우수배제계획

왜 배우는가: 우수배제계획은 도시 침수를 막고 하수도 전체 계획의 기본 요건을 이루므로 실무 설계와 시험에서 반복해 출제된다. 우수량 산정 방법과 기준 체계를 이해해야 관로·펌프장·유수지 계획을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제121회 4교시 3번, 제114회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

우수배제계획은 강우로 발생하는 우수를 관거·하천·배수로를 통해 신속히 배제하도록 계획량과 배제 방식을 정하는 하수도 계획이다.

• 우수배제계획
• 계획우수량
• 합리식
• 유출계수
• 유달시간
• 강우강도
• 종합 배수계획
• 침수방지

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 비가 올 때 도로와 지붕에 떨어진 빗물을 어디로, 얼마나 빨리 보낼지 정하는 일이다. 하수도 계획은 오수 배제, 우수 배제, 오수 처리, 슬러지 처리를 함께 갖추는 것이 기본 요건이며, 이 가운데 우수 배제는 하수도관만이 아니라 대상지역과 관련된 하천, 농업용 배수로, 기타 배수로까지 포함하는 종합적 계획으로 수립해야 한다.

계획우수량은 설계 대상 관로에 흘러들 최대 우수량이다. 강우강도, 배수 면적, 유출계수로 산정하며 관로 단면과 펌프 용량을 정하는 기준이 된다.

합리식은 우수 유출량을 구하는 가장 널리 쓰이는 식이다. 유출량 Q는 유출계수 C, 강우강도 I, 배수 면적 A의 곱으로 나타낸다. 경험식은 관측 자료가 충분할 때 쓸 수 있지만 산악 지역 외에는 거의 쓰지 않는다.

유출계수는 유역에 내린 전체 강우량에 대한 우수 유출량의 비다. 토지 이용이 여러 종류인 유역에서는 토지 이용별 면적과 유출계수로 가중한 총괄(평균) 유출계수를 쓴다.

유달시간은 유입시간과 유하시간의 합이다. 유입시간은 가장 먼 곳의 우수가 관거 입구에 도달하는 시간이고, 유하시간은 관거 안을 흘러 계획 지점에 이르는 시간이다. 이 값이 강우 지속시간이 되어 강우강도를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

도시화로 불투수 면적이 늘면서 빗물이 땅에 스며들지 못하고 짧은 시간에 하수관로로 몰린다. 그 결과 관로 용량을 넘는 우수가 노면과 저지대에 넘쳐 침수가 발생한다. 우수배제계획은 이런 침수 피해를 줄이려고 도입되었다.

기후변화로 짧은 시간에 집중되는 호우가 늘면서 설계 기준 강우의 중요성이 커졌다. 행정안전부는 지자체 치수 시설의 방재 성능 목표를 30년 빈도에서 50년 빈도로 상향하도록 권고했다. 그러나 권고치에 미달하는 지자체가 적지 않아 계획 기준의 실효성이 쟁점이 되고 있다.

합류식 하수도는 오수관과 우수관을 같은 관으로 쓰므로 관로 수가 적고 공사비가 낮다. 하지만 우천 시 계획 하수량을 넘으면 월류가 발생해 우수배제계획과 오수처리계획을 함께 검토해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

우수배제계획은 강우가 내릴 때 도시 지역의 빗물을 신속하게 모아 하천이나 방류 지점으로 내보내는 체계다. 구성요소는 빗물을 모으는 집수 부분, 관로로 운반하는 이송 부분, 그리고 최종 방류 부분으로 나뉜다. 각 구성요소의 역할을 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 설비는 모두 하수도 계획의 우수배제 체계에 속한다. 각 설비는 계획우수량을 기준으로 용량이 정해진다. 집수 부분은 도로의 집수 능력이, 이송 부분은 관거의 통수 능력이 설계의 핵심이다.

우수배제의 원리는 강우강도와 유역 면적으로 유출량을 구하고, 그 유량을 관거가 안전하게 흘려보내도록 단면과 경사를 정하는 것이다. 유출량 산정에는 합리식을 주로 쓴다. 합리식은 $Q = \frac{1}{360} C I A$ 로 쓰며, 여기서 Q는 유출량(m³/s), C는 유출계수(무차원), I는 강우강도(mm/h), A는 배수면적(ha)이다. 배수면적을 ha 로 쓸 때 상수 1/360 을 곱한다. 면적을 km²로 쓰면 상수가 달라지므로 단위를 맞춰야 한다.

계획우수량은 합리식으로 구한 첨두유량에 관거 통수능력을 맞춰 정한다.

여러 토지이용이 섞인 유역에서는 총괄(평균) 유출계수를 $C_{m} = \frac{\sum A_i C_i}{\sum A_i}$ 로 구한다. A_i는 토지이용별 면적, C_i는 토지이용별 유출계수다.

강우강도 I는 강우 지속시간을 쓰므로, 지속시간은 유달시간(T)으로 본다. 유달시간은 유입시간 t_1과 유하시간 t_2의 합이다. 유하시간은 관거 길이 L(m)을 관내 평균유속 v(m/s)로 나눈 값으로 구한다. 즉 t_2 = L / v 다.

우수배제계획의 절차는 다음과 같다.

• 배수구역과 토지이용을 조사하여 유역 면적과 유출계수를 정한다.
• 목표 강우 빈도와 지속시간으로 강우강도를 정한다.
• 유입시간과 유하시간을 더해 유달시간을 구한다.
• 합리식으로 계획우수량을 산정한다.
• 계획우수량을 통수하도록 관거 단면, 경사, 유속을 정한다.
• 방류 지점과 빗물펌프장, 유수지 등 배제 시설을 배치한다.

관거 설계에서는 유속 범위를 지켜야 한다. 유속이 너무 느리면 토사가 퇴적되고, 너무 빠르면 관이 손상된다. 이 점은 설계 검토에서 빠지지 않아야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

우수배제계획은 「하수도법」과 하수도 계획 관련 기준에 따른다. 법령과 기준의 체계를 정리하면 다음과 같다.

하수도 계획의 목표연도는 원칙적으로 20년 후로 한다. 우수배제는 하수도뿐 아니라 하천, 농업용 배수로 등을 포함한 종합 계획으로 수립한다.

계획 강우의 빈도는 지자체 방재 성능 목표에 따라 정한다. 최근 행정안전부는 치수 시설이 50년 빈도 강우에 견디도록 방재 성능 목표를 상향할 것을 권고했다. 종전 권고 기준은 30년 빈도였다. 이 권고는 지자체 치수 시설 정비의 기준이 된다.

관거의 유속은 기준에서 정한 범위 안에 두어야 한다. 최소 유속은 토사 퇴적을 막기 위한 값이고, 최대 유속은 관의 침식과 손상을 막기 위한 값이다. 구체적인 값은 설계 기준의 표에서 확인하여 쓴다.

개정 연혁으로는 하수도 계획 기준이 여러 차례 개정되어 왔다. 현행 기준의 이름과 조항을 쓸 때는 최신 고시 명칭을 따른다. 옛 명칭은 참고로만 쓴다.

기준값 요약

6. 유형과 비교

우수배제계획은 배제방식과 우수 유출량 산정 방법에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 시설 규모와 도시 여건에 따라 적절한 방식을 고르는 것이 계획의 핵심이다.

분류식과 합류식은 오수와 우수를 관로로 함께 보내는지 여부로 구분된다. 분류식은 오수관과 우수관을 따로 두고, 합류식은 하나의 관으로 함께 배제한다. 합류식 하수도는 오수관과 우수관이 같은 관인 경우를 말한다.

표에서 보듯 합류식은 시공성은 좋으나 우천 시 월류와 수질 변동이 단점이다. 분류식은 설치 비용이 많지만 우천 시 처리 부하를 줄일 수 있다.

우수 유출량 산정식은 합리식과 경험식으로 나뉜다. 충분한 관측 자료가 있으면 경험식을 쓸 수 있으나, 산악 지역 이외에는 거의 쓰지 않는다. 도시 우수관거 계획에는 합리식을 주로 쓴다.