내수배제시설 유수지와 펌프 규모 산정

왜 배우는가: 내수배제시설의 유수지와 펌프 규모는 도시 침수 저감 계획의 핵심 설계 요소이며, 배수펌프장 용량과 유수지 용량을 함께 결정해야 하므로 실무와 기술사 시험 모두에서 반복해 출제된다. 두 요소의 상관관계를 이해하면 산정절차와 운영 문제를 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제137회 2교시 3번, 제123회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 내수배제시설의 유수지는 내수 유출량을 일시 저류하여 배수펌프의 가동을 안정시키고, 배수펌프장은 저류된 내수를 외수로 강제 배제하는 시설이다.

핵심 키워드

• 유수지
• 배수펌프장
• 내수배제시설
• 저류용량
• 계획홍수량
• 펌프 용량
• 자연배수
• 강제배수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 비가 많이 올 때 도시 안에 모인 빗물을 잠시 가두었다가 천천히 내보내는 장치가 유수지이고, 그 물을 강제로 하천으로 퍼 올리는 설비가 배수펌프장이다. 두 시설은 따로 있는 것이 아니라 하나의 내수배제 체계를 이룬다.

정식 정의는 다음과 같다. 유수지(遊水池, 우수 조정지)는 장마나 호우로 늘어난 우수 유출량을 임시로 저장하여 유량을 조정한 뒤 하수관거로 내보내는 침수 방지 시설이다. 배수로에서 홍수 집수시간이 느리고 배수펌프장으로 유입되는 홍수량이 충분하지 않을 때, 펌프 가동이 단속되는 것을 막기 위해 설치하는 저류지이다.

내수는 제내지(보호 대상 지역 안)에 내리거나 모인 물을 뜻한다. 외수는 제외지 하천의 수위를 뜻한다. 내수배제는 내수를 외수 쪽으로 보내 내수 침수를 막는 일이다.

자연배수는 중력으로 물을 하천에 내보내는 방식이고, 강제배수는 펌프로 물을 올려 내보내는 방식이다. 외수위가 내수위보다 높아 자연 배제가 불가능하면 강제배수가 필요하다.

저류용량은 유수지가 임시로 담을 수 있는 물의 부피(㎥)다. 펌프 용량(㎥/s)과 저류용량(㎥)은 단위가 다르므로 두 값을 시간 축으로 연결해야 비교할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

도시화로 불투수면적이 늘어나면 강우의 상당 부분이 지표면을 따라 빠르게 우수관거로 모인다. 그 결과 유출량의 최대값(첨두유량)이 커지고 도달시간은 짧아진다. 기존 관거의 통수능력은 이 증가분을 감당하지 못하고, 저지대에서는 내수가 외수로 빠지지 못해 침수가 발생한다.

이 문제를 해결하기 위해 관거를 키우는 방법만으로는 한계가 있다. 관거 확장은 비용과 시공 기간이 크고, 하류 하천의 통수능력이 부족하면 효과가 없다. 그래서 상류 또는 배수 말단에서 유량을 일시 저류하고, 펌프로 배제 속도를 조절하는 방식이 필요해졌다.

소하천의 구조·시설에 관한 기준은 배수펌프장과 유수지를 유역의 유출 및 침수피해 특성과 방류하천의 상황을 고려하여 계획하도록 정하고 있다. 즉 두 시설은 독립 계획이 아니라 유역 특성에 맞춘 연계 계획의 대상이다.

내수배제 방식은 자연배수, 강제배수, 혼합배수로 나뉜다. 혼합배수는 내·외수 조건에 따라 배수문, 유수지 저류, 펌핑을 조합하는 방식으로, 대표 시설이 유수지와 빗물펌프장이다. 따라서 유수지와 펌프 규모는 이 혼합배수 체계 안에서 함께 산정해야 한다.

유수지는 펌프 가동을 단속시키지 않도록 저류하는 시설이라는 점이 설치 목적의 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

내수배제시설은 관거, 배수문, 유수지, 빗물펌프장으로 구성된다. 각 구성요소는 내수를 배제하는 단계에서 서로 다른 역할을 맡는다.

관거는 유역의 우수를 모아 유수지나 펌프장으로 보내는 역할이다. 배수문은 제방에 설치되어 내수와 외수의 배수를 조절하며, 빗물펌프장 강제배수 전용으로 쓰인다. 유수지는 내수를 저류해 배수펌프의 운전 수량을 확보한다.

유수지의 원리는 유입 유량의 피크를 낮추는 것이다. 내수 유입량이 펌프 능력을 넘는 시간에는 초과분을 저류하고, 펌프 능력보다 적게 들어오는 시간에 저류분을 배출한다. 따라서 펌프 용량과 유수지 용량은 서로 보완하는 관계다. 유수지가 클수록 펌프는 작아도 되고, 유수지가 작으면 펌프 용량을 키워야 한다.

필요 저류량은 연속방정식으로 구한다.

$V=\int_{t_0}^{t_1}\big(Q_{in}(t)-Q_{p}\big)\,dt$

여기서 V는 필요 저류량(㎥), Q_in(t)은 시각 t의 내수 유입량(㎥/s), Q_p는 펌프 배수량(㎥/s), t0~t1은 유입량이 펌프 능력을 넘는 구간이다.

펌프 용량은 설계 내수 피크에서 유수지 저류분을 뺀 값으로 근사한다.

$Q_p = Q_d - \frac{V_s}{t_s}$

여기서 Q_d는 설계 내수 유입 피크(㎥/s), V_s는 유수지 유효저류용량(㎥), t_s는 저류를 허용하는 시간(s)이다. 유수지 용량이 정해지면 펌프의 최소 용량이 정해지고, 펌프 용량이 정해지면 필요 유수지 용량이 정해진다.

산정 절차는 다음과 같다.

• 유역의 유출 특성을 조사하고 설계 내수량을 구한다.
• 배수방식(자연배수, 강제배수, 혼합배수)을 정한다.
• 방류하천의 외수위와 하류 홍수위를 확인한다.
• 자연배수가 가능한지 판단하고, 불가하면 유수지 용량을 먼저 검토한다.
• 유수지 용량과 펌프 용량을 위 식으로 연계해 조합을 정한다.
• 펌프장 위치의 진동 대책과 전기설비의 침수 대책을 검토한다.
• 상하류 배수펌프장을 연계해 유역 전체의 운영 기준을 수립한다.

5. 관련 법령·기준·표준

「소하천의 구조·시설에 관한 기준」 제11조는 내수배제시설을 제내지의 물을 소하천으로 강제 배제하는 시설로 정의한다. 펌프는 진동으로 제방이 피해를 입지 않도록 제방과 거리를 두거나 진동 대책을 마련해야 한다. 조작용 전기시설은 홍수로 침수되지 않도록 설치해야 한다. 배수펌프장과 유수지는 유역의 유출 및 침수피해 특성, 방류하천의 상황을 고려해 계획한다.

재해예방을 위한 고지배수로 운영관리 지침은 내수배제 방식을 자연배수, 강제배수, 혼합배수로 나눈다. 자연배수는 배수유역이 고지대에 있어 중력 배제가 가능할 때 쓰고, 강제배수는 하류부나 하천 연변에서 자연 방류가 어려울 때 쓴다. 혼합배수는 내외수 조건에 따라 배수문, 유수지 저류, 펌핑을 조합한다. 지침은 하류부 피해를 고려한 배수방식을 기본 방향으로 삼고, 원인자 부담 원칙에 따라 최소한의 방류가 가능한 방식을 채택하도록 한다.

기준값 표는 다음과 같다. 이 기준은 수치보다 계획 원칙이 중심이므로 핵심 조건을 기준별로 정리했다.

유수지 설계 원칙에 따르면 배수는 자연 유하식을 원칙으로 하며, 하수관거의 유하 능력이 부족하거나 하류 배수펌프 용량이 부족한 곳에 설치한다. 유수지 형태는 댐식, 굴착식, 지하식으로 나뉘며, 댐식은 자연 유하식, 굴착식은 자연 유하식·펌프식·수문 조작, 지하식은 펌프식으로 배수한다.

현행 기준 명칭은 「소하천의 구조·시설에 관한 기준」이다.

6. 유형과 비교

내수배제시설은 배제 방식에 따라 자연배수, 강제배수, 혼합배수로 나뉜다. 자연배수는 배수유역이 상류 고지대에 있어 중력으로 외수에 방류할 수 있을 때 쓰며 고지배수로가 대표적이다. 강제배수는 배수유역이 하류부나 하천 연변에 있어 자연 방류가 어려울 때 빗물펌프장으로 물을 밀어낸다. 혼합배수는 내수와 외수 조건에 따라 배수문, 유수지(하도)저류, 펌핑을 함께 쓴다.