KR100353391B1 - 하수관거의 모니터링/유지관리 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR100353391B1
KR100353391B1 KR1020010025690A KR20010025690A KR100353391B1 KR 100353391 B1 KR100353391 B1 KR 100353391B1 KR 1020010025690 A KR1020010025690 A KR 1020010025690A KR 20010025690 A KR20010025690 A KR 20010025690A KR 100353391 B1 KR100353391 B1 KR 100353391B1
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임규영
차희원
정정만
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주식회사 뉴보텍
차희원
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Abstract

하수관거 상에 설치되어 상기 하수관거를 흐르는 하수의 유량을 감지하는 유량감지기, 상기 하수의 수질농도를 검출하는 수질분석기, 및 상기 유량감지기와 수질분석기에 통신망으로 연결되는 모니터링 서버를 포함하는 하수관거의 모니터링 시스템에서,
상기 모니터링 서버는, 상기 유량감지기로부터 상기 유량감지기를 통과하는 하수의 유량데이터를 설정시간간격으로 통신망을 통해 수신하고, 상기 수신된 복수의 유량 데이터로부터 최소유량을 추출한 후, 상기 최소유량 중 활동인구에 의한 유량을 추산하여, 상기 최소유량 및 활동인구에 의한 유량을 기초로 침입수량을 포함하는 하수관거의 진단데이터를 연산한다.

Description

하수관거의 모니터링/유지관리 방법 및 시스템{AN INTEGRATED METHOD FOR PROVIDING MONITORING/MANAGEMENT DATA OF A SEWER SYSTEM AND A SYSTEM THEREOF}
본 발명은 하수관거의 모니터링/유지관리 시스템 및 그 구축방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 및 신설 하수관거 매설지역에서 기초 현황 자료평가와 더불어 하수관거로의 침입수/유입수량(I/I, Infiltration/Inflow) 및 누수량(Exfiltration)을 정량화하여 해석함으로써, 관거정비 계획 및 사후 유지관리시 정보를 제공하고, 하수관거가 접속된 배수구역에서의 하수발생량 및 오염부하 원단위를 산정하여 하수종말처리시설의 유입유량 및 수질을 산정하는 기초자료를 제공하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 하수종말처리시설을 운영하는데 있어 실제 유입수량 및 수질은 처리공정 전체의 효율을 좌우하는 중요한 인자이며, 더 나아가 관거로 차집되지 못한 하수는 방류선 수체가 지하수로 유입될 수밖에 없기 때문에 해당지역 관거시설의 건실성은 전체 수환경의 질을 좌우할 수도 있다. 이와 관련하여 해당지역의 하수관거 부실정도를 정확히 파악하고 이를 근거로 하수관거 정비 계획과 유지관리하는 방안이 필요하나 종래의 조사 및 평가방법으로는 시간적, 경제적 난점과 정확성이라는 면에서 매우 비효율적인 방법에 속하게 된다.
일반적으로, 하수관거는 지하에 매설되어 시공되기 때문에 일단 시공한 후에는 관거상태에 대한 검사나, 기능확인이 어렵다.
또한, 시공 후 하자 보증기간 내라도 하자 발생여부와 그 정도를 파악하는데에는 많은 시간과 경비를 투입하여야 가능하며, 기존의 관거 상태 조사방법인 육안조사, 폐쇄회로 TV조사, 염료추적조사, 음향조사 방법 등은 시간과 경제적으로 많은 비용이 소요되고, 조사방법이 복잡하며 객관성이 결여되어 정량화된 측정 결과 및 평가자료를 얻기가 용이하지 않다.
따라서, 기존 하수관거의 개보수를 위한 막대한 투자가 효율적으로 집행되지 못하고, 신설된 하수관거에 대한 부실여부를 판단하고 시정할 수 있는 범위가 극히 제한적일 수밖에 없었다.
또한, 일반적으로 공공 하수처리시설은 설계단계에서 발생하수량 및 오염부하량 원단위를 기준으로 설계하게 되나, 우리 나라의 경우에는 이에 대한 정량화된 기초 조사자료의 축적부족으로 인하여 과다설계가 빈번하며, 또한 가동과 동시에 하폐수 처리시설의 설계효율을 확보하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 종래의 기술한 문제점들을 보완 개선하고자 연구 창출한 것으로써, 하수관거에서의 유량 및 수질측정과 측정결과의 해석방법을 일련의 시스템화하여 하수관거 및 이와 접속된 하수종말 처리시설의 유지관리 계획 및 방안에 대한 의사 결정의 지원도구를 제공하려는 목적을 갖는다.
도 1 은 본 발명에 따른 일 실시예를 보인 시스템의 주요 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 작업과정을 보인 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 블록화과정의 예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 유량감지기가 설치되는 유량계실의 평단면도와 측단면도.
도 5 와 도 6 은 본 발명에 따른 유량성분 해석 그래프.
도 7 은 본 발명에 따른 하수 발생원단위 해석그래프.
도 8 은 본 발명에 따른 오염물질 발생원단위 해석그래프.
도 9 는 본 발명에 따른 유입수량 및 강우유발침입수를 산정한 해석그래프.
도 10 은 본 발명에 따른 하수관거 시설의 정비계획 및 유지관리시 의사결정 지원을 위한 방법의 예시도.〈도면의 주요부분의 설명〉
10 : 유량감지기 20 : 수질분석기 30 : 메인서버
41 : 조사측정 및 해석데이터부 42 : 기초현황데이터부
43 : 블록별 현황데이터부 44 : 블록별 유량데이터부
45 : 블록별 수질데이터부 46 : 블록별 유량성분데이터부
47 : 발생원단위데이터부 48 : 관거정비 및 유지관리데이터부
50 : 관리자서버 60 : 출력장치
70 : 유량계실 71 : 유량계 본체실
72 : 유량계실 전단부 73 : 유량계실 후단부
110 : 기초현황 데이터구축과정 120 : 관로블록화과정
130 : 블록별 현황 데이터구축과정 140 : 유량데이터축적과정
150 : 블록별 수질데이터축적과정 160 : 유량성분 데이터축적과정
170 : 발생원단위 데이터축적과정 180 : 하수감시 및 분석평가 과정
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 대상지역의 조사 및 실시간 현장측정 방법, 조사되거나 측정된 자료의 저장과 해석방법, 저장 및 해석된 자료의 표현방법에 관한 내용을 제공한다.이러한 본 발명의 하수관거 모니터링/유지관리 방법은, 하수관거상에 설치된 유량감지기로부터 상기 유량감지기를 통과하는 하수의 유량데이터를 설정시간간격으로 통신망을 통해 수신하는 유량검출단계; 상기 유량검출단계에서 검출된 복수의 유량데이터로부터 최소유량을 추출하는 최소유량 추출단계; 상기 최소유량 중 활동인구에 의한 유량을 추산하는 활동인구유량 추산단계; 및 상기 최소유량 및 활동인구에 의한 유량을 기초로 칩입수량을 포함하는 하수관거 진단데이터를 연산하는 진단데이터 연산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.상기 활동인구유량 추산단계는, 상기 수신된 복수의 유량데이터에 지수함수를 적합시키는 적합단계; 상기 적합단계에서 적합된 지수함수의 수렴값을 산출하는 단계; 및 상기 최소유량과 상기 수렴값과의 차이를 상기 활동인구에 의한 유량으로 설정하는 단계를 포함하는 것으로 할 수 있다. 상기 적합단계는, 상기 최소유량이 검출된 검출시각 이전의 설정시간범위에 해당되는 유량데이터만을 기초로 지수함수를 적합시키는 것이 바람직하다.후술하는 유량해 방법을 적용시키기 위해서 상기 진단데이터 연산단계는, 상기 최소유량에서 활동인구에 의한 유량을 뺌으로서 침입수량을 연산할 수 있다.후술하는 유량수질해 방법을 적용하기 위해서는, 상기 유량감지기를 통과하는 하수의 수질농도를 검출하는 수질농도 검출단계; 상기 최소유량에 해당하는 하수의 수질농도를 검출하는 최소유량 수질농도 검출단계; 및 상기 유량감지기를 통과하는 하수의 수질농도의 일평균값을 연산하는 일평균 수질농도 연산단계를 더 포함하고, 상기 진단데이터 연산단계는, 상기 최소유량, 활동인구에 의한 유량, 최소유량 수질농도, 및 일평균 수질농도를 기초로 침입수량 및 누수량을 연산하는 것으로 할 수 있다.이 때, 상기 진단데이터 연산단계는, 하기의 식1 및 식2를 연립계산 함으로써 침입수량 및 누수량을 연산할 수 있다."QNDF*CD+ QINFI*CINFI= (QMIN+QEXFI)*CMIN" (식1)"QMIN= QINFI+ QNDF- QEXEI" (식2)(단 상기 식1 및 식2에서, QNDF, QINFI, QMIN, 및 QEXFI는 활동인구에 의한 유량, 침입수량, 최소유량, 및 누수량을 각각 지칭하고, CD, CINFI, 및 CMIN는 일평균 수질농도, 침입수 수질농도, 및 최소유량의 수질농도를 각각 지칭함)다만, 상기 침입수 수질농도를 "0"으로 설정하여 침입수량 및 누수량을 연산할 수 있다.후술하는 상수사용량해 방법을 적용하기 위해서는, 상기 유량검출단계에서 검출된 복수의 유량데이터로부터 설정기간 동안의 총누적유량을 적산하는 단계; 및 상기 총누적유량과 설정된 하수발생량의 차이값으로써, 침입수량 및 누수량의 차이값을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.또한 본 발명의 하수관거 모니터링/유지관리 방법은, 상기 유량감지기를 통과하는 하수를 배출하는 하수발생원에 관하여 1인당의 단위시간당 하수발생량을 연산하는 하수발생원단위 연산단계를 더 포함할 수 있다.상기 하수발생원단위 연산단계는, 유량해 방법을 적용하는 경우에는의 값으로 1인당의 단위시간(일예로 1일)당 하수발생량을 연산할 수 있고, 유량수질해 방법을 적용하는 경우에는의 값으로 1인당의 단위시간(일예로 1일)당 하수발생량을 연산할 수 있다.단, 여기서 Qt, QINFI, QEXFI, △t, T, 및 N은 각각, 시각 t에서의 측정유량, 침입수량, 누수량, 유량측정시간간격, 유량측정 총시간, 및 상기 하수발생원의 수를 지칭한다.뿐만 아니라, 유량수질해 방법을 적용하는 경우에는 상기 유량감지기를 통과하는 하수를 배출하는 하수발생원에 관하여 1인당의 단위시간당 오염물질 배출량을 연산하는 오염물질 발생원단위 연산단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 오염물질 발생원단위 연산단계는,의 값으로 1인당의 단위시간당 오염물질 배출량을 연산하게 된다.단, 여기서 Qt, QEXFI, Ct, △t, T, 및 N은 각각, 시각 t에서의 측정유량, 누수량, 시각 t에서의 수질농도, 유량측정시간간격, 유량측정 총시간, 및 상기 하수발생원의 수를 지칭한다.또한, 강우 등에 의해 하수관거로 유입되는 유입수의 양은, 강우 전의 유량 데이터로부터 강우 시와 동일한 요일에 해당되는 복수일자의 유량데이터를 추출하는 단계; 상기 추출된 유량데이터로부터 복수일자의 데이터를 평균한 평균유량데이터를 계산하는 단계; 및 상기 유량검출단계에서 검출된 유량이 상기 평균유량데이터를 초과하는 양을 적산하는 단계를 더 포함함으로써 얻어질 수 있다.이러한 본 발명의 하수관거 모니터링 방법에서 이용되는 상기 유량감지기는, 상기 하수관거의 지선관거로 이루어진 1차 가지형 블록의 간선관거에 접하는 말단, 상기 간선관거로 이루어진 2차 가지형 블록의 차집관거에 접하는 말단, 및 차집관거 중 하나 이상의 개소에 설치되는 것이 바람직하다.상기 본 발명의 하수관거 모니터링 방법을 수행하기 위하여 구성되는 본 발명의 하수관거 모니터링 시스템은, 하수관거 상에 설치되어 상기 하수관거를 흐르는 하수의 유량을 감지하는 유량감지기, 상기 하수의 수질농도를 검출하는 수질분석기, 및 상기 유량감지기와 수질분석기에 통신망으로 연결되는 모니터링 서버를 포함하는 하수관거의 모니터링 시스템으로서,상기 모니터링 서버는, 상기 유량감지기 및 수질분석기로부터 데이터를 수신하여 본 발명의 하수관거 모니터링 방법을 수행하는 것을 특징으로 한다.본 발명의 하수관거 모니터링 시스템에서 상기 유량감지기는, 상기 하수관거의 지선관거로 이루어진 1차 가지형 블록의 간선관거에 접하는 말단, 상기 간선관거로 이루어진 2차 가지형 블록의 차집관거에 접하는 말단, 및 차집관거 중 하나 이상의 개소에 설치되는 것이 바람직함은 전술한 바와 같다.
이하, 첨부된 도면을 기초로 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 하수관거에 유하하는 하수량 중에서 침입수/유입수량과 누수량의비율 및 하수의 수질 농도를 해석하여 하수관거의 유지보수 및 하수종말처리장의 운영과 신설 및 개보수의 계획을 판단할 수 있도록 한 것으로, 하수관거를 크게 지선관거로 이루어진 다수의 1 차 가지형 블록과 상기 1 차 가지형 블록의 지선관거를 포함하는 간선관거로 이루어진 2 차 가지형 블록 및 상기 2 차 가지형 블록 지선관거와 간선관거를 포함하는 차집관거로 이루어진 3 차 가지형 블록으로 구분 형성한 하수관거 중 상기 1 차 가지형 블록의 지선관거가 간선관거와 접하는 상기 지선관거의 말단과 2 차 가지형 블록의 간선관거가 차집관거와 접하는 말단 및 3 차 가지형 블록의 차집관거에 등 간격으로 구비되는 유량감지부의 유량계실(70)에 설치되는 유량감지기(10)와, 상기한 바와 같이 유량감지기(10)가 설치되는 각 관거의 유량감지부의 유량계실에서 채취한 하수를 분석하는 수질분석기(20)와, 상기 유량감지기(10)와 수질분석기(20)로부터 데이터를 송신 받아 분석 저장 및 출력하는 메인서버(30)와, 상기 메인서버(30)로부터 데이터를 출력 받아 저장하는 데이터부와, 상기 메인서버(30)로부터 연산된 데이터를 출력하는 출력장치(60)와, 상기 메인서버(30)를 관리하는 관리자서버(50)로 구성한 것이다.
여기서, 상기 데이터부는 조사주기 및 조사된 데이터의 해석관련데이터가 저장되어 있는 조사측정 및 해석데이터부(41)와, 대상지역의 인구와 주거형태, 하수배제방식, 수세화율, 정화조시설, 하수관거의 제원 등과 같은 데이터가 저장되어 있는 기초현황데이터부(42)와, 상기 기초현황데이터부(42)로부터 추출된 각 가지블록의 관로 길이와 맨홀 및 관의 직경 등에 관련된 데이터가 저장되어 있는 블록별 현황 데이터부(43)와, 각 유량감지기(10)를 통하여 입력된 데이터를 메인서버(30)로부터 절단 받아 저장함과 더불어 상기 메인서버(30)의 요구에 따라 유량데이터를 출력하는 블록별 유량데이터부(44)와, 선정된 블록에서 일정 주기로 채취된 하수의 수질 농도 결과가 저장되어 있는 블록별 수질데이터부(45)와, 상기 블록별 유량데이터부(44)와 블록별 수질데이터부(45)의 측정자료를 분석하여 각 가지관을 흐르는 하수에 대한 침입수/유입수량과 누수량 등의 데이터가 해석되어 블록별 유량성분데이터부(46)와, 조사된 유량데이터와 유량성분데이터 및 블록별 수질데이터를 해석하여 얻은 하수발생 원단이 데이터와 하수 오염물질 원단이 데이터가 저장되는 발생원단위데이터부(47)와, 각 블록의 침입수/유입수 및 누수량이 저장되는 관거정비 및 유지관리데이터부(48)로 구성된 것이다.
한편, 상기한 바와 같은 본원 발명의 시스템 구축은 대상지역의 인구 및 주택에 따른 발생원 등과 같은 기초현황데이터를 수집하여 구축하는 기초현황데이터구축과정(110)과, 대상지역의 관로를 지선관거로 묶은 1 차 가지블럭과 상기 1 차 가지블럭의 지선관거를 포함하는 간선관거로 이루어진 2 차 가지블럭과, 상기 2 차 가지블럭의 지선관거와 간선관거를 포함하는 차집관거로 이루어진 3 차 가지블럭으로 구분하는 관로블록화과정(120)과, 상기 관로블록화과정(120)을 통하여 구분된 블록상의 맨홀 수량 및 위치와 관로의 길이 직경, 상수사용량 및 기타수량 등의 데이터를 기초현황데이터부(42)로부터 분석 추출하여 저장하여 블록별 현황데이터를 저장하는 블록별 현황 데이터구축과정(130)과, 상기 관로블록화과정(120)을 통하여 구분된 1 차 가지블럭의 지선관거가 2 차 가지블럭의 간선관거와 접하는 말단과, 2 차 가지블럭의 간선관거가 3 차 가지블럭의 차집관거와 접하는 말단 및 3 차 가지블럭의 차집관거의 일정한 간격의 위치에 적정한 오차 범위 내에서 유량측정이 가능한 유량감지기(10)를 유량계실(70)에 설치하여 가지블럭의 각 유량감지부에서 하수의 수심, 유속, 유량 등의 자료를 실시간으로 측정하여 전송하여서 블록별 유량데이터부(44)에 저장하는 유량데이터축적과정(140)과, 하수수질 농도데이터의 추출을 위하여 블록화된 1 차 ~ 3 차 가지형 블록 중 다수개의 블록을 선정하여 일정시간과 일정기간 동안 하수를 채취하여서 성분을 분석하여 하수의 수질데이터를 축적하는 블록별 수질데이터축적과정(150)과, 상기 유량데이터축적과정(140)을 통하여 수집된 유량데이터와 선정된 블록의 하수분석을 통하여 확보된 수질데이터, 블록별 상수 및 기타사용수량의 해석을 통하여 하수관거를 흐르는 발생하수, 침입수/유입수량, 누수량을 분석하여서 블록별 유량성분데이터부(46)에 저장하는 유량성분 데이터축적과정(160)과, 상기 축적된 블록별 수질데이터축적과정(150)을 통하여 축적된 데이터를 통하여 얻어지 하수의 수질 농도데이터와 대상 관로의 유량성분데이터를 분석 해석하여 하수 발생유량 원단위와 오염물질발생 원단위 등과 같은 발생원단위데이터를 추출하는 발생원단위 데이터축적과정(170)과, 상기 하수의 유량데이터와 유량성분데이터 및 블록별 수질데이터를 해석하여 유입하수에 대한 침입수/유입수량 및 누수량을 비교 감시하는 하수감시 및 분석평가 과정(180)으로 이루어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시예로서 대상지역의 기초현황데이터수집 및 관로블록화, 블록별 현황데이터구축, 유량데이터축적, 블록별 데이터축적과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
여기서, 대상지역의 기초현황데이터구축과정(110)은 대상지역의 인구, 주거형태, 하수배제방식(합류식, 분류식 및 합병식), 수세화율, 정화조시설, 하수도대장상의 매설된 하수관거제원, 상수사용량 및 지하수 등 기타사용수량 등 필요사항이 포함되어 있는 기초현황데이터가 기초현황데이터부(42)에 저장된다.
그리고, 대상지역의 관로블록화과정(120)은 도 3 에 도시된 바와 같이 대상지역의 기초현황데이터와 하수관망도를 이용하여 배수설비와 여러 지선관거가 집합하여 하수의 흐름이 간선관거에 접하는 지점을 말단지점으로 정하고, 발생원에서 하수가 발생하여 말단지점까지 하수가 유하할 수 있는 최장 발생원들을 연결하여 폐쇄도형을 완성하는 배수구역을 1 차 가지블록으로 설정하고, 간선관거가 차집관거와 접하는 지점을 말단으로 1 차 가지블록을 연결하여 폐쇄도형을 완성하는 좀더 큰 배수구역을 2 차 가지블록으로 설정하며, 2 차 가지블록들의 관거가 차집관거와 접하는 지점을 중심으로 차집관로 상의 상류, 중류, 하류로 구분하여서 2 차 가지형 블록을 연결하여 폐쇄도형을 완성하는 큰 배수구역을 3 차 가지형 블록을 설정한다.
또한, 블록별 현황 데이터구축과정(130)은 상기 관로블록화과정(120)에 있어 블록화된 각 가지블록에 번호를 부여하고 상기 각 블록에 대한 현황자료를 기초현황데이터부(42)로부터 추출하여서 세부블록데이터를 구축하여서 이를 블록별 현황데이터부(43)에 저장하는 것이며 그 형식의 실시예는 다음 표와 같다.
또한, 유량데이터축적과정(140)은 각 세부블록별 말단지점을 유량감지부로 선정하고 상기 유량감지부에 기존 및 신설관거에 설치가 용이하고 적정한 오차범위내에서 유량측정이 가능한 유량계로 이루어진 유량감지기(10)를 유지관리가 용이하게 설계된 유량계실(70)에 설치하여서 상기 유량감지기(10)로부터 하수의 수심, 유속, 유량 등과 같은 유량데이터를 실시간으로 측정하며, 측정된 상기 유량데이터는 LAN, 전화망 등과 통신망을 통하여 실시간으로 메인서버(30)로 전송하고, 상기 메인서버(30)로 전송된 유량데이터는 블록별 유량데이터부(44)에 저장되는 것이다.
이때, 사용된 상기 유량계실(70)은 실시예로는 철근콘크리트 또는 이와 유사한 재질을 갖는 구조로서 가로:세로:높이가 2~3:1:1~2의 범위로 형성되며, 유리관리의 편의성 확보 및 보호를 할 수 있게 설계되어 유량감지기(10)가 설치되는 유량계 본체실(71)과, 현잡물을 제거할 수 있는 스크린등이 설치되며 유량측정의 정확도를 높일 수 있게 설계된 유량계실 전단부(72) 및 하수가 정체하지 않고 합류식 및 분류식, 신설 및 기존 하수관로에 모두 적용할 수 있게 인버트가 설치된 유량계실 후단부(73)로 구성된 것으로, 유량계 본체실(71)의 유량감지기(10)는 하수관(74)과 일체형 또는 분리형으로 설치되며 내구성 및 유지관리가 용이하게 설계된 것이다.
또한, 블록별 수질데이터축적과정(150)은 1 차 ~ 3 차 가지블록 중에서 다수개의 블록을 선정하고, 선정된 블록의 각 세부 블록별 말단부에 형성한 유량감지부에서 유량측정과 동시에 시료를 채취하되 24시간 동안 매시 또는 2시간 간격으로 하여 1 주차 월요일, 2 주차 화요일, 3 주차 수요일 등의 순서로 7 주간 7 일에 대한 시료를 채취하며, 이를 다시 계절별로 구분하여 채취하고, 채취된 시료는 시험분석실에서 분석된 물리, 화학적 수질데이터를 LAN, 전화선 등과 같은 통신망을 통하여 메인서버(30)로 전송하며, 전송된 수질데이터는 블록별 수질데이터부(45)에 저장되는 것이다. 이때, 채취된 시료는 현장에서 냉장보관이 가능하고 수질분석에 필요한 용량을 시험분석실로 이동 전까지 저장이 가능한 기구에 보관되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예 있어서 유량성분데이터축적 및 발생원단위데이터축적과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
여기서, 유량성분 데이터축적과정(160)은 도 5 에 도시된 바와 같이 블록별 유량데이터부(44)로부터 추출된 1 일 유량데이터와, 블록별 수질데이터부(45)로부터 추출된 야간 최소유량(QMIN)때의 실측수질농도(CMIN)와 일평균수질농도(CD) 및 침입수의 수질농도(CINFI(=0))등의 데이터를 이용한 유량-수질해 방법, 유량해 방법 또는 상수사용량해 방법으로 각 유량성분을 구하는 것으로, 상기 1 일평균 유량해석그래프에 있어서 야간최저유량 발생시점의 유량은 야간활동인구에 의한 유량(QNDF), 침입수량(QINFI), 누수량(QEXFI)의 합으로 구성되는 것이다.이를 보다 명확히 설명하면, 도 5의 실선 그래프는 유량감지기(10)에 의해 측정되는 유량을 시간에 따라 도시한 그래프이고, 시간축 아래의 일점쇄선 그래프는 누수량(QEXFI)을, 시간축 위의 점선과 상기 일점쇄선 사이의 유량은 외부로부터 관거에 침입한 침입수량(QINFI)을 의미하는데, 따라서 야간에 하수를 배출하는 오염원이 없다면 유량은 점선과 같이 측정된 것이다. A점은 야간최저유량발생점으로서 통상 최소유량(QMIN) 검출되는 시간은 야간일 것임은 용이하게 짐작할 것이다. 상기 야간최저유량발생점(A)에서 측정되는 최소유량(QMIN)은 상기 점선에 해당하는 유량에 야간 활동 인구에 의한 유량(QNDF)이 합산되어 형성된 것이다.따라서, 상기 A점에서의 유량관계를 정리하면, 상기 최소유량(QMIN)은 야간 활동인구에 의한 유량(QNDF)과 상기 침입수량(QINFI)을 더하고, 이에 누수량(QEXFI)을 뺌으로서 연산되는 것이며 따라서 하기의 식(2)와 같은 유량관계식을 얻을 수 있게 된다.수질관계식 또한 마찬가지 방식으로 구해지는데, 하수에 포함된 오염물질의 양은 수량과 농도를 곱함으로써 구해지므로, A점에서 유량감지기(10)를 통과하는 하수에 포함된 오염물질의 양은 "최소유량(QMIN)*오염농도(CMIN)"로 구해지고, 이렇게 연산된 최소유량(QMIN) 때의 오염물질 양은 야간 활동인구에 의한 오염물질의 양(QNDF*CD)과 침입된 오염물질의 양(QINFI*CINFI)을 더하고, 여기에 누수된 오염물질의 양(QEXFI*CEXFI)을 뺀 것과 같게 되는 수질관계가 성립한다. 다만, 여기서 야간 활동 인구에 의한 오염물질의 농도를 CD로 둔 것은 야간활동인구에 의한 하수는 평균적인 하수의 수질과 동일할 것으로 가정한 것이다. 또한, 누수량(QEXFI)의 오염물질 농도(CEXFI)는 실측된 하수의 오염물질 농도(CMIN)와 같을 것이므로 누수량(QEXFI)의 오염물질 농도(CEXFI) 대신에 실측된 하수의 오염물질 농도(CMIN)를 대입하여 정리하면 하기의 식(1)과 같은 수질관계식을 얻을 수 있게 되는 것이다.Q NDF ×C D +Q INFI ×C INFI =(Q MIN +Q EXFI )×C MIN : 식(1)Q MIN =Q INFI +Q NDF -Q EXFI : 식(2)상기 식(1) 및 식(2)에서 일평균수질농도(CD), 최소유량(QMIN), 및 야간실측수질농도(CMIN)는 유량감지기(10) 및 수질분석기(20)에 의해 측정되어 결정되고, 침입수량 수질농도(CINFI)는 전술한 바와 같이 "0"으로 가정하므로, 따라서 야간 활동인구에 의한 유량(QNDF)을 설정함으로써 미지변수인 침입수량(QINFI) 및 누수량(QEXFI)을 계산할 수 있게 되는 것이다.
즉, 유량-수질해방법에 의한 유량성분 데이터축적과정(160)은 도 5 와 도 6 에 도시된 바와 같은 일유량그래프에 있어서 야간최저유량발생점(A)를 중심으로 지체시간(하수가 간선관거+최상류지선관거로부터 최하류에 도달하는 시간) 만큼 유량이 감소하는 유량 데이터들의 적합곡선의 유량측 절편(a)에서 상기 야간최저유량점(A)의 최하부까지의 거리에 해당하는 유량으로 야간 활동 인구에 의한 유량(QNDF)을 산출하거나, 야간 최소유량(QMIN)중 일정비율(0 ≤비율 ≤1)을 지체시간에 따라 정하여 구하고 물질수지식인 식(1)과 연속방적식인 식(2)의 연립방정식에 의해 침입수량(QINFI)과 누수량(QEXFI)를 구하는 것이다.
이하, 적합곡선에 의한 야간 활동인구에 의한 유량(QNDF) 산출 방식을 보다 명확히 설명한다.도 6에 표시된 점들은 도 5의 A점 근방에서의 실측 데이터를 표시한 것이고, 실선의 지수함수 그래프는 이 실측 데이터에 적합시킨 그래프이다. 다만, 전술한 바와 같이, 지수함수 그래프를 적합시킬 데이터는 최소유량 발생점(A) 이전의 실측데이터들, 즉 유량이 감소하는 유량 데이터들을 기초로 적합된다.하수발생원에서 하수발생을 종료하는 경우 유량감지기(10)에는 다수의 하수발생원의 하수발생 종료효과가 종합되어 나타나게 되는데, 따라서 다수의 하수발생종료효과가 종합될 때에는 지수함수적으로 유량이 감소하게 된다.그런데, 하수발생원에서 하수발생을 종료한 경우 각 하수발생원에 해당하는 소정의 지체시간이 경과한 후에 그 종료효과가 유량감지기(10)에서 감지되는 유량에 발생되므로, 상기 적합한 지수함수를 찾는 과정에서 최소유량 발생점(A) 이전의 실측 데이터만을 사용하여야 할 것이다.따라서 이러한 적합한 지수함수 그래프 수렴값(a)은 도 5의 점선에 해당한다고 보아도 무방하고, 따라서 이렇게 얻어지는 수렴값(a)과 최소유량(QMIN) 사이의 편차가 야간 활동인구에 의한 유량(QNDF)으로 산출할 수 있는 것이다.
그리고, 유량해 방법에 의한 블록별 수질데이터축적과정(150)은 누수량(QEXFI)이 발생하지 않는 것으로 가정하고 식(2)에서 야간 최저유량에서 야간활동인구에 의한 유량을 감하여 침입수량(QINFI)으로 간주하여 구하는 것이다.
또한, 상수사용량해는 블록별 현황데이터부(43)로부터 해당블록의 월별 상수사용량과 지하수등 기타사용량의 합에서 각 블록별 유량데이터부(44)로부터 월별 하수 누적 발생량을 추출하여 감함으로써 얻어지는 값을 "침입수량(QINFI)-누수량(QEXFI)"의 값으로 연산하게 되는 것이다.
한편, 상기한 유량-수질해방법과 유량해방법에 의한 침입수량(QINFI)이 비교적 차이가 발생하지 않을 경우에는 유량해 방법으로 각 세부블록별 유량데이터부(44)로부터 자료를 추출하여 세부 블록별 침입수량(QINFI)을 산출하여 구하고, 산출된 침입수량(QINFI)과 누수량(QEXFI)은 일 단위로 환산한 ㎥/day와 여기에다 블록면적을 나눈 ㎥/day-㎢, 블록내 하수관거 길이와 직경으로부터 구하여진 ㎥/dayㆍ㎜-㎞ 의 단위로 환산하여 침입수/유입수량(I/I, QINFI+ QEXFI+ QRII)과 누수량(QEXFI) 값으로 블록별 유량성분데이터부(46)에 저장되는 것이다.
상기 발생원단위 데이터축적과정(170)은 하수 발생유량원단위 데이터축적과 오염물질 발생원단위 데이터축적과정으로 이루어진 것으로, 상기 하수 발생유량원단위 데이터축적과정은 블록별 수질데이터부(45)로부터 침입수량(QINFI)과 누수량을 추출하고 일 유량데이터를 도 7 에 도시된 바와 같이 그래프화한 유량곡선하부에서 침입수량(QINFI) 상부의 면적을 적산하여 하수부피를 산정하고 이를 측정시간과 해당 인구수로 나누는 식(3)에 의하여 하수발생 유량원단위데이터를 산출하는 것이다. 이때, Qt는 시간 t에서의 측정유량이고, T는 측정기간(24시간, 1 일)을, ㅿt는 유량측정간격을 의미한다.
단, 유량해 방법에 의해 산출된 유량성분데이터일 경우에는 누수량(QEXFI)을 무시하며, 식(3)에 의하여 산출된 하수발생 유량원단위데이터는 L/capita-day 또는 lpcd의 단위로 환산되어 발생원단위데이터부(47)에 저장되는 것이다.
상기 오염물질 발생원단위 데이터축적과정은 블록별 유량성분데이터부(46)로부터 해당 블록에서의 누수량(QEXFI)을 추출하고, 블록별 수질데이터부(45)로부터 수질항목별 수질결과를 추출하며, 일유량데이터를 도 8 에 도시한 바와 같이 그래프화한[유량×수질]곡선의 하부와 [누수유량 ×수질] 곡선 사이의 면적을 적산하여 이를 해당측정 시간과 인구수로 나누는 식(4)에 의하여 오염물질 발생원단위데이터를 산출하는 것으로, 정화조가 설치된 지역에서 산출된 오염물질발생 원단위데이터는 정화조에서 제거된 오염부하가 감하여진 값이 된다.
식(4)에서 Qt는 시간 t에서의 측정유량이고, Ct는 시간 t에서의 수질항목별 수질농도이며, Δt는 유량 측정간격이며 유량측정간격사이에 결측된 수질은 실측정된 수질값들에서 직선보간법으로 구하며, T는 측정시간(24시간, 1일)을 의미한다. 유량해와 상수사용량해방법에 의해 산출된 블록의 유량성분데이터일 경우에는 누수량(QEXFI)을 무시한다. 산출된 오염물질발생원단위데이터는 gram/capia-day 또는 gpcd의 단위로 발생원단위데이터부(47)에 저장되는 것이다.
한편, 상기한 바와 같은 데이터의 축적과정에 있어서 강우 시 분류식 하수배제 지역 내 하수관거의 유입수량(QINFW;Inflow)과 강우 유발침입수(QRII;Rainfall Induced Infiltration)의 산정방법에 대하여 설명하면, 먼저 블록별 유량데이터부(44)로부터 해당 세부블록의 강우전 일정기간의 유량자료를 추출하여 강우시 동일 요일에 해당되는 2일 내지 3일까지의 건기시 일평균 유량데이터를 구하고, 상기 일평균 유량데이터에 강우 시 유량변화데이터를 중첩하여 이를 도 9 에 도시된 바와 같이 그래프화한다. 이때, 건기시 일평균유량은 점선으로 표시하고, 강우시 유량변화는 실선으로 표시하여 도 9 의 그래프 (b)에서 (c),(d)까지의 사선에 해당하는 부분을 적산한 후 (b)에서 (c),(d)까지의 경과시간으로 나누어 유입수량(QINFW)과 강우유발 침입수량(QRII)의 합을 산정한다. 산정된 유입수량(QINFW)과 강우 유발침입수(QRII)의 합은 일평균 단위로 환산한 ㎥/day와, 블록면적을 나눈 ㎥/day-㎢, 블록 내 하수관거 길이와 직경으로부터 구하여진 ㎥/dayㆍ㎜-㎞ 의 단위로 환산하여 블록별 유량성분데이터부(46)에 저장되는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 있어서 하수감시 및 분석평가과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 하수감시 및 분석평가과정(180)은 도 10과 같이 세부 가지블록을 블록별 코드와 함께 침입수/유입수량(I/I; Infiltration/Inflow) 및 누수량(QEXFI)을 실시간으로 분석하여, 일정기간동안 개별지역에서의 발생량을 저장 및 표현하여 의사결정지원에 기초자료를 제공한다.
이하, 상기한 하수관거의 모니터링/유지관리 시스템을 이용하여 실측자료를 바탕으로 수치적으로 계산한 예이다.
- 대상블럭 코드 : SE-P-SO1-TO1-01
면적: 8.5ha, 블록 내 인구 : 6235인, 주거형태 : 주거, 수세화율 95%, 맨홀 7개소 , 하수배제방식 : 분류식, 관거연장 : 12km(300mm 원형관거 : 10km, 800 mm 원형관거 2 km), 상수사용량 : 6,500 m3/month, 지하수 사용량 : 1,000 m3/month, 지체시간 : 5.5 시간
- . 유량측정 및 수질측정 자료
일일유량측정 : 10 분 간격으로 유량측정
Qave: 3,525 m3/day QMIN: 2,330 m3/day QNDF: 710 m3/day
CD(유량가중평균BOD농도) : 98.2 mg/L
- . 유량성분 분석
O . 유량-수질해 ;
침입수량(QINFI) : 2,080 m3/day, 누수량(QEXFI):460 m3/day
강우시 유입수량(QINFW) + 강우유발침입수(QRII) : 1,245 m3/day
I/I : 391 m3/day-ha, lpcd : 255, gpcd : 55
O . 유량해
침입수량(QINFI) : 1,620 m3/day
강우시 유입수량(QINFW) + 강우유발침입수(QRII) : 1,245 m3/day
I/I : 236 m3/day-ha, lpcd : 255, gpcd : 50.6
O . 상수사용량해(한달 유량측정결과 중 건기시를 기준으로 함)
침입수량(QINFI) - 누수량(QEXFI) : 2,154 m3/daylpcd : 178, gpcd : 50.6
이하, 저장 및 해석된 자료의 표현방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여 축적 또는 추출된 데이터는 데이터파일 또는 그래프로 표현되며, 이 표현은 유량, 수질의 측정 및 해석자료는 유량측정 지점별로 추출기간 내에 실시간 자료와 특정기간(예를 들어 일주일, 원, 년)의 평균자료로 연산되어 표현 및 저장할 수 있는 것이다.
또한, 특정 조건별로(예를 들어 특정값 또는 평균이상, 이하 등)추출이 가능하며 추출된 자료로부터 도3 또는 도10의 세부블록별 시각화(예를 들어 막대형 그래프, 채색 등)의 부가적인 기능을 표현할 수 있는 것이다.
이상의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 국하시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
따라서, 본 발명은 기존 및 신설된 하수관거 매설지역에서의 침입수/유입수량 및 누수량을 정량화하고, 하수관거가 접속된 배수구역에서의 하수발생량 및 오염부하 원단위를 산정하고 이를 통합적으로 하수관거유지관리 시스템화함으로써, 하수관거 및 하수 종말 처리시설의 정비 계획 및 유지관리방안에 대한 의사 결정지원 도구로서 활용이 가능하다.
또한 본 발명은 기존 및 시설된 하수관거의 부실정도를 신속하고 정확하게 파악하게 함으로써, 하수관거 정비사업 및 유지관리 차원에서 시간적 경제적으로 매우 효율적인 성과를 거둘 수 있으며, 발생하수량 및 오염부하량 원단위를 합리적으로 산정함으로써 하수 종말처리시설의 과다 설계방지 및 운영측면에서 매우 효율적인 수단을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 하수관거 정비에 소요되는 막대한 투자비의 효율적인 집행을 가능하게 하고, 해당지역 전체 수환경의 수질개선 측면에서 큰 도움을 줄 수 있는 매우 유용한 것이다.

Claims (18)

  1. 하수관거 상에 설치된 유량감지기로부터 상기 유량감지기를 통과하는 하수의 유량데이터를 설정시간 간격으로 통신망을 통해 수신하는 유량검출단계;
    상기 유량검출단계에서 검출된 복수의 유량 데이터로부터 최소유량을 추출하는 최소유량 추출단계;
    상기 최소유량 중 활동인구에 의한 유량을 추산하는 활동인구유량 추산단계; 및
    상기 최소유량 및 활동인구에 의한 유량을 기초로 침입수량을 포함하는 하수관거 진단데이터를 연산하는 진단데이터 연산단계를 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 활동인구유량 추산단계는,
    상기 수신된 복수의 유량데이터에 지수함수를 적합시키는 적합단계;
    상기 적합단계에서 적합된 지수함수의 수렴값을 산출하는 단계; 및
    상기 최소유량과 상기 수렴값과의 차이를 상기 활동인구에 의한 유량으로 설정하는 단계를 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 적합단계는, 상기 최소유량이 검출된 검출시각 이전의 설정시간범위에 해당되는 유량데이터만을 기초로 지수함수를 적합시키는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 진단데이터 연산단계는,
    상기 최소유량에서 활동인구에 의한 유량을 뺌으로서 침입수량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
  5. 제1항에서
    상기 유량감지기를 통과하는 하수의 수질농도를 검출하는 수질농도 검출단계;
    상기 최소유량에 해당하는 하수의 수질농도를 검출하는 최소유량 수질농도 검출단계; 및
    상기 유량감지기를 통과하는 하수의 수질농도의 일평균값을 연산하는 일평균 수질농도 연산단계를 더 포함하고,
    상기 진단데이터 연산단계는,
    상기 최소유량, 활동인구에 의한 유량, 최소유량 수질농도, 및 일평균 수질농도를 기초로 침입수량 및 누수량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 진단데이터 연산단계는,
    하기의 식1 및 식2의 연립계산으로부터 구해지는 값으로 침입수량 및 누수량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
    "QNDF*CD+ QINFI*CINFI= (QMIN+ QEXFI)*CMIN" (식1)
    "QMIN= QINFI+ QNDF- QEXFI" (식2)
    (단 상기 식1 및 식2에서, QNDF, QINFI, QMIN, 및 QEXFI는 활동인구에 의한 유량, 침입수량, 최소유량, 및 누수량을 각각 지칭하고, CD, CINFI, 및 CMIN는 일평균 수질농도, 침입수 수질농도, 및 최소유량의 수질농도를 각각 지칭함)
  7. 제6항에서,
    상기 식1 및 식2의 상기 침입수 수질농도(CD)는 "0"으로 설정된 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 유량검출단계에서 검출된 복수의 유량데이터로부터 설정기간 동안의 총누적유량을 적산하는 단계; 및
    상기 총누적유량과 설정된 하수발생량의 차이값으로써, 침입수량 및 누수량의 차이값을 계산하는 단계를 더 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 유량감지기를 통과하는 하수를 배출하는 하수발생원에 관하여 1인당의 단위시간당 하수발생량을 연산하는 하수발생원단위 연산단계를 더 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 하수발생원단위 연산단계는,
    의 값으로 1인당의 단위시간당 하수발생량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
    (단, 여기서 Qt, QINFI, △t, T, 및 N은 각각, 시각 t에서의 측정유량, 침입수량, 유량측정시간간격, 유량측정 총시간, 및 상기 하수발생원의 수를 지칭한다)
  11. 제5항에서,
    상기 유량감지기를 통과하는 하수를 배출하는 하수발생원에 관하여 1인당의 단위시간당 하수발생량을 연산하는 하수발생원단위 연산단계를 더 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 하수발생원단위 연산단계는,
    의 값으로 1인당의 단위시간당 하수발생량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
    (단, 여기서 Qt, QINFI, QEXFI, △t, T, 및 N은 각각, 시각 t에서의 측정유량, 침입수량, 누수량, 유량측정시간간격, 유량측정 총시간, 및 상기 하수발생원의 수를 지칭한다)
  13. 제5항에서,
    상기 유량감지기를 통과하는 하수를 배출하는 하수발생원에 관하여 1인당의 단위시간당 오염물질 배출량을 연산하는 오염물질 발생원단위 연산단계를 더 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 오염물질 발생원단위 연산단계는,
    의 값으로 1인당의 단위시간당 오염물질 배출량을 연산하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
    (단, 여기서 Qt, QEXFI, Ct, △t, T, 및 N은 각각, 시각 t에서의 측정유량, 누수량, 시각 t에서의 수질농도, 유량측정시간간격, 유량측정 총시간, 및 상기 하수발생원의 수를 지칭한다)
  15. 제1항에서,
    강우 전의 유량 데이터로부터 강우 시와 동일한 요일에 해당되는 복수 일자의 유량데이터를 추출하는 단계;
    상기 추출된 유량데이터로부터 복수일자의 데이터를 평균한 평균유량데이터를 계산하는 단계; 및
    상기 유량검출단계에서 검출된 유량이 상기 평균유량데이터를 초과하는 양을 적산하는 단계를 더 포함하는 하수관거의 모니터링 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    상기 하수관거 상에 설치된 상기 유량감지기는,
    상기 하수관거의 지선관거로 이루어진 1차 가지형 블록의 간선관거에 접하는 말단, 상기 간선관거로 이루어진 2차 가지형 블록의 차집관거에 접하는 말단, 및 차집관거 중 하나 이상의 개소에 설치된 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 방법.
  17. 하수관거 상에 설치되어 상기 하수관거를 흐르는 하수의 유량을 감지하는 유량감지기, 상기 하수의 수질농도를 검출하는 수질분석기, 및 상기 유량감지기와 수질분석기에 통신망으로 연결되는 모니터링 서버를 포함하는 하수관거의 모니터링 시스템으로서,
    상기 모니터링 서버는,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 시스템.
  18. 제17항에서,
    상기 유량감지기는,
    상기 하수관거의 지선관거로 이루어진 1차 가지형 블록의 간선관거에 접하는 말단, 상기 간선관거로 이루어진 2차 가지형 블록의 차집관거에 접하는 말단, 및 차집관거 중 하나 이상의 개소에 설치된 것을 특징으로 하는 하수관거의 모니터링 시스템.
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