1. 서 론
2. 매설환경 데이터 생성
2.1 시설물 및 지리정보 분석대상 설정
2.2 도로 중첩구간 생성
2.3 수계 중첩구간 생성
3. 보수이력 내 매설환경 고유값 변환
3.1 열수송관 보수이력 데이터 수집 및 오류 수정
3.2 매설환경 속성정보 고유값 변환
4. 열수송관 매설환경별 파손경향 분석
4.1 매설환경별 열수송관 길이 비교
4.2 매설환경별 파손빈도 분석
4.3 평균사용기간 증가에 따른 매설환경별 파손경향 분석
5. 결 론
1. 서 론
지하에 매설된 열수송관은 필연적으로 주변 토양 등 매설환경으로부터 영향을 받는다. 모든 열수송관에는 매설흙에 의한 토압이 작용하나, 추가적으로 노면 하중에 의한 지하매설관의 파손, 변형까지 고려할 때, 열수송관을 포함하여 도로하부에 위치한 지하관로들은 다른 곳에 매설된 관로보다 더 위험할 수 있음을 여러 연구(Dave & Solanki, 2020; Patnaik et al., 2022; Palmeira & Bernal, 2015; Shirokov, 2018)를 통해 확인할 수 있다. 특히 도로에 매설된 열수송관은 차량과 중장비에 의해 발생하는 불규칙적 하중을 반복적으로 받으며, 이러한 반복적인 하중은 열수송관에 장기적으로 피로 누적을 유발할 수 있다(Kiefner & Associates, 2023).
열수송관이 하천, 호수 등의 수계 주변에 매설될 경우, 주변 토양의 높은 습도와 수분 함유량으로 인해 부식 위험이 상당히 증가할 수 있다. 이는 물이 전기화학적 반응을 촉진하여 열수송관 외벽에 지속적인 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 특히, 하천 근처에서는 토양 내 산소와 수분이 끊임없이 공급되어 부식이 빠르게 진행된다. Hassan et al.(2023)은 이러한 수계 주변 환경에서 지하매설관이 노출되는 위험성을 지적하며, 이와 유사한 상수도관 사례에서도 부식이 빨라진다고 설명하고 있다. Francois et al.(2024)의 연구는 습기가 많은 토양에 매설된 열수송관이 주기적인 감시 및 관리가 필요함을 강조하였으며, 지속적인 데이터 수집과 부식 예측을 통해 유지보수 체계를 개선할 수 있음을 보여주고 있다. Rafael et al.(2023)은 하천 주변의 전해질 농도가 높은 물 환경으로 전기화학적 부식이 유발되어 관 외부 부식 등 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
한국지역난방공사가 공공데이터포털에서 공개한 한난맵 중점관리구간 정보(Korea District Heating Corporation, 2024) 등 대부분의 지역냉난방 사업자들은 열수송관이 매설된 주변 환경을 고려하여 파손위험성이 높은 구간을 별도의 특별관리구역으로 설정하여 보다 신속한 진단 및 점검이 이루어질 수 있도록 이미 조치하고 있다. 다만, 다양한 조건의 매설환경에 따라 실제 열수송관의 파손이 정량적으로 얼마나 빈번하게 발생하는지에 대한 연구는 부족한 실정이다.
본 연구에서는 열수송관의 매설환경이 관의 파손경향성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 이를 위해 국내 지역냉난방사업자로부터 19개 구역별 열수송관 설비이력정보를 수집하였으며, 관 주변 매설환경 데이터 생성을 위해 국토지리정보원 도로경계_선, 주차장, 하천경계, 호수/저수지, 실폭하천 자료(National Geographic Information Institute, 2024) 등을 수집 및 분석하였다. 이를 바탕으로 각 매설환경별 파손빈도를 산출하였으며, 열수송관 사용기간이 증가할 경우 매설환경별 파손증가율의 변화도 함께 분석하였다.
2. 매설환경 데이터 생성
2.1 시설물 및 지리정보 분석대상 설정
열수송관 주변 도로, 하천 등 매설환경 정보를 확인하기 위해 국토교통부에서 운영하는 브이월드에서 전국 도로, 하천, 호수/저수지의 위치 및 속성정보 데이터(shp 파일, 국토지리정보원 제작)를 확보하였다.
열수송관 매설환경 속성정보는 사업자가 제공한 설비이력에 포함되어 있지 않으나, 부식성과 상부 하중을 고려할 때 파손경향과 밀접한 연관성을 가질 것으로 판단된다. 따라서 보수이력과 비교·분석을 진행하기 위해 조사대상 열수송관의 매설환경별 관 길이 정보를 확인할 수 있도록 설비이력 내 매설환경 속성정보 추가가 필요하다. 브이월드 등을 통한 데이터 확보 가능성과 열수송관의 파손과 직·간접적인 연관성을 고려할 때, 아래와 같이 매설환경 분류기준을 마련할 수 있으며, 파손이력 분석 시 해당 분류기준을 참고하여 데이터 변환(Data Transformation)을 진행하였다.
- 도로 : 차량으로 인한 노면 하중 고려(예: 도로, 보도, 차도, 차로, 주차장, 단지 내 도로 등)
- 수계 : 시설물 주변 토양의 함수율 및 부식가능성 증가 고려(예: 하천, 소하천, 호수, 저수지 등)
- 기타(예: 공원, 녹지, 고수부지 등)
상기 분류기준에 따라 도로, 주차장, 하천, 호수/저수지 등 ‘도로’ 또는 ‘수계’에 해당하는 열수송관 및 지리정보 데이터를 확보하여 분석을 진행하였다.
철도 시설물(경계면)은 설비이력 데이터 확보가 가능하고, 철도에서 발생하는 불규칙적, 간헐적 진동에 의해 열수송관의 구조적 건전성이 영향을 받을 것으로 판단되나, 보수이력 내 매설환경 정보에서 확인이 어려워 비교·분석이 용이하지 않아 본 연구에서는 매설환경 속성정보에서 제외하였다.
2.2 도로 중첩구간 생성
차량에 의한 노면 하중 영향을 분석하기 위해 도로 경계면 및 주차장 경계면 데이터(Polygon)와 열수송관 설비이력 객체(Polyline)의 중첩구간에 대한 분석을 진행하였다. 도로 위치 및 속성정보는 국토지리정보원 연속수치지형도 중 ‘도로경계’, ‘주차장’ 데이터에서 확인 가능하며, 브이월드에서 전국 도로(9,271,453건), 주차장(4,466건) 경계면 데이터를 확보하였다. 도로 경계면은 Fig. 1과 같이 고속국도, 일반국도, 지방도 등 모든 도로를 포괄하며, 특히 도로와 인접한 인도(보도)까지 도로 경계면으로 포함되어 있다.
확보된 도로 경계면 데이터 검토 결과 H, M 구역의 경우 도로 경계면 데이터가 일부가 누락되어 도로 중첩구간 산출이 불가능하다. Fig. 2를 보면, 붉은색 열수송관 노선과 중첩되어 확인되어야 할 도로 경계면 구간(하늘색)이 상당부분 빠져있는 것을 볼 수 있다. 따라서 중첩구간 산출 시 해당 구역의 분석결과를 결측값으로 처리하여 매설환경 분석 시 반영하였다.
상용 GIS 프로그램인 ‘QGIS’의 공간처리 기능을 활용하여 도로 및 주차장 경계면 내 위치한 열수송관 객체(설비이력)를 별도 도로 중첩구간’ shp 파일로 생성하였다(139,245건). 각 중첩구간에서 열수송관과 도로 경계면의 정보를 모두 확인할 수 있도록 열수송관 객체코드(UNIT_CODE)와 도로 고유등록번호(UFID_RO; Unique Feature IDentifier_Road)를 속성정보로 포함하였다.
2.3 수계 중첩구간 생성
열수송관의 하천횡단여부 또는 하천·호수 등 수계 근접성에 따라 주변 토양의 함수율이 직접적인 영향을 받으므로 하천, 호수/저수지 경계면 데이터(Polygon)와 열수송관 설비이력 객체(Polyline)의 중첩구간에 대한 분석을 진행하였다. 도로 정보와 동일하게 브이월드의 국토지리정보원 연속수치지형도 중 전국 하천(122,091건), 호수/저수지(214,923건), 실폭하천(26,340건) 경계면 데이터를 확보하였다(Fig. 3 참고).
하천 경계면 데이터 검토 결과, 일부 하천변 공원이 하천 경계 내에 포함된 사례를 확인하였다(Fig. 4 하늘색 영역 참고). 다만, 보수이력 내 매설환경 고유값 중 하천변 공원에 해당하는 ‘고수부지’는 ‘녹지’와 그 성격이 유사하므로 하천 경계면 데이터를 신뢰하기 어렵다고 판단되었다. 브이월드를 통해 확보할 수 있는 ‘실폭하천 경계면’ 데이터는 GIS 분석 결과 실제 하천 영역만 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서는 하천 경계면 분석 시 ‘실폭하천 경계면’데이터를 활용하였다. 또한 ‘호수/저수지’의 경우 ‘호수/저수지 경계면’ 데이터를 그대로 활용하였다.
도로 중첩구간 생성과 동일한 방법으로 수계 중첩구간을 1,178건 확보하였으며, 속성정보는 열수송관 객체코드(UNIT_CODE)와 수계 고유등록번호(UFID_WA)로 구성하였다.
3. 보수이력 내 매설환경 고유값 변환
3.1 열수송관 보수이력 데이터 수집 및 오류 수정
집단에너지사업자로부터 파손경향 분석에 필요한 열수송관 및 부속시설물 보수이력(3,438건) 데이터를 확보하였다. 이중 2015년 이전 보수이력에서 결측값(Missing), 이상값(Outlier)이 다수 확인되어 결측값은 ‘E’로 별도 표기하여 추후 Data Reduction 과정에서 ‘미확인’ 범주로 표기되도록 조치하였다.
3.2 매설환경 속성정보 고유값 변환
열수송관 보수이력 내 속성정보 및 고유값은 설비이력과 다르게 별도의 테이블 정의서로 정의하지 않아, 작성자가 하나의 Column 내 다수의 데이터를 기재한 사례도 확인하였다. 따라서 별도의 판단기준을 설정하여 특정 고유값으로 정상화(Nomalization)할 필요가 있다. 매설환경의 경우 49종의 고유값(단순 오탈자 제외)을 확인하였고, 다수의 매설환경 고유값이 존재하는 경우 처음 작성된 고유값을 우선적으로 고려하였다(예: 도로, 보도, 녹지 → 도로). 본 연구에서는 매설환경 고유값별 차량 통행 여부 및 하천 등 수계 인접성을 고려하여 8종의 단어형 고유값으로 모든 고유값을 변환하였다. 각 매설환경별 정의는 아래와 같다.
- 도로(Road) : 포장도로(차도) 및 이와 인접한 보도, 주차장 등 차량 통행에 의한 직·간접적인 노면 하중이 지속적·불규칙적으로 발생하는 구간
- 단지도로(Complex(Road)) : 아파트 단지 도로로서, 일반 도로와 동일하게 하중이 가해질 수 있음.
- 수계(Water) : 하천, 호수 및 저수지 하부에 위치하여 구간 내 함수율이 매우 높을 것으로 판단되는 경우
- 공원(Park) : 차량 통행이 극히 제한적인 공원 또는 비포장 상태의 녹지
- 단지공원(Complex(Park)) : 아파트 단지 내 녹지로 공원과 유사함.
- 단지기타(Complex(Etc)) : 아파트 단지 내 도로(포장) 또는 녹지(비포장) 여부를 확인할 수 없는 경우
- 기타(Etc) : 차량 통행 여부를 판단하기 어렵거나, 차량 통행은 가능하나 노면 하중이 매우 적을 것으로 판단되는 경우
- 미확인(Unidentified) : 매설환경 정보가 없는 경우
8종의 매설환경 고유값은 추후 열수송관 파손경향 분석을 위해 매설환경 분류기준에 따라 도로(도로, 단지도로), 수계(수계), 기타(공원, 단지공원, 단지기타, 기타)로 추가 분류하였으며, 매설환경 정보가 없는 경우는 별도로 분류한 후, 파손경향 분석 시 해당 정보는 분석 대상에서 제외하였다.
4. 열수송관 매설환경별 파손경향 분석
4.1 매설환경별 열수송관 길이 비교
집단에너지사업자로부터 열수송관 설비이력 132,210건(2,415km × 2열, shp 파일)과 도로 및 수계 중첩구간 자료를 활용하여 조사대상 열수송관의 매설환경별 길이를 확인하고자 하였다. 열수송관 객체코드(UNIT_CODE) 고유값은 용도, 구역, 준공년도, 관경 정보를 모두 포함하고 있으므로(XbbbyyyyDDDDCnnnnnn), 이 중 구역 정보를 나타내는 3글자 숫자데이터(bbb)를 추출하여 구역별 중첩구간 길이도 산출하였다. 도로, 수계 외 기타 매설환경(단지, 공원, 녹지, 고수부지, 기타)은 현황데이터 부족으로 추가적인 중첩구간 산출이 어려워 각 구역별 전체 관 길이에서 도로, 수계 중첩구간 길이를 뺀 값으로 계산하였다. 도로 중첩구간과 수계 중첩구간이 겹쳐있는 구간은 교각 하부를 흐르는 하천 밑에 열수송관이 매설된 경우로, 교각(도로)과 열수송관의 거리가 상당히 떨어져 있으므로 수계 중첩구간으로 판단하였다. 상기 사항을 반영하여 각 구역별 매설환경(도로, 수계, 기타) 길이를 아래와 같이 계산하였다.
- 도로 : 도로 중첩구간 길이 - 도로와 수계 중첩구간 길이
- 수계 : 수계 중첩구간 길이
- 기타 : 전체 관 길이 - 도로 중첩구간 길이 - 수계 중첩구간 길이 + 도로와 수계 중첩구간 길이
도로에 매설된 열수송관 길이 산출 결과가 부정확한 H, M 구역을 제외한 나머지 17개 구역의 열수송관 매설환경 비교 결과, 전체 열수송관 중 63.02%가 도로(주차장 포함)에 매설된 것으로 확인되었다.
하천, 호수 등 수계에 매설된 열수송관은 0.58%로 매우 적으며, 한강변에 위치하거나 구역 내 소하천이 많은 일부 구역(B, F)을 제외하면 대부분 구역이 수계 매설환경에 위치한 열수송관의 비율이 1% 미만이다(Fig. 5 참고).
4.2 매설환경별 파손빈도 분석
열수송관 파손이력(2,806건) 중 도로 정보 부족으로 매설환경 평가대상에 포함되지 않는 H, M 구역을 제외한 17개 구역에 대해 매설환경 속성정보가 포함된 파손이력 2,785건을 분석한 결과를 Table 1과 같이 정리하였다. 하천 및 호수/저수지 하부를 관통하는 수계영역에 위치한 열수송관의 파손빈도가 0.624건/km/year로 평균 파손빈도인 0.051건/km/year 대비 12배 이상 높았다. 도로 매설환경의 파손빈도는 전체 평균값과 거의 일치하였으며, 이는 대부분의 열수송관이 도로 하부에 매설되었기 때문으로 판단된다. 녹지 등으로 구성된 기타 매설환경은 평균대비 81.2% 수준인 0.043건/km/year의 파손빈도를 나타내었다.
Table 1.
Number of damages and damage probability by installation environment for heat transmission pipes
| Burial Environment | Length of Pipe (km) | Damage (#) | Frequency of damage (#/km/year) |
| Road | 2,873.2 | 1,733 | 0.050 |
| Water | 26.3 | 197 | 0.624 |
| Other | 1,659.4 | 855 | 0.043 |
| Total | 4,558.9 | 2,785 | 0.051 |
4.3 평균사용기간 증가에 따른 매설환경별 파손경향 분석
17개 구역은 구역별 운영기간에 따라 20년 또는 30년 이상 사용된 열수송관 비율이 다르다. 수도권에 위치한 2기 신도시 등 평균적인 사용기간이 10년 내외인 구역은 20년 이상 장기간 사용된 열수송관이 거의 존재하지 않아 파손발생 사례가 매우 적어 절대적인 보수이력 데이터수가 매우 적다. 본 연구에서는 분석결과의 신뢰성을 고려하여 각 구역별 파손빈도가 평균값이 0.051건/km/year 보다 높은 4개 구역(A, B, C, D)만을 대상으로 매설환경별 파손경항 분석을 추가적으로 진행하여 Table 2~4와 같이 정리하였다. 4개 구역이 평균적인 열수송관 사용기간은 각각 18.86년, 18.67년, 20.65년, 18.27년으로 모두 18년이 넘는 것으로 확인되었으며, 전체 구역의 평균사용기간인 14.83년보다 4~6년 정도 더 길다.
Table 2.
Analysis of damage frequency by road installation environment in four districts with long average usage periods
| District | Length of Pipe (km) | Damage (#) | Frequency of damage (#/km/year) |
| A | 243.62 | 182 | 0.062 |
| B | 152.43 | 234 | 0.128 |
| C | 246.57 | 522 | 0.176 |
| D | 418.72 | 323 | 0.064 |
| Total | 1,061.33 | 1,261 | 0.099 |
Table 3.
Analysis of damage frequency by water system installation environment in four districts with long average usage periods
| District | Length of Pipe (km) | Damage (#) | Frequency of damage (#/km/year) |
| A | 0.89 | 27 | 2.520 |
| B | 4.91 | 80 | 1.357 |
| C | 3.74 | 54 | 1.203 |
| D | 0.56 | 0 | 0.000 |
| Total | 10.11 | 161 | 1.327 |
Table 4.
Analysis of damage frequency by other installation environments in four districts with long average usage periods
| District | Length of Pipe (km) | Damage (#) | Frequency of damage (#/km/year) |
| A | 174.95 | 83 | 0.040 |
| B | 126.11 | 168 | 0.111 |
| C | 263.14 | 244 | 0.077 |
| D | 261.20 | 218 | 0.070 |
| Total | 825.40 | 713 | 0.072 |
Fig. 6은 각 매설환경별 17개 구역 평균 파손빈도와 4개 구역의 평균 파손빈도를 비교한 것으로, 상대적으로 사용기간이 긴 4개 구역의 평균 파손빈도는 0.094건/km/year로 17개 전체 구역의 평균 파손빈도(0.051건/km/year) 대비 약 94.4% 가까이 높은 것을 확인하였다. 도로 매설환경 열수송관의 4개 구역 파손빈도는 0.099건/km/year로 17개 구역 평균보다 약 99.0% 높게 나타났다. 이는 매설환경과 무관한 파손빈도 증가율보다 높은 값으로, 파손빈도가 높은 구역에서 상대적으로 도로에서 파손이 더 빈번하게 발생하는 것을 나타낸다. 4개 구역의 수계 매설환경 열수송관의 파손빈도는 1.327건/km/year로 17개 구역 대비 약 117.2% 높게 확인되었으며, 도로 매설환경과 마찬가지로 파손빈도가 높은 4개 구역의 수계구간에서 보다 더 빈번하게 파손이 발생하는 경향을 확인할 수 있다. 이를 통해 도로 하중과 부식 등 보다 가혹한 환경인 도로 및 수계 매설환경에 놓인 열수송관은 사용기간이 증가할수록 파손빈도가 더 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 열수송관의 매설환경 데이터 구축과 파손 경향을 분석하기 위해 열수송관 주변의 매설환경을 도로, 수계(하천 및 저수지), 기타(공원 등)로 분류하고, 이들 매설환경이 열수송관의 파손에 미치는 영향을 평가하기 위해 매설환경별 열수송관 길이와 파손 빈도를 분석하였으며, 주요 내용은 아래와 같다.
(1) 열수송관 중 63.02%가 도로 하부에, 0.58%가 수계 하부에 매설되어 있으며, 나머지 36.4%가 기타 구역에 분포하여 대부분 열수송관이 도로에 매설된 것을 확인하였다.
(2) 수계에 위치한 열수송관의 파손 빈도가 평균보다 12배 높았으며, 이는 토양의 높은 함수율과 부식 가능성이 파손에 크게 기여했음을 시사한다.
(3) 평균사용기간이 길어질수록 열수송관의 도로와 수계 구간에서 파손빈도가 증가하는 경향이 확인되었다.
본 연구를 통해 열수송관의 매설환경에 따른 파손경향을 파악하여 안전관리를 강화하고, 효율적인 유지 보수 방안을 마련하는 데 기여할 수 있는 중요한 기초 자료를 제공할 수 있다.
