가뭄대응을 위한 화천댐의 최적 운영곡선 개발
- 주제(키워드) 저수지 운영 , 운영곡선 , 가뭄 , 메타휴리스틱 최적화
- 주제(DDC) 690
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이재응
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031020
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
In South Korea, reservoirs are usually used to plan, develop, and manage water resources since the 1970s. However, increasing water demand and climate change have caused unstable water supply problem from reservoirs. Constructing a new reservoir is the easiest solution for this problem, however, it is difficult to construct new reservoir due to environmental issues. The Korean government is pursuing a sustainable water supply by changing the operation method of the existing reservoirs. The Hwacheon reservoir, used only for hydropower generation since 1944, has been allowed water supply capability in 2020 after severe drought. In Korea, a reservoir rule curve such as the water supply adjustment standard has been applied for multi-purpose reservoirs and water supply reservoirs operated by K-water to cope with drought. The reservoir rule curve is the reservoir storage curve for the purpose of sustainable water supply, power generation, and flood control. However, since the Hwacheon reservoir does not have a rule curve for supplying water efficiently, the water supply shortage damage may occur during severe drought season. In this study, an optimal rule curve for the Hwacheon reservoir was developed for the purpose of stable water supply and reducing water supply shortage damage in the downstream area during severe drought. The historical inflow, synthetic inflow, climate change scenario inflow data for the Hwacheon reservoir were collected and reviewed to develop the optimal rule curve. The historical inflow was calibrated considering the effect of the upstream Imnam reservoir, and the synthetic inflow data is generated using the PARMA(1,1) model based on the calibrated historical inflow. The climate change scenario inflow was calibrated considering the basin area and the upstream reservoir effect. The downstream water demand, water supply capacity, historical release data of the reservoir were collected and reviewed to develop the water supply algorithm for the reservoir. The water supply algorithm for the Hwacheon reservoir was developed using the Standard Operating Policy(SOP) and a hedging rule. The optimal rule curves for the Hwacheon reservoir were developed based on the synthetic inflow using three meta-heuristic algorithms: GA(Genetic Algorithm), GWO(Grey Wolf Optimizer), and I-GWO(Improved Grey Wolf Optimizer). Minimization of the water shortage volume and water shortage period were used as objective functions, and six rule curves were developed. The historical inflow, another synthetic inflow, and climate change scenario inflow were used to evaluate the effects of the rule curves. The developed optimal rule curves showed the highest value at the end of flood season and did not change significantly during dry season, which is suitable for climate condition and reservoir operation characteristics in South Korea. By applying rule curves developed in this study, the volumetric reliability decreased, the time reliability increased, and the water shortage period decreased compared to the reservoir operation without the rule curves. The rule curve, based on the I-GWO algorithm and the objective fucntion of minimizing the water shortage, showed the best result in terms of the time reliability and the volumetric reliability. The period supplying less than water demand was the least using this rule curve. As a result, if the optimal rule curve developed in this study is used for operating the Hwacheon reservoir, the drought damage in the downstream area will be reduced by increasing the water supply period. In this study, the water supply algorithm was developed based on currently available data for developing the optimal rule curve, however, the water demand and water supply capability from the reservoir can be changed. If the rule curve is improved using these factors, the operation of the Hwacheon reservoir can be significantly improved.
more초록/요약
우리나라는 여름철 강우가 집중되어 있다는 기후적 특성으로 인해 과거부터 저수지를 활용해 수자원을 관리하고 있으나 최근 용수수요의 증가, 기후변화 등의 문제로 저수지의 안정적인 용수공급에 문제가 생기고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 저수지와 같은 수자원 공급시설을 건설하는 것이 가장 효과적이지만 우리나라에서는 저수지 건설로 인해 발생하는 환경문제로 인해 새로운 시설물 없이, 기존 댐의 운영 방법 변화를 통해 용수공급의 안정성을 확보하려는 정책들이 진행되고 있다. 이러한 정책의 하나로 완공 이후 발전을 위해서만 이용되던 화천댐의 다목적화를 통해 2020년 5월부터 용수공급을 수행하고 있다. 우리나라에서 일반적으로 용수공급을 수행하는 다목적댐, 용수전용댐에는 가뭄 대응을 위해 용수공급 조정기준과 같은 저수지의 운영 곡선이 적용되고 있다. 저수지 운영 곡선이란 저수지의 안정적인 용수공급, 발전, 홍수조절 등을 목적으로 만들어진 저수량의 변화 곡선을 의미한다. 하지만 화천댐에는 용수공급을 수행하는 다른 댐과 같이 운영 곡선이 존재하지 않아 심각한 가뭄이 발생하면 저수량 비축을 통한 용수공급 안정성 확보 방안이 없는 상황이다. 본 연구에서는 가뭄 시 화천댐의 안정적인 용수공급 및 하류 지역의 가뭄 피해 저감이라는 목적으로 화천댐의 최적 운영 곡선을 개발하고자 하였다. 화천댐의 최적 운영 곡선 개발을 위해 본 연구에서는 우선 화천댐의 실측유입량, 합성유입량, 기후변화 시나리오 등의 유입량 자료를 수집, 검토하였다. 이 과정에서 화천댐의 실측유입량은 상류에 위치한 임남댐의 영향을 고려한 보정, 합성유입량 자료는 보정된 실측유입량을 기반으로 PARMA(1,1) 모형 기반의 자료 발생, 상류 댐과 유역면적을 고려한 기후변화 시나리오 보정 등의 작업을 수행하였다. 용수공급 결정 알고리즘을 개발하기 위해서는 화천댐 하류의 용수수요량, 화천댐 용수공급능력, 실측방류량 자료 등을 수집, 검토하였다. 이러한 자료를 활용하여 저수지 표준 운영 규칙(Standard Operating Policy, SOP)과 용수공급 감량 방법(hedging rule)을 기반으로 화천댐의 용수공급 알고리즘을 개발하고, 합성유입량 자료를 적용하여 메타휴리스틱 알고리즘을 활용한 최적 운영 곡선을 개발하였다. 본 연구에서 활용한 메타휴리스틱 알고리즘은 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm, GA), 회색늑대 최적화 알고리즘(Grey Wolf Opimizer, GWO), 개선된 회색늑대 최적화 알고리즘(Imropved Grey Wolf Optimizer, I-GWO) 알고리즘 등 세 종류의 최적화 알고리즘을 활용하였으며, 부족량 최소화, 부족일수 최소화 등의 목적함수를 적용하여 총 6개의 최적 운영 곡선을 개발하였다. 또한 화천댐의 실측유입량, 합성유입량, 기후변화 시나리오 유입량 등을 활용하여 개발된 운영 곡선들의 적용 효과를 평가하였다. 각 알고리즘 적용 결과, 우리나라의 기후와 저수지 운영 특성에 맞게 홍수기 말에 가장 높은 값을 보이고 갈수기에는 큰 변동이 없는 형태의 최적 운영 곡선이 개발된 것을 확인하였다. 최적 운영 곡선의 평가 결과 본 연구에서 개발된 어떤 운영 곡선을 적용하더라도 전체 기간의 양적신뢰도는 감소하고, 기간신뢰도는 증가하였으며, 용수공급 부족기간은 감소하는 효과를 거둘 수 있는 것으로 분석되었다. 각 운영 곡선의 평가 결과를 비교하면 I-GWO 알고리즘에 부족일수 최소화 목적함수를 적용한 운영 곡선이 양적신뢰도 감소 대비 기간신뢰도 증가 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한 이 운영 곡선을 적용하면 용수수요량 미만의 공급량을 방류하는 기간, 특히 하류의 용수수요량 20.1 m3/s 미만으로 공급하는 기간의 감소 측면에서도 가장 우수하다는 결론을 내릴 수 있었다. 본 연구의 결과 화천댐의 용수공급에 운영 곡선을 적용한다면 용수공급량을 증가시킬 수는 없으나 저수지의 용수공급 기간을 증가시켜, 하류의 가뭄 피해를 저감 시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 운영 곡선 개발을 위해 현재 가용할 수 있는 자료를 바탕으로 용수공급 알고리즘을 구성하였으나 저수지의 용수수요 및 공급능력은 지속적으로 변할 수 있는 요소이며, 변화 요소들을 적용하여 운영 곡선을 지속적으로 개선한다면 화천댐의 용수공급 안정성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 범위 5
제 2 장 연구 동향 8
2.1 저수지 운영 곡선 관련 연구 동향 8
2.2 최적화 기법 연구 동향 12
2.2.1 수학적 최적화 기법 관련 12
2.2.2 진화 알고리즘 관련 13
2.2.3 군집지능 알고리즘 관련 15
제 3 장 기본 이론 17
3.1 용수공급을 위한 저수지 운영 방법 17
3.1.1 저수지 표준 운영 규칙 17
3.1.2 용수공급 감량 방안 19
3.2 메타휴리스틱 최적화 25
3.2.1 유전자 알고리즘 26
3.2.2 회색늑대 최적화 29
제 4 장 대상 유역 및 입력자료 구축 38
4.1 대상 유역 및 댐 38
4.1.1 화천댐 유역 38
4.1.2 화천댐 40
4.2 유입량 자료 구축 43
4.2.1 화천댐 실측유입량 자료 검토 43
4.2.2 통계학적 모형을 활용한 화천댐 합성유입량 자료 구축 46
4.2.3 기후변호 시나리오 자료 검토 53
4.2.4 화천댐 운영 곡선 개발 유입량 및 평가 유입량 선정 61
제 5 장 화천댐 최적 운영 곡선 개발 63
5.1 가뭄 대응을 위한 화천댐 공급량 결정 알고리즘 개발 63
5.1.1 화천댐 용수수요량, 용수공급능력 및 실측방류량 검토 63
5.1.2 화천댐 공급량 결정 알고리즘 개발 69
5.2 화천댐 최적 운영 곡선 개발 및 평가기준 74
5.2.1 화천댐 최적 운영 곡선 개발 알고리즘 74
5.2.2 화천댐 최적 운영 곡선 평가 방법 81
5.3 화천댐 최적 운영 곡선 개발 결과 84
5.3.1 유전자 알고리즘을 활용한 최적 운영 곡선 개발 84
5.3.2 GWO 알고리즘을 활용한 최적 운영 곡선 개발 90
5.3.3 I-GWO 알고리즘을 활용한 최적 운영 곡선 개발 93
제 6 장 화천댐 최적 운영 곡선의 적용성 평가 97
6.1 실측유입량을 활용한 평가 97
6.1.1 일정량 공급방식 적용 97
6.1.2 유전자 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 99
6.1.3 GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 103
6.1.4 I-GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 107
6.2 합성유입량을 활용한 평가 111
6.2.1 일정량 공급방식 적용 111
6.2.2 유전자 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 113
6.2.3 GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 118
6.2.4 I-GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 123
6.3 기후변화 시나리오를 활용한 평가 128
6.3.1 일정량 공급방식 적용 128
6.3.2 유전자 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 131
6.3.3 GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 135
6.3.4 I-GWO 알고리즘 최적 운영 곡선 평가 139
6.4 종합 평가 143
제 7 장 결 론 148
참 고 문 헌 152
