Issue
내외수 연계 내배수 시설의 성능개선 및 03
설계 선진화 기술 개발
1. 머리말
집중호우로 인한 홍수발생 시 치수시설물의 성능 부족으로 인한 인명 및 재산피해가 증가함에 따라
내배수시설의 치수능력 향상을 위한 연구의 필요성 이 부각되고 있다. 본 연구는 “내외수 연계 도시 침 수저감 능력향상 기술 연구” 연구단의 2세부 과제로 서 “내외수 연계 내배수 시설의 성능개선 및 설계 선 진화 기술 개발”을 목표로 하여 내수침수 및 외수범 람에 의한 침수피해를 저감시키기 위한 기술 개발 을 수행하고 있다. 이러한 목표달성을 위해 본 연구 에서는 내배수시설의 홍수방어능력 평가프로그램과 내수배제계획 관련 지침서를 제시하여 내수침수방 지 및 침수위험지역 내수배제계획 수립능력을 향상 (2-1세세부)시키고자 한다. 또한 내배수시설의 성 능향상 및 유지관리비 절감을 위해 내수배제시설의 고효율/소형화 기술개발(2-2세세부), 우수관거 연 계를 통한 저류능력 확장기술을 개발하여 관련시설 투자비용의 절감, 효율성 향상을 위한 가이드라인 (2-3세세부)을 제시하였다.
2. 침수위험지역 내수배제계획 수립 기법 개발
본 연구에서는 침수위험지역 내수배제계획 수립 절차 개선을 위해 홍수방어능력 평가기법 개발 및 홍수방어능력 평가 프로그램 개발을 최종 목표로 하 고 있다. 내수배제계획 수립시 침수지역 특성 및 시 설 도입에 따른 평가 기법이 부재하다. 개발된 프로 이 동 섭
한국건설기술연구원 국토보전연구본부 수석연구원
dsrhee@kict.re.kr
김 영 도
인제대학교 환경공학과 (낙동강유역환경연구센터) 교수 ydkim@inje.ac.kr
윤 세 의
경기대학교 토목공학과 교수 syyoon@kyonggi.ac.kr
윤 병 만
명지대학교 토목환경공학과 교수 bmyoon@mju.ac.kr
그램을 통해 침수저감효과를 분석하고 내수배제시 설 도입에 따른 경제적 분석을 통해 적절한 내수배 제시설을 선정하고, 내수배제설계 능력 향상과 시설 조합에 따른 내수 침수 위험을 최소화 하고자 한다.
1단계 1차년도에는 국내 내수침수 발생현황을 분 석하고, 기존 내수배제시설 설계기법 조사 및 분석 을 통해 문제점 및 개선점을 도출, 침수발생구간 내 외수 연계 홍수량을 산정하였다. 2단계 2차년도와 3 차년도에는 침수위험지역의 특성을 분석하고 침수 위험지역 내 침수심 및 침수면적 DB화, 문헌조사를 통한 침수피해액 산정기법을 조사하였다. 3단계 4
차년도와 5차년도에는 다차원 홍수피해액 산정기법 을 통한 침수지역 건물 침수피해액을 산정하고 내수 배제시설 조합운영에 따른 침수면적 저감 효과를 분 석하였으며, 침수피해액 산정을 통한 홍수방어능력 평가 기법 개발 및 홍수방어능력 평가 프로그램 개 발을 진행하였다.
그림 2는 2010년 및 2011년에 침수피해가 발생한 도림천 유역의 도림1배수분구에 대하여 침수 저감을 위한 시설 입지를 분석하고, 저류지 설치를 위한 지 역을 선정하여, 저류지 설치에 따른 침수저감 효과 를 분석한 것이며, 시설의 조합에 따른 침수저감 효
그림 1. 침수위험지역 내수배제계획 수립 기법 개발
그림 2. 저류지 설치지역 선정 및 조합에 따른 침수저감효과 분석
과는 35.3〜50.9%로 나타났다.
또한, 홍수방어능력 평가를 위한 프로그램 개발을 위해 기초자료 및 프로그램 구성을 위한 자료를 수 집하여 다차원법을 적용한 홍수피해액 산정 프로그 램을 개발하였다. 다차원 홍수피해액 산정기법을 활 용하여 인명, 건물, 산업, 농경지 등 자산분류에 따 른 침수피해액을 산정하고 그를 활용한 침수피해액 을 산정하였다. 그림 3은 홍수피해액 산정 프로그램 의 개요를 나타낸 것이며, 침수피해액 산정을 통해 인명, 산업, 건물 등 도시유역의 침수피해에 대한 피 해액 산정을 간소화 하고 내수배제시설의 효율성을 판단할 수 있을 것으로 예상된다.
3. 저류능력을 고려한 내배수 시설 배수효 율 향상기술 개발
계획우수량의 상향조정에 따른 내수배제시설에
대한 설치요구는 높아지고 있으나 가용부지의 한계 로 인해 기존 내수배제 시설의 배수능력 향상이 필 요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 그림 4와 같 이 빗물펌프장의 성능개선을 통한 내수배제능력 향 상과 함께 간선저류지의 설계 가이드라인을 통한 도 심지 침수저감 효율을 향상시키고자 한다.
빗물펌프장의 흡입관 입구에서 발생되는 와류가 배수효율을 저해하는 가장 큰 원인으로서 분석된 바 있다(Kim 등, 2017). 그러나 펌프장 설계와 관련 한 국내 설계기준으로는 하천설계기준(국토교통부, 2009), 하수도설계기준(환경부, 2010), 빗물펌프장 수문 유지관리 설계 요령(서울특별시, 2008) 등에서 는 와류방지를 위한 정량적 설계기준을 제시하지 못 하고 있다. 미국의 Hydraulic Institute(1998)에서 는 흡수정 내 와류저감을 위해 와류저감장치(Anti Vortex Device, AVD)를 설치할 것을 권장하고 있 으며, 본 연구에서는 기존에 제시된 와류저감장치 의 성능검증을 위한 실험연구를 수행하였다. 수중와
그림 3. 홍수피해액 산정 프로그램 개요
류 저감을 위한 와류저감장치는 그림 5와 같이 여러 종류가 소개되어 있으나, 각각의 와류저감장치의 효 과에 대해서는 정량적으로 제시되어 있지 않다. 따 라서 와류저감장치의 형태와 높이 변화에 따른 흐 름개선 효과와 와도의 감소를 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용하여 정량적으로 분석했다. 그 결과, Floor cone과 Center splitter 형태의 와류저 감장치를 설치하였을 때 바닥와류가 발생하지 않았 으며, 0.45D의 높이를 가진 Center splitter 형태의 와류저감장치가 와도저감효과가 가장 좋은 것으로 나타났다(그림 6).
기존에 사용되어왔던 AVD 외에 수표면에서 발
생되는 와류를 효율적으로 저감시키기 위한 부유식 AVD를 제안하였다. 부유식 AVD는 수표면에 위치하 며 접근수로의 유선을 완만하게 만들어 수표면에서 발생하는 와류를 저감시키며 공기유입을 저감시키는 역할을 한다. 부유식 AVD는 부유체와 와류저감을 위한 4개의 날개로 구성되어 있으며, 날개의 길이는 흡입관의 직경과 동일하게 제작되었다. 부유식 AVD 의 성능검증을 위해 폭 2.2 m, 깊이 3.2 m의 실규모 빗물펌프장을 제작하여 실험을 수행했다(그림 7). 흡 입관의 폭은 0.6 m이며, 부유식 AVD의 각 날개 또 한 0.6 m의 길이로 제작하였다. 부유식 AVD의 성능 검증을 위해 흡입관 후면에서 수표면 주변의 유속을 그림 4. 저류능력을 고려한 내배수 시설 배수효율 향상기술 개발을 위한 연구 구성도
그림 5. 펌프 흡입부 배수효율향상을 위한 와류저감장치
a) Flow cplitter plate b) Floor cone c) Center splitter
측정한 결과 그림 8과 같이 나타났다. 부유식 AVD 설치 전에는 흡입관 좌, 우에서 와류가 형성되었으 나, 부유식 AVD 설치 후에는 유속이 감소하며 와류 형성이 저감되는 것을 확인할 수 있다.
간선저류지 용량 및 위치에 따른 침수저감효 과를 분석하기 위하여 세장형(SF=0.25), 중앙형
(SF=0.694), 집중형(SF=1.00)의 3가지 가상유역을 대상유역으로 선정하였다. 간선저류지 설치에 따른 첨두유량 저감효과를 분석하였으며, 간선저류지 용 량( ), 유출구 유출량( ), 첨두유량비( ), 도달시 간비( ), 유역저류비( )에 대한 관계식을 표 1과 같 이 산정하였다.
와류저감장치 설치 전
Floor splitter plate
h= 0.45D
Floor cone h = 0.4D
Center splitter h = 0.45D
(a) 유속분포 (b) 와도분포 (c) 유선
그림 6. 와류저감장치 설치 후 흡입부 주변 유선 분석결과
그림 7. 부유식 AVD 성능검증을 위한 실규모 실험 수행
a) 부유식 AVD 설치 전 b) 부유식 AVD 설치 후
a) 설치 전
b) 설치 후
그림 8. 부유식 AVD 설치 전/후 유속크기 및 유선 비교
표 1. 저류지 수문특성인자간의 회귀식
구 분 관계식
종속변수 독립변수
도림1 배수분구를 대상으로 구조적 개선 및 우수유 출저감시설 설치에 따른 유역의 내수침수 저감효과 를 분석하였다. 구조적 개선을 통한 내수침수저감효 과를 분석하기 위하여 설계 후 시공과정에서 발생한 역경사 구간을 개선하는 경우와 저류지를 설치하는 방법을 비교했다. 그 결과, 역경사 및 단차를 개선하 는 경우 침수저감율이 3.36%, 저류지를 설치하는 경 우 침수저감율이 5.88% 개선하는 효과를 나타냈다.
4. 내배수 관거 시설의 배수능력 향상 기술 개발
도시유역에서의 침수피해 원인은 내수배제 불량 에 따른 내수침수가 대부분을 차지하고 있으며, 내 배수시설의 성능 개선 및 다변화 요소기술이 필수적 이며, 이를 위하여 배수유역의 특성에 따른 유역 침 수 위험성을 판단하여 최적의 도시 내수 침수 방어 를 위한 시설 계획규모를 결정이 필요하다. 또한 도 시지역의 침수피해 예방을 위한 기존 우수배수 시설 의 개선이 필요하며, 이를 뒷받침하는 우수관거 시 설의 이론 및 실험적 근거가 필요하며, 도시 배수의 대부분이 우수관거 시설을 통하여 이루어지고 있으 므로 구체적이고 합리적인 도시 우수배수 시설의 기 술 개선은 매우 중요하다.
따라서 도시지역의 침수피해를 예방하기 위해서
는 상향된 설계빈도를 고려한 기존 도시배수 시스템 의 개선과 수리모형실험을 통하여 빗물받이 차집효 율 및 맨홀 내 흐름 특성을 파악할 필요가 있으며, 도심지 침수해석에 적정 손실계수의 적용 방안이 필 요한 실정이다. 이와 같은 우수배수 설계 및 시공의 이론 및 실험적 근거를 확보하여 기존 도시 배수 설 계 프로그램을 개선하고 기존 배수시설 기준에서 보 완된 도시 우수관거 시설의 설계 및 관리 지침서가 필요하다. 그러므로 본 연구는 우수관거의 배수 설 계와 유지관리 기술의 설계기준을 조사하여 정리하 고 도시 배수시설의 배수효율을 증대시키기 위한 합 리적인 우수관거 시설의 설계 기준을 제시하는 것을 목적으로 하고 있다(그림 10).
우수관거 시설의 설계 기준 개선을 위해서는 내배 수시설의 설계 빈도 상향에 따른 기 개발 요소 기술 의 개선과 현재 우수관거 시설의 설계 기법의 분석 을 통하여 설계 기법의 개선이 필요하다. 그리고 기 존 배수 시설에서 배제되었던 관거 시설의 구조개 선 방안의 제시를 통하여 배수능력을 향상시킬 필요 가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 우수관거의 저류 효율 및 저류 능력의 고려할 수 있는 우수관거 시설 의 설계 및 해석 기술의 개발을 위하여 우수관거 시 설 현황 및 설계기술 조사 분석(1차년도), 빈도상향 을 고려한 빗물받이 유입부 설계 기술 개선(2차년 도), 다방향 합류맨홀의 설계기법 및 에너지 손실 저 감 기법 개발(3차년도), 과부하 맨홀의 손실을 고려 그림 9. 구조적 개선에 따른 침수저감효과 분석
(a) 기존 (b) 역경사 및 단차개선 (c) 저류지 설치
한 도심지 침수규모 예측 기술 개발(4차년도), 도출 된 요소기술 적용에 따른 우수관거 시설 설계 기준 개선(5차년도)에 관한 연구를 수행했다. 이러한 연 구결과를 바탕으로 우수관거의 치수 능력을 확보할 수 있는 보다 넓은 범위의 우수관거 설계 가이드라 인을 제시하였다.
5. 맺음말
본 연구에서는 도시침수에 대한 구조적인 대응방 안을 수립하기 위해 내수배제시설에 대한 설계기법
을 개발하였다(그림 11). 먼저 기후변화 및 침수피해 특성을 반영한 내수배제계획의 수립을 위해 홍수방 어능력 평가 프로그램을 개발했고, 다차원 홍수피해 액 산정법을 이용하여 경제성 분석을 수행했다. 그 리고 내수배제시설의 효율향상을 위해 빗물펌프장 의 구조적 개선방안과 간선저류지 설계방안을 제시 했다. 또한 과부하 맨홀에 의한 침수면적을 저감시 키기 위해 우수관거 구조개선 기술을 개발했다. 본 연구과제에서 개발된 내수배제시설의 설계 개선 방 안을 실무에 도입하여 도시침수저감을 위한 구조적 대응방안을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 10. 요소 기술 적용한 우수 관거 설계 가이드라인 구성
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원 (17AWMP-B066744-05)에 의해 수행되었습니다.
그림 11. 내배수시설 설계 선진화를 위한 기술개발
1. 국토교통부, (2009) 하천설계기준.
2. 서울특별시, (2008) 빗물펌프장 수문 유지관리 및 설계 요령.
3. 환경부, (2010) 하수도 설계기준
4. Hydraulic Institute, 1998, Pump intake design
5. Kim, H. J., Park, S. W., and Rhee, D. S. (2017). “Effective height of a floor splitter anti-vortex device under varying flow conditions.” Sustainability, MDPI, Vol. 9, No. 285. pp. 1-14.
6. Park, I, Kim, H. J., Seong, H. J., and Rhee, D. S. (2018). “Experimental studies on surface vortex mitigation using the floating anti-vortex device in sump pumps.”Water, MDPI, Vol. 10, No. 441, pp. 1-14.
참고문헌
