Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.34 No.5 pp.335-344
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2020.34.5.335

Pressure restricted water supply method during drought using a computer simulation and daily water supply analysis

Youngwook Nam1, Kyungsu Kim2, Inhwan Hyun2, Dooil Kim2*
1Department of Civil and Environmental Engineering, Tokyo Metropolitan University
2Civil and Environmental Engineering, Dankook University

∙ 남영욱 (박사과정) / Youngwook Nam (Ph.D. Student)



Minami-Osawa, Hachioji-shi, Tokyo, Japan 192-0397




∙ 김경수 (연구원) / Kyungsu Kim (Researcher)



경기도 용인시 수지구 죽전로 152, 16890



152, Jukjeon-ro, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 16890, Republic of Korea




∙ 현인환 (교수) / Inhwan Hyun (Emeritus Professor)



경기도 용인시 수지구 죽전로 152, 16890



152, Jukjeon-ro, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 16890, Republic of Korea




∙ 김두일 (부교수) / Dooil Kim (Associate Professor)



경기도 용인시 수지구 죽전로 152, 16890



152, Jukjeon-ro, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 16890, Republic of Korea


*Corresponding author: Dooil Kim (E-mail: dikim21@dankook.ac.kr)

04/09/2020 21/09/2020 23/09/2020

Abstract


Due to global climate change, mega-droughts have occurred frequently. Since long-term droughts make it difficult to secure the water resources, water supply needs to be restricted in a reasonable manner. In the event of limited water supply, the waterworks need to develop a restricted water supply strategy. This study showed that analyzing daily water supply could be used to respond to the first stage of a drought. According to an analysis of Korea's major water authorities, there was about 7~21% of room for daily minimum water supply in case of a drought. Restricting the water supply by lowering pressure is a good strategy for local water authorities with high water leakage rate since leakage is inversely dependent with pressure. For this method, it is necessary to quantify water deficiency and pressure at each node using a simulation. Since DDA-based software is not possible to predict changes in demand at nodes with pressure reduction, WaterGEMS, a PDA software, was used to quantitatively predict water shortages and pressures at each node. Locations where water is deficient need to install booster pumps or to be dispatched with water tank truck and bottled water. Without these support, lowering pressure could not be an option for water works. This paper suggests a method for waterworks to plan a drought by lowering pressure to restrict water supply using daily water supply analysis and PDA based simulation.



시뮬레이션과 1일 급수량 분석을 이용한 갈수기 감압에 의한 제한급수 방법

남 영욱1, 김 경수2, 현 인환2, 김 두일2*
1도쿄도립대학교 토목환경공학과
2단국대학교 토목환경공학과

초록


    1. 서 론

    2015년 6월에 강원 영동과 영서, 경기 지역은 강수 량이 각각 예년의 39%, 64%, 55%에 불과할 정도로 심각한 가뭄이 겪었다 (Kim, 2015a). 이러한 가뭄으로 소양강댐과 충주댐의 저수율이 예년의 65% 수준에 머무는 등 가뭄으로 인한 물부족 현상이 심각하였다 (MOLIT, 2015). 우리나라는 계절적인 특성상 연 강수 량의 약 66%가 여름의 장마철에 치중되어 있으며, 봄 철에는 강수량 부족으로 인한 계절적 가뭄이 빈번하 게 발생한다 (Korea Meteorological Administration, 2017). 지형학적으로도 유역경사가 급하고, 면적이 작 으며, 유로연장도 짧아 우천시 수자원이 일시적으로 대량 유출되는 특징이 있었다 (Kim, 2005). 이러한 특 성으로 인해 계절 및 지역적으로 물부족이 발생할 수 있고, 상수원수의 수급에도 상당한 어려움이 발생한 다 (K-water, 2016).

    가뭄시에는 수자원을 최적으로 활용하기 위한 구체 적인 대응체계를 확립하여야 한다. 정부에서는 재난 및 안전관리 기본법에 따라 중앙 및 지방자치단체의 재난관리체계를 마련하였다 (Ministry of the Interior and Safety, 2015). 또한, 가뭄 피해가 심각했던 충남 서부지역의 8개 시ㆍ군에 제한급수를 통한 공급량 절 감대책을 마련하여 안정적인 단계별 제한급수 가이드 라인도 만들었다 (Ministry of Environment, 2016). Table 1은 생활용수에 대해 ‘가뭄 재난 위기관리 표준 매뉴얼’에서 제시하고 있는 단계별 제한급수 기준이 다 (Ministry of the Interior and Safety, 2015). 그러나 이 가이드라인은 가뭄단계에 따른 제한공급량 기준은 제시하였지만, 구체적인 급수조정 방안에 대한 설명 은 다소 불명확하다는 한계점을 가지고 있었다.

    제한급수를 위한 급수조정을 하는 방법은 배수지에 서의 시간당 유출 유량의 변동은 없지만 정해진 시간에 만 수요자에게 물을 공급하는 시간급수 방식과 물공급 의 시간적 제한은 없지만 배수지에서의 시간당 유출 유 량을 제한하는 감압급수 방식이 있다 (AWWA, 2019;Lee et al., 2012). 시간급수 방식은 지형조건과 관계없이 급수시간에는 수요처에 모두 배분할 수 있다는 장점이 있지만, 급수 시간 동안에 수요자가 물을 대량으로 저장 하고, 관망 내부의 물이 비급수 시간에 누수가 되며, 공 급 재개시 관내 수압이 갑작스럽게 상승하는 과정에서 여러 가지 문제(수충격, 공기층 형성 등)가 발생할 수 있으며, 상대적으로 높은 압력 때문에 저지대 관망에서 누수량이 많다는 단점이 있다 (Yang et al., 2014). 유수 율이 높은 지자체는 관망의 수압에 따른 누수율의 차이 가 적겠지만, 유수율이 낮은 지자체는 수압에 의한 누수 율에서 차이가 발생할 수 있다. 이와 같은 이유로 시간 급수를 하고자 할 때는 해당 지역의 유수율 현황을 사전 에 검토해 볼 필요가 있다. 유수율이 낮은 지자체는 감 압 제한급수 방식을 고려해 볼 필요가 있다. 그러나 관 망의 압력을 낮추면 급수구역의 고지대에서는 단수 혹 은 낮은 압력의 문제가 생기기 때문에 해당지역의 민원 이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 지역의 고저차가 심 한 급수구역에서는 적용시 충분한 사전 검토가 필요하 다. 단수가 되는 지역을 위한 물차나 병물 등의 비상 보급 체계도 구축하여야 하고, booster pump 등의 설치 도 고려하여야 한다. 장기적으로 관망의 수압을 균등하 게 만드는 블록화 시스템이 완벽하게 구축이 된다면 (Kim et al., 2015b), 감압에 의한 제한급수 방법의 효과 가 커질 것이다.

    Table 1에서 규정한 급수량의 기준이 1일 최대급수량 인지 1일 평균급수량인지에 대한 정의는 원문에서 명확 하지 않다 (Ministry of Environment, 2016). 생활용수의 공급량은 계획인구, 급수보급율, 1인 1일 평균사용량, 유수율, 첨두부하율로 결정된다. 여기서 계획인구, 급수 보급율, 1인 1일 평균사용량, 유수율 만을 고려하여 산 정한 것을 1일 평균급수량이라 하며, 1일 평균급수량에 첨두부하율을 곱한 것을 1일 최대급수량이다. 1일 급수 량 분포나 첨두부하를 분석하면, 해당 급수구역의 물 사용량 패턴을 알 수 있다. 따라서, 이를 바탕으로 갈수 기 대책을 짜는 것이 가장 합리적인 방법이 될 것이다. 첨두부하는 1년 중 가장 급수량이 많은 날의 급수량(1 일 최대급수량)을 1일 평균급수량으로 나눈 값이다. 일 반적으로 많은 수도사업자는 1일 급수량 자료를 축적하 고 있으므로, 실제 측정 자료를 사용하여 1일 최대, 최소 급수량과 첨두부하를 구할 수 있다. 그러나, 1일 급수량 자료를 구하기 힘든 수도사업자도 있으므로, 급수인구 로부터 첨두부하를 예측하는 노력도 있었다. 첨두부하 와 급수인구의 관계를 수식으로 나타낼 때, 자료의 산포 도가 문제가 된다. 특히 급수인구가 적은 지역에서는 산포도가 너무 커서, 비초과확율 혹은 그룹핑 기법 등 다양한 방법을 사용하여 수식화가 시도되었다.

    시간급수 방식에 관한 연구는 이미 다른 연구자에 의해 이루어진 적이 있었다 (Charalambous, 2001;Yang et al., 2014). 그러나 감압에 의한 제한급수 방식 에 관한 연구는 이루어지지 않았다. 감압을 이용한 제 한급수를 시행하는 경우 고지대에 거주하는 수요자의 일부는 가정용수를 공급받지 못할 수 있으므로, 시뮬 레이션을 통해 이러한 구역을 먼저 파악한 후 대책을 수립하여야 한다. 대책의 예에는 booster pump의 설치, 물차와 병물의 특별 공급 등이 있다. 단계별 제한급수 감량공급 기준을 토대로 수도사업자는 시뮬레이션을 통해 단수 피해 지역을 예측하고 대책의 적정성을 분 석하여, 이 방법을 사용할지를 결정하여야 한다. 시뮬 레이션을 통한 상수관망의 해석법은 절점에서의 압력 과 수요량의 관계에 따라 2가지로 분류된다. 용수수요 는 항상 만족한다는 전제하에 절점 수두를 계산하는 DDA(Demand-Driven Analysis) 이론과 절점에서의 수 두에 따라 용수공급량이 변하는 것을 고려하여 절점 에서의 가능 용수공급량과 수두를 동시에 계산하는 PDA(Pressure-Driven Analysis) 이론이 있다 (Baek et al., 2007;Shih and ReVelle, 1995). DDA 이론을 기반 으로 수리해석을 수행하는 경우 수요가 수압과 관계 없이 항상 일정하게 되어 절점(Node)에서의 수요부족 (demand shortage)을 산정하는 것이 불가능하다 (Wu, 2016). DDA 이론의 모형들은 비정상상태(화재 발생으 로 절점의 용수수요가 급증, 관거 파손 등에 의한 절 점수두 부족 등)에서 부압이 계산되는 것과 같은 비현 실적인 결과를 보여줄 수 있다 (Baek et al., 2007). 이 러한 현상은 각 수요지점의 필요용수량이 비정상상태 인 경우에도 정상상태와 같이 인식되는 DDA 모형의 특성으로 인해 발생한다. 실제 상수관망이 비정상상 태인 경우 각 수요지점의 필요용수량은 충족되지 않 을 수 있다 (Ang and Jowitt, 2006). 그러나, PDA 해석 은 각 절점에서의 용수공급이 절점수두-용수공급 관 계(Head-Outflow Relationship, HOR)에 따라 변하는 것 을 고려한 것으로 DDA 모델들이 가진 비정상 상태 해석의 부정확성을 보완할 수 있는 개념이다 (Oak et al., 2018;Ravi et al., 2019). 즉, 가뭄단계에 따른 제한 급수를 모의하였을 경우 수요부족이 발생하는 지역과 그렇지 않은 지역을 구분 지을 수 있으며, 사전에 부 족량을 집계하여 대비 할 수 있게 되는 것이다. PDA 해석이 가능한 대표적인 소프트웨어는 EPANET 2.2나 WaterGEMS가 있는데, 본 연구에서는 WaterGEMS을 사용하여 단계별 제한급수 시뮬레이션을 실시하였다 (Bentry, 2017;Rossman et al., 2020).

    본 논문의 목적은 갈수기에 효율적인 가정용수의 급수계획의 마련을 위해 수도사업자가 수립하는 전략 작성에 도움을 주는 것이다. 1일 급수량이나 첨두부하 로부터 1일 최대급수량과 1일 최소급수량을 구하여, 갈수기 1단계(관심단계)의 용수공급 전략 수립에 활용 하는 방법을 제시한다. 또한, PDA 방식의 시뮬레이션 을 활용하여, 각 절점에서의 부족한 가정용수의 양 및 압력을 예측하고, 이상 절점에 대해 특별 용수공급이 가능한지를 평가하여, 감압밸브에 의한 제한급수가 적용 가능한지를 분석하는 방법을 제시한다.

    2. 연구 방법

    2.1 연구 대상 지역

    본 연구에서는 가뭄이 심각했던 ○○지자체를 대상 으로 선정하여, 갈수기에 용수공급을 위한 감압에 의 한 단계별 급수조정 및 운영방안의 예시를 만들었다. ○○지자체의 6개 급수구역 중 하나인, CR배수지 급 수구역을 대상으로 하였다. ○○지자체는 급수인구 84,204명으로 구성되어 있으며, 아래 Fig. 1과 같이 GC, SJ, JS, CD, CR, CS의 6개의 배수구역으로 구분 되어 상수를 공급하고 있다. 이 중 CR 배수구역의 1 일 평균급수량은 427 m3/일이다. ○○지자체의 첨두부 하 계수인 1.4787을 고려하여 631 m3/day를 CR지역의 평시 수요량(1일 최대급수량)으로 산정하였다. Table 2 는 CR 배수구역의 각 가뭄 단계에 따른 공급량을 보 여주고 있다.

    2.2 소프트웨어

    WaterGEMS (Bentley Systems, Exton, PA, USA) 소 프트웨어를 활용하였다. WaterGEMS는 PDA기반이기 때문에 압력부족에 의한 물공급 부족을 정확히 시뮬 레이션할 수 있을 뿐만 아니라, 밸브개폐(개도율 조 절)를 통한 유량조절을 반영할 수 있는 기능이 있어 감압밸브를 이용한 제한급수 모사에 적합하다. HOR(Head Outflow Relationship)은 WaterGEMS의 내장 함수인 power function을 이용하였으며(Bentry, 2017;Wagner et al., 1988), 지수(Power Function Exponent)는 0.5를 사용하였고, threshold pressure는 0으로 가정하였 다 (Świtnicka et al., 2017).

    3. 결과 및 토론

    3.1 1일 급수량 변동 분석을 통한 초기 가뭄 대처 계 획 수립

    첨두부하나 1일 급수량 분포를 분석하면 해당 급수 구역의 물이용 특성을 알 수 있다. 1일 최대, 평균, 최 소급수량은 갈수기에 급수계획을 세울 때 중요한 변 수이다. 특히, 1일 최소급수량은 해당 도시에서 시민 들이 과거에 일간 사용한 급수량이고, 시민들이 약간 의 불편함을 감수하면 되므로, 관심(Blue) 단계에서 참고할 수 있는 양이다. 첨두부하는 급수구역의 급수 인구에 따라 다른 값을 보인다. 급수인구가 작은 경우 첨두부하의 산포도가 매우 크다. 급수인구 구간별 첨 부부하의 예는 Table 3과 같은데, 연간 1일 급수량은 정규분포에 가깝다고 가정하고, 80%의 비초과 확률을 적용하여 신뢰성이 떨어지는 양극단의 이상자료를 제 거한 후 얻은 값이다.

    Table 1에서 가뭄 단계별 급수량이 1일 평균인지 최 대인지에 대한 명확한 설명이 없지만 이를 1일 최대 급수량이라고 가정하고, 급수인구 8만명 정도의 도시 를 예로 활용하여 첨두부하 혹은 1일 급수량 분포를 이용하여 갈수기 급수량을 분석하였다. 대부분의 지 자체는 1일 급수량 자료를 가지고 있으므로 이것을 분석하는 것이 갈수기 대책을 만드는 중요한 시작점 이다. Fig. 2는 1일 급수량 자료의 분포도로서 국내 정 수장 운영데이터를 기반으로 작성한 것이다. Fig. 2과 같이 급수량을 분석해보면, 급수량의 변화가 어느 범 위에 있는지 쉽게 알 수 있다. 해당 정수장의 1일 평 균급수량은 47,783 m3/day이었는데, 비초과확율 98% 를 적용할 경우, 1일 최소 및 최대 급수량은 각각 42,394 m3/day과 52,931 m3/day이다. 비초과확율 개념 을 사용한 것은 이상 자료에 의한 영향을 줄이기 위 함이다. 갈수기에 1일 최소급수량으로 시민들에게 물 을 공급할 경우, 1일 평균급수량을 기준으로 약 12.7% 의 수량(5,392톤/일) 절감이 되는 것이다. 1일 최대급 수량을 기준으로 한다면 약 23.5%의 수량(약 10,537톤 /일) 절감이 가능하게 된다. 이러한 절감 비율은 제한 급수 1단계(관심 단계)의 목표 절감 범위인 10 ~ 30% 에 대비가 가능한 수치이다. 따라서, 1일 최소급수량 공급을 통해 1단계(관심단계) 수준의 가뭄 상황 발생 시 대비가 가능할 것이다.

    수도사업자의 1일 급수량 분포 자료가 없다면, 첨 두부하를 이용하여 분석할 수 있다. 첨두부하는 1년 중 가장 많이 물을 사용하는 날의 급수량(i.e., 1일 최 대급수량)을 1일 평균급수량으로 나눈 값이며, 우리나 라에서 급수계통의 상수도 시설을 설계할 때 기준으 로 사용된다. 어떤 도시의 급수인구가 7~10만이라면 Table 3에 따라 첨두부하 계수는 1.4787이다. 이 도시 의 첨두부하를 고려한 1일 평균급수량과 1일 최대급 수량의 비는 68%(=1/1.4787)이므로, 1일 최대급수량 대비 32%를 감량하여도 시민들은 1일 평균급수량 수 준에서 물을 공급받는 것이므로, 이 정도의 급수가 유 지된다면 생활의 불편은 크지 않을 것이다. 1일 최대 급수량 대비 약 32%의 절감으로 Table 1의 1단계(관 심단계)에 대한 대응이 가능하다. 또한, 1일 최소급수 량을 공급하여도 시민들의 생활에 불편은 있겠지만 기본적인 생활은 가능할 것이므로, 수도사업자는 상 당량의 급수량 절감이 가능하며 갈수기를 위한 계획 마련에 참고할 수 있을 것이다.

    Table 4와 Table 5에 따르면 1일 최대, 최소 및 평균 급수량은 각 지자체별로 급수인구 등에 따라 차이가 존재한다. 최대 및 최소급수량을 결정하기 위해 확률 밀도함수에서 비초과확율이 90%와 98%로 다른 경우 의 예를 들었는데, 이는 각 수도사업자가 수도관련 계 획 수립시 다양한 수치를 사용하기 때문이다. 각 도시 들의 1일 최대급수량과 1일 최소급수량의 비율을 검 토한 결과에 따르면, 각 도시들은 약 7∼21% 수준의 공급 여유를 가지고 있는 것으로 조사되었다. 갈수기 가 오면 1일 최대 급수량 대비 7∼21% 수준으로 줄여 서 급수하여도 1일 최소급수량 수준의 용수공급이므 로, 시민들이 물절약에 대한 의지가 있으면 해당 급수 구역에서 합리적으로 적용 가능한 급수량이라고 판단 된다. 원활한 제한급수의 시행과 민원의 최소화를 위 해 해당 내용을 주민들에게 사전에 알리고 협조를 구 하는 것도 필요할 것이다.

    Fig. 3와 Fig. 4는 각각 비초과확률 90%와 98%에서 인구에 따른 1일 최대 및 최소급수량을 급수인구에 대한 함수로 그려본 것이다. 이 그림에서 회귀분석을 통해 급수인구에 대한 지수함수로 일반식을 만드는 것도 가능하다. 각 수도사업자는 실제 1일 급수량 자 료를 바탕으로, 1일 최대 및 최소급수량을 구하는 것 이 원칙이지만, 자료를 구하기 어려운 경우는 제시된 Eq. 1과 Eq. 2를 사용하는 것도 가능할 것이다. Eq. 1 와 Eq. 2는 각각 비초과확률 90%와 98%에서 급수인 구에 따른 1일 최대 및 최소급수량의 차이를 구하는 식이다. 이 식에서 x는 급수인구이다.

    1 일급수량차이  ( m 3 / d ) = 1 일평균급수량 × ( 1.2441 × x 0.011 0.757 × x 0.0142 )
    (1)

    1 일급수량차이  ( m 3 / d ) = 1 일평균급수량 × ( 1.4104 × x 0.019 0.6727 × x 0.0207 )
    (2)

    3.2 시뮬레이션을 이용한 가뭄단계별 감압밸브에 의 한 제한급수 검토

    제한급수를 시행하는 2가지 방법 중에서 감압밸브에 의한 방법은 해당 블록의 고지대에서는 압력이 낮아 수 도꼭지에서 물이 나오지 않는 불편함이 있지만, 관망의 압력이 낮으므로 누수가 줄어드는 장점이 있다. 감압밸 브에 의한 제한급수는 상대적으로 고지대에서는 물이 나오지 않기 때문에 제한급수 전에 단수의 범위가 어느 정도인지 파악해야 하고, 단수 대상 주민들에 대한 물공 급 특별 대책을 수립하여야 한다. 만약 단수지역이 광범 위하고, 대체 물공급 방법이 적용 불가능하다면 시간급 수 방식에 의한 제한급수를 고려해야 할 것이다. 이를 사전에 검토하기 위해서 시뮬레이션이 필수적이다. 이 시뮬레이션을 통해 급수가 되지 않는 절점(Node)과 압 력이 낮은 절점을 확인하는 것이 가능하기 때문이다. 이 러한 절점에는 수도사업자가 booster pump를 설치하거 나 물차와 생수를 별도로 공급하는 것이 필요하며, 만약 불가능한 경우에는 감압에 의한 급수제한을 시행하면 많은 민원이 발생할 것이다. 대책 수립의 예를 보여 주기 위해 ○○시 6개 배수구역 중에서 CR 배수구역을 대상 으로 감압에 의한 제한급수를 WaterGEMS을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 1단계 관심단계(제한율 10%)를 모 의 한 결과, 53개 절점에서 물부족이 발생하였다. 2단계 주의단계(제한율 30%)를 모의 한 결과, 103개 절점에서 물부족이 발생하였다. 3단계 경계단계(제한율 50%)를 모의 한 결과, 121개 절점에서 물부족이 발생하였다. 아 래 Fig. 5은 각 단계에서 시뮬레이션한 결과들이다. 이 결과를 통해 제한급수에 따라 수돗물을 공급받지 못하 는 지역과 필요한 양을 함께 예측할 수 있다.

    Fig. 6과 Fig. 7은 CR 배수구역의 주의단계에서 감 압에 의해 30%를 줄여 제한 급수하는 시뮬레이션 결 과이다. 급수량이 부족하가나 압력이 낮아 지원이 필 요한 문제 절점을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 이 용하여 수도사업자는 booster pump, 병물, 급수차의 용 량에 따른 동원비용, 출동거리, 운영시간 등을 고려하 여 사전에 지원계획을 수립할 수 있을 것이다. Fig. 6 에서 보이는 붉은 점은 수돗물이 부족한 절점(Node) 이다. 이 절점에서 필요한 용수량은 분모에 나타내었 으며, 부족한 용수량은 분자에 있다. 예를 들어, Location 5에서는 필요한 용수량 11 m3/day 중에서 7 m3/day만 공급받게 되어 4 m3/day의 물부족이 발생한 것을 알 수 있다. 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 급수량이 부족한 절점, 부족한 양 및 그 지역의 압력 을 정량화 할 수 있으므로, 이를 이용하여 Table 6의 예와 같은 갈수기 급수대책 마련에 활용할 수 있다.

    상수도설계기준에서 2층 건물에의 직결급수를 가능 하게 하기 위한 배수관의 최소동수압을 150~200 kPa 정도로 정하고 있다 (Ministry of Environment, 2017). Fig. 7에서 초록색으로 표시한 14개 지역은 압력이 0~150 kPa 정도로 2층 이상 수용가에 직결급수가 제 한되며, 빨간색으로 표시한 3개 지역(부압 판정)에서 는 정상적인 물 공급에 차질이 생길 수 있게 된다. 이 처럼 절점에서의 압력 검토는 출수불량 확인 및 단수 예측에 객관적인 자료로 활용될 수 있다.

    4. 결 론

    갈수기에 효율적으로 수돗물을 공급하기 위한 계획 수립을 위해 수도사업자는 제한급수 전략을 수립해야 한다. 수도사업자는 년간 1일 급수량의 분포나 첨두부 하를 통해 1일 최대, 최소 및 평균급수량을 분석하여, 가뭄 1단계(관심기)의 용수공급 전략에 활용할 수 있 다. 갈수기에는 특히 1일 최소급수량에 주목하여야 하 는데, 이 양을 공급하여도, 시민들의 생활에 불편은 있지만, 기본적인 생활은 가능하기 때문이다. 한국의 주요 도시들의 1일 최대 및 최소 급수량을 분석한 결 과에 따르면, 각 도시들은 갈수기에 최소급수량으로 공급한다면 최대 급수량 대비 약 7∼21% 수준의 공급 여유를 가지고 있는 것으로 조사되었다.

    갈수기 제한급수 방법 중에서 감압에 의한 제한급수 방식을 이용하는 경우, 고지대에서는 압력이 낮아 물이 나오지 않는 불편함이 생길 수 있지만, 유수율이 낮은 지자체에서는 높은 압력 때문에 관망에서 누수되는 상 당한 물을 아낄 수 있고, 시간 급수의 단점을 피할 수 있다. CR 급수구역을 대상으로 WaterGEMS를 이용하여 감압급수를 시뮬레이션하여, 각 절점에서의 부족한 수 돗물의 양, 압력 부족 등을 예측하여 이를 기반으로 용 수가 부족한 절점에서 booster pump의 설치나 물차와 생수를 특별 공급하는 계획을 만들 수 있었다. 이러한 특별공급계획이 부족하다면, 감압에 의해 단수가 되는 지역에서는 민원발생이 예상되므로, 감압급수를 적용 하려고 하는 수도사업자는 두가지 방법(감압 및 시간급 수)을 신중히 고려하여 결정하여야 한다.

    Figure

    JKSWW-34-5-335_F1.gif

    Six water distributing reservoirs in the city (a) and Pipe network diagram of CR water distribution district (b).

    JKSWW-34-5-335_F2.gif

    Analyzing daily water supply of whole year.

    JKSWW-34-5-335_F3.gif

    Maximum and minimum water supply over population with non-exceedance probability of 90%.

    JKSWW-34-5-335_F4.gif

    Maximum and minimum water supply over population with non-exceedance probability of 98%.

    JKSWW-34-5-335_F5.gif

    Results of demand deficit by nodes using WaterGEMS simulation.

    JKSWW-34-5-335_F6.gif

    Water deficit (red color) / water demand (black color) at five red-colored nodes by reducing 30% of water supply (unit: m3/day).

    JKSWW-34-5-335_F7.gif

    Water pressures at nodes by reducing 30% of water supply (unit: psi).

    Table

    Classification of drought stage and standard for restricted water supply

    Water supply at each drought stage for the CR water district

    Peaking factors at each service population with non-exceedance probability of 80%

    Average, maximum, and minimum water supply of major cities of South Korea with non-exceedance probability of 90%

    Average, maximum, and minimum water supply of major cities of South Korea with non-exceedance probability of 98%

    Alternative water supply for five locations(nodes) with Stage 3 drought

    References

    1. Ang, W.K. and Jowitt, P.W. (2006). Solution for Water Distribution Systems under Pressure-Deficient Conditions, J. Water Resour. Plan. Manag., 132(3), 175-182.
    2. AWWA. (2019). M60 Drought preparedness and response, 2nd Ed., Denver Co. USA.
    3. Baek, C.W. , Jun, H.D. , and Kim, J.H. (2007). Development of HSPDA Model for Water Distribution System under Abnormal Operating Condition, J. Korean Soc. Civ. Eng., 27(5B), 475-488.
    4. Bentry. (2017). WaterGEMS V8i user’s manual, Exton, PA., United States.
    5. Charalambous, C.N. (2001). Water management under drought conditions, Desalination, 138, 3-6.
    6. Kim, J.H. (2005). Study on Runoff Coefficient Estimation of Rational Method in the Korean River Basins, Doctorate thesis, Hongik University, Seoul, Korea, 3-7.
    7. Kim, T.W. , and Park, D.H. (2015a). Extreme drought response and improvement: focusing on 2015 drought, special feature 2, Magazine Korean Soc. Civ. Eng., 63(9).
    8. Kim, K.P. , Park, Y.G. , and Koo, J.Y. (2015b). Optimal design methodology of district metered area utilizing geographic information system, J. Korean Soc. Water Wastewater, 29(2), 223-231.
    9. K-water. (2016). Drought overcoming white paper(centering on the Chungnam-west area), 1, 15-26.
    10. Korea Meteorological Administration. (2017). Wether information, http://www.kma.go.kr/index.jsp (August 25, 2017).
    11. Lee, T.K. , Chae, S.H. , Kim, S.S. , Seo, I.S. , Kim, J.H. , and Park, N.S. (2012). Establishment of methodology for estimating an emergency water, J. Korean Soc. Civ. Eng., 26(3), 361-372.
    12. MOLIT (Ministry of Land Infrastructure and Transport). (2015). Han River Flood Control Office, real time forecasting data of minimum stream flow in major dam, http://www.hrfco.go.kr/sumun/damList.do (August 20, 2017).
    13. Ministry of the Interior and Safety, Ministry of Agriculture Food and Rural Affairs, Ministry of Environment, and Ministry of Land Infrastructure and Transport. (2015). Drought Disaster Crisis Management Standard Manual, 1, 19-34.
    14. Ministry of Environment. (2017). Korean Design Standard KDS 57 65 00, 198.
    15. Ministry of Environment. (2016). Establishment of water supply guideline for evaluation and limitation of drought vulnerability, 1, 37-66.
    16. Oak, S.Y. , Baek, S.C. , Lee, H.M. , and Jun, H.D. (2018). An application of the A-PDA model for the interconnected operation among adjacent blocks of water distribution systems In case of emergency, J. Korean Soc. Hazard Mitig., 18(2), 231-237.
    17. Ravi, S.C. , Renganathan, N.T. , Perumal, S. , and Paez, D. (2019). Analysis of water distribution network under pressure-deficient conditions through emitter setting, Drink. Water Eng. Sci., 12, 1-13.
    18. Rossman, L. , Woo, H. , Tryby, M. , Shang, F. , Janke, R. , and Haxton, T. (2020). EPANET 2.2 User Manual. USEPA/600/R-20/133, Washington, DC.
    19. Shih, J.S. , and ReVelle, C. (1995). Water supply operations during drought: A discrete hedging rule, Eur. J. Oper. Res., 82, 163-175.
    20. Świtnicka, K. , Suchorab, P. , and Kowalska, B. (2017). "The optimization of a water distribution system using Bentley WaterGEMS software", International Conference of Computational Methods in Engineering Science (CMES’17), 15, December 2017, Lublin, Poland.
    21. Wagner, J.M. , Shamir,U. , and Marks, D.H. (1998). Water distribution reliability: Simulation methods, J. Water Resour. Plan. Manag., 114(3), 276-294.
    22. Wu, Z.Y. and Walski, T. (2006). “Pressure Dependent Hydraulic Modelling for Water Distribution Systems under Abnormal Conditions“, IWA World Water Congress and Exhibition, 10-14 September, 2006, Beijing, China.
    23. Yang, K.S. , Kim,D.H., K.S. , and Kim, J.H. (2014). Characteristics and control of intermittent flow in water distribution systems due to restricted supply, J. Korean Soc. Water Wastewater, 28(1), 1-11.