서울시, 청천시 하수관로 내 유기성 고형물 이송능력 증대를 위한 구조적 개선책 마련해야
서울시, 합류식 하수관로 최소유속 확보를 위한 구조적 개선책 마련 필요
•합류식 하수관로 지역의 주요 문제점은 오수 차집 및 배제 기능 결여, 분뇨 정화조 존치에 따른 시민들의 이중 부담 발생, 청천시 적정 유속 미확보로 인한 관내 오염물질 침전 및 토사 퇴적 등이라 할 수 있음
•하수관로 최소유속의 경우 해외에서는 만관유속을 기준으로 산정하고 있으며, 국내에서는 시간최대오수량(실유량)을 기준으로 유속범위를 산정하고 있음. 해외 합류식관로 최소유속기준은 미국 0.75m/s, 일본 0.8m/s, 영국 1.0m/s 등이며, 국내의 경우, 일반적으로 오수관로는 계획시간 최대오수량에 대하여 최소 0.6m/s(실유속) 이상, 우수관로 및 합류식 관로는 계획우수량에 대하여 최소 0.8m/s 이상을 원칙으로 하고 있음
•서울시의 경우 합류식 하수관로의 청천시 퇴적 방지를 위한 적정 최소유속 0.45m/s를 제시한 바 있으며, 이는 퇴적비율이 낮고 우천 시 우수에 의해 퇴적물 세척이 발생하므로 불량 개소 등의 정기적인 점검으로 유지관리 실시를 권고함
•서울시 「2030 하수도정기비본계획」에 따르면 서울시의 합류식 하수관로 중 67.8%가 최소유속 미확보 관로로 조사된 바 있으며, 하수 중에 포함된 유·무기성 부유물이 하수관로 저부에 침전됨이 없이 흐름이 지속될 수 있도록 최소유속 확보를 위한 개선책 마련이 필요함
시범유역 현황 분석을 통한 합류식 하수관로 개선을 위한 수리모형 실험조건 도출
•시범유역의 유역면적은 676ha이며, 토지이용은 도시 및 주거지 84%, 임지 16%로 구분되며, 하수도시설 현황 및 매설연수를 분석한 결과, 총 6,673개소의 우수관망에서 간선관로 875개소, 지선관로 5,798개소로 구분되며, 이 중 매설연수가 40년 이상인 우수관망은 55%로 나타남
•시범유역(마포구 망원동, 서교·동교동 일대)의 하수관로 현황 조사 결과, 대부분 원형 관로(88.2%)에 해당하였으며, 직사각형 관로는 404개소로 전체의 11.8%를 차지함. 관 경사의 경우 0~5%에 해당하는 구간이 전체의 88.3%였으며, 이 중 0~1%인 저경사 구간이 55.1%를 차지함
•원형 관로의 직경은 200~1,200mm로 다양하게 나타났으며, 이 중 직경 450mm 관의 비율은 41.4%(평균길이 28.0m), 600mm 관의 비율은 28.7%(평균길이 31.6m)로 두 직경의 관로가 차지하는 비율이 70.1%로 가장 많은 분포를 보이고 있음을 확인함
•하수관로의 여유율을 감안한다면, 단면적 감소로 인한 통수능 저하에 크게 영향을 받지 않으면서 복단면 시공이 용이한 관경 조건과 저경사·저유속 구간에 대해서는 고품질 합류식 하수도 시스템 도입을 위한 구조적 대책 마련이 가능할 것임
•시범유역 현황 조사 결과를 바탕으로 합류식 하수관로 단면 개선에 적용 가능한 관로의 경사 범위는 0~1%의 저경사 구간을 대상으로 하며, 개선단면의 시공성과 통수능(여유율) 등을 전반적으로 고려하였을 때, 관로 지름 450mm와 600mm 관을 대상으로 수치해석과 수리모형실험을 수행하는 것이 타당한 것으로 조사됨
시범유역, 청천시 시간최대 오수량 유입에 따른 최소유속 미확보 구간은 전체 관로 중 77.6%에 해당
•시범유역의 하수도 시스템을 고려한 도시유출모의를 위해 XP-SWMM(Storm Water Management Model) 모형을 구축하였으며, 2016년 기준 하수관망 현황 자료를 바탕으로 망원·서교·동교 배수분구 일대에 대한 1·2차원 수치모의를 진행함
•지속시간 1시간 확률강우량에 대한 유출모의를 실시한 결과, 통수능이 부족한 하수관로는 10년 빈도에서 전체의 52%, 30년 빈도에서 63%로 나타남. 시범유역은 하수관로 설계기준인 10년 및 30년 빈도 확률강우량 발생 시 하수관망 통수능 부족관로의 월류위험도가 큰 지역으로 분석됨
•시범유역 배수분구를 대상으로 청천시 시간최대 오수량 유입에 따른 하수관로 유속분포를 검토한 결과, 관로 내 유속이 0.3m/s 미만인 관은 44.1%(2,148개)로 나타났으며, 0.3~0.45m/s 관로는 18.7%(912개), 0.45m/s 이상 관로는 22.36%(1,089개)로 분석됨
•따라서 시범유역의 하수관로 중 77.6%가 최소유속 미확보 관로로 분석되었으며, 이는 서울시의 최소유속 미확보 관로 평균에 비하여 9.8% 높은 수준에 해당하여 관련 대책 마련이 시급함
하수관로 바닥부 인버트 직경은 관지름의 1/5 단면비일 때 가장 큰 흐름 개선 효과 나타나
•수치해석 수행 시 수리모형실험과 동일한 조건의 다양한 모델링 적용이 가능함. 이는 수리실험의 시간적·공간적 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있으며, 다양한 조건의 수리 모형 제작의 번거로움을 극복할 수 있어 경제적임
•3차원 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 수치모형인 FLUENT 모형을 이용하여 단면 형상 변화에 따른 관로 내 흐름 특성 분석을 실시하였으며, 청천시 관로 내 유속 확보 및 퇴적 구간 개선을 위한 관로시설 구조개선 방안을 도출함
•바닥부 인버트 설치 부위의 수심을 유지할 정도(0.011m3/s, 0.023m3/s)의 저유량 유입 시 개선단면에서의 유속 증가 효과가 나타났으며, 유입유량이 이보다 증가하면 그 효과는 크게 개선되지 않아, 바닥부 인버트가 설치된 개선 관로는 저유속 구간에서 효과가 있는 것으로 분석됨
•바닥부 인버트의 지름을 관 지름의 1/5, 1/6, 1/10 단면비 등으로 구분하여 적용 시 원형 관로와 직사각형 관로 모두 1/5 단면비에서 유속이 가장 크게 나타났고, 개선 단면의 하단부 복단면 형태의 저유로 부분 관경이 커질수록 기존단면과 유속이 비슷해지는 경향이 있어 1/5 단면비에서 개선효과가 가장 큰 것으로 분석됨
•수치모의 실험 결과, 원형 관로에서는 수심에 따른 유속 증가로 인하여 개선단면의 효과가 있는 것으로 분석되었으며, 직사각형 개선단면의 경우 수리모형 실험과 동일 조건에서 수심에 따른 유속분포가 10% 이내의 오차율을 보이긴 하였으나 기존 단면 관로에 비하여 유속 증가 효과가 있는 것으로 분석됨
수리모형 실험 결과, 개선 관로 시설의 바닥부 유속 증가 효과가 나타났으나, 실제 유기성 고형물 배제에는 역부족
• 수리모형 실험 결과, 개선 관로(바닥부 벤칭 설치)의 유속은 실험조건 : CASE I(0.27 l/s)일 때 최대 5배 증가하였으며, 인버트 이상으로 수심이 발생하는 실험조건 : CASE II(0.74 l/s)에서 약 2배 정도 빨라지는 효과가 있었고, 실험조건 : CASE III(3.50 l/s) 에서는 기존 관로 내 유속과 거의 동일하게 나타나 유량이 많이 질 경우 기존 관로와 비교하여 큰 효과는 나타나지 않음
•기존관로와 개선 관로에서 다양한 유입유량 조건에 따른 수세분뇨 직투입 시 이송능력을 검토한 결과, 바닥부 인버트 높이에 해당하는 유량 조건(0.0015m3/s)과 최소 경사 조건(0%)에서도 개선 관로는 수세분뇨를 투입 즉시 관로 내 고형물질이 쌓이지 않고 물과 함께 이송되었으나, 기존 관로의 경우 저유량, 저경사 조건에서 수세분뇨가 이송되지 못하고 바닥에 침전되는 현상이 나타나고 있음을 확인함
•수리모형 실험 결과, 바닥부 인버트 벤칭 높이의 유량이 지속적으로 공급된다면, 0.3m/s 이상의 흐름 유속은 확보가 가능한 것으로 분석되었으나, 실제 현장 조건에서는 건기에 유입되는 유량 조건이 매 시간마다 다르며, 역경사 및 저경사 구간이 다수 존재하여, 일반적으로 가정에서 직투입되는 수세분뇨의 경우 이송에 어려움이 있을 것으로 분석됨
•이번 수리모형 실험은 축척 모형(1/2 축척, 아크릴관 사용)을 사용하였으므로 실제 유기성 고형물 이송 현상과는 상이할 수 있으며, 향후 개선 관로의 수세분뇨 이송에 대한 보다 정밀한 분석을 위해서는 추가적인 원형 실험 및 현장 검증 연구가 수행되어야 함