토목기사 요약/상하수도 공학/상수도시설 계획

출제기준

2019-2021

상수도 구성, 계통
계획급수량
수원
수질기준

상수도 기본 계획 시 고려 사항

수량의 안정성
수질의 안전성
수압의 적정성
지진 등 비상대책
시설 개량 및 갱신
환경대책 및 기타

상수도의 구성 및 계통

♣♣♣ 수원-취수-도수-정수-송수-배수-급수-수요지

수원: 수돗물의 원료가 되는 물인 원수의 공급원. 천수, 지표수, 지하수가 대부분이며 지표수를 가장 많이 이용.
취수: 수원에서 필요한 수량을 취입하는 과정. 수원 종류, 취수량 등에 따라 방법, 규모 결정.
- 지표수 취수시설: 취수탑, 취수문, 취수관, 취수언, 취수틀 등. 도수관거로 원수 유입 전 침사지 설치.
- 지하수 취수시설: 집수매거^{[주 1]}(복류수), 천정호, 심정호(자유수면 지하수), 굴착정(피압면 지하수) 등
♣♣♣도수(Conveyance of water): 수원에서 취수한 원수를 정수처리하기 위해 관거를 통해 정수장으로 이송하는 과정.
정수(Purification): 원수 수질을 사용목적에 맞게 개선하는 과정. 헷갈린다...
- 보통 공공수도에서는 착수정-응집-약품침전-급속 여과-소독(염소, 오존 등) 순으로 행해짐. 혼화지는 원수에 약품을 혼화시키는 못.
- 완속 여과시에는 착수정-보통 침전-완속 여과-소독 순
송수(Transmission): 정수장에서 정수된 물을 배수지까지 보내는 과정. 오염 방지 위해 관수로로 해야함. 부득이한 경우 개수로라도 암거로만 시공.

1898년 Croton 배수지
배수탑
고가수조

배수(Distribution): 정수장에서 배수지로 보내진 물을 소요수압으로 소요수량만큼 배수관을 통해 급수지로 보내는 것. 배수시설에는 배수지(특별한 경우 배수탑, 고가수조^{[주 2]} 등으로 대체), 배수관 등이 있다.
급수(Service): 배수된 물을 사용자에게 급수관을 통해 보내는 것.

상수도 시설의 기본계획

계획년도

상수도 시설 계획년도: 15-20년^[1](07, 13)

Design Periods for Water and Wastewater Structures^[2]
시설	내용	계획기간(년)
큰 댐, 대구경 관로	확장 어렵고 비쌈	25-50년
여과지, 정호, 배수관로	확장이 쉬움.	이자율 3% 이하 : 20-25년 이자율 3% 이상 : 10-15년
관경 30cm 이상인 관	더 작은관으로의 대체는 비쌈	20-25년
관경 30cm 이하인 관	필요에 따라 단 시일내에 대처	수요에 따라 결정

계획년도 결정 시 고려 사항(02)

채용하는 구조물과 시설물의 내용년수
시설 확장의 난이도
도시 산업발전 정도와 인구증가 전망
금융사정, 자금취득의 난이, 건설비
수도수입의 연차별 예상

계획 급수구역 및 인구

급수 보급율

Goodrich 공식

$P=180t^{-0.1}$

P: 연평균 소비율에 대한 비율(급수 보급율, %)

t: 일 수

95 기출

연평균 상수 소비량이 240L/인/일일 때, Goodrich 공식에 의한 1인 1일 월 최대급수량은?

풀이

$P=180t^{-0.1}$

월 최대급수량 구하는 거니까 t=30일. 대입하면 P=128.1%

답은 P(연평균 소비율에 대한 비율)에 연평균 상수 소비량을 곱하면 된다. 307L/인/일.

예제

Goodrich 공식에 따르면 월 최대급수율은 연평균의 몇 %인가?

풀이

단순히 t에 30을 넣어 계산. 128.1%

계획급수인구

급수인구는 급수구역 내 상주인구만을 고려
계획급수인구 : 상수도 물을 공급받는 인구( = 급수구역 내 총 인구 × 상수도 보급율(%))^[3]

계획 급수인구의 추정

계획 급수인구 추정 시 과거 20년의 인구 증감을 고려하여 결정(99)
상수도 기본계획 시 계획급수인구 결정에 있어 계획(목표)년도는 15-20년을 표준으로 함

등차급수 방법 = 연평균 인구증가수에 의한 방법

등차급수법 인구 추정

$P_{n}=P_{0}+na=P_{0}+n{\frac {P_{0}-P_{t}}{t}}$

연평균 인구증가수가 일정하다는 가정 하에 장래인구를 추정하는 방법.
느린 발전의 도시에 적합.
추정인구가 과소평가될 수 있다.

등비급수 방법 = 연평균 인구증가율에 의한 방법

연평균 인구증가율이 일정하다는 가정 하에 장래 인구를 추정하는 방법
상당히 긴 시간동안 같은 인구증가율을 가진 발전가능성 있는 도시에 적용 가능.
인구증가율이 실제로 감소하는 도시에는 과대추정할 우려가 있다.

1. 99, 04, 19-2 기출

1995년 10900명, 1999년 12200명이었다고 할 때 인구증가율은?

그냥 원리를 생각해본다. $P_{n}=P_{0}(1+r)^{n}$ 에서 r 구하면 되겠지.

$12200=10900(1+r)^{4}$

답은 0.028570

로지스틱 커브 방법

로지스틱 커브. 인구가 일정 한도 이상으로 증가하지 않는 것을 볼 수 있다

로지스틱 커브 방법(Logistic Curve, 논리 곡선법)은 먼저 포화 인구를 추정한 후에 인구 증가 곡선을 그리는 방법이다. 포화 인구를 K라 하고, a, b는 상수라고 할 때,.

00, 05, 08, 09 ♣♣

P_{n}={\frac {K}{1+e^{a-bn}}}

장기간 인구 추정엔 로지스틱 커브 방법이 가장 정확

기타 추정 방법

최소자승법
지수곡선식에 의한 방법(Peggy 함수식법)
감소 증가율법
비상관법(Ratio and Correlation method)
타 도시와의 비교법

계획급수량의 산정

♣♣♣14-1, 14-2, 15-2, 16-4, 18-1, 19-1 종합적인 이해 필요

시간 최대급수량 또는 화재시 수량을 계획 기준수량으로 하여 결정되는 것은?

배수관망

정수를 위한 약품, 전력 등 산정이나 유지관리비, 수도요금 산정 등 수도재정 계획의 기준이 되는 급수량은?

1일 평균 급수량(예상)

상수도 정수시설 규모 결정 시 사용되는 설계정수량은?

계획 1일 최대급수량. 상수시설 계획 송수량도 계획 1일 최대급수량을 기준으로 정함

계획 1일 평균 급수량

${\begin{aligned}&={\frac {\text{1년 간 총 급 수 량}}{365}}\\&={\text{(계 획 1일 최 대 급 수 량 )}}\times {\begin{cases}0.70&{\text{(중 소 도 시 )}}\\0.85&({\text{대 도 시 , 공 업 도 시 }})\end{cases}}\\\end{aligned}}$

생활 수준이 높고 공업도시일수록 1인 1일 평균급수량이 증가한다. 수도 요금을 정액제로 할 때가 종량제로 할 때보다 1인 1일 평균급수량이 커진다. 수압이 높을수록 수량이 증가하기 때문에 평균 급수량 역시 증가한다.

계획 1일 최대 급수량

상수도 시설 규모, 1일 계획 취수량 결정의 기준이 되는 급수량이다.

${\begin{aligned}&=({\text{계 획 1인 1일 최 대 급 수 량 }})\times ({\text{계 획 급 수 인 구 }})\\&=({\text{계 획 1일 평 균 급 수 량 }})\times {\begin{cases}1.5&{\text{(중 소 도 시 )}}\\1.3&{\text{(대 도 시 , 공 업 도 시 )}}\end{cases}}\\\end{aligned}}$

계획 시간 최대 급수량

1일 중 사용 수량이 최대가 될 때의 1시간 당 급수량이다. 배수본관의 설계 시 이용된다.

$={\frac {\text{계 획 1일 최 대 급 수 량}}{24}}\times {\begin{cases}2.0&{\text{(농 촌 , 주 택 단 지 , 소 도 시 )}}\\1.5&{\text{(중 소 도 시 )}}\\1.3&{\text{(대 도 시 , 공 업 도 시 )}}\\\end{cases}}$ ^[4]^[5]

비교하기 : 토목기사 요약/상하수도 공학/하수도시설 계획#계획오수량

계획오수량 vs 계획급수량
구분		계산식	농촌, 주택, 소도시	주택, 아파트	중소도시	대도시 공업도시	다음의 설계에 사용
1일 평균	급수량	1일 최대 급수량 X			0.7	0.85	수도재정 계획(약품비, 전력비, 유지관리비, 수도요금)
1일 평균	오수량	1일 최대 오수량 X			0.7	0.80
1일 최대	급수량	1일 평균급수량 X			1.5	1.3	상수도시설 규모, 1일 계획 취수량, 계획 송수량
1일 최대	오수량	(1인 1일 최대 오수량 × 계획 인구) + 공장 폐수량 + 지하수량 + 기타 배수량					하수처리장 규모
시간 최대	급수량	1일 최대 급수량/24 X	2.0		1.5	1.3	배수본관
시간 최대	오수량	1일 최대 오수량/24 X		1.8	1.5	1.3	오수관, 하수처리장 내 연결관거

1. 96

급수인구 20만, 계획 1인 1일 최대 급수량 300L, 급수 보급률 85%, 급수량 산출계수 0.7일 때 계획 1일 평균 급수량(m³)은?

계획 1일 최대급수량은 명수만큼 곱해야되니까 300L × 20만 명

그 다음 급수 보급률 0.85와 급수량 산출계수 0.7을 곱하면 35700000L. 이걸 m³으로 고치려면 10^-3을 곱해주면 된다. 답은 35700m³

오류 의심

급수인구는 이미 총인구에 급수보급률을 곱한 것^[3]^[1]이기 때문에 0.85를 제외하고 계산하여 42000m³이어야될 것 같다.

2. 04, 09

인구 10만, 계획 1인 1일 최대급수량 600L, 급수보급률 80%일 때 계획 1일 최대급수량(m³)은?

10만 명의 80%에 보급되니까 곱해서 8만명. 1일 최대 급수량이 필요하니까 600L × 8만 명 = 48000000L. 단위를 고쳐서 48000m³

수원

15-1, 19-2

하천수는 계절에 따라 수질 변화가 가장 큼.(99)
복류수: 하천, 호수의 바닥 또는 측면부 자갈, 모래층에 포함된 물로 지표수에 비해 수질이 양호. 채수 시 침전지를 생략할 수 있고 수원으로 가장 바람직하다.(99)
지하수: 부유물질, 유기물 등에 의해 오염된 정도가 지표수에 비해 작다. 단 광물질은 많이 포함. 천층수, 심층수, 복류수로 구분.

취수

하천표류수 취수

하천 표류수를 수원으로 하는 경우 기준이 되는 하천수량은 갈수량(01)

계획취수량

상수도 시설 계획 시 1일 계획취수량 결정은 1일 최대급수량에 기준을 둠.(98, 19-1)
계획 1일 최대급수량에서 10%를 더 주어야 계획취수량(계산 문제)

저수지 취수

얕은 호수나 저수지에서 취수하는 경우 취수지점은 수면으로부터 3-4m, 큰 호수는 10m 이상 깊은 곳에서 취수.(97, 99)
저수지 용량 결정 시 강우량이 많은 지방에서는 120일, 적은 지방에서는 200일을 계획용량으로 함.
저수지 유효저수량 결정에 이용되는 기준갈수면 선정은 10년빈도 갈수년을 표준으로 함. (01)
저수지 설계기준 수량 : 사용수량 일변화(계획 1일 평균급수량)
유효 저수량 결정 방법 : 물수지 계산, 유량도표에 의한 방법, 유량 누가곡선 도표에 의한 방법(16-1, 20-1+2)

유량 누가곡선도

05, 07, 14-2, 19-1

이 곡선을 쓰는 방법을 Ripple's Method라 함.
DI, FJ : 유효저수량
K : 저수 시적점
CD, EF : 저수지 수위 강하

지하수 취수

토목기사 요약/수리수문학/수리학적 상사, 지하수, 해안수리#우물의 수리 참고.

취수시설

취수탑

수위변화가 커도 상관 없다.(16-4)

집수매거

1925년 샌프란시스코의 집수매거

복류수 취수 시 쓰임

15-1, 17-1, 18-3

집수매거 내 평균유속은 유출단에서 1m/s
집수개구부(공) 직경은 10-20mm. 1m² 당 20-30개
직접 지표수의 영향을 받지 않도록 매설깊이는 5m 이상
복류수 흐름방향에 대해 직각으로 설치해야 효율이 좋음

취수보

유입속도 표준 : 0.4 ~ 0.8m/s (19-1)

취수문

하천, 호소 표층수 취수^[6].(13-3)

취수관거

유황이 안정된 하천에 적합^[7].(13-3)

취수틀

시카고에 있는 취수틀(Intake Cribs)

하천, 호소 하부에 매몰시켜 만드는 상자형 또는 원통형 취수시설. 중소량 취수시설.^[8].(13-3)

침사지

15-1

침사지 유효수심 : 3-4m 표준(12, 16-4)
퇴사심도 : 0.5-1m
체류시간 : 계획취수량의 10-20분(16-4)
길이는 폭의 3-8배(16-4)

먹는 물의 수질 기준

분류별 어떤 항목 있는지 물어봄. 19-3

상수원수 1급 BOD 기준치 : 1mg/L 이하

미생물 기준

일반세균이 1mL 중 100CFU 이하(00)
총대장균군 100mL 중 불검출 (95)

건강상 유해 유기물질

페놀 0.005mg/L 이하(00) : 페놀과 염소가 만나면 클로로페놀이 되어 악취를 발생시키기 때문에 적어야 함.
트리클로로에틸렌

건강상 유해 무기물질

암모니아성 질소(NH₃-N)는 0.5mg/L 이하 (95)
질산성 질소(NO₃-N) 10mg/L 이하
불소 1.5mg/L 이하
수은 0.001mg/L 이하

심미적 영향물질

색도 5도 이하 (95)

경도 300mg/L 이하 (00)
황산이온
염소이온 250mg/L 이하 (00) (염소이온 = Cl^-) : 생물체의 몸 속, 또는 분뇨에는 염소이온이 포함되어 있어 수질오염의 지표가 됨.
증발잔류물 500mg/L 이하 (증발잔류물 = 부유물질 + 용해성 물질)

수도전에서 먹는 물의 잔류염소 기준

평소 유리잔류염소 0.2mg/L 이상 유지

수중 용해 잔류염소에는 유리염소인 OCl^-, HOCl, 결합염소 클로라민이 있음.

상수원수 급수별 정수처리법

환경정책 기본법상 급수별로 다음과 같은 처리를 해야함

상수원수 1급 : 여과 등에 의한 간이 정수처리 후 생활용수 사용
상수원수 2급 : 침전, 여과 등에 의한 일반 정수처리 후 생활, 수영용수 사용
상수원수 3급 : 전처리 등을 겸한 고도정수처리 후 생활, 공업용수 사용

참고 자료

WAMIS - 수질기준
먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙 2조 별표 1[시행 2019. 12. 20.] [환경부령 제833호, 2019. 12. 20., 타법개정]

물의 자정작용

00, 04, 13-1

자정계수가 1보다 크면 자정작용이 유지되고 있는 것이고, 1보다 작으면 자정작용이 일어나지 않아 수질 오염이 가속화된다.

f={\frac {\text{재 폭 기  계 수}}{\text{탈 산 소  계 수}}}={\frac {k_{2}(day^{-1})}{k_{1}(day^{-1})}}

하천 유량 증가 시 용존산소량 커짐.(02)

호소의 물순환 및 부영양화

95, 19-2

얕은 호수에서는 조류의 번식이 심할 수 있다.
깊은 호수에서는 봄 가을에 물의 수직운동에 의해 바닥 침전물이 수중으로 다시 떠올라 수질이 나빠질 수 있다.
여름이 겨울보다 수심에 따른 수온차이가 더 크다.(11)

부영양화는 표층부에서 잘 발생.
현재 호소 수질 환경기준엔 포함되어있지 않으나 부영양화 지표 항목으로 장래에 추가되어야할 항목 : 투명도(99)
성층현상: 여름, 겨울
전도(대류작용)현상 : 봄, 가을
전도현상 없으면 비교적 깨끗한 물 취수 가능.

부영양화 대책

12-3, 13-1, 16-1, 19-3

활성탄, 황산동(CuSO₄), 염산동(CuCl₂)
정수장에서 마이크로 스트레이너 전처리

수질검사 및 수질오염지표

pH

수소 이온 농도가 $2.5\times 10^{-6}mole/L$ 이면 몇 pH인가?

$pH=\log {\frac {1}{[H^{+}]}}=-\log[H^{+}]=-\log(2.5\times 10^{-6})=5.6$

DO

용존산소량은 온도가 낮을수록 증가(08)
용존염류 농도 클수록 용존산소량 감소
용존산소 부족곡선(DO Sag Curve)에서 산소 복귀율(회복 속도)가 최대였다가 감소하기 시작하는 점은? 변곡점(04, 06, 08, 10)
사멸 조류 분해작용에 의해 호소 바닥부분 심층수에서 용존산소량 감소함.

BOD

하천수 5일 BOD(BOD₅)에서 주로 측정되는 것은 탄소성 BOD(17-1)

BOD 잔존량

02, 06, 15-1, 19-2

t일 후 잔존하는 BOD(mg/L)를 $L_{t}$

L_{t}=L_{a}\cdot e^{-k_{1}\cdot t}\doteqdot L_{a}\cdot 10^{-k_{1}\cdot t}

L_{a}

: 최초 BOD(mg/L) 또는 최종 BOD(=BOD_u)

k_{1}

: 탈산소 계수(day^-1)

t : 경과 시간(day)

BOD 소비량

14-1, 15-3

t일 동안 소비된 BOD(mg/L)를 Y(예 : $BOD_{5},BOD_{u}$ )라 하면,

{\begin{aligned}Y&=L_{a}-L_{t}\\&=L_{a}(1-e^{-k_{1}\cdot t})=L_{a}(1-10^{-k_{1}\cdot t})\\\end{aligned}}

15-3, 16-2

탈산소계수 0.1/day. 어느 폐수의 5일 BOD = 300mg/L. 이 폐수의 3일 후 남아있는 BOD? (밑 10인 지수함수 사용)

5일 BOD = BOD 소비량 = Y = 300mg/L

$Y=L_{a}(1-10^{-k_{1}\cdot t})$

${\begin{aligned}L_{a}&={\frac {Y}{1-10^{-0.1\times 5}}}\\&={\frac {300}{1-10^{-0.1\times 5}}}\\&=439mg/L\end{aligned}}$

3일 후 잔존 BOD 계산

${\begin{aligned}L_{t}&=L_{a}\cdot 10^{-k_{1}\cdot t}\\&=439\cdot 10^{-0.1\times 3}\\&=220mg/L\end{aligned}}$

2. 96, 03, 06

최종 BOD가 5일 BOD의 1.8배. 밑 10인 상용대수를 쓸 때 탈산소계수?

BOD 소비량 공식

{\begin{aligned}Y&=L_{a}-L_{t}\\&=L_{a}(1-10^{-k_{1}t})\\\end{aligned}}

{\frac {Y}{L_{a}}}=1-10^{-k_{1}t}

{\frac {1}{1.8}}=1-10^{-k_{1}\times 5}

k_{1}=0.07/

일

하천 합류 시 오염물질 농도 변화

A하천과 B하천이 합류된 하천의 오염 물질 농도(C_m)는 다음과 같이 계산할 수 있다. A하천의 유량을 Q_A, 오염 물질 농도를 C_A라 하고, B하천의 유량을 Q_B, 오염 물질 농도를 C_B라 할 때, 여기서 말하는 오염 물질 농도는 BOD 등이 가능하다.

15-1, 19-2

$C_{m}={\frac {Q_{A}\cdot C_{A}+Q_{B}\cdot C_{B}}{Q_{A}+Q_{B}}}$

대장균

대장균은 소화기계 전염병균보다 저항력이 강함(03, 06, 10)

COD

13-2, 18-2

COD는 해양오염 오염지표로도 쓰임.
생물분해 가능한 유기물도 COD로 측정 가능. 조류합성에 의한 유기물이 증가하면 COD도 증가
NaNO₂, SO₂^-는 COD 값에 영향 미침.
유기물 농도 크기 순서 TOD(Theory Oxygen Demand) > COD > BOD > TOC(Total Organic Carbon. TOC와 BOD는 거의 비슷함.^[9])

기타

부영양화에 대한 가장 일반적인 지표기준은 : 투명도(Secchi disk depth) (00)

경도가 높은 물을 쓰면 보일러 관에 slime 또는 scale이 생길 수 있다.(01)

같이 보기

토목기사 요약/상하수도 공학/하수도시설 계획#계획오수량

내용주

↑ infiltration gallery. 복류수(subsurface water)를 취수하기 위해 매설한 유공관거
↑ elevated tank. 배수량, 수압 조절을 위해 높은 지대 위에 설치한 탱크

각주

↑ ^1.0 ^1.1 KDS 57 10 00 :2017 상수도설계 일반사항 2.5 기본사항의 결정
↑ Gordon Maskew Fair 외. 《Elements of Water Supply and Wastewater Disposal》 2판. John Wiley & Sons. 18쪽.
↑ ^3.0 ^3.1 국가수자원관리종합정보시스템 - 상수도 이용 현황
↑ 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 30쪽.
↑ 노재식 외 (2016). 《토목기사 필기 상하수도공학》. 한솔아카데미. 31쪽.
↑ KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 5. 취수문
↑ KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 6. 취수관거
↑ KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 7. 취수틀
↑ 이종형, 2011

참고 문헌

이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관.

[1] tration gallery. 복류수(subsurface water)를 취수하기 위해 매설한 유공관거

[2] vated tank. 배수량, 수압 조절을 위해 높은 지대 위에 설치한 탱크

[:1-3] 1.0 ^1.1 KDS 57 10 00 :2017 상수도설계 일반사항 2.5 기본사항의 결정

[4] Gordon Maskew Fair 외. 《Elements of Water Supply and Wastewater Disposal》 2판. John Wiley & Sons. 18쪽.

[:0-5] 3.0 ^3.1 국가수자원관리종합정보시스템 - 상수도 이용 현황

[6] 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 30쪽.

[7] 노재식 외 (2016). 《토목기사 필기 상하수도공학》. 한솔아카데미. 31쪽.

[8] KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 5. 취수문

[9] KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 6. 취수관거

[10] KDS 57 45 00 :2017 취수시설 설계기준. 7. 취수틀

[11] 이종형, 2011

[주 1]

[주 2]

[1]

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[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]