도수로 및 송수관로

왜 배우는가: 도수관로와 송수관로는 수원에서 정수장, 정수지에서 배수지까지 물을 옮기는 상수도의 핵심 구간이다. 자연유하식과 펌프 압송식의 선택, 관수로와 개수로의 구분은 수질 보전과 유지관리비를 좌우하므로 실무 설계에서 반드시 판단해야 한다. 기술사 시험에서는 매설위치와 깊이, 방식 선정 고려사항 같은 설계 판단형 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제130회 1교시 13번, 제120회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

도수관로는 수원에서 취수한 원수를 정수장까지, 송수관로는 정수를 배수지까지 수송하는 수로다.

핵심 키워드

• 도수관로(leading pipe line)
• 송수관로(conveying pipe line)
• 자연유하식(gravity flow)
• 펌프 압송식(pumping system)
• 관수로(pressure conduit)
• 동수구배선(hydraulic grade line)
• 유속 기준(0.3~3.0m/s)
• 오염 방지

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 도수와 송수는 물을 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 과정이다. 같은 수송이지만 옮기는 물의 상태에 따라 관로 형식이 달라진다.

정식으로 정의하면 도수는 취수 지점에서 취한 원수를 정수 시설로 보내는 것이고, 그 수송 수로가 도수관로다. 송수는 정화된 물을 배수 시설(배수지)까지 보내는 것이고, 그 수송 수로가 송수관로다.

두 관로의 차이는 오염 허용도에 있다. 도수는 원수를 정수장으로 보내므로 도중에 약간의 오염이 허용된다. 따라서 개거(뚜껑 없는 수로)도 쓸 수 있다. 송수는 이미 정수된 물을 보내므로 오염이 절대 허용되지 않는다. 그래서 원칙적으로 관수로나 암거로 시공한다.

관로 관련 용어도 정리한다. 관거는 암거와 개거를 합친 말이다. 암거는 지중에 매설된 관거 또는 밀폐 덮개가 있는 거이고, 개거는 자유수면을 갖고 흐르는 뚜껑 없는 수로다.

도수·송수의 송수 방식은 두 가지다. 첫째는 중력을 이용하는 자연유하식이고, 둘째는 펌프 압력으로 관 내에 물을 흐르게 하는 가압식(펌프 압송식)이다. 자연유하식은 개수로식과 관수로식으로 다시 나뉜다.

유속 0.3~3.0m/s는 도수·송수관의 기본 설계 범위다. 최소 유속은 관 내 이물질 퇴적을 막고, 최대 유속은 관로 마모를 막기 위한 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

상수도는 수원, 취수, 도수, 정수, 송수, 배수, 급수의 순서로 구성된다. 도수와 송수는 이 흐름에서 취수지와 정수장, 정수장과 배수지를 잇는 구간이다. 이 두 구간이 없으면 수원과 정수 시설, 정수 시설과 수요처가 연결되지 않는다.

수원은 대개 도시 외곽이나 상류에 있고, 정수장과 배수지는 수요처 가까이에 놓이는 경우가 많다. 그래서 장거리 수송이 필요해진다. 수원의 위치와 지형 조건에 따라 중력을 쓸 수 있는지, 펌프가 필요한지가 달라진다.

또 정수된 물을 보내는 구간은 오염 방지가 최우선이다. 관로가 누수나 외부 오염 유입에 노출되면 정수 노력이 무의미해진다. 그래서 도수와 송수를 구분해 설계하고 방식을 선정하는 일이 필요해졌다.

국내 상수관로는 금속관과 합성수지관이 혼재한다. 관종에 따라 부식과 이물질 문제가 다르므로 관로 선정은 수질과 수리 조건을 함께 봐야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

도수로와 송수관로는 수원에서 정수장, 정수장에서 배수지까지 물을 보내는 수로다. 두 관로는 같은 수송 기능을 갖지만 운반하는 물의 상태가 달라 설계 원칙이 다르다. 도수관로는 원수를 옮기므로 도중 오염을 어느 정도 허용하고, 송수관로는 정수를 옮기므로 오염을 허용하지 않는다.

도수관로와 송수관로는 다음 구성요소로 이루어진다.

원리는 에너지 보존과 수두 손실에 있다. 자연 유하식은 취수점과 정수지 사이의 낙차로 흐름을 만든다. 관로에서는 마찰 손실수두와 국부 손실수두가 생기므로 두 지점 사이의 수위차가 이 손실을 넘어야 한다. 펌프 압송식은 펌프가 부족한 양정을 보충한다.

관수로 흐름의 손실수두는 다음 식으로 구한다.

$h_f = f \frac{L}{D} \frac{V^2}{2g}$

여기서 h_f는 마찰 손실수두(m), f는 마찰 손실계수(무차원), L은 관로 길이(m), D는 관경(m), V는 평균 유속(m/s), g는 중력가속도(9.8m/s²)다. 관로 설계에서는 동수경사선이 관로 위쪽을 넘지 않도록 확인한다.

도수·송수관로 설계 절차는 다음과 같다.

• 계획 수량과 취수점·정수지·배수지의 표고를 정한다.
• 노선을 선정하고 수로 형식(개거, 암거, 관수로)을 결정한다.
• 허용 유속 범위 안에서 관경을 가정한다.
• 손실수두를 계산하고 동수경사선을 그린다.
• 굴곡부와 고점에 공기밸브, 저점에 배수밸브를 배치한다.
• 수격작용과 내압을 검토하고 관종과 두께를 정한다.
• 매설 깊이와 기초를 정하고 시공 조건을 반영한다.

동수경사선은 관로 위쪽 아래에 있어야 하며, 송수관은 관수로로 설계한다

도식

5. 관련 법령·기준·표준

도수·송수관로의 설계 기준은 상수도 설계기준과 상수도시설기준에 있다. 법령의 세부 조항 번호는 확인되지 않아 쓰지 않는다.

송수관의 흐름 형식은 관수로가 원칙이다. 도수관은 원수를 정수장으로 보내므로 개수로를 쓸 수 있다. 두 관로 모두 동수경사선을 관로 상단 이하로 유지해야 한다.

설계 수치는 현행 상수도 설계기준의 최신 판을 따른다.

6. 유형과 비교

도수로와 송수관로는 물을 수송한다는 목적이 같지만, 운반하는 물의 상태가 달라 방식과 단면 형태가 달라진다. 도수는 원수를 정수장으로 보내므로 도중 약간의 오염을 허용할 수 있다. 송수는 정수를 배수지로 보내므로 오염을 허용하지 않는다. 이 차이가 관로 형식 선택의 출발점이다.

위 표는 두 관로의 기본 차이를 보여 준다. 송수관로는 오염 차단이 우선이므로 밀폐된 관수로를 쓰는 것이 원칙이다.