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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.2 pp.149-159
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.2.149

A Study on the Development of Optimal Renewal Planning Model in Water Supply Facilities Connected to Future Financial Plan of Water Providers

Sanghyun Lim, Hwisu Shin, Jeewon Seo, Kibum Kim, Jayong Koo*
Department of Environmental Engineering, University of Seoul
Corresponding author: Kim, Yeongkwan yeong@kangwon.ac.kr
February 16, 2017 March 18, 2017 March 20, 2017

Abstract

It is considered necessary to renewal a considerable number of water supply facilities in Korea because they began to be intensively buried in the period of rapid economic growth. Accordingly, local water providers are required to take measures against this situation, but they have currently been caught in a vicious circle of the lack of budget spent in renewing water supply facilities because county-based small-scale local water supply cannot afford to cover annual expenditures with their revenues from water rates. Therefore, this study developed an optimal renewal planning model capable of achieving a balance of financial revenue and expenditure in local water supply using nonlinear programming and furthermore of minimizing the total cost incurred during the analysis. To this end, this study selected the water supply area located in County Y as a research area to build the financial revenue and expenditure and used Solver function provided by Microsoft Excel to use nonlinear programming. As a result, this study developed an optimal renewal planning model minimizing incurred costs in consideration of 6 items in the financial revenue and expenditure. The optimal renewal plan was modeled according to the available annual budget. As a result, this study proposed SICD, a scenario to minimize total costs from the perspective of water suppliers, and SITS, a scenario to minimize the increase in water rates from the perspective of consumers. It can be said that the method proposed in this study is the core of the optimal financial and renewal plans as a final stage of asset management for water supply facilities. Therefore, it is considered possible for local water providers to use the method proposed in this study according to circumstances for the asset management of water supply facilities.


수도사업자의 장래 재정계획과 연계한 상수도시설의 최적 개량계획 수립 모델 개발 연구

임 상현, 신 휘수, 서 지원, 김 기범, 구 자용*
서울시립대학교 환경공학과

초록


    Ministry of Environment
    2016 002120006

    1.서 론

    우리나라의 상수도시설은 경제성장기인 1970년대, 1980년대에 집중적으로 매설되기 시작하였다. 지방공기 업법 시행규칙에서는 상수도시설물의 법정내용연수를 규정하고 있으며, 제시된 법정내용연수를 토대로 2015년 초를 기준으로, 2025년까지 개・대체가 필요한 지방상수 도 정수시설의 시설용량은 전체 시설용량 중 63.91 %를 차지하고 있으며, 개・대체가 필요한 지방상수도 관로는 전체 관로 연장의 34.12 %를 차지하고 있다. 상당수의 시설물이 개・대체가 필요할 것으로 전망됨에 따라 지방상 수도 수도사업자는 이에 대한 대응책을 마련할 필요가 있으나, 현재 군 단위 소규모 지방상수도는 요금 수입으로 운영 세출을 충당하지 못하는 상황으로, 상수도시설의 개・대체에 투자할 예산이 부족한 실정이다(MOE(Korea Ministry of Environment), 2015).

    투자할 예산이 부족한 상황은 노후 상수도시설물의 누적으로 이어지며, 노후 상수도시설물의 누적은 현재도 충당하지 못하고 있는 운영 세출을 지속적으로 증가시 킬 것이며, 결론적으로 투자할 예산은 현재보다 더욱 부족할 것으로 예상된다. 이러한 악순환을 해소하기 위 해서는 상수도시설물의 개・대체에 소요될 비용을 충당 할 수 있는 방안을 모색하는 것이라 할 수 있다.

    우리나라에서 발생하고 있는 문제는 우리나라에만 국 한된 문제는 아니며, 전 세계에서 발생하고 있는 문제라 할 수 있다. 선진 외국에서는 이를 대비할 수 있는 방안으 로 상수도시설물을 포함한 사회기반시설물에 대한 자산 관리라는 개념을 도입하고 있다. 사회기반시설물의 자산 관리란, 최소의 생애주기비용을 만족시키며 원하는 수준 의 서비스 수준을 달성하기 위해 수행되는 일련의 유지관 리 활동으로 정의할 수 있다(IPWEA, 2015). US EPA (2010)에서는 자산관리계획 수행절차를 10단계로 제안 하고 있다. 각각은 인벤토리 DB 구축, 기능 고장 분류, 시설 잔존수명 예측, 생애주기비용・개량비용 산출, 서비 스 수준 분석 및 설정, 리스크 분석, 유지관리 투자 최적화, 자본 투자 최적화, 투자전략 결정, 자산관리 계획수립으 로 구성되어 있다.

    우리나라에서도 상수도시설물의 자산관리를 위한 연구들이 진행되고 있다. 대표적으로 MOE (2016a)US EPA (2010)의 자산관리 계획 수립 절차를 국내 실 정에 맞게 7단계로 제안한 바 있으며, 각 단계는 인벤 토리 DB 구축, 시설물의 진단・평가, 잔존수명 예측, 서비스수준 분석 및 설정, 리스크 분석 및 개량수요 분석, 최적 투자계획 수립, 재정계획 및 자산관리 기 본계획 수립으로 구성되어 있다.

    MOE (2016a)이 제안한 상수도시설물 자산관리 수행 절차의 각 단계들을 효과적으로 수행할 수 있는 방법론을 제안한 다양한 연구들이 있다. 이 중 최적 투자 계획 수립과 관련된 연구들은 주로 생애주기비용을 최소화하 기 위한 개량 계획을 수립한 연구로 분류할 수 있다.

    Kleiner (2001)은 생애주기비용에 조사 및 상태평가 에 소요되는 비용을 추가하고, semi-markov process를 활용하여 관 파손율을 예측한 결과를 토대로 개량 계 획을 수립하기위한 새로운 방법론을 제안하였다. Dandy and Engelhardt (2001)은 생애주기비용으로 교 체비용, 보수비용, 피해비용을 고려하였으며, 유전알 고리즘을 활용하여 생애주기비용을 최소화함과 동시 에 수리적으로도 적합한 관경을 선택할 수 있는 개량 계획 수립 방법론을 제안하였다. Hong et al (2006)은 비동차 포아송분포를 활용하여 상수도관로의 파손 빈 도를 도출하고, 생애주기비용을 최소로 할 수 있는 투 자계획을 제안하였다. Dridi et al (2008)은 다목적 유 전알고리즘인 IGA (Island genetic algorithm), NPGA-2 (Niched pareto genetic algorithm), NSGA-2 (Nondominated sorting genetic algorithm)을 이용하여 개・대 체비용이 최소인 개량계획을 수립하기 위한 방법론을 제안하였다. Kleiner et al (2010)은 선행연구에서 개발 한 비동차 포아송모델을 개발한 뒤 개별관로의 파손 패턴을 예측하고, 경제적인 관점에서 최적의 개량계획 을 수립하기 위한 연구사례를 제시하였다. Kim (2015) 은 상수도관의 구조적인 안전성 예측 결과와 상수도관 개・대체의 경제성 예측 결과를 토대로, 동적계획법을 활용하여 수도사업자의 예산조건하에서 생애주기비용 을 최소로 할 수 있는 개량계획 수립 모델을 제안하였 다. Shin et al (2016)은 유전알고리즘을 활용하여 수도 사업자의 예산조건하에서 상수도관 개량시 수리적인 관점에서 최적의 관경을 설정함과 동시에 생애주기비 용이 최소가 되는 개량계획 수립 모델을 제안하였다.

    해당 연구들은 각각의 방법론을 이용하여 최적의 개량계획을 수립하였으나, 수도사업자가 실제로 활용 할 수 있는 예산의 범위를 정량화하여 고려하지 못하 였다는 점에서 한계를 갖고 있다. 또한 중장기적인 관 점에서 수도사업자가 수도사업을 지속할 수 있는 최 적의 재정계획을 수립할 수 있는 연구는 이루어진 바 가 없다. 수도사업자의 재정 상황을 종합적으로 고려 한 개량 계획이 수립되지 못한다면, 최적의 개량계획 수립 방법론을 적용한다고 하더라도, 수도사업자의 재정 여건은 호전되지 못할 수 있다.

    이에 본 연구에서는 수도사업자의 장래 재정 계획 을 고려하여 최적의 개량계획은 무엇인지, 최적의 개 량계획을 실시하기 위해서 수도사업자의 재정 수지를 어떻게 변화해야하는지를 도출할 수 있는 모델을 개 발하고자 하였다.

    장래 분석기간 동안 수도사업자의 수도요금 수익, 정부의 보조금 수익, 금융기관으로부터의 차입금 수 익 등 수익부와 상수도시설물 자산을 가리키는 유형 자산 취득(개․대체)을 위한 지출, 시설물 유지관리에 소요되는 지출, 차입금의 상환 및 차입금 이자에 대한 지출 등 지출부를 종합적으로 고려하여, 재정 수지의 균형을 맞추기 위한 방법론을 개발하고, 실증연구를 통해 분석기간 동안 발생하는 총 비용이 최소가 되는 최적의 개량계획을 제안함으로써, 정책 결정자 측면 에서 예산계획의 신뢰성을 확보할 수 있고, 중․장기적 관점에서 지방상수도 운영의 효율성을 증진시킬 수 있는 실증연구 결과를 제시하고자 하였다.

    2.연구방법

    2.1.수도사업자의 재정계획과 연계한 최적 개량계획 수립 모델 개발 방법

    본 연구에서는 수도사업자의 장래 재정계획과 연계한 최적 개량계획이란 연간 유형자산 취득(개․대체)을 위 해 사용할 수 있는 예산 조건 하에서 유지관리비용, 개량비용(유형자산 취득(개․대체) 비용), 차입금 상환 액, 누수로 인한 피해비용의 총합이 최소가 되는 계획 으로 정의하였다. 여기서, 장래 재정계획은 수도요금 과 국고보조금을 조정하며 재정 수지상 손실이 발생 하지 않는 계획이 수립될 수 있도록 하였다. 수도사업 자의 장래 재정계획과 연계한 최적의 개량계획을 수 립하기 위한 모델의 흐름도는 다음 Fig 1과 같으며, 세부 연구방법은 하위 절에 나타내었다.

    2.1.1.재정 수지 항목의 선정 및 예측 방법

    수도사업자의 재정 수지는 지방공기업 결산지침에 의거하여 크게 수익부와 지출부로 나눌 수 있다. 구체 적으로 수익부는 급수수익, 급수공사수익, 기타영업수 익, 이자수익, 기타영업외수익, 타회계보조금, 국고보 조금, 금융기관차입금, 기금, 시설분담금, 지자체부담 금, 기타로 구분할 수 있다. 지출부는 인건비, 유지관 리비, 충당부채, 지급이자, 감가상각비, 기타영업외비 용, 유형자산취득, 무형자산취득, 비가동설비취득, 투 자자산취득, 차입금상환금, 기타로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 재정 계획 수립시 반드시 고려해야하고 영향이 큰, 수익부 항목으로 급수수익, 국고보조금, 금 융기관차입금의 3가지 항목을, 지출부 항목으로 유지 관리비, 유형자산취득, 차입금상환금(차입금에 대한 이자 포함)의 3가지 항목을 고려하고자 하였다. 그 외 의 항목들은 발생하는 경우가 상당히 적으며, 장래에 도 현재 수준과 유사한 수준으로 간주할 수 있는 항 목이기에 고려하지 않았다.

    고려한 6가지 항목(급수수익, 국고보조금, 금융기관 차입금, 유지관리비, 유형자산취득, 차입금상환금(차입 금에 대한 이자 포함))의 장래 예측은 각각 Equation 1~ Equation 7과 같은 방법에 의해 도출하였다.

    Equation 1은 연차별 급수수익을 예측하기 위한 식 을 나타낸다. 급수수익은 상수도 사용료 수익으로 실 제 소비자한테 공급한 공급량에 수돗물 요금단가를 곱해서 사용한다. 본 연구에서 적용한 공급량은 연구 대상지역 수도정비기본계획의 생산량 예측 값에 유수 율을 곱해서 산정하였다. 유수율의 경우 현재 연구대상 지역의 유수율을 기준으로 적용하였으며, 개량이 필요 한 관로를 개량하지 않아 노후관로의 비율이 증가하는 경우 유수율이 감소하는 것으로 가정하였다. 여기서 유 수율 감소분은 연구대상지역에 투자된 비용을 통해 증 가한 유수율과 감소한 노후관로의 비율 사이에서 도출 한 관계식을 통해 도출하였다. 수돗물 요금단가는 MOE (2016b)에 나타나있는 연구대상지역의 요금단가 를 기준으로, 장래에는 기본적으로 매년 물가상승률 만 큼 수돗물 요금단가가 증가한다는 전제를 하였다. 추가 적으로 어느 정도의 요금단가 상승이 필요한지를 주요 변수로 선정하여 결과 값을 도출하였다.

    Equation 2는 연차별 국고보조금을 예측하기 위한 식을 나타낸다. 국고보조금은 상환하지 않아도 되는 비용에 해당 하며, 수도사업자의 재정자립도를 고려하기 위해 기준 보조 금에서 분석기간 동안 일정 금액만큼 감액하여 받는 경우 와 총액에 대해서 제한조건을 주는 경우로 고려하였다.

    Equation 3은 연차별 금융기관차입금을 예측하기 위 한 식을 나타낸다. 분석기간 동안 급수수익, 보조금에 의한 수입에서 유지관리비 및 유형자산취득에 의한 지출을 제하였을 때 부족액이 발생하면, 부족액을 차 입하는 것으로 가정하였다.

    Equation 4는 연차별 유지관리비를 예측하기 위한 식을 나타낸다. 유지관리비는 Kim et al (2017)이 제안한 상수도 관망 표준 유지관리비 식에 정수장 인력운영비를 추가적 으로 고려하여 산정하였다. Equation 4에 포함되는 유수율 의 경우 앞서 기술한 방식을 동일하게 적용하였다. 노후관 로가 증가하게 되면, 유수율은 감소하게 되고, 누수율은 증가하게 된다. 누수율의 증가는 소비자에게 공급되는 수량 중 손실되는 수량이 증가함을 의미한다. 그러나 소비자에게 공급되어야 하는 공급량은 예측에 의해 정해 진 값이므로, 추가로 생산해야하는 수량이 증가함을 의미 한다. 이는 유지관리비용이 증가하는 것으로 간주할 수 있으므로, 증가시켜야하는 생산량에 수도요금 단가를 곱한 값을 추가의 유지관리비용으로 산정하였다.

    Equation 5는 연차별 유형자산 취득에 소요되는 비 용을 도출하기 위한 식을 나타낸다. 유형자산 취득의 경우 내용연수를 기준으로 개・대체를 수행하는 경우 에 발생하는 공사비용을 통해 도출하였다.

    Equation 6은 연차별 차입금 상환금을 예측하기 위한 식을 나타낸다. 차입금 상환은 차입금과 반대개념으로 급수수익, 국고보조금에 의한 수익에서 유지관리비, 유 형자산취득에 의한 지출을 제하였을 때, 남은 금액을 차 입금 상환 비용으로 하여, 차입금과 이자비용 만큼 발생 한다고 고려하였다. Equation 7은 Equation 6의 차입금 상환시 고려할 이자를 도출하기 위한 식을 나타낸다.

    j = 1 m W R I j = j = 1 m ( Q j × R W R × W R j ( 1 + r ) j 1 )
    [Equation 1]

    j = 1 m S j = j = 1 m ( m j ) S 0 m 1
    [Equation 2]

    B j = { W R I j + S j R C j M C j ( if  W R I j + S j R C j M C j < 0 ) 0 ( if  W R I j + S j R C j M C j > 0 )
    [Equation 3]

    R C K = A A C K × ( 1 + r ) S R k 1
    [Equation 4]

    j = 1 m M C j = j = 1 m [ 3 , 406.211 + ( 1.00 × 10 5 ) × Y 1 j + ( 56.832 ) × Y 2 j + ( 7.543 ) × Y 3 j + ( 2.560 ) × Y 4 j + ( 310.556 ) × Y 5 j + Y 6 j 1 ] + [ j = 1 m ( Q j × R W R 0 R W R Q j × R W R 0 R W R 0 ) × W R j ]
    [Equation 5]

    B C j = { 0 ( if  W R I j + S j R C j M C j < 0 ) W R I j + S j R C j M C j ( if  W R I j + S j R C j M C j > 0 )
    [Equation 6]

    I E j = { ( j = 1 j B j j = 1 j B C j ) × R if  j = 1 j B j j = 1 j B C j > 0 0 if  j = 1 j B j j = 1 j B C j < 0
    [Equation 7]

    Where,

    • WRIj =  water rate income in j year (KRW)

    • Qj =  amount of water production in j year (m3/year)

    • WRj =  water rate in j year (KRW/m3)

    • S0 =  standard subsidy (KRW)

    • Sj =  subsidy in j year (KRW)

    • Bj =  borrowings in j year (KRW)

    • RCj =  renewal cost in j year (KRW)

    • MCj =  management cost in j year (KRW)

    • RCK =  replacement cost for K asset (KRW)

    • AACK =  asset acquisition cost for K asset (KRW)

    • SRK =  standard service life of K asset (yr)

    • Y1j =  amount of revenue water in j year (m3)

    • Y2j =  revenue water ratio in j year (%)

    • Y3j =  hydrant density in j year (hydrant/km2)

    • Y4j =  pipeline ratio over 21 year-old in j year (%)

    • Y5j =  unit cost of pipeline management in j year (1,000 KRW/m)

    • Y6j =  purification plant personnel expenses (million KRW)

    • BCj =  borrowings cashin in j year (KRW)

    • RWR0 =  standard revenue water ratio (%)

    • RWR =  revenue water ratio (%)

    • IEj =  interest expenses in j year (KRW)

    • r =  consumer prices inflation (%)(= 2.0 %)

    • R =  interest ratio (%)(= 5.5 %)

    • m =  analysis period (years) (=30 years)

    • j =  1, 2, …, m

    2.1.2.최적 재정 계획의 수립 방법

    우리나라의 상수도는 사회기반시설물로써 수익의 창 출보다는, 공중 보건의 향상, 물 복지의 실현을 주 목적으 로 하는 시설물이라 할 수 있다. 따라서 상수도사업에서 의 최적 재정 수지란 수익과 지출이 균형을 맞추어, 사업 의 지속가능성을 담보할 수 있는 것으로 정의할 수 있다.

    본 연구에서 수도사업자의 재정계획은 선정된 재정 수지 항목을 분석기간 동안 예측함으로써 수립하였 다. 수도사업자가 상수도시설물 유형자산의 취득(개․ 대체)에 사용할 수 있는 예산의 범위 속에서 유형자산 의 취득을 위해 지출을 하였을 때, 수도사업자의 수익 과 지출의 합이 0에 수렴하여 재정수지가 균형을 이 룰 수 있도록 수도요금 증가분과 보조금 조건을 조정 한 계획이 최적의 재정계획이라고 정의하였다.

    수도사업자의 수익과 지출을 나타낸 Equation 1~ Equation 7에서 알 수 있듯이, 수익과 지출을 계산하기 위한 식들 중 일부는 비선형적인 특성을 나타내고 있 다. 이와 같은 특성을 고려하여 본 연구에서는 비선형 계획법(non-linear programming)을 이용하여 수도사업 자의 재정수지의 균형점을 도출하고자 하였다. 비선 형계획법은 선형계획법(linear programming)과 같이 목 적함수와 제약조건으로 모형이 구성되지만, 목적함수 와 제약조건이 1차식이 아닌 비선형함수로 표현되는 경우에 사용하는 수리계획법이다. 비선형계획법을 활 용한 최적 재정계획수립 모델은 Microsoft사의 Excel 에서 제공하는 Solver 기능을 이용하여 개발하였다. 비선형계획법의 목적함수를 달성하기 위한 주요 변수 인 수도요금 변경조건과 국고보조금 조건이 도출될 수 있도록 모델을 구성하였다. 비선형계획법의 목적 함수는 다음 Equation 8과 같이 차입금상환금(차입금 과 이자의 합)의 최소화로 설정하였다.

    O b j e c t i v e f u n c t i o n = M i n i m i z e t o t a l    b o r r o w i n g s a n d int e r e s t e x p e n s e s O b j e c t i v e f u n c t i o n =    min [ ( j = 1 m B j j = 1 m B C j ) × ( 1 + R ) ]
    (8)

    Where,

    • j = 1 j B j =  Borrowings until j years (KRW)

    • j = 1 j B C j =  Borrowings cashin until j years (KRW)

    • R =  interest ratio (%)

    재정 수지의 균형을 맞추기 위한 제약조건은 Equation 9~Equation 14와 같이 설정하였으며, Equation 9 는 수도사업자의 재정 수지 예측 결과상 수익보다 지출 이 많게 되는 경우를 방지하기 위해 설정한 조건으로, 목적함수가 비음조건임을 나타내는 제약조건이다.

    Equation 10과 Equation 11은 수도요금 조건에 의한 제약 조건으로, Equation 10은 수도요금이 분석기간 동안 일정하게 증가하는 경우, Equation 11은 수도요 금이 분석기간 동안 일정기간마다 단계적으로 증가하 는 경우의 제약조건을 나타낸다. Equation 12는 증가 해야 할 수도요금이 비음 조건임을 나타낸다.

    Equation 13은 보조금 총액에 대한 조건을 나타내 고, Equation 14는 보조금 총액에 대한 조건일 때 연도 별 보조금이 기준 보조금 보다 작아야 함을 나타낸다.

    O b j e c t i v e f u n c t i o n > 0
    [Equation 9]

    W R j = W R 0 + j x
    [Equation 10]

    W R j = W R 0 + x i , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5
    [Equation 11]

    x > 0 , x i > 0
    [Equation 12]

    0 j = 1 m S j S 0 × m 2
    [Equation 13]

    0 S j S 0
    [Equation 14]

    2.1.3.최적 개량계획의 수립 방법

    최적 개량계획의 수립을 위하여 수도사업자가 유형자산 의 취득을 위해 수도사업자가 연간 사용할 수 있는 예산의 범위를 조정하면서, 지출비용(유지관리비, 유형자산취득금 액, 차입금상환금)의 합이 최소가 되는 조건을 도출하였다. 분석기간 동안 지출비용의 합이 최소가 되는 예산 사용 범위 에서 수립된 개량계획을 최적의 개량계획으로 정의하였으 며, 개량계획에 맞는 최적 재정계획의 수립을 위하여 증가시 켜야 하는 수도요금과 국고보조금 조건을 도출하였다.

    2.2.개발모델의 실증 연구

    2.2.1.연구대상지역의 선정 및 연구대상지역 자료의 수집

    개발한 모델은 상수도시설의 자산현황이 파악된 Y 군 Y정수장계통 급수구역에 적용하였다. Y군 Y정수 장계통 급수구역은 Y정수장에서 상수를 공급하고 있 으며, Y정수장의 일평균 공급량은 8,303 m3/d이며, Y 정수장의 시설용량이 13,500 m3/d인 것을 고려하였을 때, 61.5 %의 이용률로 운영중인 것으로 나타났다.

    연구대상지역의 자산현황 데이터는 MOE (2016a)에 의해 수행된 연구대상지역의 상세조사 결과를 활용하 였다. 연구대상지역은 110 개의 정수자산, 1,067 개의 관로자산으로 구성되어 있으며, 상세조사를 통해 조 사된 자산의 취득원가, 취득연도, 관경, 관종 등의 데 이터를 토대로 개량계획을 모델링 하였다.

    2.2.2.시나리오의 설정

    본 연구에서는 수도사업자가 재정 여건을 고려한 개량 계획을 수립할 시 여러 가지 상황을 고려할 수 있게 시나 리오를 Table 1과 같이 설정하였다. 시나리오는 수도요금 조건과 국고보조금 조건을 기준으로 설정하였으며, 수도 요금 조건은 분석기간 동안 일정하게 증가하는 경우, 분석기간 동안 5년마다 단계적으로 증가하는 경우로 구분 하였으며, 국고보조금 조건은 분석기간 동안 일정하게 감소하는 경우, 분석기간 동안 과거 5년 동안 연평균 국고보 조금을 30년 동안 지급받을 시 받게 되는 국고보조금 총액을 총 지출의 합이 최소가 되도록 지급받는 경우로 구분하였다. 또한, 연구대상지역의 수도요금 및 보조금 현황 조사를 통해 시나리오에 적용하기 위해 사용되는 수도요금 기본 조건과 보조금 기본 조건을 Table 2에 나타내었다.

    3.연구결과

    3.1.연구대상지역의 시나리오별 최적 재정계획 수립 결과

    분석의 대상이 된 연구대상지역의 자산 중 최대 내용연 수를 갖는 자산의 내용연수가 30년임을 고려하고, 수도사 업자의 연간 유형자산 취득을 위해 사용가능한 예산의 범위 내에서 향후 30년간의 재정계획을 수립하였다. 여기 서, 사용가능한 예산의 범위로 인하여 분석기간이 30년이 지난 이후에 개량이 수행되는 경우가 발생될 수 있다. 이와 같은 경우가 발생한다면, 동일한 조건에서 시나리오를 분 석할 수 없기 때문에, 연간 사용가능한 예산의 범위는 개량 물량이 이월되지 않는 선으로 설정하였다.

    시나리오 CICD(수도요금의 일정한 증가 및 국고보 조금의 일정한 감소 조건)의 재정 계획을 수립한 결과 는 Table 3과 같다.

    연간 사용가능한 예산 범위가 작을수록 개량을 해 야 할 물량이 특정 기간에 몰리지 않고, 평준화되기 때문에 일시에 큰 비용을 차입하지 않아도 된다. 따라 서 차입금과 이자비용에 대한 차입금 상환비용은 연 간 사용가능한 예산 범위가 작을수록 작게 나타났다.

    반면, 연간 사용가능한 예산 범위가 작을수록 개량물량 이 이월되어 물가상승률에 의해 증가되는 부분만큼 유형 자산 취득 비용(개․대체 비용)이 증가하는 것으로 나타났 으며, 적정 시기에 개량이 이루어지지 못함에 따라 유수율 저하로 인한 유지관리비용이 증가되는 것으로 나타났다.

    다음 Table 4는 시나리오 CITS(수도요금의 일정한 증가 및 국고보조금 총액 조건)의 재정 계획을 수립한 결과를 나타낸다.

    시나리오 CICD와 마찬가지로 시나리오 CITS에서도 연간 사용가능한 예산 범위가 작을수록 차입금 상환비용 은 감소하였으며, 유형자산 취득 비용(개량비용)과 유지 관리비용은 증가하는 것으로 나타났다. 시나리오 CICD 와 시나리오 CITS의 차이점은 국고보조금의 연차별 투입 조건이 다름에 따라 수도요금 수입상 차이가 발생하였다 는 점이다. 국고보조금을 일정하게 감소시키는 시나리오 에 비해 30년 동안 국고보조금 지원 총액을 정한 상태에서 연차별로 상황에 맞게 국고보조금 지원금액을 사용하는 시나리오가 소비자 입장에서 수도요금 인상분이 적은 시나리오라는 결과가 도출되었다.

    다음 Table 5는 시나리오 SICD(수도요금의 단계적 증가 및 국고보조금의 일정한 감소 조건)의 재정 계획 을 수립한 결과를 나타낸다.

    시나리오 SICD의 경우 분석기간 동안 5년마다 수도요 금을 단계별로 증가시키는 시나리오이다. 국고보조금 조건이 동일한 시나리오 CICD와 비교한 결과, 연간 사용 가능한 예산의 범위가 동일한 조건에서, 수도요금 수익은 시나리오 CICD가 더 높게 나타났다. 이는 시나리오 CICD 가 시나리오 SICD에 비해 더 많은 수도요금 증가가 필요하 다는 것을 의미한다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 설정한 차입금 발생조건을 통해 해석할 수 있다. 본 연구에서는 수익과 지출을 비교하여 지출이 수익보다 큰 연차에 차입 금이 발생하는 것으로 전제하였다. 수도요금을 5년마다 단계별로 증가시키는 경우, 수도요금을 증가시키기 직전 연도에 필요로 하는 지출이 수익보다 큰 경우의 발생이 많아 차입금의 발생이 많은 것으로 나타났다. 수도요금을 증가시키지 못하여 발생한 손실을 차입금을 통해 채워야 하는 것으로 이해할 수 있다. 수도사업자의 관점에서는 차입금 발생은 수도경영에 어려움으로 작용할 수 있으나, 소비자의 관점에서는 수도요금 인상 폭이 적어지므로 시나리오 SICD는 시나리오 CICD에 비해 소비자의 입장에 서 최적의 시나리오라 할 수 있다.

    다음 Table 6은 시나리오 SITS(수도요금의 단계적 증가 및 국고보조금 총액 조건)의 재정 계획을 수립한 결과를 나타낸다.

    시나리오 SICD와 시나리오 SITS를 비교한 결과 국 고보조금의 연차별 투입조건이 다름에 따라 수도요금 수익에 차이가 발생하며, 이에 따라 차입금 발생 조건 역시 달라진다는 결과가 나타났다. 차입금의 경우 시 나리오 SITS가 시나리오 SICD에 비해 더 많이 발생하 는 것으로 나타났다.

    분석한 4가지 시나리오의 결과에서 알 수 있듯이 모든 시나리오의 총 수익과 총 지출의 합은 “0”으로, 수도사업자가 향후 30년 동안 수도사업을 지속할 수 있다는 결과가 도출되었다. 각각의 재정계획은 설정 한 조건별로 모두 최적의 재정계획이라 할 수 있다.

    3.2.연구대상지역의 최적 개량계획 수립 결과

    본 연구의 주 목적인 최적 개량계획을 도출하기 위 해 앞서 설정한 시나리오에 따른 최적 재정계획을 도 출하였다. 본 절에서는 최적의 재정계획을 만족함과 동시에 소요되는 비용이 최소가 되는 최적의 개량계 획을 수립한 결과를 나타낸다.

    다음 Fig 2는 연간 사용가능한 예산 범위에 따라 소 요되는 비용(유지관리비, 유형자산 취득 금액, 차입금 상환금)을 나타내며, Fig 2에서 알 수 있듯이, 연간 사 용가능한 예산의 범위가 26억 원인 조건에서 모든 시 나리오에서 소요되는 비용이 최소가 되었다.

    전반적으로 수도요금을 일정하게 증가시키는 시나 리오 보다 단계별로 증가시키는 시나리오에서 소요되 는 비용이 적게 도출되었으며, 국고보조금의 경우 국 고보조금을 연차별 상황에 맞게 집행하는 것이 수도 요금 증가분이 적게 나타났다. 비용적인 측면에서 연 간 사용가능한 예산범위가 26억 원인 조건에서 수립 된 개량계획이 최적의 개량계획이라 할 수 있으며, 다 음 Table 7은 연간 사용가능한 예산범위가 26억 원인 조건에서 재정 수지의 균등화를 위해 증가시켜야 할 수도요금을 나타낸다.

    다음 Fig 3은 연간 사용가능한 예산범위가 26억 원 인 조건에서 도출한 최적 개량계획을 나타낸다.

    결론적으로 본 연구에서 개발한 모델을 Y군에 실증 적용한 결과 연간 26억 원의 예산 투자 범위 내에서, 수도요금을 연차별로 일정하게 증가시키는 시나리오 는 수도요금을 37.21원/m3~38.82원/m3 상승시키고, 수 도요금을 5년 주기로 계단식으로 증가시키는 시나리 오는 수도요금을 286.32원/m3~291.04원/m3 상승시킨다 면, 수도사업자의 수익과 지출이 균형을 이루는 투자 가 이루어질 수 있을 것이라는 결과가 도출되었다.

    수도사업자의 관점에서는 총 지출이 237,922백만 원 으로 최소가 되는 조건(시나리오 SICD)가 최적의 개량 투자 계획이라 할 수 있으나, 소비자의 관점에서는 수도 요금의 증가가 최소가 되는 조건(시나리오 SITS)가 최적 의 개량 투자 계획이라 할 수 있을 것이다.

    본 연구에서 제시한 실증 연구의 결과는 향후 다양 한 시나리오의 설정을 통해 수도사업자에게 최적임과 동시에 소비자에게도 최적인 결과를 도출할 수 있을 것이라 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 지방상수도 수도사업자의 재정계획 과 연계한 최적 개량계획을 수립하기 위하여 6가지 재정수지 항목(수입부: 급수수익, 국고보조금, 차입금, 지출부 : 유지관리비, 유형자산취득, 차입금상환금)을 고려하여 비선형계획법에 적용하고, 발생하는 비용이 최소가 되는 최적 개량계획 최적화 모델을 개발하였다.

    Y군을 대상으로 실증 연구를 수행한 결과 Y군의 경 우 연간 사용가능한 예산이 26억 원인 범위 내에서 개 량계획을 수립하는 것이 가장 최적의 개량계획임을 도 출하였다. 연간 26억 원의 투자 범위 내에서 수도사업 자 관점에서는 총 비용이 최소가 되는 시나리오 SICD, 소비자 관점에서는 수도요금 증가가 최소가 되는 시나 리오 SITS를 최적의 개량 투자 계획이라 하였다.

    개발한 모델은 여러 가지 시나리오 조건에 따라 가 장 합리적인 결과를 도출할 수 있는 것으로 나타났으 며, 향후 연구 대상지역의 특성, 수도사업자의 목표 등을 종합적으로 고려하여 최적 재정 수지 및 개량계 획 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 제안한 방법은 상수도시설 자산관리의 마지 막 단계인 최적 재정 계획 및 개량 계획의 핵심 부분 이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 방법을 통해 지방상수도 수도사업자는 각 상황에 맞게 활용 하여 상수도시설의 자산관리에 활용할 수 있을 것이 라 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 “글로벌탑 환경기술개발사업(2016 002120006)” 으로부터 지원받았습니다.

    Figure

    JKSWW-31-149_F1.gif

    Flow chart of the study.

    JKSWW-31-149_F2.gif

    Total cost of scenarios.

    JKSWW-31-149_F3.gif

    Optimal renewal schedule of study area.

    Table

    Explanation of scenario

    Water rate and subsidy of study area

    Result of financial profit and loss for scenario CICD

    Result of financial profit and loss for scenario CITS

    Result of financial profit and loss for scenario SICD

    Result of financial profit and loss for scenario SITS

    Result of tap water rate which need to be increased

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