배수처리 계획

왜 배우는가: 배수처리 계획은 도시 내수침수를 막는 시설 설계의 출발점이며, 내수배제 계획과 내수처리방식을 묻는 문제에서 반복적으로 출제된다. 배수방식과 방류수위 조건을 정확히 구분해야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제138회 2교시 1번, 제113회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배수처리 계획은 계획구역의 우수를 저류·침투·이송하여 하천·해역 등 방류처로 안전하게 배제하기 위한 시설 및 운영 계획이다.

• 배수처리 계획
• 내수배제
• 배수방식(자연배수·강제배수·병용배수)
• 방류수위
• 배수시설 용량
• 우수유출저감시설
• 외수위

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 비가 온 뒤 동네에 고인 물을 어떻게 빼낼지 정하는 계획이다. 빗물이 관과 수로를 따라 모이고, 어딘가에 잠시 저장되었다가, 결국 하천이나 바다로 빠져나가는 길을 설계하는 일이다.

정식 정의는 다음과 같다. 배수처리 계획은 배수구역 내에서 발생한 우수와 내수를 관거·수로·저류시설·펌프장·수문을 통해 방류처까지 배제하기 위해 시설의 위치, 용량, 운영 조건을 정하는 계획이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 내수는 계획구역 안에서 발생한 우수를 뜻하며, 제방 바깥 하천의 물인 외수와 구분한다. 방류수위는 배수시설이 물을 내보내는 하천 또는 해역의 수위로, 자연배수 가능 여부를 결정한다. 첨두유출량은 강우 중 유출이 가장 클 때의 유량으로, 시설 용량을 정하는 기준이 된다.

배수처리 계획의 원리는 방류처 수위와 유입량의 관계다. 방류처 수위가 배수구 높이보다 낮으면 중력으로 흐르고, 높아지면 수문을 닫고 펌프로 밀어내야 한다. 따라서 배수구역의 지형, 유출량, 방류수위를 함께 봐야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

도시화로 불투수면이 넓어지면서 강우의 상당 부분이 땅에 스며들지 못하고 짧은 시간에 하천으로 몰린다. 그 결과 기존 관거의 통수능을 넘는 유출이 발생하고, 저지대에서 내수침수가 반복된다. 과거에는 우수를 빠르게 내보내는 것이 중심이었으나, 하류 하천의 홍수부담을 키운다는 문제가 드러났다.

이에 따라 배수처리 계획은 우수를 빨리 배제하는 것에서 벗어나, 유출을 저류·침투로 줄이고 남은 유량만 안전하게 배제하는 방향으로 바뀌었다. 하수도 계획에서도 우수 배제는 하수도 시설만이 아니라 하천, 농업용 배수로 등을 포함한 종합 계획으로 수립하도록 제시되어 있다. 따라서 배수처리 계획은 단일 시설이 아니라 주변 배수체계 전체를 묶는 계획으로 이해해야 한다.

또한 기후변화로 집중호우 빈도가 늘어나면서 설계 강우 조건의 불확실성이 커졌다. 설계 강우의 작은 차이가 시설의 월류 여부를 바꿀 수 있으므로, 배수처리 계획은 강우 조건과 방류수위 조합을 함께 검토하는 방식으로 발전하고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

배수처리 계획은 소유역에서 모인 우수를 간선관거와 저류시설을 거쳐 방류처까지 연속적으로 이송하는 계통으로 구성한다. 각 구성요소는 역할이 다르므로 용량과 운영 조건을 개별적으로 정하고, 전체를 하나의 배수계통으로 묶어 검토한다.

위 표는 배수계통을 구성하는 요소를 정리한 것이다. 각 요소의 용량은 상위 요소의 통수능과 함께 맞춰야 병목이 생기지 않는다.

원리는 우수의 중력 배제와 강제 배제를 방류수위에 따라 선택하는 데 있다. 방류처 수위가 배수로 바닥보다 낮으면 중력으로 흐르고, 외수위가 높으면 수문을 닫고 펌프로 배제한다. 이때 자연배수가 곤란한 저지대에서는 펌프 배제가 필요하다. 저류는 우수 유입 첨두를 줄여 펌프와 관거의 규모를 낮추는 역할을 한다.

첨두유출량 감소 효과는 저류량과 방류량의 차로 나타난다. 저류시설에 유입하는 유량을 Q_{in}, 방류량을 Q_{out}, 저류량을 S라 하면 연속방정식은 다음과 같다.

$\frac{dS}{dt}=Q_{in}-Q_{out}$

여기서 S는 저류량(㎥), t는 시간(s), Q_{in}과 Q_{out}은 각각 유입량과 방류량(㎥/s)이다. 방류량이 일정하게 제한되면 유입 첨두의 일부가 저류되어 방류처로 가는 최대 유량이 줄어든다.

배수처리 계획의 절차는 다음과 같다.

• 배수구역을 설정하고 소유역별 유출량과 유출수문곡선을 산정한다.
• 방류처의 계획 외수위(하천 홍수위·조위)를 확인하고 자연배수 가능 여부를 판단한다.
• 배수방식(자연·강제·병용)을 선정하고 시설 위치를 정한다.
• 관거·수로의 통수능을 검토하고 간선 용량을 정한다.
• 저류시설 용량과 방류시설 규모를 정한다.
• 펌프장 용량·대수, 수문 가동 기준, 비상전원을 정한다.
• 강우와 외수위 조합별로 관망 수리검토와 침수범위를 확인한다.
• 운영 기준과 점검·비상대응 절차를 수립한다.

5. 관련 법령·기준·표준

배수처리 계획의 설계 기준은 하수도 계획 기준과 도로·하천 설계 기준에 흩어져 있다. 우수배제 계획은 계획우수량 산정 기준을 따르고, 방류수위와 배수시설 용량을 함께 검토한다. 아래 표는 본 절에서 확인한 기준 수치를 모은 것이다.

위 기준 중 하수도 계획의 목표연도와 도로 노면배수의 설계빈도는 배수계통 전체의 설계 조건을 정한다. 저류지의 여유고와 길이 대 폭 비율은 저류시설을 설계할 때 바로 적용하는 값이다.

관련 기준은 다음과 같이 적용 범위가 나뉜다. 하수도 계획은 우수 배제와 오수 처리를 함께 다루는 상위 기준이다. 도로 배수는 노면과 땅깎기부의 집수 기준이고, 비점오염저감시설 기준은 저류·침투시설의 규모와 구조를 정한다. 세 기준은 배수계통의 서로 다른 구간을 담당하므로 한 기준만으로 전체 계획을 대체하기 어렵다.

각 기준은 개정될 수 있으므로 설계에 적용할 때는 시행 시점의 현행 기준을 사용한다.

6. 유형과 비교

배수처리 방식은 방류처 수위와 지형 조건에 따라 자연배수, 강제배수, 병용배수로 나뉜다. 세 방식은 중력 배제와 펌프 배제의 비율이 달라 시설비와 운영 부담이 다르다. 설계 초기에 방류처의 평상시 수위와 홍수위 차이를 확인하면 방식 선택이 정리된다.