하수관거 지하수량

왜 배우는가: 하수관거에 유입되는 지하수량(지하수 침입수)은 하수처리장 유입 농도를 떨어뜨리고 우기 과부하와 월류를 일으켜 하수도 계획·설계의 핵심 변수다. 계획하수량과 처리 효율을 좌우하므로 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제119회 1교시 2번, 제116회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하수관거 지하수량은 관거 접합부·파손부·맨홀 등 결함부를 통해 지하수가 하수관거로 유입되는 유량(지하수 침입수)을 말한다.

• 지하수 침입수(Infiltration)
• 침입수(I/I)
• 강우 침입수
• 관거 부실
• 지하수위
• 하수누수(Exfiltration)
• 희석 효과
• 계획 하수량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하수관이 땅속 물에 새어 들어오는 물의 양이다. 하수관은 본래 생활하수와 공장 배출수만 흘려야 하지만, 관이 깨지거나 이음부가 벌어지면 주변 지하수가 관 안으로 들어온다.

정식으로는 지하수 침입수(Infiltration)를 건기 시 지하수위가 관거보다 높을 때 관거 부실을 통해 침투하는 유량으로 정의한다. 이 물은 지표수나 강우유출수가 토양을 거치며 여과된 물이므로 유기물 농도가 0이거나 매우 낮다. 그래서 하수를 희석(dilution)시키는 결과를 낳는다.

강우 침입수는 강우 중이나 직후에 지하수위가 올라 관거보다 높아질 때 맨홀이나 지관 부실을 통해 들어오는 유량이다. 강우 유입수와 혼동되기 쉽지만 발생 경로가 다르다. 강우 침입수는 강우 강도에 민감하게 반응해 유량을 빠르게 키우며, 과부하와 월류를 일으킬 가능성이 크다.

침입수와 유입수를 합쳐 침입수·유입수(I/I, Infiltration and Inflow)라고 부른다. 침입(Infiltration)은 땅속 물이 결함부로 스며드는 것이고, 유입(Inflow)은 맨홀 뚜껑·환기구처럼 열린 부분으로 직접 들어오는 것이다. 현장에서 두 가지를 구분하기 어려워 합산하여 평가하는 경우가 많다.

지하수 침입과 반대 방향의 현상도 있다. 관 안의 고농도 하수가 지하로 새는 하수누수(Exfiltration)다. 노후 관거에서 흔하며 지하수 오염을 일으킨다.

3. 등장 배경과 필요성

우수 배제를 주목적으로 설치된 하수관거는 하수처리장 건설과 병행하여 정비되지 못한 경우가 많다. 시공 난점과 재정 부족으로 체계적 정비가 늦어지면서 관거 결함이 누적되었다.

결과적으로 건기에는 설계 하수량보다 적은 양이 흐르고, 우기에는 설계 하수량보다 많은 양이 흐른다. 지하수 유입으로 처리장 유입 하수의 유기물 농도가 낮아져 처리 효율이 떨어진다. 이 때문에 지하수량을 계획 단계에서 예측하고 관리하는 일이 필요하다.

계획 단계에서는 침입수를 계획 하수량에 반영해야 관거 용량과 펌프장 규모가 맞다. 관거가 노후할수록 침입수가 증가하므로 시간에 따른 변화도 함께 고려한다.

지하수 침입수 유량은 계획 시간 최대 오수량 산정 시 별도 항목으로 반영 한다. 이 값을 빼면 설계 유량이 실제 흐름과 어긋난다.

관련 기준·수치

지하수 침입수 유량의 대표 산정 개념은 관거 연장, 관경, 배수 면적, 토질, 지하수위 깊이, 지형, 단위 면적당 연결 수에 따라 달라진다.

4. 구성요소·원리·절차

하수관거에 들어오는 지하수량은 지하수 침입수(Infiltration), 강우 침입수(Rainfall Induced Infiltration), 그리고 우수 유입이 직접 들어오는 유입수(Inflow)로 나누어 본다. 이 절에서는 지하수량의 발생 구조를 구성요소별로 정리하고, 유입 경로에서 어떻게 침입이 일어나는지 흐름으로 설명한다.

관거 부실은 지하수위가 관거보다 높은 위치에 있을 때 침투한다. 건기 침입수는 토양을 거쳐 여과된 물이라 유기물 농도가 0이거나 매우 낮다. 반면 강우 침입수는 강우유출수가 토양을 거쳐 지하수면을 올리며 들어오므로 강우 사상과 함께 급격히 늘었다가 강우가 그치면 줄어든다.

원리는 두 가지다. 첫째, 관거 외부 수위와 내부 수위의 차이가 침입의 구동력이다. 둘째, 관거 부실의 크기와 개수가 침입 면적을 결정한다. 매설깊이가 큰 차집관거는 강우 침입 부실은 적지만 건기 침입의 발생원이 자주 발견되며, 이는 첨두유량과 평균유량의 비를 낮춘다.

지하수 침입량 산정 절차는 다음과 같다.

• 대상 유역의 관거 연장, 관경, 배수면적, 토질, 지하수위, 접속 수를 조사한다.
• 건기 야간 최소유량을 측정하여 기저 침입량을 구한다.
• 강우 사상별 유량 증가분을 분리하여 강우 침입수를 산정한다.
• 단위 연장·단위 면적당 침입률(㎥/km·day 또는 ㎥/ha·day)로 환산하여 계획 지하수량을 정한다.

지하수량은 다음 식으로 개략 추정한다.

$Q_{i}=q_{i}\times L$

여기서 Q_{i}는 지하수 침입량(㎥/day), q_{i}는 단위 연장당 침입률(㎥/km·day), L은 관거 연장(km)이다.

계산 예: q_{i}=10\,\mathrm{㎥/km\cdot day}, L=20\,\mathrm{km}이면 Q_{i}=10\times 20=200\,\mathrm{㎥/day}이다. 단위가 맞고 하루 수백 ㎥ 수준이면 상식 범위에 속한다.

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5. 관련 법령·기준·표준

하수관거 지하수량에 직접 적용되는 법정 수치는 「하수도법」 시행규칙과 하수도 설계 기준(하수도 시설기준)에 있다. 설계 기준에서 지하수량은 계획 시간 최대 오수량에 더하는 여유분으로 다루며, 계획 오수량 산정 기준과 함께 쓰인다.

위 표의 차집관거 3배 기준은 우천시 계획오수량을 정하는 값이다. 지하수량 자체는 계획 시간 최대 오수량의 일정 비율로 더하며, 이 비율은 지역 실측값으로 정한다.

관거 설계와 지하수량 관리에 관련된 기준 체계는 다음과 같다.

• 하수도 계획: 하수도정비기본계획과 하수관거 설계 기준이 기본 틀이다.
• 관거 재질과 접합: 관거 접합부의 기밀성이 침입량을 직접 결정한다.
• 맨홀: 맨홀 벽체와 뚜껑의 기밀성이 침입·유입을 함께 줄인다.
• 개보수: 노후 관거의 정비는 침입량 저감의 가장 확실한 수단이다.

지하수 침입 억제의 핵심은 접합부 기밀과 노후 관거 정비다. 계획 단계에서는 지하수량을 과대 예측하지 않도록 실측 자료를 우선한다. 지하수량 기준값은 지역별 실측 조사로 정하며, 기준 자체는 설계 기준서에 따른다.