를 가지는 인자이다. Eqs. (2), (3), (4)은 시스템 가용성에서 고려되는 3가지 인자에 대한 식을 나타낸 것이다.

d=Actualdemand

Df=Desireddemand

$$\begin{gathered} Pf=Pressureabovewhichtheconsumershould \\ receivethedesireddemand(30psi,21.097m) \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} P0=Pressurebelowwhichtheconsumercannot \\ receiveanywater(5psi,3.516m) \end{gathered}$$

1/e=Pressureindex

SSc=Shortagesupplyafterpipeclosed

N=Totalnumberofnodesinthenetwork

DN,b=Basedemandatn-thnode

DN,n=Nodaldemandatn-thnode

MWAc=Maximumwaterageafterpipeclosed

Ai=Waterageinthei-thlinks

M=Totalnumberoflinksinthenetwork

PDc=PressureDeclineafterpipeclosed

PN,n=NodalpressureatN-thnodeafterpipeclosed

PN,r=RequiredpressureatN-thnode

두 번째 인자는 시스템 여분력(System Redundancy, SR)이다. 관로의 가용중단을 수행하여 수리, 수질적 개선이 이루어져도 시스템 내부는 비정상상황에 대응 가능한 최소한의 여분력이 확보되어야 한다. 시스템 내에서 파손 등의 비정상상황을 완전히 방지하는 것은 불가능하기 때문에 대응 효율성을 개선하기 위해 시스템 여분력을 고려하였다. 따라서 네트워크의 구조적 평가 인자로 활용되는 Average Node Degree (AND)와 Meshedness Coefficient (rm)를 통해 시스템 여분력을 고려하였다. AND는 가용중단을 수행한 후의 네트워크의 평균 노드 차수를 의미한다. 높은 AND는 네트워크가 밀집하게 연결되어 있음을 의미하며, 물을 배분함에 있어 효율성을 직관적으로 나타낼 수 있는 인자이다. rm은 가용중단을 수행한 후 생성될 수 있는 폐합 관로의 개수와 연계되어 산정되는데, 네트워크의 연결성을 나타낼 수 있는 인자이다(Buhl et al., 2004). Eqs. (5) and (6)은 AND 및 rm을 계산하는 수식이며, Fig. 2는 AND 계산과정을 시각화 한 것이다.

npipe=Numberofinstalledpipes

nlink=Numberofpotentiallinks

f=Numberofloopofanysize

(If single reservoir =f=M-N+1, multi reservoir =f=M-N )

Fig. 2.

Example of calculating Average Node Degree (AND)

선정된 상대적 비가용성 관로의 사용을 중단하였을 때 반드시 기존보다 개선되어야 하기 때문에 미공급 수요량이 발생할 시 가용중단 대상 관로에서 제외하였으며, 압력 저하가 발생할 시 가용중단 대상 관로에서 제외하였다. 또한 기존 네트워크 최대 수령과 비교하여 최대 수령이 증가하거나 유지될 시 가용중단 대상 관로에서 제외하였다. 이 후 대상 관로에 대해 개선된 정도에 따라 세 가지 기준을 동일 가중치로 점수화하였으며, 대상 관로로 선정된 관로를 모든 발생가능한 조합에 따라 가용중단을 수행하여 그 영향을 검토하였다. Table 4는 관로 선정 예시이다.

Table 4는 비가용성 관로 선정의 구체적인 설명을 위해 임의로 작성한 선정 예시이다. Pipe 1, 2, 3, 5는 압력 저감량 및 미공급 수요량이 발생하지 않고 수령의 개선이 이루어졌기 때문에 가용중단 관로로 선정될 수 있다. 하지만 Pipe 4의 경우 약 5시간의 최대 수령이 개선되었지만 미공급 수요량이 발생하여 가용중단 대상 관로에서 제외된다. 또한 Pipe 6은 최대 수령의 개선이 수행되었으며 미공급 수요량이 발생하지 않았지만 압력 저감량이 발생하여 관로 가용중단 시 사용성을 저하시키기 때문에 대상 관로에서 제외된다. 이와 같은 방법론을 통해 인구감소에 대응하기 위한 가용중단 관로를 선정하였다.

2.3 가용중단 모의 방법론

이 후, 상대적 비가용성 관로를 선정하기 위해 대상 네트워크의 모든 관로를 개별로 닫아 비가용성 관로를 선정하였다. 관로를 닫았을 시 변화하는 인자는 2.2 비가용성 관로 식별 방법의 Eqs. (2), (3), (4), (5), (6)으로 적정성을 평가하였다. 본 방법론은 Minimum Cut-set (Su et al., 1987)과 유사한 방식으로 적용된다. Minimum Cut-set의 경우 네트워크의 기능을 유지하며 비효율적이거나 취약한 요소를 식별하고 제거하는데 중점을 둔다. 따라서 Minimum Cut-set 방법론은 네트워크의 위상학적 요소를 조사하여 운영에 중요한 영향을 미치는 요소들을 감지하는 데 사용될 수 있다(Yannopoulos and Spiliotis, 2013). 하지만 본 연구에서는 인구감소를 겪은 네트워크에서 비효율적인 관로를 식별하고, 해당 관로를 폐쇄하더라도 전체 시스템의 안정성과 공급 능력을 유지할 수 있는지 검토하는 것을 목표로 한다. 이는 단순한 취약점 제거가 아닌 수요 감소 대응과 운영비 절감을 염두에 둔 과정이며, 특히 인구감소로 인해 각 블록 내 세부 지역의 압력이 균일하게 분배되지 않는 문제 등을 방지하기 위해 네트워크의 가용성을 보장하면서 비효율적인 관로를 식별하는 것이 본 연구에서 적용된 가용중단 모의 방법론의 핵심이다. 결론적으로 네트워크의 각 관로를 개별 폐쇄했을 때 나타나는 미공급 수요량, 압력 저감과 타 인자들을 동시에 고려하여 상대적 비가용성을 평가하였다. 또한 본 연구에서는 인프라의 최종적 해체가 아닌 잠재적 가용중단을 모의하는 것이기 때문에, 선정된 관로의 양단에 제수 밸브를 설치하여 관로의 잠재적 가용중단을 가정하였다. 해당 가정을 통해 향후 유입 인구가 발생했을 때, 밸브를 개방하여 유연하게 대처할 수 있는 장점을 가진다. Fig. 3은 적용된 가용중단 모의 예시를 의미한다.

Fig. 3.

Example of Application of Pipe Closure

3. 연구 결과

Fig. 4는 실제 국내 행정동의 일부 네트워크를 대상으로 한 Benchmark network이며 Table 5는 Benchmark network의 구성 요소 및 정보이다. 대상 네트워크는 표고 차가 크고 관로 형상이 불규칙한 특징을 가지고 있다. 네트워크는 288개의 수요 절점과 326개의 관로로 구성되어 있으며, 총 연장은 11,336.86 m이다. 각 수요 절점의 수요량은 단일 수원에서 모두 공급되며, 최대 표고는 53.57 m, 최소 표고는 34.19 m이다. 대상 네트워크는 0.066의 rm을 가지며 최대 압력 49.7 m, 최소 압력 30.32 m이다. 모의를 수행한 기간은 일주일(168 시간)이며 이에 따른 시뮬레이션 내 최대 수령은 166.93시간이며 최소 시간은 0.06시간이다. Fig. 5는 대상 네트워크의 수요량 분포와 표고를 나타낸 것이다. 네트워크는 전반적으로 고르게 분포된 수요량을 가지고 있지만 표고가 높은 지역에서는 수요량이 상대적으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 대상 네트워크의 인구감소를 모의하기 위한 인구 감소율을 적용하는 것은 실제 네트워크에서 발생할 수 있는 인구 감소율을 반영하여야 한다. Kim (2023)은 경상북도 주민등록 총 인구추계를 통해 2020년 대비 2060년의 인구가 27.7% 감소할 것으로 예측한 바 있으며 이는 2000년도 인구수 대비 31.8% 감소 수치이다. 또한 KOSTAT (2023)은 장래인구추계를 통해 국내 전체 인구수를 2072년 기준 3,622만명으로 예측하였다. 이는 2023년 기준 인구가 약 30% 감소한다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 인구 감소율의 다양성과 최악의 시나리오를 모두 고려하기 위해 최소 5%부터 최대 30%까지의 인구 감소율을 모의하였다. Fig. 6은 각 인구감소율을 적용한 후 각 인구감소 비율 별 비가용성 관로를 선정한 결과이다.

Fig. 4.

Benchmark network

Fig. 5.

(a) Benchmark network demand distribution; (b) Benchmark network elevation distribution

Fig. 6.

Results of selecting pipes based on Depopulation rate

인구감소 모의 후 비가용성 관로를 식별한 결과, 비가용성 관로로 선정된 관로의 개수는 최대 31개부터 최소 7개까지 선정되었다. 이는 인구감소율에 반비례하게 개수가 줄어들었으며, 이는 인구감소율이 높아질수록 일부 관로의 비가용성의 정도가 더욱 높아진다는 것을 의미한다. 또한 인구감소 모의를 통해 수요량이 줄어듦에 따라 감소한 수요량을 공급하기 위해 네트워크 평균 압력이 증가하였다. 하지만 수요량이 높은 구역 인근에서 관로의 가용중단이 이루어질 시, 타 구역보다 비가용성 관로의 가용 중단으로 인한 압력 저하가 상대적으로 크게 나타나는 것을 확인하였다. 인구감소 비율이 높아질수록 상대적으로 높은 표고에 위치한 수요 절점 인근 관로들이 비가용성 관로로 선정되는 경향을 보였는데, 이는 인구감소가 이루어져 수요량이 줄어들 경우, 상대적으로 높은 표고를 지나는 절점 인근 관로의 유량이 설계 유량보다 적어지며 그에 따라 수리 및 수질 인자의 저하가 상대적으로 높게 나타나는 것으로 판단되었다. 또한 모든 절점에 동일한 인구감소율을 적용하였기 때문에 수요량이 높은 구역의 경우 인구감소율에 더욱 민감하게 반응하여 가용중단으로 기초 선정된 관로의 구역이 편향되게 나타나는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 실제 표고 차이가 큰 지방상수도 네트워크에서 발생할 수 있는 현상이며, 이에 따라 높은 표고 및 높은 수요량을 가지는 지역이 서로 중첩되어 있을 경우 인구감소에 수리 및 수질 인자가 민감하게 반응할 수 있다는 것을 의미한다.

하지만 인구감소에 대한 경향성은 급격하게 변화하지 않는다. 따라서 인구감소율에 따른 각각의 관로를 선정하는 것은 적절하지 못하다. 따라서 인구감소를 모의하여 각 비율에 따라 공통적으로 선정되는 관을 대상으로 밸브 설치에 대한 적정성을 검토하였다. 최대 인구감소율(30%)을 모의하여 선정된 7개 관로는 타 인구감소율을 적용하여 비가용성 관로를 선정하였을 때 공통적으로 해당되는 관이기 때문에 최대 인구감소율을 모의하였을 때 선정된 7개 관로의 네트워크 여분력에 따른 비가용성 관로의 개수 및 위치의 조합을 결정하였다. Fig. 7은 기초 선정된 관로의 네트워크 내 위치이다. 또한 비가용성 관로의 가용중단 개수 및 위치의 조합을 결정하는 단계에서 다수 관로의 가용 중단을 모의하기 때문에 단일 관로에서 모의되지 않은 미공급 수요량이 발생할 수 있다. 따라서 미공급 수요량 또한 같이 고려하여 그 적정성을 검토하였다. Tables 6 and 7은 30% 인구감소를 모의한 네트워크를 기준으로 미공급 수요량을 고려하여 관로의 가용중단을 모의하였을 때의 시스템 가용성 및 여분력과 개선 결과이다.

Fig. 7.

Selected pipes location of the benchmark network

Table 6에서 No. of Pipes는 비가용성 관로로 선정된 관로 중 닫을 관로의 총 개수를 의미한다. 30% 인구감소율을 적용한 네트워크에서 비가용성 관로로 선정된 관로는 총 7개이며, 최대 7개부터 최소 1개까지의 관로를 닫을 수 있음을 의미한다. Total No. of Scenario는 닫을 관로의 개수에서 발생가능한 전체 조합의 개수이다. Possible No. of Scenario는 Total No. of Scenario에서 미공급 수요량이 발생하지 않은 채 개선될 수 있는 조합의 총 개수를 의미한다. Min. SS와 Max. SS는 각 발생가능한 조합 내 최소 미공급 수요량 및 최대 미공급 수요량을 의미한다. 미공급 수요량을 고려하여 선정된 관로 내의 모든 조합에 따른 비가용성 관로를 선정한 결과, 5개 이상의 관로가 가동을 중단하게 될 시 필수적으로 미공급 수요가 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 Table 7에 나타난 No. of Pipes는 미공급 수요를 발생시키지 않는 최대의 개수인 4개를 통해 개선을 검토하였다. 또한 AND 및 rm은 가용이 중단되는 관로의 개수와 비례하여 선형적으로 감소하였다. 이는 Fig. 7과 같이 네트워크 말단에 위치한 단순한 폐합 관로 형태를 가지는 관로들이 상대적인 비가용성 관로로 선정되었기 때문에 가용이 중단된 관로의 개수와 함께 선형적으로 감소하는 경향을 보이는 것으로 판단된다. 또한 특정 관로의 가용중단 모의를 수행하여 수질 인자의 개선이 이루어질 수 있음을 확인하였으며 개선이 이루어지며 기존 압력과 유사하게 수질 인자를 개선하기 때문에, 관로 내부의 과압력을 방지하여 누수의 추가 발생 및 추가 비정상상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그러나 현재 선정된 비가용성 관로는 네트워크 내에서 높은 표고와 수요량이 큰 구역에 편중되어, 특정 구역에 대한 개선이 이루어지고 있다. 네트워크 말단의 관로의 가용을 중단하는 방법 외 네트워크 주요 관로의 관경의 축소 및 가용중단을 함께 고려할 시 인구감소에 더욱 면밀하게 대응가능한 방법론이 될 수 있을 것으로 판단된다.

본 결과는 네트워크의 국부적인 가용중단을 통해 시스템 네트워크를 단순화하여 시스템의 효율성을 저해하지 않은 채 유지보수 비용을 절감하고, 운영 효율성을 향상시킬 수 있음을 의미한다. 하지만 가용을 중단하게 되는 관로의 개수와 비례하여 선형적인 개선이 이루어지는 것이 아닌 정체구간이 존재한다. 이는 폐합 관로 형태의 일부 구역 내 관로의 가용을 중단하여 직선 관로 형태로 변경하여도 대상이 되는 네트워크 말단 구역에 이르기 전 다른 구역의 수요 절점에서도 인구감소가 이루어졌기 때문에 설계유량보다 적어진 직선 관로의 흐름에 있어 비효율성을 초래하여 압력 손실 등의 문제를 가져올 수 있기 때문이다. 또한 해당 구역의 물의 공급 경로가 제한되어 특정 지역에 물이 정체될 수 있기 때문에 오히려 수질 인자의 불균형을 유발할 수 있다. 따라서 최적의 가용중단 전략을 도출하기 위해서는 기초적으로 선정된 관로를 모두 가용중단하는 것이 아닌 세부 구역 별 공급성에 대한 면밀한 검토가 필요하다는 것을 의미한다. 결론적으로 관로의 가용중단을 모의할 시 대상이 되는 모든 관로를 닫는 것이 반드시 수리 및 수질 인자의 개선으로 이어지지 않으므로 적절한 관로의 개수를 유지하고, 위치를 검토하여야 하며, 네트워크의 구조적 특성과 시간에 따라 달라지는 수요 특성을 반영한 종합적 개선 전략이 동반되어야 한다.

4. 결 론

본 연구는 지방상수도 네트워크에서 수리적 및 수질적 변화와 인구 감소 간의 관계를 정량적으로 분석하였다. 인구 감소가 지방상수도 시스템에 미치는 영향을 EPANET 2.2를 사용해 모의하였으며, 그 결과 인구 감소율이 네트워크 내 특정 관로의 가용 중단에 미치는 영향을 평가했다. 연구 결과, 인구 감소가 네트워크의 수리적 특성과 수질 인자에 영향을 미치며, 특히 수요량이 높은 구역 인근의 관로에서 압력 저하와 수질 악화가 나타났다. 본 연구는 지방상수도 시스템에서 인구 감소가 수리 및 수질에 미치는 영향을 정량화함으로써, 효율적인 인프라 관리 전략 수립에 기여할 수 있다. 특히, 가용 중단이 가능한 관로를 식별하고, 이를 통해 네트워크의 효율성을 유지하면서도 비용 절감을 실현할 수 있는 방안을 제시하였다. 이 과정에서 특정 관로의 가용 중단이 수질 개선에 기여할 수 있음을 발견하였으며, 과압력을 방지하여 누수 발생 가능성을 줄이는 방법론을 제시하였다. 그러나, 본 연구는 실제 물 분배 시스템 내 특정 블록을 대상으로 한 모의 실험에 한정되었기 때문에, 향후 연구에서는 보다 다양한 네트워크 구조와 지역적 특성을 반영한 추가적인 분석이 필요한다. 예를 들어, 인구 감소와 수질 변화를 더욱 정밀하게 예측할 수 있는 모형 개발이 필요하며, 이를 통해 다양한 도시와 지역적 특성에 적합한 맞춤형 인프라 관리 전략의 개발과 펌프와 탱크 등 부설 시설물의 영향을 포함한 종합적인 방법론 개발이 요구된다. 본 연구는 지방의 물 분배 시스템의 지속가능성을 제고하고, 인구감소에 따른 인프라 관리의 효율성을 높이기 위한 중요한 기초 자료를 제공한다. 하지만 본 연구에서 수행된 인구감소 모의는 대상 네트워크가 실제 지방상수도 일부 블록을 대상으로 하였기 때문에 전체 수요 절점에 동일한 인구감소율을 적용하였다. 따라서 실제 인구감소가 일어나는 국부적 구역의 네트워크의 세부적인 수리 및 수질 인자의 변화를 구현하기에 한계점이 존재한다. 향후 연구에서는 수리 및 수질 인자만을 고려하는 관로 선정이 아닌 구조적, 지형적, 수요 특성을 반영한 종합적 개선 전략이 필요하며, 펌프, 탱크 등과 같은 부설 시설물이 많은 지방상수도 특성을 반영한 영향 분석이 필요하다. 또한 본 연구에서는 관로 양단에 제수 밸브를 설치하여 가용 중단을 모의하는 것이기 때문에 관로의 관경, 길이 등을 고려한 설치 비용을 고려하여 비용과 함께 수리 및 수질 개선에 따른 비율을 정량화할 시 더욱 효과적인 방법론이 될 것으로 판단된다.