기상예보와 퍼지기법을 이용한 홍수 예측 및 저수지 운영모형 개발
Flood Estimation and Reservoir Operation Model Using Weather Forecasting and Fuzzy Technique
초록/요약
우리나라는 유역면적이 작고 유로 연장이 짧을 뿐 아니라 국토의 70% 이상이 산지로 구성되어 급경사가 많은 지형적 특성으로 유역의 도달시간이 짧아 홍수의 위험에 노출되어 있으며, 유역 출구로의 배수시간이 짧아 수자원의 효율적인 활용이 어렵다. 특히 장마와 태풍의 영향으로 강우량의 60% 이상이 여름철에 편중되어 발생하는 강우 집중현상은 수해의 위험을 가중시키고, 최근 지구 온난화와 기후변화의 영향으로 치수의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 본 연구에서는 홍수 대응 능력 증대를 위해 실시간 기상예보자료를 사용한 홍수 예측 모형과 저수지 운영모형을 개발하였다. 개발한 홍수 예측 모형에서는 실시간 기상예보자료를 사용하여 홍수 예측 선행시간을 확대하고, 홍수 예측의 정확도를 향상시키고자 하였으며, 저수지 운영 모형에서는 실시간 홍수 예보자료를 사용하여 안전성 높은 저수지 운영 방안을 제공하고자 하였다. 본 연구에서는 실시간 기상예보자료로 초단기 강우 예측 능력이 우수한 MAPLE 자료를 사용하였으며, 기상예보자료의 사용 유무에 따른 홍수 예측 결과를 분석하였다. 홍수 예측 모형으로 뉴로-퍼지기법을 적용한 자료지향형 모형인 ANFIS 모형을 사용하여 일반적인 홍수량 산정과정에서 사용되는 방대한 물리적 자료의 사용을 배제하였다. ANFIS 모형은 조건부‧결과부 자료의 입력만으로 모형의 구축이 가능하며, 과거 관측 자료만을 사용하여 홍수 예측 모형의 구축과 갱신이 가능하다. 본 연구에서는 수리‧수문학적 이론이 배제되고, 계산과정의 확인과 수정이 불가능한 모형의 한계를 극복하기 위해 모형의 구성 방법과 입력 자료 구성에 따른 결과를 분석하고, 정확도 높은 모형의 구축방안을 제시하였다. 개발된 저수지 운영모형은 저수지 운영자의 실시간 의사결정에 도움을 주기 위한 모형으로 댐 상‧하류의 실시간 홍수 예측자료와 저수지 상‧하류 유황정보를 입력하면 12시간의 저수지 방류량 제안 값을 제공하는 형태로 구성되었다. 저수지 운영모형의 개발과정에서는 먼저, 동적계획법을 사용하여 홍수발생 시나리오에 따른 저수지 최적운영을 수행한 후, 방류량 결정에 영향을 미치는 인자들의 불확실성을 처리하기 위해 퍼지추론기법을 사용하여 최적운영 결과를 정리하였다. 그리고 MATLAB을 기반으로 퍼지추론기법을 통해 정리된 저수지 운영규칙에 시간적인 연속성을 부여하고 물리적인 제약조건을 적용한 저수지 운영모형을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 모형을 남한강 유역에 적용하여 그 적용성을 평가하였다. 홍수 예측 모형을 사용하여 충주댐 유입량과 달천, 섬강 및 청미천 홍수 예측을 수행하고, MAPLE 예측강우자료의 사용 유무에 따른 홍수 예측 결과를 실측 홍수 자료와 비교하고 평가하였다. 저수지 운영모형은 과거 충주댐에 발생한 홍수사상에 적용하고 운영 결과를 홍수조절효과 정량화 지표를 통해 평가하였다. 기상예보와 뉴로-퍼지기법을 이용한 홍수 예측 모형의 적용 결과, 기상예보자료를 사용하지 않은 모형에 비해 홍수 예측 선행시간을 3～6시간 확대할 수 있었으며, 기상예보자료를 사용하지 않은 모형에 비해 홍수 예측의 정확도가 향상되었다. 실시간 홍수 예보 자료와 퍼지기법을 이용한 저수지 운영모형을 통해 과거 홍수사상에 적용해본 결과, 약 200년～500년 빈도의 홍수 발생시, 저수지의 안전성 확보를 위한 저수지 운영이 가능했다.
more목차
감사의 글 i
국문 요약 iii
그림차례 vii
표차례 x
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 2
1.3 연구 내용 및 범위 4
제 2 장 연구 동향 11
2.1 기상 예보의 현황 및 수자원분야 활용 11
2.2 강우-유출 모형을 사용한 홍수 예측 16
2.3 저수지 운영모형 21
2.4 퍼지기법 및 뉴로-퍼지기법의 수자원분야 적용 23
제 3 장 기 본 이 론 27
3.1 퍼지 이론 27
3.1.1 퍼지 집합 29
3.1.2 소속 함수 31
3.1.3 퍼지 연산 32
3.1.4 퍼지 추론 33
3.2 신경망 이론 38
3.2.1 신경망 39
3.2.2 인공 신경망 41
3.3 퍼지 신경회로망 45
3.3.1 퍼지 뉴런과 퍼지 신경망 45
3.3.2 ANFIS (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System) 47
3.4 동적계획법 57
제 4 장 홍수 예측 모형 및 저수지 운영모형 개발 61
4.1 기상예보를 이용한 홍수 예측 모형 개발 61
4.1.1 MAPLE 강우예측자료 추출 63
4.1.2 강우자료 및 수위자료 변환 74
4.1.3 뉴로-퍼지기법을 이용한 홍수 예측 76
4.2 실시간 홍수예측 자료를 이용한 저수지 운영모형 개발 84
4.2.1 동적계획법을 이용한 저수지 최적 운영 86
4.2.2 퍼지기법의 적용 91
4.2.3 저수지 운영모형 개발 103
제 5 장 시험유역 적용 105
5.1 유역 개황 106
5.2 홍수 예측 모형의 입력자료 추출 110
5.3 기상예보자료를 이용한 홍수 예측 모형의 적용 및 결과 119
5.3.1 정확도 높은 ANFIS 모형 구축방안 분석 119
5.3.2 기상예보 사용 유무에 따른 홍수 예측 결과 분석 133
5.4 동적계획법을 이용한 저수지 최적운영 및 결과 151
5.4.1 저수지 최적운영 자료 구성 151
5.4.2 동적계획법을 이용한 저수지 최적운영 157
5.4.3 최적운영 결과 161
5.5 저수지 운영모형 적용 165
5.5.1 저수지 최적운영 규칙 추출 및 퍼지기법의 적용 165
5.5.2 저수지 운영모형 개발 및 과거 홍수사상 적용 177
제 6 장 결 론 189
참 고 문 헌 193
Abstract 203
