상하수도공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

2) 수원과 취수 2-1) 수원

수원 선정의 조건 □ 수원 (상수원) - 가정용수, 농업용수, 공업용수 등을 제공하기 위하여 취수시설을 설치한 지역의 하천, 호수, 지하수 등 □ 수원 선정의 조건 1) 수원으로서의 구비 요건을 갖추어야 함 - 수량이 풍부해야 함 (계획수량을 만족시켜야 함) - 수질이 우수해야 함 (수질기준을 만족시켜야 함) - 가능한 한 높은 곳에 위치해야 함 - 용수를 소비하는 지역에서 가까운 곳에 위치해야 함 2) 수리권 (water right) 확보가 가능한 곳이어야 함 3) 상수도 시설의 건설 및 유지관리가 용이하며, 안전해야 함 4) 상수도 시설의 건설 및 유지관리비 측면에서 경제적이어야 함 5) 장래 확장이 유리한 지점이어야 함 6) 상수원 보호구역의 지정, 수질의 오염방지 및 관리에 무리가 없는 지점이어야 함

수원의 종류 □ 지표수 (surface water) - 하천수, 호소수, 저수지수 등 - 주위의 오염원에서 나오는 오염물질로 인하여 오염 가능성이 큼 - 수온과 수량의 연중 변동이 심하고, 수질에도 큰 영향을 미침 - 수원 중 가장 쉽게 얻을 수 있음 (국내의 경우 지표수가 수원의 대부분 차지) □ 지하수 (groundwater) - 지표수가 침투 (침투+침루)하여 지하에 도달한 것 - 지하로의 도달 과정에서 토양의 정화작용을 받기 때문에 양질의 수질 유지 (토양 공극을 통한 여과 및 토양입자에 오염물 흡착, 토양미생물 작용 등) - 수온의 변동이 작고 수질도 안정함

수원의 종류 □ 지표수의 종류 1) 하천수 - 용수공급 측면에서 국내의 경우 하천수의 의존도가 높음 - 수질변동이 심함 (홍수기의 높은 탁도, 수온 상승기의 조류 발생) - 하천수의 수질은 기상 및 기후의 영향을 많이 받음 (예, 여름과 겨울의 수온차로 인한 수질변동) 2) 호소수 (자연호수) - 하천수에 비해 수질이 상대적으로 양호 (수온 상승 시 조류 발생 문제) - 침전에 의한 자정작용 - 수온의 계절변화에 따른 정체 및 순환현상 발생 3) 저수지수 (댐 저수지 및 농업용 저수지) - 유출량이 많은 시기에 물을 저장하였다가 물이 부족한 시기에 공급 - 중간 정도의 수심에서 수질이 가장 우수 • (수온 상승 시) 수면 부근에서 조류의 번식 (부영양화) • 저수지 바닥의 물은 탄산가스, 철, 망간, 유화수소 등의 함유도가 높음 - 수심 약 7m 이상인 깊은 곳은 비교적 정체하는 층이 존재하기 쉬움

수원의 종류 □ 지하수의 종류 1) 복류수 (river bed water) - 지표면과 가까운 지하의 자갈층 또는 모래층에 함유되어 있는 지하수 - 어느 정도 여과된 물이므로 지표수에 비해 상대적으로 수질이 양호 2) 용천수 (spring water) - 지하의 불투수층 (암석 또는 점토층)에 차단되어 압력을 받고 있다가 지표면으로 솟아나온 (용출된) 물 - 피압지하수면 (압력수면)이 지표면 상부에 위치할 경우 지표면으로 용출 3) 천층수 (sub-surface water) - 지하로 침투한 물이 제1불투수층 위에 고인 물 - 비피압대수층 (지하수면 존재) 내에 위치하는 지하수 - 천층수가 존재하는 상부 지층은 보통 두께가 작기 때문에 토양에 의한 물의 정화는 아직 부족한 상태  수질은 위생상 위험할 때가 있고, 대장균이 나타나는 경우도 있음 4) 심층수 (ground water) - 제1불투수층과 제2불투수층 사이에 위치한 피압대수층내 지하수 - 토양에 의한 정화작용이 왕성  무균에 가까운 상태 - 수온이 대체로 일정

Groundwater recharging 수원의 종류 관정 내 수위가 지하수면보다 상승함 Groundwater recharging Water table well Flowing well Artesian well 대기압 작용 관정 내 수위가 지하수면과 일치 제1불투수층 대기압보다 높은 압력 제2불투수층 # 압력수면 (piezometric surface) - 피압대수층 내의 물이 받는 정수압의 크기에 해당하는 높이 (압력수두) - 압력수면 > 지면  분정 (flowing well) 발생

2) 수원과 취수 2-2) 취수

수원별 취수지점의 선정 □ 하천수 취수지점 - 하상의 침식과 퇴적에 따른 영향이 적은 지점 - 유속의 변동이 크지 않은 지점 - 지반이 견고한 지점 - 홍수나 산사태로 인하여 취수의 방해를 받거나 취수시설이 피해를 입지 않는 지점 - 하수에 의한 오염이나 염수유입을 방지할 수 있는 지점 - 장래의 하천계획을 고려할 때 지장이 없는 지점

수원별 취수지점의 선정 □ 지하수 취수지점 - 해수의 유입에 따른 지하수 오염 (염수화)을 방지할 수 있는 지점 - 지하수 취수지점 부근에 위치한 기존의 취수시설 (우물, 집수매거)에 영향을 미치지 않는 지점 - 천층수나 복류수의 경우 오염원으로부터 15m 이상 떨어져서 장래에도 오염의 영향을 받지 않는 지점이어야 함 - 복류수의 경우 장래의 유로변화 또는 하상저하 등을 고려하여 하천개수계획에 지장이 없는 지점을 선택 □ 호소 및 저수지수 취수지점 - 하수가 유입되지 않는 지점 - 바람이나 흐름에 의하여 호소 바닥의 침전물이 교란될 가능성이 적은 지점 - 항로부와 인접하지 않은 지점 - 취수시설의 축조를 위해 양호한 기초 지반을 가진 지점

하천수의 취수방법 □ 취수관 (intake pipe) - 하안에 축조한 콘크리트 기초 (또는 취수틀) 위에 관을 위치시키고, 이 관을 통해 하천수를 취수하는 방식 - 취수관의 특징 및 고려사항 • 수위변화 및 하상변동에 영향을 받지 않고 안전하게 취수할 수 있는 지점에 취수관을 설치 • 취수구에 스크린 (screen)을 설치하여 부유물이나 어류 등의 유입 방지 • 하천 수위에 상관없이 항상 저수위 부분의 물만 취수  고수위 발생 시 수질이 불량한 하천 저부의 물을 취수하는 문제점 발생 • 갈수 시에 취수할 수 있도록 하안으로부터 하천 중심 방향으로 멀리 떨어진 지점까지 취수관을 연장

하천수의 취수방법 취수관로의 크기 (직경)는 관로 내 유속이 0.6~1.0m/s가 되도록 설정 취수구의 크기 (직경)는 하천의 경우, 유입속도가 15~20cm/s, 저수지나 호소의 경우, 1~2m/s가 되도록 설정 취수구 높이는 최저 갈수위보다 0.3m 낮게 하고 장래 하상변동을 고려하여 0.3m의 여유를 둠 https://www.lifewater.org/resources/rws1/rws1m8.gif

하천수의 취수방법 (취수틀, intake crib)

하천수의 취수방법 □ 취수탑 (intake tower) - 탑 형태의 취수시설로서 연직방향으로 다수의 취수구를 가지는 구조물 - 홍수 시나 갈수 시에도 (수위에 영향을 받지 않고) 항상 일정한 용수를 취수하기 위한 목적으로 설치 - 취수탑의 특징 및 고려사항 • 흐름이 안정되고 갈수기에도 일정 이상의 수심이 있는 경우 적합 • 평상 시 유지관리가 비교적 쉬움 • 계획수량을 안정하게 취수할 수 있며, 대량 취수나 수질상의 선택 취수도 가능 • 수위변화가 큰 지점이나 큰 하천의 중하류부, 저수지, 호소로부터 취수할 경우 수심이 최소 2m 이상이 되는 장소에 위치해야 함 • 취수구의 형상은 원형 또는 장방형 (직사각형)으로 하며, 단면적은 하천의 경우, 유입속도 0.15~0.3m/s, 호소 또는 저수지의 경우, 1~2m/s가 되도록 단면적 결정

하천수의 취수방법 수위변동에 따라 취수구를 수위별로 설치 부유물 제거 및 어류 유입방지를 위한 스크린 설치 http://roplant.or.kr/upload/images/20080217200444d1cb/1336966753f9e69b.jpg

하천수의 취수방법 □ 취수문 (intake gate) - 하안이나 제방에 직접 수문과 수로를 설치하여 취수하는 방법 - 취수지점의 표고가 높아 자연 유하식으로 도수할 수 있는 곳에 많이 사용 - 취수문을 통한 유입속도가 1m/s 이하가 되도록 취수문의 크기를 결정 - 취수문 앞에 스크린을 설치하여 부유물질의 유입을 방지 http://www.andar.co.nz/wp-content/uploads/2013/07/Products-intake-gate.jpg

하천수의 취수방법

호소 및 저수지의 취수 □ 댐 저수지 위치 선정 조건 - 작은 댐을 설치하여 필요한 저수량을 얻을 수 있는 곳 - 저수지 바닥의 지질이 양호한 곳 - 저수지 축조로 인한 토지 보상 대상 및 보상 금액이 작은 곳 - 저수지 유역 면적이 넓고 (작은 댐으로 많은 수량 확보 가능), 수원 보호가 유리한 곳 - 댐의 건설 재료를 얻기 쉬운 곳 - 도시에 근접할수록 좋으며 (도수 비용 절감), 저수지로부터 정수장까지 가급적이면 자연유하식으로 도수할 수 있는 곳 - 비교적 깊은 수심을 가지는 곳

호소 및 저수지의 취수 □ 저수지 용량 결정 1) 가정법 - 연평균 강우량으로부터 1일 급수량에 대한 저수용량의 비율을 산정하는 방법 [예제] 어떤 도시의 집수구역에서 연평균 강우량이 1,200mm일 경우 이때 필요한 저수지의 저수용량을 가정법으로 구하라.  저수지의 저수용량은 1일 급수량의 약 161.4배에 해당함 [예제] 저수지 용량을 결정하기 위하여 가정법을 사용할 경우 1일 계획 급수량이 30,000m3/day 라고 할 때 저수지 저수용량을 결정하라. 단, 연평균 강우량은 1,000mm이다.

호소 및 저수지의 취수 2) 유량누가곡선법 (Ripple’s method) - 저수지의 유효용량을 누가유량곡선을 이용한 도해법으로 구하는 방법 - 적용 절차 ① 하천유량과 계획취수량을 시간에 따라 누적하여 누가곡선(직선)을 각각 작성 ② 유량 누가곡선의 접선경사가 완만해지는 점 M 및 R로부터 계획취수량 누가직선 OB에 평행한 선을 작도 (직선 MN 및 RS) ③ 직선 MN 및 RS로부터 누가유량곡선으로의 연직거리의 최대값 PQ 및 TU 중 큰 값이 구하고자 하는 유효용량 (유효저수량)이 됨

호소 및 저수지의 취수 [예제] 다음과 같이 어떤 저수지의 연 유입량과 수요량이 주어져 있을 때 저수지 용량을 유량누가곡선법으로 결정하라.

호소 및 저수지의 취수 누가유입량과 접선의 최대차= 76.46m3/sec

우물의 양수량 h1 h2 □ Darcy의 법칙 - Darcy의 실험으로부터 발견된 지하수 흐름의 기본원리  동수경사 또는 수리경사 (hydraulic gradient) 여기서, K: 투수계수 또는 수리전도도 (hydraulic conductivity) [단위: m/sec, m/day] h1 h2

우물의 양수량 피압대수층에서의 양수 Top view V r V h r r D D A K: 투수계수 지하수 흐름에 의한 유량 Top view 양수정을 통한 양수량 (양수량) V (양수전 압력수면) r (양수 시 압력수면) V h r r D D A

우물의 양수량 피압대수층에서의 양수 Q, D, K=일정  평형방정식 (Thiem의 방정식) (투수계수 K를 알고 있을 때 양수량 Q를 산정)  투수계수: (양수량 Q를 알고 있을 때 투수계수 K를 산정)

우물의 양수량 피압대수층에서의 양수 [예제] 큰 호수 가운데 지름이 1km인 원통형 섬의 중앙에 지름이 1m의 양수정을 굴착했다고 가정하자. 이 섬의 대수층은 두께 20m의 사암층으로서 투수계수는 20m/day로 추정 되었으며, 사암층의 상하부는 불투수층으로 되어 있다. 양수정에서의 수압면 강하량을 4m로 유지하기 위해서는 어느 정도의 일정한 양수율로 지하수를 양수해야 하는지 결정하라. (2) (1) r1=0.5m, r2=500m h2 – h1 = h0 – hw = 4m K = 20m/day D = 20m h2 h1 20m

우물의 양수량 피압대수층에서의 양수 h2 h1 r1=0.5m, r2=500m h2 – h1 = h0 – hw = 4m (2) (1) r1=0.5m, r2=500m h2 – h1 = h0 – hw = 4m K = 20m/day D = 20m h2 h1 20m

우물의 양수량 비피압대수층에서의 양수 Top view V r h r

우물의 양수량 비피압대수층에서의 양수 [예제] 비피압대수층의 우물로부터 물을 양수하고 있다. 초기 지하수위는 10.5m이다. 장시간 후 우물로부터 22.5m 떨어진 관측정에서의 지하수위가 6m이고, 600m 떨어진 관측정에서의 지하수위가 10.2m일 때 양수량 (m3/min)을 산정하라 (K=7.27×10-5m/sec)

우물의 양수량 □ 우물 밑바닥이 불투수층이 아닐 경우 1) 우물 바닥이 평탄한 경우 2) 우물 바닥이 곡면인 경우 3) 우물 바닥 및 측벽으로 취수할 경우 (K: 투수계수)

우물의 양수량

우물의 양수량

우물의 양수량

집수매거 □ 집수매거 (infiltration gallery, 집수암거) - 하천의 재내지나 제외지 또는 호수 부근에 매설되어 주로 복류수를 취수하기 위해 매설한 유공관거 - 유공관의 다수의 구멍을 통하여 복류수나 천층 지하수를 취수하는 시설물 - 주로 철근콘크리트로 만들어진 유공관거로서 단면형은 원형 또는 직사각형 □ 집수매거의 설치 시 고려사항 - 매설깊이는 5m를 표준으로 하지만, 불투수층이 얕은 위치이거나 하층의 수질이 나쁜 경우에는 얕게 매설할 수 있음 - 모래가 유입하여 집수공을 폐쇄시키지 않도록 집수공 유입속도는 3cm/sec 이하로 함. - 집수공은 직경 10~20mm로 하며 그 개수는 관거 표면적 1m2당 20~30개 정도 - 집수매거의 경사는 수평으로 하거나 1/500 이하의 완만한 경사로 하여 집수매거 유출단에서 유속이 1m/s이하가 되도록 함 - 집수매거의 설치 방향은 복류수의 흐름방향에 직각이 되도록 설치 - 집수매거의 둘레에는 모래의 유입을 방지하면서 복류수의 유입을 원활히 하기 위해 매거 내측에서부터 외측으로 굵은 자갈, 잔 자갈, 굵은 모래를 각각 50cm 이상의 두께가 되도록 채움

집수매거 http://www.isayprice.com/product_all_image/prod_namo1/admin_032555/img3-l07_yu_b-170.jpg http://www.conteches.com/portals/0/Images/PDH%20Credits/Introduction%20to%20Infiltration%20Best%20Management%20Practices/Perforated-Pipe.jpg http://www.waterjournal.co.kr/news/photo/201007/8153-2-6579.jpg

집수매거

집수매거 R □ 집수매거의 취수량 1) 지하수가 측벽에서만 유입하는 경우 2) 불투수층이 깊지 않고 매거의 바닥이 불투수층에 도달하지 않는 경우 R

집수매거 2r 3) 불투수층이 깊고 매거의 바닥이 불투수층에 도달하지 않으며, 물이 매거의 바닥에서만 유입되는 경우 3) 불투수층이 깊고 매거의 바닥이 불투수층에 도달하지 않으며, 물이 매거의 바닥에서만 유입되는 경우 2r 4) 하상 아래에 매거가 위치할 경우 (하천의 폭이 넓고 대수층이 충분히 깊을 경우)

집수매거

집수매거 [예제] 양수전 지하수심이 20m인 대수층에 직경 1m, 길이 50m의 집수매거를 설치하였다. 매거 내 수심이 0.7m이고 매거의 수위로부터 불투수층까지 깊이가 10m이며, 영향반경이 100m일 경우 양수량 (m3/min)을 구하라. 단, 이 대수층의 투수계수는 6.5×10-5m/s이며, 측면에서만 유량이 유입된다고 가정하라.

집수매거 [예제] 양수전 지하수심이 20m인 대수층에 직경 1m, 길이 50m의 집수매거를 설치하였다. 이때 불투수층은 깊지 않으며, 매거의 바닥이 불투수층에 도달하지 않고 있다. 매거 내 수심이 0.7m이고 매거의 수위로부터 불투수층까지 깊이가 10m이며, 영향반경이 100m일 경우 양수량 (m3/min)을 구하라. 단, 이 대수층의 투수계수는 6.5×10-5m/s이다. R

침사지 □ 침사지 (grit chamber) - 수원으로부터 취수된 물 속의 모래가 관거 내에서 침전하는 것을 방지하기 위하여 취수구 부근의 제내지에 설치하는 시설로서 모래를 침사지 내에 침전시켜서 제거 □ 침사지의 설치목적 1) 펌프의 보호 - 모래에 의한 임펠러 마모 방지  펌프 효율 저하 방지 2) 관거 내 모래 침전 방지 - 관거 내 모래 침전에 따른 조개류 등의 번식 방지 - 모래 침전에 따른 통수능 저하 및 이로 인한 취수량 감소방지 3) 침전지로의 모래 유입 저감 - 침전물 제거기의 부담을 감소 - 침전지의 침전효율 저하 방지 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7 /Kuromata_Dam_grit_chamber.jpg

침사지

침사지 □ 침사지의 설계 시 고려사항 1) 침사지의 위치 - 침사지는 가능한 한 취수구에 가까운 제내지에 설치 - 도수 관로의 길이를 짧게 하여 유지관리가 용이하도록 함 2) 침사지의 모양과 길이 - 장방형 (직사각형)으로 하며 유입부는 점차적으로 확대되고 유출부는 점차 축소되는 모양으로 함 (침사지내에서의 와류발생 방지) - 흐름방향으로의 길이 (L)는 폭의 3~8배가 되게 함 제거대상 모래의 직경은 0.1~0.2mm를 표준으로 함

침사지 3) 침사지의 수 - 2개 이상으로 하되 1개인 경우 격벽을 설치해서 두 부분으로 나누거나 측관 (by-pass)을 설치 4) 침사지의 용량 - 침사지 내의 고수위까지의 용량으로서 계획취수량을 10~20분간 체류할 수 있어야 함 5) 침사지 내 유속 - 유속은 2~7cm/s가 되도록 함 6) 침사지의 수위 - 침사지의 고수위는 계획취수량이 유입할 수 있도록 하천의 최저 수위 이하로 설정함

침사지 7) 침사지의 여유고 - 침사지 내 월류 설비가 없을 경우 60~100cm - 월류 설비가 있을 경우 30cm 8) 침사지의 유효수심 - 유효수심은 3~4m가 표준이며, 0.5~1.0m의 여유를 둠 9) 침사지의 바닥구배 - 배수나 배사에 용이하도록 종경사 1/100, 중앙으로의 횡경사 1/50 정도