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자료지향형 모형을 이용한 홍수기 한강수계 발전용댐 연계운영 시스템 개발

Development of Hydropower Reservoir Operation System for Flood Season in Han River using Data-driven Model

초록/요약

홍수는 가뭄과 달리 한 번의 발생으로도 큰 인명과 재산 피해를 가져올 수 있고 복구에도 많은 인력과 시간이 필요하다. 이러한 이유로 지금까지 정부를 비롯한 많은 연구자들은 우리나라의 유역특성을 고려하여 많은 수공 구조물을 건설하고 이를 효율적으로 활용하기 위한 많은 연구를 수행하였다. 그러나 대부분의 방법들은 거시적인 관점에서 수자원을 관리하고 운용하는데 집중하였기 때문에 집중호우가 발생하였을 때 실질적으로 대처하기에는 한계가 있었다. 특히 북한강 상류에 건설된 발전용댐들은 화천댐을 제외하고 홍수조절 능력이 없기 때문에 홍수기에도 유입되는 유량을 그대로 방류하는 형식으로 운영되고 있다. 발전용댐의 실질적인 운영을 위해서는 짧은 시간단위로 홍수를 예보하고 그에 따른 운영 가이드라인을 제시할 수 있는 모형의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 자료지향형 모형 중 하나인 ANFIS를 이용하여 10분 단위로 유입량을 예측하고 예측된 유입량 자료를 실제 운영에 가깝게 모의할 수 있는 시스템을 개발하였다. 유입량 예측 모형은 MATLAB의 fuzzy logic tool box에서 제공하는 ANFIS 함수를 사용하였으며 함수 수행에 필요한 초기 퍼지추론규칙 생성을 위해 genfis2 함수의 subtractive clustering 방법을 사용하였다. 예측 정확도에 가장 큰 영향을 줄 것이라고 판단되는 Clustering radius 변화에 따른 결과를 비교해보았다. 과거 화천댐 유역에서 발생한 관측 홍수사상과 예측 유입량 자료를 비교해본 결과 radius 0.5에서 가장 우수한 결과를 보였다. 자료 사이의 상관관계를 고려하여 입력 자료의 구성을 검토하였으며 입력 자료의 개수와 조합에 따른 예측 정확도를 비교하여 각 댐별 최적 구성 및 조합을 도출하였다. 홍수량 조절을 위한 댐 운영 모형을 구성하기 위하여 몇 가지 규칙과 제약조건을 설정하고 이를 MATLAB을 이용하여 구현하였다. 또한 예측 유입량 사용에 앞서 실측 유입량 자료를 이용하여 구현한 모형을 검증하였다. 실측 유입량을 이용한 댐 운영 결과 실적 방류량과 비교하여 총 방류량은 0.2% ∼ 8.9% 의 근소한 차이를 보였으며 모든 지점에서 첨두 홍수량은 적게 나타나는 결과를 보였다. 또한 ANFIS를 이용한 예측 유입량을 댐 운영 모형의 입력 자료로 사용하여 방류량을 산출하고 산출된 방류량을 하류댐의 유입량 산출 기초 자료로 활용하여 직렬로 연결되어 있는 발전용댐의 상황을 실제에 가깝게 구현하였다. 예측 유입량을 이용한 댐 운영 결과 실적 방류량과 비교하여 0.2% ∼ 9.8% 의 차이를 보였으며 첨두 홍수량은 팔당댐을 제외하고 모두 실적 방류량 자료보다 낮게 나타났다. 본 연구에서 개발한 유입량 예측 모형과 댐 운영 시스템은 가까운 미래에 발생할 홍수를 예측하고 이에 대응하는 가이드라인을 제시함으로써 홍수로 인한 피해를 줄이는데 도움을 줄 수 있을 것이라 판단된다.

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목차

국문 요약 ⅰ
표 목 차 ⅴ
그림목차 ⅶ

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 3

제 2 장 연구 동향 5
2.1 뉴로-퍼지기법 수자원 분야 활용 5
2.1.1 강우량 예측 5
2.1.2 저수지 운영방안 도출 6
2.2 홍수량 산정 모형 7
2.2.1 강우-유출 모형 7
2.2.2 자료지향형 모형 8
2.3 저수지운영 기법 관련 12

제 3 장 기본 이론 14
3.1 ANFIS (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System) 14
3.1.1 모형의 학습, 보정 및 검증 15
3.1.2 Initial FIS(초기 추론 규칙) 16
3.2 발전용댐 운영기법 17
3.2.1 SRC ROM 18
3.2.2 Technical ROM 19

제 4 장 모형 구축 20
4.1 유역 개황 및 대상 댐 선정 20
4.1.1 화천댐 21
4.1.2 춘천댐 23
4.1.3 의암댐 24
4.1.4 청평댐 26
4.1.5 팔당댐 27
4.2 예측 유입량 산정 모형 29
4.2.1 Clustering Radius 결정 32
4.2.2 입력자료의 구성 및 조합 33
4.3 발전용댐 운영 시스템 개발 43
4.3.1 운영 규칙 43
4.3.2 모형의 구성 47

제 5 장 적용 결과 및 분석 49
5.1 홍수사상 선정 49
5.1.1 화천댐 홍수사상 선정 49
5.1.2 춘천댐 홍수사상 선정 52
5.1.3 의암댐 홍수사상 선정 55
5.1.4 청평댐 홍수사상 선정 57
5.1.5 팔당댐 홍수사상 선정 59
5.2 예측 유입량 산정 결과 61
5.2.1 Clustering radius 변화에 따른 결과 61
5.2.2 입력자료의 구성 및 조합에 따른 결과 64
5.3 발전용댐 운영 시스템 적용 결과 78
5.3.1 단일 댐 운영 프로세스 적용 결과 79
5.3.2 예측 유입량을 이용한 유역단위 운영 결과 83
5.3.3 댐 운영 시스템 적용 결과 정리 86

제 6 장 결 론 90

참 고 문 헌 93

Abstract 96

부 록 98

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