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.28 No.3 pp.277-286
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2014.28.3.277

Impact assessment for water pressure and turbidity occurrence by changes in water flow rate of large consumer at water distribution networks

DooYong Choi, Ju-Hwan Kim, Min-Ah Choi, Do-Hwan Kim*
K-water Research Institute, Korea Water Resources Corporation
Corresponding Author : Tel : 042-870-7512, Fax : 042-870-754, dhkim7441@kwater.or.kr
February 12, 2014 May 29, 2014 June 5, 2014

Abstract

Water discolouration and increased turbidity in the local water service distribution network occurred from hydraulic incidents such as drastic changes of flow and pressure at large consumer. Hydraulic incidents impose extra shear stresses on sediment layers in the network, leading to particle resuspension. Therefore, real time measuring instruments were installed for monitoring the variation of water flow, pressure, turbidity and particulates on a hydrant in front of the inlet point of large apartment complex. In this study, it is attempted to establish a more stable water supply plan and to reduce complaints from customers about water quality in a district metering area. To reduce red or black water, the water flow monitoring and control systems are desperately needed in the point of the larger consumers.


상수도관망에서 대수용가의 유량변화에 따른 수압 및 탁도발생 영향평가

최 두용, 김 주환, 최 민아, 김 도환*
한국수자원공사 K-water연구원

초록


    Ministry of Environment
    GT-11-G-02-001-6

    1.서 론

    지방상수도의 급수구역 내에서 유량 및 수압 에 대한 관리는 안정적인 용수공급의 차원에서 기 본이라 할 수 있으며, 누수감시는 사고예방 측면 에서 강구되어야 하는 기본적인 요소임과 동시에 상수도경영의 지표가 되는 유수율 증대의 근본적 인 요소이다(Jeong, 2012; Farley and Liemberger, 2005). 특히, 상수관망의 중소블록 내의 대수용가 및 대단위 용수사용처에서 저수조 등에 물을 저장하면서 1일 평균 2 ~ 4회 이상의 물 사 용량이 증가하여 유량 및 수압변동이 해당 블록내 에 빈번하게 발생하고 인근 주택지의 수압은 급 격히 떨어져 출수불량이 일어날 가능성이 높아진 다. 이와 더불어 상수관망 내에서 수리적인 변화 에 의한 수질민원 등을 유발하는 입자성 물질 및 탁도 유발물질들이 발생할 가능성이 아주 높아지 게 된다. Fig. 1은 특정지역에서 연중 각 계절별 24시간 동안의 지방상수도 유량변화를 대표적으 로 보여주는 그림으로 특정시간대에 급격한 물사 278 Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 28, No. 3, pp. 277-286, June, 2014 용 증가를 보여주고 있다(Prince et al., 2001).

    국내뿐 아니라 국외에서도 생활용수공급에 따른 소비자들의 수질민원건수는 계속해서 발 생하고 있으며, 이들 수질민원의 대부분은 색 도 및 탁도 발생으로 인한 것으로 이를 해소하 고 보다 양질의 음용가능한 생활용수를 공급하 기 위해 관계기관 및 수도사업자는 많은 노력들 을 기울이고 있다. 수질민원을 저감하기 위해서 는 상수관로의 개ㆍ대체, 플러싱(flushing), 부 식방지를 위한 부식성 수질제어 및 수질모니터 링 등을 수행하여야 한다(Gaffney and Boult, 2012; Vreeburg and Boxall, 2007; Kim et al., 2008; Kim et al., 2009). 상수관망의 수 질저하 요인들 중에서 유속과 같은 수리적인 변 화는 체류시간 증가, 미생물 성장, 잔류염소 감 소 및 탁도 증가 등의 직접적인 영향인자로 작 용하는 것으로 알려져 있다(Shamsaei et al., 2013). Vreeburg et al.(2004)은 상수관망에서 관로의 파손, 소화전 개폐 및 유속의 증가 등은 관로 내부에 침적되어 있는 슬라임, 결절 및 생 물막(biofilm) 등의 표면에 물리적인 영향을 끼 쳐서 입자성 물질들이 부유하게 되고 결과적으 로 색도 및 탁도의 증가를 유발함으로써 소비자 들로부터 수질민원의 직접적인 원인으로 작용한 다고 보고하였다. 상수관로 내부나 수도꼭지에 서 탁도를 유발하는 물질들은 원수에 존재하는 유기물과 물기물이 정수장에서 완전히 처리되지 않고 미량의 성분들이 정수에 함유되어 상수관 망을 통해 유동하면서 관로내부에 축적되거나 (Lin and Collier, 1997; Chandy and Angles, 2001; Cook and Boxall, 2011) 정수처리의 여 과공정에서 분말활성탄 및 응집공정에서 응집 제의 과량투입으로 마이크로플럭(Microflocks) 크기의 철(Fe) 성분이나 알루미늄(Al) 성분을 함 유한 화합물들이 수중에 포함되어 상수관로 내 에서 탁도를 유발하는 입자성 물질로 작용을 한 다(Polychronopolous et al., 2003; Prince et al., 2003; Slaats, 2002).

    상수관망의 중소블록에서 대수용가의 물 사용 으로 유량증가 및 수압증감 등의 수리적인 변화 가 발생하여 관로 내의 입자성 물질들의 부유로 인한 탁도 증가를 유발한다. 따라서 본 연구에서 는 수리적인 변화에 따른 수질의 변화를 관찰하 고자 실시간 모니터링 장비(유량, 수압, 탁도, 입 자계수, 입자성 물질 포집 등)들을 대수용가 유 입지점 소화전에 설치하여 현장조사를 수행하였 다. 본 연구의 결과들을 통해 중소블록에서 수리 적으로 보다 안정적인 용수공급 방안을 모색하 고 소비자들의 수질민원을 감소하여 양질의 물을 공급하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.

    2.현장조사 및 방법

    2.1.조사지점 및 대상지역 현황

    본 연구의 대상지역은 N시 지방상수도에서 대수용가의 물사용 패턴인 유량과 수압의 변화 에 따른 탁도 및 이물질 발생을 확연히 모니터링 할 수 있는 지역을 선정하였으며, 해당 중블록에 서 조사지점인 대수용가 이외에 급격한 용수공 급량의 변화 등에 의해 탁도 발생의 영향을 미칠 수 있는 요소들이 최소인 지점을 선정하여 현장 조사를 실시하였다. Fig. 2는 조사지점 및 해당 블록의 관망도를 나타낸 것이다. 현장측정 데이 터는 대상지역 대수용가 유입지점의 소화전에서 실시간으로 사용량, 수압 측정, 탁도 및 입자계 수 변화를 48시간 동안 수집하였다. 또한 대상지 역 중소블록의 각 유입지점에 설치되어 사용량 을 모니터링하고 있는 실시간 온라인 유량계 데 이터 중에서 조사기간 동안의 데이터를 추출하 여 함께 비교·분석하였다.

    현장적용 및 조사 대상지역인 N시의 시설개 요는 배수지 8개소, 가압장 13개소 및 관로 총연 장 849 km로 용수공급 현황은 2012년 기준으로 71,000 m3/day인 것으로 조사되었다. Table 1과 Table 2는 관로시설물들 중에서 수도관 재질별 현황과 매설년도 현황을 정리하여 나타내었다.

    현장적용 및 조사 대상지역인 N시의 시설개 요는 배수지 8개소, 가압장 13개소 및 관로 총연 장 849 km로 용수공급 현황은 2012년 기준으로 71,000 m3/day인 것으로 조사되었다. Table 1과 Table 2는 관로시설물들 중에서 수도관 재질별 현황과 매설년도 현황을 정리하여 나타내었다.

    대상지역의 급수 및 배수지 현황은 Table 3과 Table 4에 각각 정리하여 나타내었다. N시의 총 인구는 130,710명이고 급수인구는 82,286명으 로 급수보급율은 약 63 % 수준이다. 1인당 1일 급수량은 376.7 lpcd이고 2012년 기준으로 유 수율은 82.7 % 수준인 것으로 조사되었다(N시 2012년 상수도통계 기준).

    현장측정 및 조사 대상지역은 소블록의 대수 용가 유입지점으로 해당 대수용가의 가구수는 548 가구이고 관경은 150 mm, 2012년 기준 일 평균 사용량은 268.6 m3/day의 규모이다. 본 연구의 현장조사 기간인 48시간 동안 유입유량 및 수압 데이터는 소블록의 유입지점에 설치되 어 있는 실시간 유량계와 수압계 데이터를 수집 하였으며, 현장조사 지점인 대수용가 유입지점 의 수압데이터는 자기록수압계를 설치하여 취득 을 하였다(Fig. 2).

    2.2.실험장치 및 조사항목

    실시간 수질데이터 수집을 위해서 본 연구에 사용된 각 항목별 실험 장치들은 온라인 측정 이 가능한 장비들을 현장 및 옥외에서 설치하 여 데이터 수집이 가능하도록 구성하였다. 온라 인 측정 장비인 탁도계와 입자계수기(Particle Counter)의 데이터 수집은 노트북을 이용하였 으며, 장비의 운전과 실시간 데이터 저장을 위 하여 전원을 공급할 수 있는 휴대용 발전기를 실 험기간 동안 계속 가동을 하였다. 조사지점의 수 압측정은 자기록수압계(RADCOM, LoLogLL/ Vista Data Logger, HWM-Water Ltd, UK) 를 소화전에 설치하여 조사기간 동안 관로내의 수압을 1분단위로 실시간 측정하였다. Fig. 3은 현장조사에 사용된 실험장치의 구성을 나타낸 것으로 소화전에서 시료를 실시간으로 자동 채 수하여 일정한 저유속으로 탁도계와 입자계수기 를 거쳐 퇴수가 될 수 있도록 하였다.

    입자성 물질의 포집은 개발된 장치를 이용하 여 상수관로 내의 입자성 물질의 정성 및 정량분 석을 위해 ICP-AES(유도결합플라즈마방출분 광기, Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer)분석을 실시하여 데 이터들을 취득하였다. 입자성 물질포집 및 여과 된 시료의 원소성분에 대한 분석은 Fig. 4와 같 이 셀룰로오스 아세테이트 멤브레인 필터에 포 집된 입자성 물질을 건조시켜 분석을 수행하였 다(Kim et al., 2013). Fig. 4는 본 연구를 위해 사용된 입자성 물질 포집장치와 여과된 멤브레 인 필터의 상태를 나타낸 것이다.

    중소블록 내의 대수용가에서 물 사용에 따 른 수리적 변화의 영향으로 탁도 발생과 이물 질의 성상을 분석하고자 조사항목으로는 유량, 수압, 탁도, 입자계수 및 입자성 물질 성분분석 (Fe, Cu, Mn, Zn, Ca, Al, Mg, Si)을 실시하 였다. 입자성 물질의 정성 및 정량분석을 위한 ICP-AES의 운전조건을 Table 5에 정리하여 나 타내었다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.대수용가 유량 및 수압 변화

    조사대상 지역 블록 내의 물사용 패턴을 살펴 보면, Fig. 5에서 물사용에 따른 블록 유입지점 의 유량 및 수압변화는 심하게 변동하는 것을 알 수 있었다. 대상 블록의 물사용 패턴인 수압 데 이터 변화는 블록유입 지점에 설치된 유량 데이 터의 증가에 따라 수압이 감소하는 것으로 조사 되었다. 따라서 조사지점 대수용가의 물사용량 을 관찰하기 위해서 수압변화를 감시하여야 하 며, 이러한 경우 대표적인 대수용가의 물사용량 을 조절함으로써 인근지역의 출수불량 해소 및 수리적 변화저감 등 해당 소블록의 용수공급을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 판단되었다.

    Fig. 6과 같이 대상지역의 대수용가에서 현 장조사 기간인 48시간 동안에 소블록 유입지점 의 유량(A)과 수압(B)의 변화는 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 즉, 유량의 변화패턴 은 24시간 단위로 같은 동시간대에 동일하였으 며, 수압의 변화패턴 또한 유량이 증가하면 수압 은 감소하였고 유량이 감소하여 정상상태를 유 지하면 수압도 증가하여 일정한 압력을 유지하 는 것으로 조사되었다. 그리고 흥미로운 것은 조 사대상지점의 대수용가 유입지점에서의 수압패 턴(C)으로 소블록 유입지점의 수압(B)과 동일한 패턴을 보이고 있으며, 다소 낮은 수압을 유지하 고 있는 것으로 조사되었다. 물론 해당 블록지역 은 다른 대수용가도 있으나 이는 선정된 조사대 상지점의 대수용가 물 사용 패턴이 해당 블록의 물 사용 패턴을 전적으로 지배하고 있기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 대수용가에 대한 유입 유량의 감시 및 제어를 통해 중소블록의 출수불 량 지역이 해소되어 보다 안정적인 용수공급이 가능하다는 것을 나타내고 있다고 할 수 있다. 그리고 대수용가와 대단위 용수사용처의 규모가 클수록 그 지점에 대한 유량감시 및 제어가 절실 히 필요하며, 관내에 침적되어 있거나 유동하고 있는 슬라임과 같은 탁도 유발물질들과 관내 벽 면에 부착되어 있는 결절들에 영향을 최소화하 여 적수 및 흑수발생과 같은 수질민원을 줄일 수 있을 것으로 여겨진다.

    3.2.대수용가 수압 및 탁도 변화

    Fig. 7은 현장조사기간 동안의 대수용가 유 입지점에서의 수압(A)변화에 따른 탁도(B)변화 를 나타낸 것으로 수압변화 시점과 탁도 변화의 증감비가 완전히 일치하지 않는 것으로 조사되 었다. 이는 대수용가에서 물을 저류조로 저장할 때 유량과 수압의 변화가 바로 발생하지만 탁도 의 증가 및 감소는 관로 내에서 수리적인 변동 으로 인해 변화가 있으나 조사지점에서의 입자 성 물질 및 탁도 유발물질들이 아니라 다른 인 근지점 또는 다른 블록이나 상수관망에서 침적 되어 있거나 유동하고 있는 부유물질들이 이동 하여 왔기 때문에 수압변화와 탁도 증가 및 감소 비의 오차가 발생하는 것으로 판단된다. 그리고 탁도가 증감하는 패턴은 유량이나 수압변화처럼 일정한 패턴을 반복적으로 보이지는 않으며, 수 리적인 변화가 큰 시점에서 탁도가 더 많이 증가 하는 것은 아니지만 영향은 충분히 미치는 것으 로 나타났다.

    Fig. 7에서 수압이 안정적인 시점에 탁도의 변화도 안정화되는 경향이 있으며, 탁도가 0.50 NTU의 먹는물수질기준을 하회는 하지만 0.49 NTU까지 증가를 하는 것으로 조사되어 보다 안 정적이고 안전한 급수공급과 민원의 해소를 위 해서는 대수용가에서의 유량감시 및 제어가 꼭 필요한 것으로 판단된다.

    3.3.대수용가 유입지점의 탁도 및 입자계수 변화

    Fig. 8은 대수용가 유입지점에서 조사기간 동 안의 탁도(A)와 입자계수(B)의 변화를 나타낸 것으로 상수관망 내에서 유량 및 수압변동에 따 른 탁도의 변화는 수중의 입자성 물질들에 의한 영향이 지배적이기 때문에 탁도발생 시점에 입 자계수도 급격히 증가하는 것으로 조사되었다. 특히, 입자크기의 분포를 살펴보면, 2 ~ 4 μm 크기의 입자들이 가장 많았으며, 그 다음으로는 4 ~ 6 μm, 6 ~ 10 μm 순으로 조사되어 관로내 수중에는 미세 부유성 입자들이 많은 것을 알 수 있었다.

    3.4.입자성 물질의 원소성분 분석

    대수용가 유량 및 수압변화에 따라 수중에 부 유하여 존재하는 미세물질들의 원소성분을 확인 하고자 ICP-AES(유도결합플라즈마방출분광 기) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 시료채취는 총 5회에 걸쳐 실시하 였고 유량변동이 발생하는 시점에 샘플링을 수 행하였다.

    원소성분 분석결과를 살펴보면, 철(Fe) 성분 이 가장 많이 검출되었고 규소(Si)와 알루미늄 (Al) 성분도 상대적으로 많은 것으로 분석되었 다. 따라서 조사대상 지역에서 탁도를 유발하는 물질들은 관로 내벽의 부식 등으로 인한 부식산 화물이 가장 많으며, 규소(Si)는 모래의 주성분 이고 알루미늄(Al)은 정수장에서 주입되는 응집 제 등이 관로 내에 잔존하여 검출된 것으로 예상 된다. ICP-AES 분석결과에서 원소성분들의 농 도가 높은 것은 일정 시간동안 수중의 입자성 물 질들을 포집하여 축적된 시료의 성분을 분석한 결과이기 때문에 실제 관로 내의 수중에서는 미 량으로 존재할 것으로 판단된다.

    4.결 론

    안정적이고 안전한 수돗물 공급을 위해서는 지방상수도의 중소블록 내에 산재하고 있는 대 수용가에서 급격한 물 사용(저류조 저장 등)으로 인한 유량 및 수압과 같은 수리적인 변화를 최 대한 줄임으로써 상수관망 내에 침적되거나 유 동하고 있는 입자성 물질로 인해 발생되는 탁도 증가 등의 수질민원을 최소화 할 수 있을 것으 로 여겨진다. 이를 위해서는 해당 중소블록 내의 대수용가들에 대한 유량 및 수압패턴을 정확히 모니터링하고 문제가 되는 지점에서는 일시적인 사용량 증가로 인한 일반 수용가의 단속적인 피 해를 최소화하며, 출수불량과 수질민원 등을 해 소할 수 있는 유량제어밸브 및 대수용가 유량관 리시스템의 개발과 적용이 필요한 실정이다. 따 라서 본 연구에서 수행한 현장조사 등의 기초적 인 데이터들을 통해 수리적 인자(유량 및 수압) 들 뿐만 아니라 수질적 인자(탁도, 입자계수, 원 소성분 등)들의 상관성을 확인함으로써 대수용 가 유량관리시스템의 필요성과 적용가능성을 확 인할 수 있었다.

    1. 대수용가와 대단위 용수사용처의 규모가 클수록 그 지점에 대한 유량감시 및 제어 가 절실히 필요하며, 관내에 침적되어 있 거나 유동하고 있는 슬라임과 같은 탁도 유 발물질들과 관내 벽면에 부착되어 있는 결 절들에 영향을 최소화하여 적수 및 흑수발 생과 같은 수질민원을 줄일 수 있을 것으 로 판단된다.

    2. 대수용가에서 물을 저류조로 저장할 때 유 량과 수압의 변화가 바로 발생하지만 탁도 의 변화는 관로 내에서 수리적인 변동으로 인해 발생하고 조사지점에서의 입자성 물 질 및 탁도 유발물질들이 아니라 다른 인 근지점 또는 다른 블록이나 상수관망에서 침적되어 있거나 유동하고 있는 부유물질 들이 이동하여 왔기 때문에 수리적인 변화 에 따른 탁도 증가 및 감소비의 오차가 발 생하였다.

    3. 상수관망 내에서 유량 및 수압변동에 따른 탁도의 변화는 수중의 입자성 물질들에 의 한 영향이 지배적이기 때문에 탁도발생 시 점에 입자계수도 급격히 증가하는 것으로 조사되었다.

    4. 조사대상 지역에서 탁도를 유발하는 물질 들은 관로 내벽의 부식 등으로 인한 철(Fe) 성분의 부식산화물이 가장 많으며, 규소 (Si)는 모래의 주성분이고 알루미늄(Al)은 정수장에서 사용하는 응집제 등에 의해 검 출된 것으로 판단된다.

    Figure

    JKSWW-28-277_F1.gif

    1. Typical daily flow profile within the local water service water supply system for each season.

    JKSWW-28-277_F2.gif

    Location of hydrant at the inlet point of large consumer (A) and block water distribution map (B).

    JKSWW-28-277_F3.gif

    Real time water quality monitoring system and equipment of data acquisition.

    JKSWW-28-277_F4.gif

    Equipment of particulates sampling and cellulose acetate membrane filter in water pipeline.

    JKSWW-28-277_F5.gif

    Variations of water flow and pressure at inlet point in block system.

    JKSWW-28-277_F6.gif

    Variations of water flow (A) and pressure (B) at block inlet point and variations of pressure (C) at large consumer.

    JKSWW-28-277_F7.gif

    Variations of water pressure (A) and turbidity ratio (B) at large consumer inlet point during study period.

    JKSWW-28-277_F8.gif

    Variations of turbidity ratio (A) and particle counts (B) at large consumer inlet point during this study.

    JKSWW-28-277_F9.gif

    Results of element ingredient analysis for deposited particulates on the cellulose acetate membrane filter.

    Table

    The current situation for materials of water pipe in local water service (Unit : m)

    Laying years of water pipe in local water service (Unit : m)

    The state of water supply in local water service

    The state of water reservoir in local water service

    Operating conditions of ICP-AES for analysis particulates

    References

    1. Chandy P.J , Angles M.L (2001) Determination of nutrients limiting biofilm formation and the subsequent impact on disinfectant decay , Water Res, Vol.35 (11) ; pp.2677-2682
    2. Cook D.M , Boxall J.B (2011) Discoloration material accumulation in water distribution systems , J. Pipeline Syst. Eng. Pract, Vol.2; pp.113-122
    3. Farley M , Liemberger R (2005) Developing a non-revenue water reduction strategy: planning and implementing the strategy , Water Science & Technology. Water Supply, Vol.5 (1) ; pp.41-50
    4. Gaffney J.W , Boult S (2012) Need for and use of high-resolution turbidity monitoring in managing discoloration in distribution , J. Environ. Eng, Vol.138; pp.637-644
    5. Jeong J.J (2012) A study of factors for local water service revenue water and management income decision - focusing on ways to improve the management evaluation index about local public enterprise , Korea Policy Research, Vol.12 (1) ; pp.139-159
    6. Kim D.H , Cha J.H , Hong S.H , Kim D.Y , Kim C.W (2009) Control of corrosive water in advanced water treatment plant by manipulating calcium carbonate precipitation potential , Korean J. Chem. Eng, Vol.26 (1) ; pp.90-101
    7. Kim D.H , Kim D.Y , Hong S.H , Kim J.W , Kim C.W (2008) Development and implementation of a corrosion control algorithm based on calcium carbonate precipitation potential (CCPP) in a drinking water distribution system , Jour. Water Supply. Research and Technology. AQUA, Vol.57 (7) ; pp.531-539
    8. Kim D.H , Lee D.J , Hwang J.S , Choi D.Y (2013) Characteristic analysis and effect of particulate material in drinking water distribution networks , J. Kor. Soc. Envi ron. Eng, Vol.35 (5) ; pp.312-320
    9. Lin J , Collier B.A (1997) Aluminium in a water supply, Part 3: Domestic tap waters , Water(St. Leonards. Aust.), Vol.24; pp.11-13
    10. Polychr onopolous M , Dudley K , Ryan G , Hearn J (2003) Investigation of factors contributing to dirty water events in reticulation systems and evaluation of flushing methods to remove accumulated particles , Water Science & Technology. Water Supply, Vol.3 (1-2) ; pp.295-306
    11. Prince R , Goulter I , Ryan G (2001) Relationship between velocity profiles and turbidity problems in distribution systems,
    12. Prince R , Goulter I , Ryan G (2003) What causes customer complaints about discoloured water , Water(St. Leonards. Aust.), Vol.30 (2) ; pp.62-68
    13. Shamsaei H , Jaafar O , Basri N.E.A (2013) Effects velocity changes on the water quality in water distribution systems , Res. J. Appl. Sci. Eng. Technol, Vol.5 (14) ; pp.3783-3790
    14. Slaats N (2002) involved in the generation of discoloured water, Project No. 30.3974.011,
    15. Vreeburg J.H.G , Schaap P.G , van Dijk J.C (2004) Particles in the drinking water system: from source to discolouration , Water Science & Technology. Water Supply, Vol.4 (5-6) ; pp.431-438
    16. Vreeburg J.H.G , Boxall J.B (2007) Discolouration in potable water distribution systems , A review. Water Res, Vol.41 (3) ; pp.519-529