1. 서 론
2. 플러싱의 적정유속 분석을 위한 수리해석 방법
2.1 소화전을 고려한 수리해석 방법
2.2 이토변을 고려한 수리해석 방법
3. 상수관망 적용 결과
3.1 예시관망 수리해석 결과
3.2 대상지역
3.3 실제 상수관망 수리해석 결과
4. 결 론
1. 서 론
상수관망의 신뢰도는 양적으로 충분하고, 질적으로 안전한 용수를 적정수압으로 공급하는 것이다. 그러나 노후화 등 내·외적인 요인에 의해 탁수 및 적수 등의 수질사고가 발생하며, 이는 상수관망의 신뢰도를 저하시킨다. 상수관망은 매설년도가 경과함에 따라 화학적 요인에 의해 스케일 생성이 불가피하며, 퇴적된 스케일이 박리될 경우 수질사고의 직접적인 원인이 된다. 평상시 퇴적된 스케일의 경우 관벽에 부착된 채 안정화되어 수질에 영향을 거의 미치지 않지만, 관로 교체, 파손 등 갑작스러운 유향 및 유속 변화에 의한 수충격 발생 시 스케일이 박리되어 수질사고가 발생하게 된다. 상수관망의 수질사고를 사전에 방지하기 위해서는 주기적인 관세척이 필요하며, 상수관망의 노후화에 따라 관세척의 필요성은 지속적으로 증가하고 있다. ME (2018)에서는 배수관이나 급수관의 적수나 탁수 등의 관내 수질 악화를 해소시키기 위하여 노후관의 개량과 갱신 또는 계획적인 세척 등의 대책을 수립하고 수행하도록 하고 있다. 여기서 관세척 공법이란 관 내부의 침전물을 공기주입, 피깅, 플러싱 등의 방법을 이용해 관 외부로 배출하는 방법이다. 관세척 공법은 그 방법에 따라 적용 범위와 효과가 달라 적절한 방법을 선정하는 것이 중요하며, 그중 보편적으로 사용되는 공법은 플러싱 공법이다.
플러싱은 소화전이나 이토변의 개방을 통해 빠르게 증가시킨 유속과 높은 압력으로 관내 스케일을 외부로 배출하는 방법이며 재래식, 단방향, 연속퇴수 방법으로 구분된다. 이중에서 재래식과 단방향 플러싱이 주로 사용되며, 재래식 플러싱은 제수밸브를 사용하지 않고 관 내 용수를 방출하는 방법으로 소화전만을 사용하여 플러싱을 실시한다. 이는 제수밸브의 조작없이 넓은 범위의 관망을 동시에 세척 가능하다는 장점이 있지만, 관 내 빠른 유속 확보가 어려워서 유속이 확보되지 않을 경우 세척 효과가 낮아진다는 단점이 있다. 단방향 플러싱은 제수밸브를 사용한 플러싱으로 세척 대상구역을 고립시켜 유속 확보가 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 제수밸브 조작을 통해 대상구역을 정의하기 때문에 인적·시간적인 소요가 재래식 공법에 비해 크고 적용지역 내 제수밸브의 위치와 정확한 수리학적 검토가 필요하다는 단점이 있다. 단방향 플러싱의 효과를 극대화 하기 위하여 스케일 제거를 위한 적정유속에 관한 연구가 수행되었다. Friedman et al. (2002)은 플러싱 공법을 통해서 얻어질 수 있는 효과로 1. 관내 퇴적된 스케일 제거로 잠재적인 수질사고 예방, 2. 전체적인 상수관망의 염소 및 잔여소독물을 감소시키는 효과, 3. 수리시설에 대한 작동 여부 파악, 4. 상수관망 내 압력을 증대로 정리하였다. 또한 효율적인 플러싱 적용을 위해 제수밸브 조작으로 유속을 확보하는 단방향 플러싱을 제안하였으며, 적정유속은 1.5 m/s을 기준으로 관의 구역을 구분하여 단방향으로 세척하기 때문에 그 이하의 속도에서도 세척이 진행될 수 있다고 언급하였다. Antoun et al. (1999)은 단방향 플러싱 적용 시 개별 Loop형태의 세척을 제안하며, 세척구역 내 적정유속은 1.8 m/s 이상 권장하고 400 mm이상 관에 대해서는 세척 효과가 낮다고 언급하였다. 또한, 단방향 플러싱 적용 시 소화전 및 밸브의 개폐를 고려하여 체계적인 절차의 수립이 필요하다고 제안하였다. Walski (2003)에서는 플러싱 공법의 적용 시 관 내 유속이 세척효과를 판단하는 가장 좋은 지표라고 제안하였으며, 적정유속은 0.6 m/s이상을 권장하였으나 유속이 1.5 m/s인 경우 더 효과적인 세적이 가능할 것이라고 언급하였다. The Town of Fort Frances (2004)은 적정유속을 최소 0.75 m/s, 권장 1.5 m/s의 기준을 제안하고, 플러싱 공법 적용 전 충분한 압력과 유속의 확보 여부를 확인해야 한다고 명시하였다. AWWA Standard (2015)의 Disinfecting Water Mains에서는 직경 100~400 mm관을 대상으로 플러싱을 적용할 때 일반적인 적정유속으로 3.0 ft/s (0.91 m/s)를 제안하였다. Korean Construction Specification (2017)에서는 플러싱 적용시 최저 플러싱 유속은 0.76 m/sec 이상으로 제시하고 있다. Kim et al. (2020)은 플러싱 공법을 적용하기 위해 세척구역을 정의하고 적정유속 확보 방안을 제안하였다. 적정유속을 0.9 m/s로 설정하고 소화전을 통한 유량방출 시 손실을 고려하여 적정유속 확보여부를 판단하는 연구를 진행하였다. 그러나 관별 유속이 아닌 선정한 기준 유속 이상의 확보여부만을 판단할 수 있어, 기준 유속 이하에서는 세척 가능 여부를 판단하기 어렵다는 한계점이 있다. 제안된 플러싱 공법 적정유속 기준은 Table 1과 같다.
Table 1.
Researches associated with the desirable velocity for flushing
| Researches | Desirable Velocity (m/s) |
| Friedman et al. (2002) | 1.5 |
| Antoun et al. (1999) | Above 1.8 |
| Walski (2003) | 0.6~1.5 |
| The Town of Fort Frances (2004) | 0.75~1.5 |
| AWWA Standard (2015) | At least 0.91 |
| Korean Construction Specification (2017) | Above 0.76 |
| Kim et al. (2020) | 0.9 |
그러나, 현재까지 진행된 연구에서는 플러싱 적용을 위한 기준(적용가능 관경, 길이등)과 적정유속에 관련한 연구가 대부분이고 실제 상수관망에서 플러싱 적용 시 사전에 관별로 적정세척유속(예를 들어 1.5 m/sec)을 확보할 수 있는지 여부를 파악할 수 있는 수리학적인 해석 기법에 대한 제시가 미흡했다. 일반적인 상수관망의 수리학적 해석방법은 관망설계나 비상수계전환과 같은 유지관리 시 발생하는 수리학적 거동을 파악하기 위해 널리 쓰여지고 있으나 플러싱때 발생하는 수리학적 조건은 일반적인 상수관망 해석 조건과 다르다. 가장 큰 차이점은 소화전을 통과하는 수리학적 조건의 고려가 일반적인 상수관망 해석에서는 필요가 없다는 것이며 수요절점(Demand Node) 설정시 플러싱에 사용된 물을 배수하는 소화전이나 이토변을 제외한다는 것이다. 따라서, 플러싱 적용시 사용되는 소화전이나 이토변을 기존 상수관망 수리학적 해석 모형에 반영해야 하고 소화전과 이토변을 통과할 때 발생하는 다양한 수리학적 조건도 모의될 수 있도록 수정되어야 한다. 이와 같은 수정이 상수관망의 수리해석에 반영되어야만 플러싱 적용시 관별 유속을 산정할 수 있고 이에 따라 플러싱의 효과 여부도 판별할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 플러싱 공법 적용시 사용되는 소화전과 이토변의 영향을 고려한 관별 유속 분석 모의 방법을 제시하고 실제 상수관망에 적용하여 적정유속 확보여부를 분석하였다.
2. 플러싱의 적정유속 분석을 위한 수리해석 방법
상수관망의 일반적인 설계 및 모의에서 가장 널리 사용되는 모형은 EPANET이다. EPANET은 미국 환경청에서 개발하였고 전세계로 무상배포하여 누구나 사용할 수 있도록 하였다. EPANET의 상수관망 해석은 Gradient Algorithm을 바탕으로 하고 있으며 빠른 수렴속도로 이후 다양한 수리학적 해석 모형에 사용되는 알고리즘이다. 전술한 바와 같이, 플러싱을 적용할 때 발생가능한 관별 유속을 산정하기 위해서는 상수관망의 설계와 유지보수 시 발생하는 수리학적 거동을 모의하기 위한 것과 다른 수리모형 구축이 필요하며 본 연구에서는 이를 “소화전을 고려한 수리해석 방법”과 “이토변을 고려한 수리해석 방법”으로 구분하여 제시하고자 한다.
2.1 소화전을 고려한 수리해석 방법
서론에서 언급한 바와 같이 소화전은 배수본관으로부터 인입관 등 일정거리 이상 떨어져서 위치하는 반면, 일반적으로 구축된 상수관망의 수리해석 모형에서는 소화전과 배수본관 사이의 인입관 등을 고려하지 않고 구축되어 소화전을 통과하면서 발생하는 마찰 및 미소손실을 고려하지 못한다. 소화전 인입관을 통과하며 발생하는 주손실과 소화전의 방출구를 통과하며 발생하는 미소손실은 소화전 방출구에서의 압력저하를 야기하여 실제 방출되는 유량을 감소시킨다. 이는 관내 유속을 저하시키는 원인으로 적정유속의 확보로 세척효과를 판단하는 플러싱 적용시 반드시 고려되어야한다. 소화전은 일반적으로 배수본관으로부터 인입관을 통해 소화전의 방출구로 용수를 방출하며 Fig. 1은 실제 설치되는 소화전 구조도를 나타낸다. 배수본관은 용수를 공급하는 상수관로 중 인입관과 연결되어 있는 지점을 의미하고, 소화전은 인입관과 소화전 본체로 구성된 용수를 방출하는 지점을 말한다. Fig. 1에서 보여지듯이 인입관에서의 압력()은 일반적인 상수관망 수리해석에서 구해지는 절점의 압력이다. 그러나, 소화전 방출구에서의 압력()은 보다 낮을 수 밖에 없다. 이는 인입관에서 소화전 유입관으로 분기하면서 발생하는 미소손실, 소화전 유입관 통과에 따른 마찰손실, 곡관손실, 소하전 유출구까지의 마찰손실, 그리고 소화전 유출구에서 발생하는 급확대 손실이 발생하기 때문이다. 따라서, 기존 상수관망의 수리학적 해석 모형에 플러싱에 사용될 소화전을 추가하고 추가된 소화전에서 발생하는 마찰 및 미소손실을 고려할 수 있도록 해 주어야 한다.
배수본관에서 소화전 방출부까지 발생가능한 손실은 (1) 배수본관에서 인입관으로 분기시 발생하는 손실 (2) 인입관 내 마찰손실 (3) 곡관 손실 (4) 소화전까지의 수직이동으로 발생하는 손실 (5) 소화전 내부 손실 (6) 소화전 방출부 오리피스 손실 이 발생한다. 따라서, 소화전의 영향을 고려하지 않고 기존 상수관망 모델을 통해 플러싱효과를 분석할 경우 세척여부 판단에 어려움이 발생한다.
Fig. 2는 상수관망 내 소화전 절점과 인입관을 추가한 개략도이다. 기존 관로에서 배수관로와 인입관이 연결되는 지점은 절점 J1과 J2 사이의 실제 소화전 거리에 따라 가상노드(Dummy Node) N0를 추가하고 절점 J1과 J2의 고도와 거리 비에 따라 N0의 고도를 산정한다. 소화전의 인입관은 P0로 표시하였으며 소화전 인입관의 실제 직경과 관길이를 반영하여 모델을 구축한다. 이를 통해 인입관에서 발생가능한 마찰손실을 고려할 수 있다. 이때, 수두손실은 인입관 내 용수가 소화전으로 방출되는 과정에서 발생하는 다양한 미소손실을 고려하기 위해 Minorloss Coefficient를 적용한다. H1은 소화전 절점을 의미하고 소화전의 실제 제원을 절점에 입력한다. 이때, 소화전의 높이를 고려하고 이를 통해 수직이동이 발생가능한 손실을 모의에 반영하고 소화전의 유출부 특성을 고려하기 위해서 EPANET의 Emitter 기능을 활용하여 Discharge Coefficient를 적용한다. 따라서, 배수본관에서 분기하여 소화전을 통하여 실제 방출될 수 있는 유량을 결정하기 위해서는 Minorloss Coefficient와 Discharge Coefficient를 산정해야 한다. 즉, Minorloss Coefficient는 배수본관에서 분기한 후 소화전 유출부까지 용수가 도달할 때 발생하는 다양한 수두손실을 고려하기 위함이며, Discharge Coefficient는 소화전의 구조 및 유출부의 형상에 따라 용수 방출 시 발생하는 유량에 대한 계수를 의미한다.
Minorloss Coefficients는 Kim et al. (2020)에서 제안한 방법을 적용하여 산정하였다. American Water Works Association (AWWA)에서 제공하는 직경 63.5 mm 소화전의 유량-손실수두 관계곡선을 적용하여 소화전을 통과하며 발생하는 손실을 수리해석에 반영하였다. Fig. 3(a)는 직경 63.5 mm 소화전의 구조이고, (b)는 제안된 유량-손실수두 관계곡선과 수리해석 반영을 위해 환산한 곡선을 나타낸다. 제안된 관계곡선을 수리해석에 적용하기 위해서는 구축된 모델 인입관에 적절한 Minorloss Coefficients을 산정해야한다. 따라서, 시행착오법을 통해 임의의 소화전 수리해석 모델을 만든 후 Minorloss Coefficients별 유량-손실 관계곡선을 작성 한 후, AWWA에서 제안한 관계곡선과 가장 일치하는 곡선을 선정하여 Minorloss Coefficients를 산정하였다.
본 논문은 Fig. 3(a)는 한국소방공사에서 제공하는 옥외소화전의 표준규격으로 본 논문에 적용하여 소화전의 제원을 산출 하였다. Fig. 4(a)에 의하여 방출부 직경 65 mm, 급수관부터 방출부까지의 높이 1,110 mm를 사용하고 급수관의 길이는 평균길이인 10 m로 사용하였다. Minorloss Coefficient는 선정한 관경에 따라 적정유속 확보를 위한 필요유량을 산정한 후 제시한 Fig. 3(b)의 유량-손실수두 관계곡선과 일치 할 수 있도록 선정한다. 해당 산정은 시행착오법을 사용하였으며, 국내 옥외소화전 표준 규격에 따라 방출부 직경 65 mm의 Minorloss Coefficient는 1.56으로 도출하며, 선정한 유량-손실수두 곡선은 Fig. 3(b)와 같다. 산정된 Minorloss Coefficient는 수정한 수리모델 내 인입관(P0)의 Loss Coefficient 값으로 적용하여 수리해석을 실시하였다.
EPANET의 Emitter는 노즐이나 오리피스의 흐름을 모의하기 위한 기능으로, Discharge Coefficient 및 압력에 따라 유량이 결정된다. 주로 Emitter 기능은 관의 누수를 모의하거나 화재에 의한 소방용수의 사용량 등을 모의하는데 이용된다. 해당 기능을 통해 소화전 방출부에서 발생하는 오리피스 손실을 고려하였다. 이때, 유량 산정 공식은 Eq. (1)과 같으며 여기서, Q는 유량, C는 Discharge Coefficient, p는 압력, 는 압력지수(일반적으로 0.5를 적용)를 의미한다.
소화전 절점에서의 Discharge Coefficient는 Water Supply and Waste Water Removal에서 제안하는 직경 2.5 inch (=65 mm) 소화전의 유량산정 공식을 통하여 선정한다. 제안된 공식은 Eq. (2)와 같으며 해당 공식을 CMD 단위로 환산을 거친 결과는 Eq. (3)과 같다. 수리해석 프로그램에 사용되는 Emitter 기능의 유량 산정 공식은 Eq. (1)과 같이 C이므로, Discharge Coefficient 값을 1,093.37로 선정 가능하다. 산정된 Discharge Coefficient 값은 수정한 소화전 수리모델 내 소화전 절점(H1) Emitter 값으로 적용한다.
여기서, Q는 유량(l/m), p는 압력(KPa)
여기서, Q는 유량(m3/day), p는 압력(m)
2.2 이토변을 고려한 수리해석 방법
이토변은 관내 유입 및 퇴적된 이물질이나 스케일을 제거하기 위하여 용수를 관 밖으로 배출하는 시설이다. 상수도시설기준에 따라 이토변의 직경은 주배관 관경의 1/2~1/4 정도로 설정하고, 가능하면 치수가 큰 것을 선택하도록 제안하고 있다.
Fig. 4는 상수관망에서의 이토변 개략도를 나타낸다. 소화전의 구조와 달리, 이토변의 구조는 추가적인 인입관 등을 고려하지 않아도 되기 때문에 용수 방출에 따른 미소손실만을 고려하였다.
Fig. 5는 상수관망 모델 내 이토변 반영 전·후 개략도이다. V0는 이토변 절점으로 절점 J1과 J2 사이의 실제 거리를 기반으로 위치를 선정한다. 기존 절점인 J1과 J2의 거리에 대한 비율로 고도를 입력하며 이토변의 Discharge Coefficient는 이토변 유출부 특성과 직경에 따라 결정된다.
본 논문에서 이토변을 사용하는 플러싱 공법의 적용은 이토변을 전부 개방하여 세척한 용수를 배출하는 것으로 가정하였다. 플러싱 시행 시 이토변은 작은 유출부로 용수를 배출하는 오리피스의 특징을 갖는다. 이토변 유출부로 방출되는 유량은 Eq. (4) 오리피스 공식을 통해 산정하였다. 여기서 Q는 유량, A는 유출구 단면적, Cc는 유출계수를 의미한다.
수리해석 과정에서 절점 간 수두차는 압력차로 나타낼 수 있어, Eqs. (1) and (4)를 연립하여 수리해석 모델 내 Emitter의 값을 선정한다. Eq. (4)의 유출계수는 이토변 유출부 형상에 따라, 단면적은 이토변 유출부의 직경에 따라 결정된다. 따라서, 이토변의 Discharge Coefficient는 유출부 단면적, 유출계수, 의 곱으로 사용한다.
본 논문은 상수도시설기준에 따라 유출구 직경은 주배관 관경의 1/2~1/4인 150 mm를 사용하고, 유출계수의 경우 EPANET에서 제공하는 Table 2에 의하여 Standard tee - flow through run 0.6 값을 사용하였다. 따라서, Table 2의 유출계수를 Eq. (4) Cc에 적용하여 Discharge Coefficient는 4,057.765을 산정하였으며, 수정한 수리모델 내 이토변 절점(V0)의 Emitter 값으로 적용하였다.
Table 2.
Minor loss coefficients for selected fittings (EPANET user manual(Lewis, 2000)
3. 상수관망 적용 결과
3.1 예시관망 수리해석 결과
소화전과 이토변은 압력과 유량계수에 의해서만 방출 가능한 유량이 결정되어 별도의 기본수요량(Base Demand)을 할당하지 않는다. 이에 EPANET으로 플러싱 적용시 발생하는 소화전과 이토변의 영향을 고려하기 위해서는 손실 및 유량계수의 적용이 필요하다. 또한, 분석시 주변 수용가의 단수를 가정하기 때문에 손실 및 유량계수가 산정되지 않을 경우 방출가능한 유량에 대한 모의가 불가능해 계수의 적용이 필요하다.
본 장에서는 2.1과 2.2장에서 제안한 수리해석 방법을 예시관망에 적용하여 효과를 비교하였다. 적용한 예시 관망은 Fig. 6과 같으며 1개의 배수지와. 12개의 절점, 13개의 관로로 구성된다. 해당 관망 내 동일지점에 소화전 또는 이토변을 추가한 후 수리해석을 실시하여 결과를 도출하고, 도출된 결과를 통하여 플러싱의 적용 가능성을 판단하고 소화전과 이토변의 영향을 비교·분석하였다.
예시관망의 경우 직경 200 mm 관으로 구성되며, 적정유속은 AWWA에서 제안한 0.9 m/s를 기준으로 분석하였으며, 연속방정식에 의하여 적정유속 0.9 m/s를 확보하기 위한 직경 200 mm 관의 최소 필요유량은 2,442.9CMD로 산출된다.
Fig. 7는 임의의 지점에서 소화전과 이토변 추가 전후에 따른 모델로, 소화전 추가 모델 구축시 Dummy node를 활용하여, 배수본관으로부터 소화전까지의 주손실과 급축소·확대 등에 의한 미소손실을 고려하였다. 인입관을 구축하지 않을 경우 해당 손실을 고려할 수 없어 비현실적인 결과가 도출될 수 있다.
세척 구간 내 소화전과 이토변의 활용이 모두 가능할 경우, 제안한 방법론에 따라 플러싱 적용에 따른 세척 효과를 분석가능하다. 예시 관망 내 동일한 지점에서 소화전과 이토변의 세척유속을 비교한 결과는 Table 3과 같다. P before의 경우는 제안한 소화전, 이토변을 고려한 수리해석 모델을 적용하지 않은 배수본관의 압력으로, 기구축된 상수관망 모델에 소화전 절점을 추가한 후 Base Demand를 할당하여 유속을 검토하게 된다. 이때, Base Demand는 소화전 또는 이토변의 방출유량을 의미하지만 해당 값은 수리해석을 통해 산정되는 결과값으로 시행착오를 통해서만 산정 가능하다. 또한, 상황에 따라 불출수 등에 의해 충분한 압력 확보가 어려울 수 있으며, 소화전 또는 이토변 방출 시 발생하는 손실을 고려할 수 없어 정확한 유속과 압력 산정에 어려움이 있다. 또한, 소화전 및 이토변을 추가한 모델과 비교할 경우 압력, 방출유량 및 유속 모두에서 큰 차이가 발생함을 알 수 있다. 모든 손실을 고려하지 않은 수리해석 결과 0.83~1.19 m/s의 유속이 확보됨을 확인할 수 있으며, 이는 선정한 적정유속 기준 0.9 m/s에 비하여 세척 유속 확보되었다고 판단하는데 어려움이 있는 값을 보인다. 소화전을 고려한 수리해석 결과는 0.74~1.05 m/s의 유속이 확보되었으며, 이는 소화전에 의한 손실이 고려되어 더 느린 유속 값을 보인다. 따라서, 전체 구간을 한번에 세척하는 경우는 선정한 적정유속(0.9 m/s) 대비 유속확보에 어려움이 있어 세척효과가 미미할 것으로 판단된다. 이토변을 고려한 수리해석 결과는 0.92~1.32 m/s의 유속이 확보 가능하다. 해당 결과는 모든 관에서 0.9 m/s 이상의 유속 결과를 확인할 수 있으며, 곡선구간의 추가적인 손실을 고려하더라도 충분한 관 내 유속 확보가 가능해 관세척 효과가 있을 것으로 검토된다.
플러싱 적용 시 이토변을 활용 하는 경우, 소화전 대비 28.98% 이상의 유량이 방출 가능하고 모든 관에서 0.18~0.27 m/s 이상의 유속확보가 가능하다. 이는 소화전보다 이토변을 활용할 경우 적정유속 확보에 유리함을 시사하며, 예시관망에서 소화전만을 활용한 플러싱을 적용할 경우 제수밸브를 통해 세척구역을 구분한 후 세척을 진행하는 것이 세척유속 확보에 유리할 것으로 사료된다.
Table 3.
Comparison of hydraulic analysis results of each models
3.2 대상지역
대상지역은 A시의 일부 구역(이하 A시)으로, 상세한 위치는 Fig. 8과 같다. 29개의 절점, 31개의 관, 9개의 소화전, 17개의 제수밸브로 구성되며, 수원으로부터 12,215CMD의 용수를 공급받으며, 9개의 소화전, 2개의 이토변, 17개의 제수밸브. 29개의 절점, 31개의 관으로 구성되어 있다. A시는 관망의 규모 대비 제수밸브와 소화전의 수가 많으며, 관로의 분기점 또는 곡선구간 전·후 등 적절한 위치에 분포되어 플러싱을 적용하는데 유리한 조건을 갖춘 지역이다. 본 연구에서는 제안한 방법론에 따른 플러싱을 해당 지역에 적용하여 적정 유속확보 여부를 분석하였다.
대상지역의 세척을 위한 구간은 선행연구에서 제안된 기준을 따라 선정한다. Antoun et al. (1999)은 플러싱 적용시 박리된 스케일이 주변으로 확신되는 것을 예방하기 위해 Loop형식의 세척구역 구분을 제안하였다. 따라서, 세척구역의 주입점을 확인하여 블록단위의 Loop를 구분한 후 Kim et al. (2020)이 제안한 세척구간 정의 기준에 따라 구간을 구분하였다.
구분한 세척구간은 재오염을 방지하기 위해 주입점과 근접한 Loop부터 세척을 실시하며, 순서에 따라 1st Loop와 2nd Loop로 구분하였다. 본 연구에서는 소화전과 이토변의 세척효과 비교가 가능한 1st Loop에 대해서 분석 및 비교를 실시하였다. Loop 내 세척구간의 선정기준은 (1) 구간 내 미소손실 구간이 최대한 존재하지 않아야 한다. (2) 구간 내 관경이 최대한 동일해야한다. (3) 구간은 적정한 길이를 산정해야 한다. 이며, 세척구간의 수립은 먼저 소화전과 제수밸브의 위치를 기준으로 선정한다. 대상지역 내 이토변이 존재하더라도 그 수가 적어 구간을 선정시 제안된 기준에 맞는 세척구간의 선정이 어려워, 소화전의 위치를 기준으로 세척구간을 먼저 정의한 후 소화전과 이토변 분석을 통해 세척유속을 분석하였다.
3.3 실제 상수관망 수리해석 결과
Fig. 9는 대상지역의 세척구간을 구분한 결과로 두 개의 Loop로 구성된다. 검은색으로 표시된 구간은 말단부에 소화전이 위치하지 않아, 세척이 불가능한 구간을 나타낸다.
Loop 내 세척구간은 구간 내 곡선구간이 최대한 존재하지 않고, 관경이 동일하고, 적절한 길이를 갖도록 선정해야한다. 세척기준에 따라 1st Loop는 구간 A, B, C, D로 구분하였으며 그 결과는 Table 4와 같다. 본 연구에서는 소화전과 이토변의 세척효과 비교가 가능한 1st Loop에 대해서 분석 및 비교를 실시하였다.
세척구간 A, B는 관경이 동일하고, 두 구간을 통합한 세척길이가 602.72 m로 지나치게 길어지지는 않으나, 구간 사이 곡선구간이 존재하여 개별 세척구간으로 정의하였다. 세척구간 C,D 또한 곡선구간을 고려하여 개별 세척구간으로 구분하였다. 세척구간 D의 경우 구간 내 관경이 동일하지 않지만, 관경에 따라 두 구간으로 구분할 경우 세척구간의 길이가 100 m 이하로 감소한다. 이 경우 소화전 및 밸브 개폐 작업성의 효율성이 떨어지게 되어, 관경이 다르지만 같은 세척구간으로 정의하였다. 정의한 세척구간과 세척구간 별 소화전 플러싱 적용 수리해석 결과 유속은 Table 4와 같다. 수리해석 결과 모든 구간에서 적정유속(0.9 m/s) 이상 확보가 가능하여 플러싱 적용이 가능할 것으로 판단된다.
Table 4.
Properties of flushing section in 1st Loop
| Loop | Section |
Diameter (mm) |
Length (m) |
Velocity (m/s) | Hydrant |
| 1st | A | 250 | 187.72 | 1.36 | H1 |
| B | 250 | 415.00 | 1.28 | H2 | |
| C | 200 | 398.95 | 1.88 | H3 | |
| D | 250 | 56.31 | 1.21 | H3 | |
| 200 | 145.83 | 1.90 |
대상지역 내 이토변은 1st Loop 내에만 존재한다. 이토변을 활용해 플러싱 공법을 적용 할 경우 소화전 대비 큰 방출유량을 확보 할 수 있어 다수의 구간을 한번에 세척 가능하다. 대상지역은 소화전을 활용한 세척에서도 적정유속을 상회하는 유속값을 보이기 때문에 이토변을 활용해 Loop 전체를 세척하는 방법을 분석하였다.
1st Loop 내에서 소화전과 이토변을 활용한 수리해석 비교 결과는 Table 5 및 Fig. 10과 같다. 이토변을 활용해 플러싱 공법을 진행 할 경우 한번에 Loop 내 모든 관을 세척 가능하다는 장점이있다. 이 경우 밸브의 조작을 최소화하고 세척을 위한 시간이 단축되는 등 여러 있지만 소화전 대비 과다한 용수가 사용될 가능성이 있다. 또한, 구간 내 곡관부가 많고 2종류의 관경으로 구성되어 와류등의 고려하지 못한 손실이 발생할 수 있다. 세척길이는 1st Loop 799.86 m와 세척구간 C의 일부 398.95 m로 구성되어 총 1,198.81 m로 기준 길이 이상의 구간을 세척한다. 대상지역의 경우 이토변을 통해 1.89~2.95 m/s의 유속이 확보 가능하여 적정유속 대비 2배 이상의 유속이 확보 가능하다. 이는 구간 내 발생가능한 미소손실을 감안하더라고 세척효과가 있다고 판단할 수 있다. 만약, 이토변을 활용이 가능하고 플러싱을 적용한 시간이 부족할 경우, 밸브 개폐 및 소화전 운용 시간 등을 감축 가능한 이토변을 활용하는 방법이 적합하다. 대상지역이 자주 수질사고가 발생하는 경우는 소화전을 통해 각 관을 세척하는 것을 우선적으로 고려하여 손실을 최소화한 유속 분석을 통해 관 내 스케일을 제거하는 것이 적합하다. 이처럼 대상지역의 특징, 소화전과 이토변의 수리해석 결과와 단수 계획 등을 복합적으로 고려한 플러싱 적용이 필요하다.
4. 결 론
본 연구는 소화전과 이토변의 영향을 고려한 플러싱 수리해석방법을 제시하고, 실제 상수관망에 적용하여 소화전과 이토변의 적정유속 및 세척효과를 비교하였다. 기존 진행되던 플러싱은 적정유속 및 세척구간 정의에 관한 연구가 주로 진행되었으나, 실제 상수관망에 관내 적정유속 확보여부를 분석하는 방법에 관한 연구는 미흡하여, 플러싱 적용 시 세척효과를 판단하는 데 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 Minorloss Coefficient와 Emitter Coefficient를 통해 소화전과 이토변의 영향을 고려한 플러싱 수리해석 방법을 제안하여 세척 시 관내 유속을 분석하였다. 제안한 방법을 통해 수리해석을 실시할 경우 소화전 및 이토변을 통해 방출가능한 유량와 관별 세척유속을 산정할 수 있다. 본 논문에는 기존 수리해석 모델을 수정하여 더미절점과 소화전 또는 이토변을 절점을 추가 한 후 주손실과 미소손실계수를 활용해 실제 발생 가능한 수리학적 손실을 모델링 상에 반영하였다. 따라서 기존 수리해석 모델 대비 보다 정확한 세척유속을 산정할 수 있으며, 이 결과는 플러싱공법의 적용 가능성을 파악 등에 적용 될 수 있다.
분석한 세척유속은 플러싱 적용 전 세척효과를 판단 할 수 있는 지표로 사용가능하고, 플러싱 계획 수립시 적합한 유속을 확보하기 위한 도구로 사용될 수 있다. 본 연구에서 제안하는 세척유속 기준은 기존 연구들을 바탕으로 0.9 m/s로 산정하였으나, 실무자의 판단 등에 의해 더 낮은 유속 기준으로도 세척이 가능할 것으로 판단되는 경우 적정 유속기준을 변경하여 플러싱 공법 적용 계획을 수립할 수 있다. 따라서, 수리해석 결과를 바탕으로 실무자는 대상지역의 플러싱 적용가능 여부와 플러싱 계획을 수립할 수 있다. 하지만, 효율적으로 플러싱공법을 적용하기 위해서는 밸브를 닫아 구역을 고립시키고 세척순서를 결정하는 방안이 필요하다.
향후 연구에서는 관로의 유속 및 손실계수의 실험적인 검토와 세척구역을 선정하고 세척순서를 도출하여 플러싱 계획을 수립하는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 효율적인 플러싱공법 적용을 위해서는 세척순서를 결정하고 이토변과 소화전을 활용을 체계적으로 정리한 플러싱 계획 수립 방안이 필요하며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
