The water supply facilities of Korea have achieved a rapid growth, along with the other social infrastructures consisting a city, due to the phenomenon of urbanization according to economic development. Meanwhile, the level of water supply service demanded by consumer is also steadily getting higher in keeping with economic growth. However, as an adverse effect of rapid growth, the quantity of aged water supply pipes are increasing rapidly, Bursts caused by pipe aging brought about an enormous economic loss of about 6,161 billion won as of 2019. These problems are not only worsening water supply management, also increasing the regional gap in water supply services. The purpose of this study is to classify hazard evaluation indicators and to rank the water distribution network hazard by cluster using the TOPSIS method. In conclusion, in this study, the entropy-based multi-criteria decision-making methods was applied to rank the hazard management of the water distribution network, and the hazard management ranking for each cluster according to the water supply conditions of the county-level municipalities was determined according to the evaluation indicators of water outage, water leakage, and pipe aging. As such, the hazard ranking method proposed in this study can consider various factors that can impede the tap water supply service in the water distribution network from a macroscopic point of view, and it can be reflected in evaluating the degree of hazard management of the water distribution network from a preventive point of view. Also, it can be utilized in the implementation of the maintenance plan and water distribution network management project considering the equity of water supply service and the stability of service supply.

Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravimeter satellites observed the Earth gravity field with unprecedented accuracy since 2002. After the termination of GRACE mission, GRACE Follow-on (GFO) satellites successively observe global gravity field, but there is missing period between GRACE and GFO about one year. Many previous studies estimated terrestrial water storage (TWS) changes using hydrological models, vertical displacements from global navigation satellite system observations, altimetry, and satellite laser ranging for a continuity of GRACE and GFO data. Recently, in order to predict TWS changes, various machine learning methods are developed such as artificial neural network and multi-linear regression. Previous studies used hydrological and climate data simultaneously as input data of the learning process. Further, they excluded linear trends in input data and GRACE/GFO data because the trend components obtained from GRACE/GFO data were assumed to be the same for other periods. However, hydrological models include high uncertainties, and observational period of GRACE/GFO is not long enough to estimate reliable TWS trends. In this study, we used convolutional neural networks (CNN) method incorporating only climate data set (temperature, evaporation, and precipitation) to predict TWS variations in the missing period of GRACE/GFO. We also make CNN model learn the linear trend of GRACE/GFO data. In most river basins considered in this study, our CNN model successfully predicts seasonal and long-term variations of TWS change.

This study developed prediction models of chlorine bulk decay coefficient by each condition of water quality, measuring chlorine bulk decay coefficients of the water and water quality by water purification processes. The second-reaction order of chlorine were selected as the optimal reaction order of research area because the decay of chlorine was best represented. Chlorine bulk decay coefficients of the water in conventional processes, advanced processes before rechlorination was respectively 5.9072 (mg/L)-1d-1 and 3.3974 (mg/L)-1d-1, and 1.2522 (mg/L)-1d-1 and 1.1998 (mg/L)-1d-1 after rechlorination. As a result, the reduction of organic material concentration during the retention time has greatly changed the chlorine bulk decay coefficient. All the coefficients of determination were higher than 0.8 in the developed models of the chlorine bulk decay coefficient, considering the drawn chlorine bulk decay coefficient and several parameters of water quality and statistically significant. Thus, it was judged that models that could express the actual values, properly were developed. In the meantime, the chlorine bulk decay coefficient was in proportion to the initial residual chlorine concentration and the concentration of rechlorination; however, it may greatly vary depending on rechlorination. Thus, it is judged that it is necessary to set a plan for the management of residual chlorine concentration after experimentally assessing this change, utilizing the methodology proposed in this study in the actual fields. The prediction models in this study would simulate the reduction of residual chlorine concentration according to the conditions of the operation of water purification plants and the introduction of rechlorination facilities, more reasonably considering water purification process and the time of chlorination. In addition, utilizing the prediction models, the reduction of residual chlorine concentration in the supply areas can be predicted, and it is judged that this can be utilized in setting plans for the management of residual chlorine concentration.

Owing to the development in information and communications technologies have improved the technology for high-speed transmission of massive data, which has changed closed-circuit television (CCTV) video transmission technology. In particular, digitization of the CCTV video format and streaming technology has made it possible to minimize transmission loss and integrate video transmission and camera control(pan/tilt). It has also become possible to provide additional services like remote emergency warning broadcasting with just Internet Protocol (IP). However, because of the structural problems of IP, these changes have also brought about the threat of hacking of CCTV monitoring systems. In this study, we propose a methode to optimize network management by examining cases of enhancement of operational efficiency and security by improving the structure of CCTV monitoring network.

In this study, a model was developed to predict for Disinfection By-Products (DBPs) generated in water supply networks and consumer premises, before and after the introduction of advanced water purification facilities. Based on two-way ANOVA, which was carried out to statistically verify the water quality difference in the water supply network according to introduce the advanced water treatment process. The water quality before and after advanced water purification was shown to have a statistically significant difference. A multiple regression model was developed to predict the concentration of DBPs in consumer premises before and after the introduction of advanced water purification facilities. The prediction model developed for the concentration of DBPs accurately simulated the actual measurements, as its coefficients of correlation with the actual measurements were all 0.88 or higher. In addition, the prediction for the period not used in the model development to verify the developed model also showed coefficients of correlation with the actual measurements of 0.96 or higher. As the prediction model developed in this study has an advantage in that the variables that compose the model are relatively simple when compared with those of models developed in previous studies, it is considered highly usable for further study and field application. The methodology proposed in this study and the study findings can be used to meet the level of consumer requirement related to DBPs and to analyze and set the service level when establishing a master plan for development of water supply, and a water supply facility asset management plan.

For the asset management of a water pipe network, it would be necessary to understand the extent of the maintenance cost required for the water pipe network for the future. This study would develop a method to draw the optimum cost required for the maintenance of the water pipe network in waterworks facilities to maintain the aim revenue water ratio and to achieve the target revenue water ratio, considering the water service providers’ waterworks condition and revenue water ratio comprehensively. This study conducted a survey with 96 water service providers as of the early 2015 and developed models to estimate the optimum maintenance cost of the water pipe network, considering the characteristics of the water service providers. Since the correlation coefficient of all the developed models was higher than 0.95, it turned out that it had significant reliability, which was statistically significant. As a result of applying the developed models to the actual water service providers, it was drawn that increasing revenue water ratio to more than a certain level can reduce the maintenance cost of the water pipe network by a great deal. In other words, it is judged that it would be the most efficient to secure the reliability of waterworks management by increasing the short-term revenue water ratio to more than a certain level and gradually increase the revenue water ratio from the long-term perspective. It is expected that the proposed methodology proposed in this study and the results of the study will be used as a basic research for planning the maintenance of water pipe network or establishing a plan for waterworks facilities asset management.

This research carried out an analysis on input cost and leakage reduction effect by leakage reduction method, focusing on the project for establishing an optimal water pipe network management system in the Taebaek region, which has been executed annually since 2009. Based on the result, optimal cost-benefit analysis models for water distribution network rehabilitation project were developed using DEA(data envelopment analysis) and multiple regression analysis, which have been widely utilized for efficiency analysis in public and other projects. DEA and multiple regression analysis were carried out by applying 4 analytical methods involving different ratios and costs. The result showed that the models involving the analytical methods 2 and 4 were of low significance (which therefore were excluded), and only the models involving the analytical methods 1 and 3 were suitable. From the result it was judged that the leakage management method to be executed with the highest priority for the improvement of revenue water ratio was installation of pressure reduction valve, followed by replacement of water distribution pipe, replacement of water supply pipe, and then leakage detection and repair; and that the execution of leakage management methods in this order would be most economical. In addition, replacement of water meter was also shown to be necessary in case there were a large number of defective water meters.

It is important to predict chlorine decay with different water purification processes and distribution pipeline materials, especially because chlorine decay is in direct relationship with the stability of water quality. The degree of chlorine decay may affect the water quality at the end of the pipeline: it may produce disinfection by-products or cause unpleasant odor and taste. Sand filtrate and dual media filtrate were used as influents in this study, and cast iron (CI), polyvinyl chloride (PVC), and stainless steel (SS) were used as pipeline materials. The results were analyzed via chlorine decay models by comparing the experimental and model parameters. The models were then used to estimate rechlorination time and chlorine decay time. The results indicated that water quality (e.g. organic matter and alkalinity) and pipeline materials were important factors influencing bulk decay and sand filtrate exhibited greater chlorine decay than dual media filtrate. The two-component second-order model was more applicable than the first decay model, and it enabled the estimation of chlorine decay time. These results are expected to provide the basis for modeling chlorine decay of different water purification processes and pipeline materials.

The objective of this study is to determine the appropriate size of the inlet pipe diameter and thereby conduct hydraulic analysis for the Korean water distribution network. To this end, the data tables for equivalent pipe diameters and outflow rates presently employed in Korea were adopted. By incorporating the table of equivalent pipe diameters, it was found that the size of the inlet pipe diameter was overestimated, which can cause shortage of water pressure and malfunctioning or insufficiency of outflow rate in the corresponding adjacent region. However, by conducting hydraulic analysis based on the table of outflow rates, relatively reasonable flow rates were observed. Furthermore, by comparing the real demand-driven analysis (RDDA) approach and demand-driven analysis (DDA) approach toward managing the huge water demand, it was observed that DDA could not effectively respond to real hourly usage conditions, whereas RDDA (which reflects the hourly effects of inlet pipe diameter and storage tanks) demonstrated results similar to that of real water supply.

수원과 수용가 간 연결성은 비정상상황 시 상수도관망의 기능 유지 정도를 나타내는 시스템 특성 중 하나이다. 상수도관망은 점과 선으로 구성된 그래프로 간략화 될 수 있기 때문에, 연결성 평가를 위해 주로 그래프 이론이 적용되었다. 하지만, 대부분의 연구는 상수도관망에 적합하지 않은 무 향-비가중 그래프 이론을 적용하였다. 본 연구에서는 유향-가중 그래프 이론을 상수도관망에 적용하였으며, 이를 기반으로 복잡한 수리해석 없이 상수도관망 연결성을 평가할 수 있는 지표인 SNSP (Source to Node Shortest Pathway)와 이의 역수인 SNSP-Degree (SNSP-D)를 제안하였다. 국내 J시 42개의 상수도관망을 이용하여 개발된 SNSP와 기존 상수도관망 성능평가지표 사이의 상관성 분석을 수행 및 검증하였다. 기존 상수도관 망 성능평가지표는 수리해석 결과를 지표 계산에 이용하는 3개의 회복력(Resilience) 지표와 에너지 효율 지표이다. 분석 결과, SNSP의 역수인 SNSP-D의 합과 기존 상수도관망 성능지표 사이에 평균적으로 0.87 이상의 높은 피어슨 상관계수(Pearson Correlation Coefficient, PCC) 값이 도출되었다. 특히, 회복력 지표 중 하나인 Modified Resilience Index (MRI)와 에너지 효율 지표의 경우 PCC 0.93 이상의 높은 상관관계를 가지는 것으로 나타났다. 또한 다중 회귀 분석을 통해 SNSP-D와 회복력 및 에너지 효율 간의 상관성에 영향을 미치는 수리학적 변인을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 SNSP 지표가 상수도관망의 대략적인 회복력 및 에너지 효율 수준을 알려줄 수 있는 지표로 실무에서 널리 활용될 것으로 기대된다.

Multifunctional weirs constructed through the Four Major Rivers Restoration Project are operated as management water levels. The purpose of this study was to evaluate the effect of water level in the main stem on the tributary water level according to multifunctional weir operation, because the operation of multifunctional weirs for water level management influences the drainage of tributaries. In this study, water level pressure gauges were installed and spatial and temporal water quality was observed. The LOcally Weighted Scatterplot Smoothing (LOWESS) technique was applied to the Nakdong River and the Baekcheon Junction, both upstream of the Gangjeong-Goryeong weir, in order to analyze water quality trends. When considering the overall analysis and observations, it was found that the water quality forecasting point located at the Baekcheon estuary point should be transferred to the Dosung Bridge, which is located upstream of the Sunwon Bridge.

최근 송 ․ 배수시스템의 최적 펌프운영과 펌프 및 배수지의 적정용량 산정을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 시설물의 적정 용량을 선정하기에 앞서 송수펌프 용량 및 배수지규모에 따른 시스템 비용(건설 및 운영비용)과 시스템 내 수질 변화를 분석하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 민감도 분석을 통해 송수펌프 용량과 배수지의 크기가 실제 시스템의 건설 및 운영비용, 그리고 시스템 전반의 수질에 미치는 영향을 분석하였다. 국내 대규모 지방상수도 시스템을 대상으로 분석을 실시하여 시설물 규모가 비용 및 수질에 미치는 영향을 명확히 파악하였다. 적용 네트워크의 경우, 시설물의 용량이 증가할수록 운영비용은 감소하지만, 설계비용은 증가하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 비용최소화와 수질안정화를 동시에 만족하는 시설물의 적정용량 범위를 파악할 수 있을 것으로 판단된다.

According to this research, it was confirmed that safety coefficient is useful tool to rationally quantify structural deterioration of pipe. In addition, it could perform simple and rapid evaluation escaping from confinement by time and budget, and it can be utilized as a tool to set up policy for future water supply.

치성천의 홍수범람이 빈번하게 발생하는 구간을 대상으로 하단배출형 가동보를 다단으로 배치하여 가동보의 관리수위별 저류 및 홍수조절 효과 를 기존 고정보의 설치 경우와 비교분석하였다. 분석 결과를 기반으로 인공신경망 모형을 구축하여 목표하는 저류량과 하류부 홍수위 조절을 위한 가동보의 관리수위를 제안하였다. 하단배출형 가동보를 다단으로 배치할 경우 고정보 대비 하류부에서의 첨두 홍수위가 68.28%가 감소하였고, 대상구간의 총 저류량이 216%가 증가하였다. 인공신경망 학습모델의 구축을 위해 수치모의 결과 216개의 data 중 60%, 20%, 20%를 각각 학습, 검증 및 시험에 사용하였다. 학습결과 평균제곱오차가 0.1681 m2, 결정계수가 학습, 검증 및 시험에서 각각 0.9961, 0.9967, 0.9943으로 높게 나타났다. 인공신경망을 이용하여 목표하는 저류량과 하천의 하류부에서의 홍수위에 대한 각각 가동보의 관리수위의 결정방안을 제시하였다

대규모 상수관망 시스템의 운영비용 절감을 위한 펌프장 운영 최적화 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 상수관망 시스템 운영 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해서는 짧게는 24시간, 길게는 1주일 이상의 시간모의가 필수적이 며, 최적화 알고리즘과의 연계를 통한 시뮬레이션이 요구된다. 대규모 상수관망의 경우 관로 및 절점의 수가 수 천 혹은 수 만개에 달해 수리해석 및 최적화에 많은 시간이 소요되며 실시간 운영을 목적으로 하는 경우 모형의 적용에 한계가 발생한다. 이처럼 모의시간에 대한 문제를 해결하기 위해서는 해당 상수관망 시스템의 수리 거동, 수질 해석 결과를 변화시키지 않는 범위에서 관망을 간소화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템의 일부를 대상으로 시스템 간소화, 즉 골격화(Skeletonization) 연구를 진행하였으며, 모두 네 가지의 골격화 기법을 비교, 평가하였다. 본 연구에서 제안된 골격화 기법을 통해 대규모 상수관망의 해석에 소요되는 시간을 단축함으로써, 실제 상수관망의 실시간 운영 모듈 개발에 도움이 될 것으로 기대한다.

상수관망의 운영에 있어서 핵심적인 사항 중의 하나는 관망의 압력균등화이다. 관망의 압력균등화는 시간과 공간적으로 이루어져야 하며 이를 위한 대표적인 방법은 가압장을 설치하는 것이다. 가압장은 관말단에 잔류수압(Residual Pressure Head)이 부족할 것으로 예상될 경우 용수에 추가적인 에너지를 가하여 원활한 용수공급을 가능하게 하는 시설이다. 그러나 가압장에는 펌프를 사용하기 때문에 지속적인 운영비용이 발생하고 기계적인 고장에 취약한 단점을 가지고 있다. 이와 같은 가압장의 단점을 보완하기 위하여 배수관망내에 탱크(In-line Tank)를 설치하는 것이 대안이 될 수 있다. 탱크의 초기투자 비용은 가압장보다 크지만 유지비용이 적고, 고장에 따른 용수공급 중단이 될 가능성이 낮다. 또한, 관파괴에 의한 단수발생시 탱크 인접지역에 비상용수원으로 활용될 수 있다. 그러나 시설비나 부지 문제로 인하여 배수관망에 많은 수의 탱크를 설치하기는 어렵다. 이에 본 연구에서는 배수관망내 필요한 탱크의 개수에 따라 적정배치를 결정할 수 있는 방법론을 제시하였다. 즉, 예산이나 설치부지 등의 제한으로 설치가능한 탱크의 수가 결정되면 이를 최적으로 배치할 수 있는 방법론을 의미한다. 이를 위한 목적함수로 시공간적 관망내 압력 균등지표(Temporal and Spatial Pressure Evenness Index, TSPEI)를 제시하였다. TSPEI 산정은, 먼저 24시간의 Extended Period Simulation을 통하여 절점별로 압력의 일변동(일최대압력-일최소압력)을 산정하고, 두번째로 모든 절점의 압력 일변동을 합산하여 구한다. 이때 가능한 탱크 조합중 TSPEI가 가장 작은 조합이 최적조합이 된다. 제안된 방법을 샘플관망(Mays' network)을 대상으로 적용성을 검증하였다. 그 결과 설치 가능한 탱크의 수를 2개, 3개, 4개로 가정하여 각각의 경우에 대해 최적탱크조합을 산정하였으며, 각각의 탱크 조합에서 일관된 경향이 나타남을 확인하였다.

본 연구에서는 내외수의 영향을 받는 지역의 폐합형 배수관망에 시간에 따른 유량과 수위의 변화를 계산할 수 있는 부정류 모델을 개발하는 것이다. 본 계산모형은 절점, 수로 및 계산점으로 구성된다. 1차원 Saint-Venant의 연속방정식과 운동량 방정식을 Preissmann의 4점 음해법으로 선형 연립방정식을 구성하고 절점과 수로를 Looped Network 알고리즘을 통해, 최상류단과 절점의 유입 유량을 고려하여 시간과 공간에 따른 유량과 수위의 변화를 모의하였다. 폐합형 배수관망에서 조도계수는 변화량에 중요한 물리적 요소 중 하나로 분석되었으며 본 모형은 고정된 상수값을 적용하였다. 모의된 각 계산점의 수위와 유량에 대해 기존 선진국 모형인 PC-SWMM Model과 RMS 오차를 비교하여 신뢰할만한 결과를 얻을 수 있었다. 본 모형은 추후 홍수 예경보 및 침수 범람 모의를 위한 기본모형에 반영할 경우 홍수추적과 같은 부정류해석을 위한 실무에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

한반도가 더 이상 지진재해에 안전한 지역이라 확신할 수 없는 상황임에도 불구하고 사회기반시설인 상수관망 시스템의 지진재해에 대한 대응방안이 매우 미흡한 실정이다. 지진피해를 최소화하기 위해서는 시스템의 사전 보강 및 내진설계가 선행되어야 한다. 하지만, 자연재해를 완전히 대비할 수 없는 현실을 감안하면 재해가 발생한 이후에 상실된 시스템의 기능을 최대한 신속히 복구하는 노력이 더욱 중요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 지진발생 시 시스템의 신속한 대응 및 복원을 위한 컴퓨터 기반 시뮬레이션 모형의 개발방안을 제시하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료와 일본, 대만, 미국 등 해외에서 발생한 과거 지진피해 사례, 관련 데이터, 연구 등을 종합적으로 검토하여 다양한 시나리오의 구성이 가능하도록 하였다. 또한, 정밀한 수리해석을 통해 지진발생 후 시간에 따른 시스템의 복구진행상황을 정량화하여 시간모의가 가능하도록 하였다. 개발 모형은 재해발생에 따른 시스템의 상태를 Risk-free, Virtual 환경에서 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 사후 복구 측면에서의 시스템 복원력 증진을 도모하고 실무자들의 신속한 시스템 복구대책을 마련하기 위한 (복구순서 결정, 복구인력 및 장비 배치 등) 중요한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것이다.

상수관망에서 관파괴가 발생할 경우 제수밸브의 차폐를 통하여 일정 부분의 상수관망이 다른 부분으로부터 격리되게 된다. 이러한 영역을 segment라고 정의하고 이에 대한 다양한 연구가 진행되었다. segment에 포함되는 상수관은 물흐름이 차단되기 때문에 단수가 발생하게 된다. 또한 segment의 차폐에 의해서 추가적으로 단수가 되는 영역이 발생할 수 있고 이러한 영역을 unintended isolation(UI)으로 정의된다. 상수관망을 운영하는 측면에서 관파괴는 피할 수 없는 문제이기 때문에 관파괴가 발생할 경우 단수에 의한 피해를 최소화하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 대규모 피해를 야기하는 대규모 segment가 발생하지 않도록 해야 한다. 그러나 대규모 segment는 상수관망의 구조(water supply network topology)와 제수밸브의 배치에 따라 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이러한 대규모 segment를 파악하고 적절한 위치에 제수밸브를 추가하여 대규모 segment를 분할하는 방안을 제시하여 관파괴에 따른 상수관망의 피해를 최소화하는 방안을 제시하였다. 대규모 segment 분할을 위한 모형은 네가지 모듈로 구성되어 있다. 첫 번째는 상수관망에 존재하는 모든 segment를 정의하고 segment와 연관된 UI를 정의하는 모듈이다. 두 번째 모듈은 정의된 segment별로 단수피해를 정량화하여 segment별 등급을 부여하는 모듈이다. 세 번째는 단수피해기준 대규모 segment별로 분할을 위한 제수밸브 위치 결정 모듈이다. 네 번째 모듈은 추가된 제수밸브에 의한 상수관망 피해 저감효과를 분석하는 상수관망 신뢰도 산정 모듈이다. 세 번째 모듈의 경우 수학적인 방법이 아닌 상수관망 운영주체가 직접 적용할 수 있도록 다섯 가지 기준을 제시하여 적정 제수밸브 위치를 결정하도록 하였다. 제안된 모형을 이스라엘의 실제 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.