Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 30 November 2023. 697-703
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2023.56.11.697

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 수정 간접평가법

  •   2.1 평가항목

  •   2.2 관두께 예측

  •   2.3 점수산정 방법

  • 3. 가중치

  •   3.1 가중치 조정

  • 4. 분석결과

  •   4.1 수정 간접평가법 적용

  •   4.2 직접평가법과 비교

  • 5. 결 론

1. 서 론

최근 상수관의 노후화로 인해 상수도 사고가 빈번하게 발생하고 있으며 사고 원인으로는 관부식, 관파손, 지반 함몰, 용수공급 중단, 수질사고 등이 있다. 이러한 사고를 해결하기 위해서는 상수관 실태조사를 통해 노후상수관을 개선하여야 한다. 간접평가법은 조사대상 구간의 노후도 평가항목에 따라 분할 또는 그룹화하여 노후도 평가를 진행하며 이를 통해 노후도를 판단하고 노후된 상수관으로 추정한 관로에 대해 지자체에서 조사한 수도관에 관련된 현안문제 등을 기초로 하여 직접평가를 위한 조사대상을 결정한다. 그러나 노후상수관에 대해 직접조사를 실시하게 되면 조사에 따른 막대한 예산과 단수로 인해 주민들의 불편이 발생하게 되며 간접평가법에서는 노후관으로 파악되었지만 직접조사 시 관 상태가 좋은 경우가 발생하게 된다. 따라서 간접평가법의 정확도를 높인다면 직접평가법에 의한 시간적, 경제적 부담을 대폭 해소할 수 있을 것이다.

Kim et al. (2002)은 상수관의 노후도 주요 인자를 굴착 및 실험분석이 필요한 14개 인자와 굴착 및 실험분석이 불필요한 9개 인자로 구분하여 노후도 평가모델을 개발하였다. 개발한 모델로 노후도를 평가하면 굴착 및 실험분석이 필요한 14개 인자와 불필요한 9개 인자를 이용한 모델의 결과는 큰 차이가 없는 것으로 판단하였다. 노후도 항목과 가중치 산정을 체계적이고 정량적으로 제시하였으며 추후 노후도 평가 모델 개발 시 많은 도움이 된다고 판단하였다.

Choi et al. (2012)은 관 내시경을 통해 침적물 두께, 스케일 크기, 박리정도, 접합부 상태를 조사하여 간접적으로 관의 노후도 평가하였다. 간접평가인자와 관 내시경 조사결과로 상관관계를 분석한 결과 매설년수, 도장재질, 도로구분, 누수건수, 평균유속 순으로 관 노후도에 영향을 미치지만 관종, 관경, 평균수압은 영향을 미치지 않는 것으로 판단하였다. 하지만 유속 변화량, 수압변화량과 같은 다양한 자료가 추가되면 보다 정확한 노후도 평가를 수행할 수 있다고 판단하였다.

Kim et al. (2014)은 대구경 관로의 노후도 평가를 위해 1955년 평가법, 2002년 평가법, 상태평가법을 비교하여 노후도 평가모형을 개발하였다. 3가지 노후도 평가방법 인자 중 중복되는 인자 4개와 2개 이상의 평가방법에서 중복되는 인자 6개를 선정하여 총 10개의 인자를 선정하였다. 이때 가중치는 실측치와 기존 평가방법을 이용하여 다중회귀분석을 통해 산정하였다.

Park et al. (2014)은 경과년수에 따른 상태지수를 통해 노후상태를 파악하였고 간접평가법과 상관성분석으로 상대안전진단 추정식을 제안하였다. 또한 관망의 특성을 적용하여 관망 상태 변화 회귀식을 산출하고 관종별 노후화 모델을 제시하였으며 간접평가법의 노후화 경향을 비교하여 신뢰성을 확인하였다.

본 연구에서는 기존에 사용중인 간접평가법의 평가항목 변경과 가중치 조정을 통해 수정 간접평가법을 제안하고 실제 상수관망에 적용하여 직접평가법에 의한 결과와 비교 분석하였다.

2. 수정 간접평가법

2.1 평가항목

상수관로 정밀조사 매뉴얼(ME, 2020)의 평가항목은 Table 1과 같이 11개 항목을 조사하게 된다. 간접평가 항목은 관종별로 다르며, 본 연구에서는 관 내부에 부식이 발생할 수 있고 가장 많이 사용되고 있는 DCIP (Ductile Cast Iron Pipe)를 대상으로 연구를 진행하였다. 부식으로 인한 관두께 감소로 관파손이 발생할 수 있고 부식으로 인한 적수와 흑수로 수질사고 발생 등 관 노후화에 영향을 미치는 중요한 평가항목으로 판단하였다. 그리고 DCIP에 대한 평가항목 중 강관 평가항목인 전기부식과 플라스틱관 평가항목인 토양종류를 제외하였다.

Table 1.

Evaluation factors of the indirect evaluation method

Pipe
type
Indirect evaluation method
Factor Unit Note
DCIP Pipe diameter mm
Service year Year
Water quality corrosion LI
Soil corrosion Ω-cm
Electron-Chemical protection - -
Lay depth m
Road type -
Maximum water pressure kgf/cm2
The number of damages Case/km/year
Valve/Waterworks density Count/100m
Soil type - -
Pipe thickness mm -

2.2 관두께 예측

관두께는 매설 경과년수가 경과함에 따라 부식이 발생하여 관두께가 감소하게 된다. 관두께를 예측하기 위해 Nahal and Khelif (2014)은 아래 Eq. (1)의 관 부식으로 인한 관두께 변화식을 제안하였다.

(1)
d=kctn

여기서, d는 관의 부식깊이(mm), kc는 부식속도(0.066), t는 경과년수, n은 부식상수(0.53)이다. 또한, Romanoff (1957)는 15년동안 지속적으로 부식깊이를 실측하였으며 Fig. 1과 같이 Nahal and Khelif (2014)의 관두께 변화식과 Romanoff (1957)의 실측한 데이터를 그래프로 나타내고 있다. 본 연구에서는 Romanoff (1957)의 경과년수에 따른 부식깊이 실측치를 사용하여 관두께 변화를 예측하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2023-056-11/N0200561101/images/kwra_56_11_01_F1.jpg
Fig. 1.

Corrosion depth according to service year

2.3 점수산정 방법

각 개별관로의 점수산정 방법은 평가항목 조건 값에 가중치를 곱한 값의 합을 가중치 합으로 나눈 후 매설년수에 따른 노후도 보정계수를 곱하여 점수를 산정한다. 개별 관로 점수 계산방법은 아래 Eq. (2)와 같다.

(2)
DP=i=1n(fiwi)i=1nwi×Cc

여기서, DP는 관종별 개별관로의 상태점수, fi는 관종별 평가항목의 조건 값, wi는 관종별 평가항목의 가중치, Cc는 매설년수에 따른 관상태 보정계수, n은 관종별 평가항목 수이다. 관상태에 따른 보정계수는 경과년수에 따라 Table 2와 같이 결정하며 관종별 평가항목의 조건 값은 범위에 따라 Table 3과 같이 결정한다. 관두께의 범위에 따른 조건값은 직접평가법의 평가항목에서 관두께 점수 산정방법을 사용하였다.

Table 2.

Correction coefficient (Cc) according to service year

Service year Correction coefficient
0 ∼ 10 years 100
10 ∼ 20 years 90
20 ∼ 30 years 80
More than 30 years 75
Table 3.

Range of indirect evaluation factors

Indirect evaluation method
Factor Range Value Factor Range Value
Pipe diameter
(mm)
Less than 300 0.00 Road type Expressway, industrial road 0.00
300∼500 0.35 2 lanes one way 0.50
500∼800 0.70 1 lane one way 0.70
800 or more 1.00 Side road 1.00
Service year
(Year)
More than 30 0.00 Maximum water
pressure
(kgf/cm2)
More than 7.0 0.00
20∼30 0.35 5.0∼7.0 0.35
10∼20 0.70 3.0∼5.0 0.70
10 or less 1.00 3.0 or less 1.00
Water quality
corrosion
(LI)
Less than 2 0.00 The number
of damages
(Case/km/year)
More than 1.0 0.00
-2∼-1 0.35 0.75∼1.0 0.25
-1∼0 0.70 0.5∼0.75 0.50
0 or more 1.00 0.25∼0.5 0.75
Soil corrosion
(Ω-cm)
700 or less 0.00 0.25 or less 1.00
700∼1,000 0.20 Valve/
Waterworks density
(Count/100m)
More than 5.0 0.00
1,000∼1,200 0.50 3.0∼5.0 0.35
1,200∼1,500 0.80 1.0∼3.0 0.70
1,500∼2,000 0.90 1.0 or less 1.00
More than 2,000 1.00 Soil type - -
Electron-Chemical protection - - Pipe thickness
(%)
More than 10 0.00
Lay depth
(m)
More than 3.0 0.00 10∼7.5 0.25
2.0∼3.0 0.75 7.5∼5 0.50
1.0∼2.0 1.00 5∼2.5 0.75
1.0 or less 0.10 2.5 or less 1.00

각 개별관로의 점수 산정 후 Table 4와 같이 노후상태 등급을 3단계로 구분한다. 1등급인 경우 양호한 상태로 계속 사용하거나 세척이 필요하고 2등급은 노후진행 상태로 세척 또는 갱생을 실시해야 하며 3등급의 노후추정은 교체까지 검토가 필요한 수준으로 판단할 수 있다.

Table 4.

Grade of aging condition

Pipe type Status grade Indirect evaluation method Pipe aging condition prediction
DCIP 1 More than 45 Good condition
2 35 ∼ 45 Old age progress
3 less than 35 Old age estimation

3. 가중치

3.1 가중치 조정

수정 간접평가법에 관두께의 가중치를 배분하기 위해 실제 현황 반영이 어려운 항목들의 가중치를 조정하였다. 수질 부식성은 배수지가 동일한 관망일 경우 모든 관이 동일한 값을 적용하기 때문에 하향 조정하였다. 토양부식성은 대부분 자료가 부족하며, 직접평가 시 선정된 관로의 토양부식성을 조사하여 간접평가법에 적용하기 때문에 하향 조정하였다. 매설깊이는 매설깊이 기준을 준용하여 값을 결정하거나 GIS자료에 수록된 매설깊이를 사용하기 때문에 하향 조정하였고 도로형태 또한 대부분 공통된 값으로 반영하기 때문에 하향 조정하였다. Table 5와 같이 기존 DCIP 간접평가 9개 항목 중 수질부식성, 토양부식성, 매설깊이, 도로형태의 가중치 비중을 낮추고 수정 간접평가법에 추가된 관두께의 가중치를 추가하였다.

Table 5.

Weights of indirect evaluation method and modified indirect evaluation method

Pipe
type
Indirect evaluation method Modified indirect evaluation method
Factor Weight Factor Weight
DCIP Pipe diameter 0.0520 Pipe diameter 0.0520
Service year 0.2360 Service year 0.2360
Water quality corrosion 0.0340 Water quality corrosion 0.0054
Soil corrosion 0.0710 Soil corrosion 0.0113
Electron-Chemical protection 0.0000 Electron-Chemical protection 0.0000
Lay depth 0.0380 Lay depth 0.0061
Road type 0.0390 Road type 0.0062
Maximum water pressure 0.1250 Maximum water pressure 0.1250
The number of damages 0.2490 The number of damages 0.2490
Valve/Waterworks density 0.1560 Valve/Waterworks density 0.1560
Soil type 0.0000 Soil type 0.0000
Pipe thickness 0.0000 Pipe thickness 0.1530
Total 1.0000 Total 1.0000

본 연구에서 적용한 계층화분석법(Analytic Hierachy Process)은 각 평가인자의 중요도를 도출하는 분석 방법으로 쌍대비교를 통해 각 요인 간의 상대적인 가치를 측정함과 동시에 설정한 중요도를 토대로 일관성을 판단하기 위한 분석 방법이다. 본 연구에서는 기존 간접평가법의 9개에서 수질부식성, 토양부식성, 매설깊이, 도로형태, 관두께 평가항목의 가중치를 변경한 5개를 평가인자로 선정하였고 이때 가중치를 중요도로 선정하여 분석을 진행하였다. 그 결과 Table 6과 같이 수질부식성, 토양부식성, 매설깊이, 도로형태, 관두께 평가항목만 변경했을 때 평가인자 점수가 9.495로 기존 간접평가법의 9.060보다 높은 점수로 분석되어 관두께의 가중치를 0.1530으로 결정하였다.

Table 6.

Assessment results according to evaluation method

Evaluation method Assessment grade
Indirect evaluation method 9.060
Modified indirect evaluation method 9.495

4. 분석결과

4.1 수정 간접평가법 적용

본 연구에서는 칠곡군(ME, 2023a) 5개, 청도군(ME, 2023b) 6개, 포항시(ME, 2021) 6개. 성주군(ME, 2023c) 4개, 영천시(ME, 2022) 8개, 총 23개의 자료를 통해 수정 간접평가법으로 등급을 재평가하였다. Table 7은 각 지역을 간접평가법으로 노후상태를 평가한 결과로 칠곡군은 541.98 km중 30년 경과한 관이 14.810 km, 노후관으로 추정된 관이 79.139 km이며 성주군은 430.180 km중 30년 경과한 관이 0.970 km, 노후관으로 추정된 관이 40.263 km이고 청도군은 652.220 km중 30년이 경과한 관이 12.600 km, 노후관으로 추정된 관이 41.294 km이다. 영천시는 958.740 km중 30년이 경과한 관이 4.666 km, 노후관으로 추정된 관이 106.455 km이고 포항시는 1,842.253 km중 30년이 경과한 관이 157.826 km, 노후관으로 추정된 관이 289.747 km으로 나타났다. 본 연구에서 재평가를 진행한 관의 종류는 DCIP관이며 관경은 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm관을 대상으로 평가를 진행하였다. Table 8은 직접평가법에 의한 실측 관두께 측정치이다. Table 9는 수정 간접평가법으로 등급을 재평가했을 때 기존 간접평가법과 직접평가법의 등급 변화를 비교하였다. 간접평가법에서 개량방안으로 1등급은 상태양호 또는 세척, 2등급은 세척 또는 갱생, 3등급은 교체 또는 갱생으로 판단하였고 직접평가법에서 개량방안으로 1등급과 2등급 그리고 3등급은 상태양호 또는 세척, 4등급은 세척 또는 갱생, 5등급은 교체 또는 갱생으로 판단한다. 수정 간접평가법과 직접평가법의 정확도를 비교할 때 간접평가법 1등급을 직접평가법 1등급, 2등급, 3등급과 일치하고 간접평가법 2등급을 직접평가법 4등급과 일치하며 간접평가법 3등급을 직접평가법 5등급과 일치한 것으로 판단하였다.

Table 7.

Pipe length according to service year by region

Region Pipe aging
condition prediction
Pipe length
(km)
Ratio
(%)
Chilgok Good condition 376.85 69.53
Old age progress 85.99 15.87
Old age estimation 79.14 14.60
Cheongdo Good condition 562.91 86.31
Old age progress 48.02 7.36
Old age estimation 41.29 6.33
Pohang Good condition 1,220.670 66.26
Old age progress 331.837 18.01
Old age estimation 289.747 15.73
Seongju Good condition 371.11 86.27
Old age progress 18.81 4.37
Old age estimation 40.26 9.36
Yeongcheon Good condition 707.06 73.75
Old age progress 145.23 15.15
Old age estimation 106.45 11.10
Table 8.

Actual measurements of corrosion depth of each pipes

Region Pipe No. Pipe type Diameter
(mm)
Thickness
(mm)
Corrosion depth
(mm)
Corrosion rate
(%)
Chilgok 00691 DCIP 100 7.00 0.95 13.57
00848 DCIP 100 7.00 0.86 12.29
00322 DCIP 150 7.10 0.76 10.70
02189 DCIP 150 7.10 1.24 17.46
00177 DCIP 150 7.10 1.18 16.62
Cheongdo 003181 DCIP 100 7.00 1.33 19.00
003602 DCIP 100 7.00 1.06 15.14
003496 DCIP 100 7.00 0.71 10.14
00781 DCIP 100 7.00 0.60 8.57
004708 DCIP 150 7.10 0.83 11.69
003077 DCIP 200 7.30 0.81 11.10
Pohang 01587 DCIP 100 7.00 0.76 10.86
00072 DCIP 150 7.10 0.79 11.29
11405 DCIP 150 7.10 0.89 12.54
11346 DCIP 200 7.30 0.82 11.23
17855 DCIP 200 7.30 1.47 20.14
11801 DCIP 250 7.40 0.92 12.43
Seongju 159 DCIP 100 7.00 0.70 10.00
201 DCIP 150 7.10 0.60 8.45
297 DCIP 200 7.30 0.57 7.81
214 DCIP 250 7.40 0.51 6.89
Yeong-
cheon
003548 DCIP 100 7.00 1.48 21.14
007085 DCIP 100 7.00 0.97 13.86
006929 DCIP 100 7.00 0.97 13.86
008041 DCIP 150 7.10 0.98 13.80
002253 DCIP 150 7.10 1.23 17.32
007755 DCIP 150 7.10 0.56 7.89
008215 DCIP 200 7.30 0.57 7.81
004262 DCIP 250 7.40 1.04 14.05
Table 9.

Evaluation results of each pipes

Region Pipe No. Indirect evaluation method Modified indirect evaluation method Direct evaluation method
Chilgok 00691 3 3 4
00848 3 3 5
00322 1 3 5
02189 3 3 3
00177 3 3 2
Cheongdo 003181 3 3 5
003602 3 3 5
003496 3 3 5
00781 3 3 5
004708 3 3 5
003077 1 1 5
Pohang 01587 3 3 5
00072 2 3 5
11405 3 3 5
11346 3 3 5
17855 2 3 5
11801 1 3 5
Seongju 159 2 3 5
201 2 3 5
297 2 3 5
214 2 3 4
Yeongcheon 003548 2 3 5
007085 3 3 5
006929 3 3 3
008041 1 3 1
002253 1 3 5
007755 1 3 5
008215 2 3 5
004262 1 1 5

4.2 직접평가법과 비교

기존 간접평가법과 직접평가법의 정확도를 분석한 결과 Table 10과 같이 29개의 관로 중 12(41.38%)개 관로가 일치한 것으로 분석되었다. 100 mm관이 60.00%(6개)로 정확도가 가장 높았으며 200 mm관은 20.00%(1개)로 정확도가 가장 낮았으며 수정 간접평가법으로 분석한 결과 29개의 관로 중 21(72.41%)개 관로가 일치한 것으로 분석되었다. 250 mm관이 100.00%(3개)로 정확도가 가장 높았으며 200 mm관은 60.00%(3개)로 정확도가 가장 낮게 나타났다.

Table 10.

Comparison of indirect evaluation method and modified indirect evaluation method

Diameter (mm) Indirect evaluation method Modified indirect evaluation method
Number of pipe matching pipe accuracy (%) Number of pipe matching pipe accuracy (%)
100 10 6 60.00 10 7 70.00
150 11 4 36.36 11 8 72.73
200 5 1 20.00 5 3 60.00
250 3 1 33.33 3 3 100.00
Total 29 12 41.38 29 21 72.41

수정 간접평가법과 직접평가법을 분석한 결과 노후상수관로의 평가결과에 대한 정확도는 41.38%에서 72.41%로 기존 간접평가법보다 31.03% 높게 분석되었고 모든 관에서 정확도가 상승한 것으로 분석되었다. Fig. 2는 간접평가법과 수정 간접평갑법의 정확도를 비교한 그래프이다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2023-056-11/N0200561101/images/kwra_56_11_01_F2.jpg
Fig. 2.

Match accuracy of indirect evaluation method and modified indirect evaluation method

5. 결 론

본 연구에서는 기존 간접평가법과 수정 간접평가법을 칠곡군, 성주군, 청도군, 영천시에 적용하여 노후도 평가를 진행하였다. 기존 간접평가법에서 관두께 항목을 추가하고 10개의 평가항목으로 분석을 진행하였다. 가중치는 실제 현장에 반영하기 어렵거나 동일한 값을 반영하는 항목인 수질부식성, 토양부식성, 매설깊이, 도로형태의 가중치를 낮추고 관두께의 가중치를 추가하였다. 계층화분석법을 통해 기존 간접평가법과 수정 간접평가법에서 가중치가 변경되는 항목들과 분석을 진행한 결과 평가인자 점수가 9.495로 기존 간접평가법보다 높게 분석되어 관두께 가중치를 0.1530으로 결정하였다. DCIP관 중 관경 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm관을 대상으로 기존 간접평가법과 수정 간접평가법을 직접평가법과 비교를 통해 정확도를 분석하였다. 기존 간접평가법은 23개 중 9개 관이 일치하여 39.13%의 정확도를 나타냈고 수정 간접평가법은 23개중 15개 관이 일치하여 65.22%의 정확도를 나타내면서 정확도는 26.09%가 상승했다. 관 매설율이 높은 100 mm관과 150 mm관의 정확도는 각각 55.56%에서 66.67%로 11.11%상승했고 33.33%에서 66.67%로 33.34% 상승했다. 기존 간접평가는 부식원인 인자인 수질부식성, 토양부식성, 매설깊이, 도로형태를 주요 평가항목으로 반영 하지만 수정 간접평가법은 관부식의 결과인 관두께 변화를 예측하고 반영하여 정확성과 활용성이 향상되었다고 판단된다. 향후 수정 간접평가법을 통해 노후 상수관로 개량 우선순위 선정 시 제한이 많은 직접조사법의 문제들을 보완하여 보다 정확하고 효율적으로 노후관을 선정할 수 있을 것으로 판단된다.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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