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문제 정의
- 본 연구에서는 세트 컨트롤 알고리즘을 이용하여 홍수기의 불확실한 유입량 특성을 고려한 효율적인 홍수조절 공간을 마련하고 나아가 갈수기를 대비하여 충분한 저류량을 확보할 수 있는 간결하면서 효율적이고 체계적인 홍수기 저수지 운영방안에 대한 연구를 수행하였다
가설 설정
- 빈도 분석에서는 일 유입량의 초과확률이 2%, 5%, 10%인 경우의유입량게 대한 제한수위를 설정하였고, 모집단의 분포는 대수정규분포로 가정하였다. 위와 같이 각각 설정된 가변 제한 수위를 평가하기 위하여 1996~2000년 동안의 홍수기 실측 유입량을 이용하여 모의운영을 실시하였다
제안 방법
- SCAW 비교대상으로는 현행 제한수위를 이용한 방법 가변제한수위를 단계적으로 상승시키는 방법, 기존의 빈도분석을 이용하여 3가지의 초과확률의 제한 수위를 이용하는 방법 등의 5가지 방법을 사용하였고(그림 3), 과거 실제운영 결과와도 비교하였다. 빈도 분석에서는 일 유입량의 초과확률이 2%, 5%, 10%인 경우의유입량게 대한 제한수위를 설정하였고, 모집단의 분포는 대수정규분포로 가정하였다.
- 그러나, 관측 유입량 자료는 총 16년의 자료만 존재하므로 자료의 수가 불충분하다고 판단되어 이를 보충하기 위하여 강* F줄 모형으로 재현한 자료를 주가로 이용하였다. 충주댐의 유입량 자료는 총 16년 동안만 존재하지만 충주댐 유역의 강우량 자료는 1966 -2000년의 총 35년 간 관측자료가 존재한다.
- 모의운영 결과에 대한 평가는 홍수기말의 최종수위, 모의운영 중의 최고수위와 최대방류량, 여수로 방류의 신뢰도(Reliability) 와 회복도(Resiliency), 취약도 (Vulnerability) 등을 이용하였다. 여수로방류에 대한신뢰도는 여수로방류가 발생하지 않는 비율을 나타내고, 여수로방류의 회복도는 여수로방류가 얼마나 빨리 중단되는가를 평균적으로 나타내는 지표이며, 여수로 방류의 취약도는 여수로방류의 평균적인 크기이다.
- 본 연구에 적용된 SCA는 유입량 세트 설정 방법에 따라 SCA(과거), SCA(합성), SCA (ESP) 등의 총 3 가지로 구분하였다 우선, 충주댐의 과거 유입량 자료만을 이용하여 유입량 세트를 설정하였다. 충주댐의 경우 과거 유입량 자료는 1985년~2000년의 총 16년 간 존재한다.
- 본 연구에서는 미국 기상청인 NWS(National Weather Service) 에서 개발한 앙상블 예측기법 (Ensemble Streamflow Prediction, 이하 ESP)을 사용하였는데 이는 강우-유출모형에 미래에 일어날 가능성이 있는 모든 강우 시나리오를 입력하여 그 결과물로 다수의 유출시나리오를 얻는 기법이다(김영오 등, 2001). 본 연구에서는 1966~1995년 동안의 총 30년 간 강우 시나리오를 매월 초 탱크(Tank) 모형에 입력하여 유입량 시나리오를 생성하였고, 이로부터 계산된 감소상태 세트도 매월 갱신(Update)하였다. 이렇게 ESP 기법으로 생성된 총 30년 시나리오 중에서 SCA(과거)나 SCA (합성)과 같은 이유로 4순위 최대값과 평균값을 이용하여 유입량 세트를 설정하는 방법을 “SCA(ESP)”라고 하였다.
- 본 연구에서는 SCA를 충주댐의 홍수기 운영방안에 적용하였다. 충주댐에 대한 상태방정식은
- 빈도 분석에서는 일 유입량의 초과확률이 2%, 5%, 10%인 경우의유입량게 대한 제한수위를 설정하였고, 모집단의 분포는 대수정규분포로 가정하였다. 위와 같이 각각 설정된 가변 제한 수위를 평가하기 위하여 1996~2000년 동안의 홍수기 실측 유입량을 이용하여 모의운영을 실시하였다
- 이를 과거 유입량 자료가. 존재하는 기간과 합하여 1966년~1985년의 총 30년의 합성자료를 구성하였으며 이중에서 5순위 최대값과 평균값을 이용하여 유입량 세트를 설정한 경우를 “SCA(합성)”이라고 하였다 SCA(합성)의 경우도 SCA(과거)와 마찬가지로 주어진 자료에서 충주댐이 홍수조절 가능한 최대 값을 설정하기 위하여 5순위 최대값을 SCA(합성)의 유입량 세트의 상한값으로 이용하였고, 홍수기 동안의 일반적인 유입량 성향을 반영하기 위하여 평균값을 SCA(합성의 하한값으로 이용하였다.
- 실시간 운영에서 SCA를 적용하는 경우에는 현 저수량이 조절범위 내에서 유지되도록 방류량의 범위를 변화시키게 된다. 총 5년(1996년~2000년) 간의 실측 유입량을 이용한 모의운영 결과를 서로 비교하였고 과거 실제 운영 결과와도 비교하였다. 그 결과, 홍수를 조절하는 능력과 홍수기말 저수위를 상시만수위로 복귀시키는 용수량 확보능력이라는 두 가지 측면에서 모두 SCA 에 의한 저수지 운영방안이 가변제한수위를 이용한 운영방안보다 우수하였음을 알 수 있었고, 3가지 SCA 중에서는 앙상블 예측기법을 이용한 SCA가 용수량 확보와 홍수조절에 대한 종합적인 능력 면에서 가장 우수한 저수지 운영방안이었다.
대상 데이터
- 충주댐의 유입량 자료는 총 16년 동안만 존재하지만 충주댐 유역의 강우량 자료는 1966 -2000년의 총 35년 간 관측자료가 존재한다. 유입량 자료가 존재하지 않는 1966~1984년의 총 19년 간의 자료는 강우량 자료를 강우-유출 모형에 입력하여 유입량을 재현하였다.
데이터처리
- 4순위 최대값을 유입량 세트의 상한값으로 설정하였다. 유입량 세트의 하한값은 홍수기 동안의 일반적인 유입량 성향을 반영하기 위하여 평균값을 이용하여 설정하였다
이론/모형
- 유입량 자료가 존재하지 않는 1966~1984년의 총 19년 간의 자료는 강우량 자료를 강우-유출 모형에 입력하여 유입량을 재현하였다. 이용된 강우-유출 모형과 매개변수는 강경석 등(2001)이 이용한 4단 탱크모형과 매개변수를 그대로 이용하였다. 이를 과거 유입량 자료가.
성능/효과
- 위하여 표 1(f)와 같이 평균값을 비교한 결과홍수 기말 최종수위는 SCA(합성)과 SCA(ESP)의 결과가 가장 우수하였고 모의운영 중 최고수위는 8가지 모의운영 결과가 서로 비슷하게 나타났지만 SCA(합성) 과 가변제한(단계)의 결과는 좋지 않았으며, 모의운영 중 최대방류량의 경우에는 SCA(과거)와 SCA(ESP) 의 결과가 가장 우수하였다. 또한 여수로방류 평가지표에서는 SCA(ESP)의 결과가 신뢰도와 취약도 면에서 가장 우수하였고, 회복도 면에서는 가장 좋지 않은 결과를 보여주었는데, 이것은 여수로방류의 크기와 방류 횟수가 적기는 하지만 일단 시작된 여수로방류는 신속하게 중단되지는 않는다는 것을 의미한다.
- 이렇게 5개년 동안의 각각의 모의운영 결과와 평균적인 결과를 모두 살펴본 결과, 홍수를 조절하는 능력과 홍수기말 저수위를 상시만수위로 복귀시키는 용수량 확보능력이라는 두 가지 측면 모두 SCA에 의한 저수지 운영방안이 가변 제한 수위를 이용한 운영방안보다 우수하였음을 알 수 있었다. 3가지 SCA를 각각 살펴보면, SCA(과거) 는 홍수조절능력이 뛰어난 편이기는 하지만 용수량 확보 능력은 그리 뛰어나지 못하였고, SCA(합성)은 용수량 확보 능력은 가장 뛰어났지만 홍수조절능력은 부족한 편이었다. 그러므로 용수량 확보와 홍수조절에 대한 종합적인 능력이 모두 우수한 저수지 운영방안은 SCA(ESP) 라고 판단할 수 있었다.
- 만일 저수위가 제한수위보다 높은 경우에는 댐설계 타당성 조사에서 많이 사용되는 Rigid ROM을 이용하여 홍수조절을 하였다. Rigid ROMe 일정률-일정량 방류방식으로 홍수수문곡선이 첨두시간에 도달W기 전까지는 일정률로 방류하다가 첨두시간 이후부터는 첨두시간의 방류량으로 일정하게 방류하는 방식으로 홍수수문곡선에 대한 정확한 예측을 필요로하지 않기 때문에 모의운영에 쉽게 적용할 수 있었다 본 연구에서의 일정률은 과거의 방류 기록자료로부터 계산된 70 %를 이용하였다
- 총 5년(1996년~2000년) 간의 실측 유입량을 이용한 모의운영 결과를 서로 비교하였고 과거 실제 운영 결과와도 비교하였다. 그 결과, 홍수를 조절하는 능력과 홍수기말 저수위를 상시만수위로 복귀시키는 용수량 확보능력이라는 두 가지 측면에서 모두 SCA 에 의한 저수지 운영방안이 가변제한수위를 이용한 운영방안보다 우수하였음을 알 수 있었고, 3가지 SCA 중에서는 앙상블 예측기법을 이용한 SCA가 용수량 확보와 홍수조절에 대한 종합적인 능력 면에서 가장 우수한 저수지 운영방안이었다.
- 3가지 SCA를 각각 살펴보면, SCA(과거) 는 홍수조절능력이 뛰어난 편이기는 하지만 용수량 확보 능력은 그리 뛰어나지 못하였고, SCA(합성)은 용수량 확보 능력은 가장 뛰어났지만 홍수조절능력은 부족한 편이었다. 그러므로 용수량 확보와 홍수조절에 대한 종합적인 능력이 모두 우수한 저수지 운영방안은 SCA(ESP) 라고 판단할 수 있었다. 다만, SCA(ESP) 의 결과도 과거운영 결과보다 홍수기말 최종수위를 상승시키는 점에서는 우수하였지만 모의운영 중 최대방류량과 여수로방류 평가지표에서는 좋지 않은 결과를 보여줘 홍수조절능력 면에서는 SCA(ESP)가 과거 운영 결과보다 부족함을 나타내고 있다.
- 그러므로 용수량 확보와 홍수조절에 대한 종합적인 능력이 모두 우수한 저수지 운영방안은 SCA(ESP) 라고 판단할 수 있었다. 다만, SCA(ESP) 의 결과도 과거운영 결과보다 홍수기말 최종수위를 상승시키는 점에서는 우수하였지만 모의운영 중 최대방류량과 여수로방류 평가지표에서는 좋지 않은 결과를 보여줘 홍수조절능력 면에서는 SCA(ESP)가 과거 운영 결과보다 부족함을 나타내고 있다. 그러나 본 연구의 모의운영에서는 고정된 운영률인 Rigid ROM으로만 저수지를 운영한 반면, 실제 과거운영에서는 홍수예측을 포함한 다양한 기법으로 운영하였던 점을 고려한다면 홍수조절능력 면에서의 차이는 다소 과장되어졌으리라 예상된다.
- 5개년의 모의운영 결과를 종합적으로 비교하기 위하여 표 1(f)와 같이 평균값을 비교한 결과홍수 기말 최종수위는 SCA(합성)과 SCA(ESP)의 결과가 가장 우수하였고 모의운영 중 최고수위는 8가지 모의운영 결과가 서로 비슷하게 나타났지만 SCA(합성) 과 가변제한(단계)의 결과는 좋지 않았으며, 모의운영 중 최대방류량의 경우에는 SCA(과거)와 SCA(ESP) 의 결과가 가장 우수하였다. 또한 여수로방류 평가지표에서는 SCA(ESP)의 결과가 신뢰도와 취약도 면에서 가장 우수하였고, 회복도 면에서는 가장 좋지 않은 결과를 보여주었는데, 이것은 여수로방류의 크기와 방류 횟수가 적기는 하지만 일단 시작된 여수로방류는 신속하게 중단되지는 않는다는 것을 의미한다. 이렇게 5개년 동안의 각각의 모의운영 결과와 평균적인 결과를 모두 살펴본 결과, 홍수를 조절하는 능력과 홍수기말 저수위를 상시만수위로 복귀시키는 용수량 확보능력이라는 두 가지 측면 모두 SCA에 의한 저수지 운영방안이 가변 제한 수위를 이용한 운영방안보다 우수하였음을 알 수 있었다.
- 또한 여수로방류 평가지표에서는 SCA(ESP)의 결과가 신뢰도와 취약도 면에서 가장 우수하였고, 회복도 면에서는 가장 좋지 않은 결과를 보여주었는데, 이것은 여수로방류의 크기와 방류 횟수가 적기는 하지만 일단 시작된 여수로방류는 신속하게 중단되지는 않는다는 것을 의미한다. 이렇게 5개년 동안의 각각의 모의운영 결과와 평균적인 결과를 모두 살펴본 결과, 홍수를 조절하는 능력과 홍수기말 저수위를 상시만수위로 복귀시키는 용수량 확보능력이라는 두 가지 측면 모두 SCA에 의한 저수지 운영방안이 가변 제한 수위를 이용한 운영방안보다 우수하였음을 알 수 있었다. 3가지 SCA를 각각 살펴보면, SCA(과거) 는 홍수조절능력이 뛰어난 편이기는 하지만 용수량 확보 능력은 그리 뛰어나지 못하였고, SCA(합성)은 용수량 확보 능력은 가장 뛰어났지만 홍수조절능력은 부족한 편이었다.
- 여수로방류에 대한신뢰도는 여수로방류가 발생하지 않는 비율을 나타내고, 여수로방류의 회복도는 여수로방류가 얼마나 빨리 중단되는가를 평균적으로 나타내는 지표이며, 여수로 방류의 취약도는 여수로방류의 평균적인 크기이다. 홍수 기말의 최종수위와 여수로방류의 신뢰도 회복도는 二L 값이 클수록 우수한 결과를 나타내는 것이고, 모의운영 중의 최고수위와 최대방류량 여수로방류의 취약도는 ri 값이 작을수록 더 우수한 운영방안임을 의미한다.
후속연구
- 다만, SCA(ESP) 의 결과도 과거운영 결과보다 홍수기말 최종수위를 상승시키는 점에서는 우수하였지만 모의운영 중 최대방류량과 여수로방류 평가지표에서는 좋지 않은 결과를 보여줘 홍수조절능력 면에서는 SCA(ESP)가 과거 운영 결과보다 부족함을 나타내고 있다. 그러나 본 연구의 모의운영에서는 고정된 운영률인 Rigid ROM으로만 저수지를 운영한 반면, 실제 과거운영에서는 홍수예측을 포함한 다양한 기법으로 운영하였던 점을 고려한다면 홍수조절능력 면에서의 차이는 다소 과장되어졌으리라 예상된다. 따라서, 앙상블 예측기법을 이용하여 매년 감소상태 세트를 갱신한 SCA(ESP) 가 다른 대안들 중에서는 가장 우수한 홍수기 저수지 운영방안이라 할 수 있다 그림 4는 표 1의 결과를 요약하여 보여주고 있다.
- 더불어 본 연구에서는 허용방류량 세트를 기본계획방류량과 최대발전방류량으로 설정하였지만 하류의 상황을 고려한 현실적인 방류량 세트에 대한 연구가 필요하며, 마지막으로 SCA를 충주댐 이외의 댐 혹은 댐 군에 적용시켜 SCA의 일반적인 효용성을 검증하는 연구도 진행되어야 할 것이다.
- 향후 연구과제로는 우선 3가지 SCA의 유입량 세트가 서로 다른 순위값으로 구성되어 있는 점을 보완하기 위해 일반적인 유입량 세트 결정방법에 대한 연구가 필요하겠다. 더불어 본 연구에서는 허용방류량 세트를 기본계획방류량과 최대발전방류량으로 설정하였지만 하류의 상황을 고려한 현실적인 방류량 세트에 대한 연구가 필요하며, 마지막으로 SCA를 충주댐 이외의 댐 혹은 댐 군에 적용시켜 SCA의 일반적인 효용성을 검증하는 연구도 진행되어야 할 것이다.
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