Transcript 하수관거 유지관리

하수관거 유지관리의 방법론과
앞으로의 추진방향
중앙대학교 박규홍 교수
([email protected])
* Corresponding address: [email protected]
Department of Civil Engineering, Chung-Ang University,
72-1 Nae-Ri, Daeduck-Myun, Ansung, Kyungki-Do, South Korea
도시 지하기반시설의 가치
• 기존 사회기반시설의 노후화 진행: 필연적
• 노후화에 따른 자산가치하락의 정량화 난해
• 그럼에도 수십~수백 년의 자산가치를 유지
• 지하기반시설의 기능상실의 원인:
– Not 수명
– But 시공시의 작업 질 or 제 3의 피해에 따른 변화
• 지하기반시설의 기능보전의 장기화를 위해:
– 증가하는 환경규제, 고객만족, 정치적 압력에 대처
– 유지관리활동에 관한 체계적인 전략적 접근
– 지속가능한 방법, 더 포괄적이고 종합적 접근
배수체계 성능의 시간적 변화
 욕조(Bathtub) 곡선
– 완료 후 토피와 자동차 등
상부하중 재하시 결함발생
확률이 상대적으로 높음.
– 그 직후 상대적 안정성 유지
결
함
발
생
확
률
– 한참 후 재료특성, 하수이송
능력 저하에 따라 결함이 급
격히 증가
시공직후
시간
우리나라 하수도정책과 하수도사업의 흐름
• 하수처리장 건설에 치우친 정책방향
• 하수처리장 유입수질의 문제 (I/I문제)
• 하수관거정비 원년의 해 (2002년)
• 한강수계 하수관거정비 시범사업 (턴키)
• 댐상류지역 하수도시설 확충사업 (턴키)
• 하수관거정비 BTL사업 (민자사업)
• 책임설계와 책임시공의 중요성
• 책임운영과 책임있는 유지관리의 중요성 부각
 국내외 하수도 유지관리 방법론 정리와 앞으로의 추진
방향에 관한 검토와 정리 필요
하수관거 유지관리 고려사항
• 선별적인 하수관거의 정비
• 사후대응형 유지관리와 사전예방형 유지관리
• 비불량 하수관거 정비에 관한 의사결정 지원시스템
• 퇴적물 발생의 위해
• 결 론
선별적인 하수관거의 정비 (1)
• 1990년대; 영국/미국/호주/일본 등 I/I문제 해결위한 하수
관거정비 사업 진행
• 하수관거조사, 관거의 불량등급 평가, 일반화된 평가기준
마련, 불량과 비불량 구분, 위해도의 대소 구분
• 불량하수관거를 선별하여 보수를 실시
• 이런 평가기준이 유용한 실용 지침이나, 모든 배수유역에
보편성이 있는지?
– 불량지역과 비불량지역의 혼재
– 설치년도가 다른 관망의 혼재
– 관거정비 이력의 유무지역의 혼재
– BTL사업대상지역과 제외지역의 혼재
선별적인 하수관거의 정비 (2)
• 전체시스템 차원의 유지관리에 초점을 두어야!
– 문제는 전체시스템의 일부 요소로 발생
– 기존 하수관거 조사 및 정비 결과 활용 당연
– 미리 선택된 하수관거들에만 유지관리 집중; 위험
• 비불량하수관거의 정비는?
– 비불량 하수관거 ≠ 양호한 하수관거
– 과거 정비대상 제외관거 : 소구경관일 가능성 높음
• 더 넓은 지역에 설치되어 있는 소구경관
• 주민 생활권에 더 밀접한 관련이 있는 소구경관
• 대규모 중요지역 하수관거보다 더 큰 악영향
• 초장기적인 하수관거정비 구상 필요
–
–
–
–
–
1차 관거정비이후 2차관거정비의 방법과 시기
적용공법별 내구연한이 다른 경우에 관한 고려
무한반복보수가 가능한지?
보수보강을 위한 신기술 개발 고려
배수체계에 관한 완전히 새로운 패러다임의 변화?
선별적인 하수관거의 정비 (3)
상태등급A
총 비용
관리비용
보수비 z원
D
보수비 y원
C
`
보수비 X원
B
최적점
예방적 관리
사후관리
계획의 정도
관리예산(누적)
개축공사 z 원
수리 및 개축의 우선순위 결정
개축공사 y 원
개축공사 x 원
초기공사비
기간
5년
10년
 상태평가를 통한 위험도 분석과
15년
사후관리에서 사전예방관리로 ! (1)
• 사후대응형 유지관리전략
–
–
–
–
시설파손에 대한 여파가 작을 때 유리
상황이 발생한 후에 대처하는 수동적 방식
예산의 한도 내에서 관거의 세정 및 청소
관 파괴 발생하면, 발생할 때 비상 보수
• 사전예방형 유지관리전략
–
–
–
–
안전상 중요한 시설물의 경우에 유리
상황을 예측한 계획과 전략을 수립
더 경제적인 전략인 듯 (전세계 공학자들의 공통의견)
하수관거 실태와 성능 파악 및 예측 (Robotics, Laser지반천공,
음파탐지기, 적외선 온도기록계, GIS 등)
– 사전예방형과 사후대응형의 혼합으로 비용최소의 최적화문제
– 관거정비 우선순위 결정 필요(면단위/선단위)
사후관리에서 사전예방관리로 ! (2)
• 전적인 사전예방형 유지관리
– 오히려 비경제적일 수 있음
• 영국의 Orman & Clark (1994)
– 비불량하수관거에 관한 전수조사와 보수; 비경제적임
– 관 파손율이 비정상적으로 높은 소규모지역의 관파손율 저감을
위해 실시해야 함
– 관막힘의 반복 상황이 일년에 한번 이상 발생해야 실시하도록
권장
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (1)
• 영국 Water Industry (Fenner 등, 2000)
– 사전예방형 유지관리방식의 변경
– 과거의 관거데이터와 자산정보 해석을 통한 의사결정지원모델
을 개발 (1단계)
• GIS: 500mX500m grid에 포함된 관거데이터 해석
• 각 grid내 하수관거 파손가능성 예측 알고리즘 개발
• 각 grid별 중요도 할당
• 가능성(likelihood)과 중요도(consequence factor)의 2차원 위해
도 그림 조합 완성
• 위해도 그림에 단순비용모델을 적용; 가장 경제적인 정비방법 설정
및 우선순위 결정
– Bayesian 통계모델 (2단계)
• 가장 위해도가 큰 grid에 있는 각 하수관거 길이별 성능 분석
• 각 관거별 특성에 기초한 배수유역 전체의 파괴확률 산정
• 확률에 따른 관거 등급 결정
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (2)
• UK Water Industry
– 장점
• 기존데이터가 충분하지
않은 경우 전체하수관망
의 분석이 용이
– 단점
• 각 관거별 등급을 매길 때
자산정보와 사건정보를
상호연결하는 데이터의
처리량이 상당히 많음
Fig 1. Risk plot & Radar plot combining likelihood,
consequence and cost factors
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (3)
• 노르웨이 (Rostum 등, 1999)
– CCTV조사결과를 이용, 관거 상태별 등급 분류가능한 관거의
기술적 상태평가 방법론
– 관거 상태 등급간 전이개념을 이용한 하수관거의 열화과정을
수식화
• 노르웨이 표준방법(NORVAR)에 따라 관거 등급 결정
• 환경손실, 재산상 손실 등 관거파손의 중요도와 관거의 기능도에
관한 분석을 행함
• Cohort Survival Model (Herz, 1998): 관거 열화과정 예측
– Cohort: 특정파괴확률을 갖는 같은 시기에 설치된 하수관거
요소의 집합
– 시스템 전체 상태생존함수를 이용해 관거등급간 전이확률
– 어느 시점에 어떤 등급을 유지하는 관거의 비율 결정 가능
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (4)
• 노르웨이 트론다임 지역:
모든 관거의 50%가 35년 후에
상태등급 2이하의 나쁜 상태에
도달하게 됨
• 노르웨이 관거의 90% GIS 데
이터베이스화되어 있어 가능
• 단점:
완벽하고 장기적인 하수관거
파손에 관한 데이터가 확보되
어야 함
Fig 2. State survival functions shoung transitions
between condtion classes
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (5)
• 포르투갈 ; 성과지수 이용
– 관거시스템에 관한 표준화된 성능평가방법 개발
– 3가지 구성요소
• 하수관망 특성 또는 상태변수의 수치를 수리모델, 수질시뮬레이션 모델을
이용해 만들거나, 신뢰성 높은 데이터 기록으로부터 찾아냄
• 페널티곡선을 이용해 결정변수에 등급을 매김.
• 각 요소별 수준의 성능지수값을 전체시스템의 성능지수값으로 통합함
– 시스템 전체와 각 구성요소에 관한 성능평가 수행 가능
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (6)
Fig 3. Performance values for water level
비불량하수관거정비에 관한 의사결정지원시스템 (7)
• 하수관거정비 최적화 모델
– 미국 Reyna(1993): Dynamic Programming
– 미국 Burgess(1994)
– 미국 deMonsabert와 Thorton(1997)
– 미국 deMonsarbert 등 (1999)
– 호주 Mohanathansan과 McDermott (1998)
– 정 등 (2001; 2002); GOOSER
– 정 (2002); GOOSER
– 박 등 (2002), Park 등 (2002); GOOSER
•
교통지체비용 포함
– 박 등 (2003); fmGOOSER
하수관거정비비용 최적화 모델 (1)
비용의 산정
pi
RC i (j i ; t )   {UCikR  e r t  Li }
R
i
보수비용
MC i (j i ; t iR ) 
유지관리비용
R
N
n 1
t H  pi
 {UCiM  e r t  Li }
R
N
TC i (j i ; t )  UC  e
T
R
ti , 1
TC t ( j ; t ) 
R
 [RC (j ; t
i
i 1
i
R
i
 (j i ; t iR )
 (DRiBR ) n
R
i,1
n1
tiR, q 1 tiR, q
q 1
nS
0,i
t, i
 {II 0,i  (DRiBR )t  dII t,i }  (DRiAR )n
II t ,i ( ji ; tiR )   II 0,i  ( DRiBR ) n   {
목적함수, 제약함수
 II
n 1
t i,2R  t i,1R
pi
n 1
n
i 1
 II
II t,i 
- 관거정비이후 불명수 유입량
 rN t i,Rn
t i,1R
II t,i 
- 관거정비이전 불명수 유입량
i, n
n 1
R
i
불명수처리비용
i, n

n 1
[ II 0,i  ( DRiBR ) t  dII t ,i ]  ( DRiAR ) n }
R
i ,1
)  MC i (ji ; t iR ) ]
nS
 [RC (j ; t
i
i 1
i
R
i
)  MC i (ji ; t iR )]  B H
하수관거정비비용 최적화 모델 (2)
불명수저감효율 평가를 위한 인자
tiR, 1
pi
II t ,i ( ji ; t )   II 0,i  ( DR
R
i
DRiAR
DRiBR
dIIt , i
n 1
tiR, q 1 tiR, q
)  {
BR n
i
q 1

n 1
[ II 0,i  ( DRiBR ) t  dII t ,i ]  ( DRiAR ) n }
R
i ,1
굴착교체의 경우1.008, 전체라이닝의 경우 1.005, 그라우팅의 경우 1.015 사용
하수관거의 경우 모두 1.0375 (deMonsabert, 1999)
굴착교체의 경우 70%, 전체라이닝과 그라우팅의 경우 80% 감소된다고 가정
단위보수비용의 차이
공법의 종류
전체라이닝공법
그리우팅공법
(공법별 보수비용 산정자료; 서울시, 2000)
단가(원/m)
R
UCi
R
UCi
R
굴착공법 (원형관) UCi
R
UCi
굴착공법 (암거)
 1,430Di  188,000
 3,0000
 240Di  682,000
 176,936 Ai  61,984,000
보수공사에 필요한 관거의 규격에 따른 점용차로수
하수관거의 규격 (mm)
원형관
암거
굴착
D3,500 미만
D3,500 – D12,000
D12,000 – D22,00
1
W3,500 미만
W3,500 – W12,000
W12,000 – W22,00
W22,000 – W35,000
1
비굴착
2
3
2
3
4
1
교통지체 부담금 적용기준, 교통지체비용 원단위
및 정비공법별 교통지체비용 (한국건설기술연구원, 1999)
왕복차로수 비용원단위
공법별지체비용
굴착
비굴착
공사전 공사중 단위비용 (백
만원/일)
(만원/m)
(만원/m)
2
1
2.77
110.9
11.0
4
1
0.94
37.4
3.7
2
4.33
173.0
17.3
6
1
0.77
30.8
3.0
2
1.74
69.4
6.9
8
1
0.89
35.4
3.5
2
1.39
55.4
5.5
GOOSER / fmGOOSER
GOOSER (Genetic Optimization of Sewer Rehabilitation, 2001)
- 유전알고리즘을 이용한 하수관거 정비 최적화 프로그램
- 하수관거의 결함을 보수하지 않을 경우 시간이 경과함에 따라 결함의 정도가 악화되어
불명수 유입량이 증가하여 하수처리비용의 증가를 초래한다는 가정
- 불명수 처리비용(Treatment Cost), 관거의 보수, 보강비용(Repair Cost), 유지관리비용
(Maintenance Cost)의 합을 최소화
선단위/ 면단위 하수관거정비
- 線단위 관거보수: 개별관거에 대해 계획년도에 대해서 각각의 보수시기를 제안함
- 面단위 관거보수: 여러 개의 관거에 대해 가지관을 중심으로 관거들을 면으로 나누어 주
어 면에 대해 보수시기를 제안함
처리구역 내의 여러 배수구역 또는 배수분구를 단위 면으로 정의함으로써 각
배수분구 또는 배수구역별 관거정비의 우선순위를 정하는 개념으로 확장
fmGOOSER (fast messy Genetic Optimization of Sewer Rehabilitation, 2002)
- 하수관거의 면단위정비를 위해 단순유전알고리즘의 수렴속도를 개선시킨 fast messy genetic
algorithm을 사용한 하수관거 정비 최적화 프로그램.
하수관거정비 최적화 모델 적용
- 대상지역 데이터
대상관거
- 서울시 가양하수처리장으로 유입되는 반포2배수
분구의 68개 관거
우선정비대상관거
- 경사조정, 통수능부족 관거 29개
배수유역면적 및 인구
- 24.31ha, 4,266명(1997년)
관거 차로수 연장(m) 불명수량(m3/d) 공법 직경/폭(mm) 관거 차로수 연장(m) 불명수량(m3/d) 공법 직경/폭(mm)
1
8
33
13.69
1
900
42
2
40
3.33
2
450
2
2
18
7.45
1
300
43
2
35
4.58
2
450
3
2
21
8.7
1
300
44
2
39
1.25
3
450
7
2
44
1.25
2
700
45
2
41
5.41
3
450
8
8
12
0.83
2
600
46
2
44
12.07
3
450
12
8
11
1.67
2
600
47
2
44
6.41
3
450
17
8
36
2.5
2
600
48
2
15
1.67
2
450
18
8
42
16.65
3
600
49
8
52
7.12
3
600
19
8
42
2.91
3
600
50
8
42
4.16
3
600
20
8
74
15.4
3
600
51
2
48
3.33
3
600
21
2
17
1.25
3
600
52
2
10
0.83
2
450
24
8
150
59.52
1
3500
53
2
56
3.33
2
600
34
8
49
1.25
2
600
54
2
28
3.75
2
450
35
8
79
27.89
3
600
55
2
34
1.25
3
600
36
2
42
2.08
2
600
56
2
60
4.62
3
600
37
2
59
1.25
2
600
57
2
21
1.25
3
450
38
2
40
1.67
3
600
58
2
42
2.5
2
600
39
2
44
4.58
2
600
60
2
49
3.75
3
600
40
2
19
7.87
3
600
61
2
32
1.67
3
450
41
2
36
5.41
2
450
교통지체비용을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우
보수시기와 정비비용
Wons
5.00e+8
2.50e+8
2.00e+8
1.50e+8
1.00e+8
5.00e+7
0.00
1 2 3 7 8 12171819202124343536373839404142434445464748495051525354555657586061
Sewer Lines
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1.50e+9
1.00e+9
5.00e+8
2.50e+8
Wons
1.00e+9
Total Rehab. Cost
I/I Treat. Cost
1st Repair Year
1st Repair Year
1.50e+9
교통지체비용을 고려한 경우 제1차 보수시기
와 정비비용
Total Rehab. Cost
I/I Treat. Cost
Transp. Dirptn. Cost
1st Repair Year
2.00e+8
1.50e+8
1.00e+8
5.00e+7
0.00
1 2 3 7 8 12171819202124343536373839404142434445464748495051525354555657586061
Sewer Lines
Sewer 24 (culvert w/ 3.5m W & 150m L) not repaired in 20 years.
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1st Repair Year
교통지체비용을 고려하지 않은 경우 제
1차 보수시기와 정비비용
하수관거정비에 미치는 계획년도의 영향
Total Rehab. C (w/o DC)
I/I Treat. C (w/o DC)
Total Rehab. C (w DC)
I/I Treat. C (w DC)
Cost (billion wons)
400.0
300.0
계획년도 60, 80, 100 년일 때 제안된 관거
번호 24의 보수시기는 각각 제 12, 44, 50
년차임 (w/o TDC)
200.0
계획년도 40, 60, 80, 100 년일 때 제안된
관거번호 24의 보수시기는 각각 제 17, 10,
35, 26년차임 (w/ TDC)
100.0
0.0
0
20
40
60
80
Planning Year (year)
100
120
장기계획년도 고려시 정비를 필요로 하는 하수관거수
planning year
5-year planning period
0-4
5-9
10-14
15-19
20-24
25-29
30-34
35-39
40-44
45-49
50-54
55-59
60-64
65-69
70-74
75-79
80-84
85-89
90-94
95-99
Not repaired in the
planning period
w/o considering
transportation disruption cost
w/ considering
transportation disruption cost
20
40
60
80
100
20
40
60
80
100
17
11
2
0
13
6
5
6
2
2
0
2
2
2
8
10
5
3
4
3
1
0
0
0
4
4
2
4
2
2
4
3
2
2
2
2
0
2
0
1
3
2
5
3
0
1
5
2
1
1
5
2
3
3
1
1
0
0
0
0
15
10
3
3
6
5
6
5
10
0
2
1
2
2
9
11
5
7
1
1
0
0
0
0
4
7
3
0
3
2
2
4
3
1
4
1
0
1
1
1
1
6
1
0
6
4
5
3
1
0
2
4
0
4
0
1
0
0
0
1
9
3
1
3
1
8
4
1
2
0
교통지체비용을 고려하였을 때 제안된 보수시기의 변화(1)
1st year w/o disruption cost
1st year w disruption cost
First Repair Year
20
15
10
5
0
1 2 3 7 8 12 17 18 19 20 21 24 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 60 61
Sewer Lines
1. 공사전 차로수가 2개인 관거를 굴착공법을 사용하여 보수하는경우 2, 3
2. 공사전 차로수가 8개인 관거를 굴착공법을 사용하여 보수하는 경우 1, 24
교통지체비용을 고려하였을때 제안된 보수시기의 변화(2)
대상 관거
- 서울시 B하수처리장으로 유입되는 B하수처리구역의 B배수분구의 357개 관거
우선정비 대상 관거
- 경사조정, 통수능 부족 관거 91개, 최적화 대상 관거 266개
관거정비공법의 비율
- 전체라이닝공법 120개, 그라우팅공법 113개, 굴착공법 33개
배수유역면적 - 67.62ha
인구 - 12,136명(1997년)
굴착공법 보수를 시행하는 관거의 제안된 첫번째 보수시기의 변화
1st year w/o disruption cost
1st year w disruption cost
First Year Repair
20
15
10
3개
5
5개
24%
0
17 35 38 39 41 50 78 79 85 109120132133139140141169171177178186189190208212256275285292302305338349
Sewer Lines
교통지체비용을 고려하였을때 제안된 보수시기의 변화(3)
2
0
12개
5개
15%
FirstYearRepair
1
5
1
0
5
0
S
e
w
e
rL
in
e
s
라이닝공법 보수를 시행하는 관거의 제안된 첫번째 보수시기의 변화
2
0
12개
7개
16%
FirstYearRepair
1
5
1
0
5
0
S
e
w
e
rL
in
e
s
그라우팅공법 보수를 시행하는 관거의 제안된 첫번째 보수시기의 변화
GOOSER/fmGOOSER의 입력데이터 요구사항
• 하수관종별 결함발생율 또는 I/I증가율
• 교체 및 보수공법별 I/I저감효과
• 교체 및 각 보수공법의 내구연한
• 관거내 각 결함의 개소수와 등급에 따른 I/I발생량의
상관성
• 상기 불확실한 매개변수에 관한 기초연구 절실
– 장기적인 실험 연구가 필요
– 대규모 실험실과 실험장치 필요
– 사회기반시설 장기적 유지관리를 위해 경제적인 투자
퇴적물 발생의 위해
• 프랑스, 리용
– 하수관망 7개 지점에서 퇴적물의 깊이를 월별로 측정; 퇴적물
발생량 예측 모델 개발
– 연구대상지역 관거의 일반 퇴적 경향 제시
– 각 구간별 발생 퇴적물의 위해도 평가
– 취약인자(관 경사, 형태, 단면 등)와 위험인자(지표면, 장애물,
상류부 특성, 하수량, 보수상태)의 해석으로 로지스틱 회귀분석
을 통해 하수관거구간의 퇴적물 발생원인에 대한 상대적 중요
도 정량화 및 각 인자별 상대적 위해도 산정
결 론
• 하수관거의 물리적 특성, 파손상태 등에 관한 신뢰성 있
는 데이터의 확보
• 데이터의 표준화를 위한 노력
• 신뢰성과 일관성 있는 데이터베이스 구축
• 의사결정지원시스템의 개발
• 다양한 모델에 필요한 매개변수의 의미를 찾기 위한 하
수관거 실험연구 필요
• 하수관거 실험장, 실험장치 투자