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문제 정의
- 50 m로 상향조정할 경우 농업용수 공급 및 섬진강 광역상수도의 생·공용수를 공급하고 추가적인 용수를 하류로 공급할 수 있어 섬진강댐의 운영수위 상승의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 댐 하류로 추가적인 용수를 공급할 경우 기존 공급량에 영향을 미치지 않는 운영방법에 대하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 섬진강댐을 단독으로 최적 운영할 경우 실측유입량 자료가 있는 1982년~2001년에 대하여 댐의 공급능력을 평가하였다. 이를 위하여 동진강 수계로 방류되는 농업용수는 관개지구의 필요수량을 고려한 모의결과를 사용하였으며, 섬진강광역상수도 용수는 75,000 m3/일가 공급되는 것으로 하였으며, 댐하류 방류량은 0.
- 본 연구에서는 저수지의 용수공급능력을 평가할 수 있는 모의-최적화 모형을 개발하였다. 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중목적함수를 사용하였다.
- 본 연구에서는 저수지의 용수공급능력을 평가할 수 있는 모의-최적화 모형을 개발하였다. 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중목적함수를 사용하였다.
가설 설정
- 5 m3/sec인 1대의 터빈으로 총 3개의 터빈으로 구성되어 있으며, 발전유량에 따라 3개의 터빈을 어떻게 조합하여 운영하느냐에 따라서 발전 터빈의 효율(Et)이 달라진다. 본 연구에서는 발전유량에 따른 터빈효율을 기준으로 하여 3 개 터빈을 하나의 터빈이 운영되는 것으로 가정하였다. 섬진강댐 수력발전의 발전효율(Eg), 수두손실율(HL), 가동손실율(OL)를 산정하기 위하여 순별 발전량 실적치를 실측값으로 하여 Eg, HL, OL의 값을 보정하고, 다른 기간의 자료를 이용하여 예측결과를 검정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 개발된 저수지 방류량 최적 배분 모형에 적용된 목적함수는 Eq. (3)과 같이 용수수요를 만족시키고, 발전량를 최대화시키면서 목표 저수량을 확보하기 위해서 다중목적함수를 사용하였다. 농업용수를 주로 공급하는 댐은 관개기와 비관개 기에 용수수요가 구별되므로 목적함수는 관개기와 비관 개기로 구분하여 적용하였다.
- 이는 모형의 목적함수에 사용된 가중치로 수문상황과 관계없이 일관된 값을 사용하기 위한 것이다. 갈수기, 평수기, 풍수기의 구분은 연 유입량을 빈도분석하여 실시하였으며 본 연구에서는 해당 연을 포함해서 3개년을 대상기간으로 하여 최적 운영한 결과를 분석하였다. 각 기간별 연평균 유입량은 갈수기에 383 백만 m3이며, 평수기에 504 백만 m3, 풍수기에 643 백만 m3이었다.
- 본 모형은 유입량 및 수요량 추정과 저수량 발전량을 산정하기 위한 저수지 운영 모형과 최적 용수 배분량을 추정하기 위한 최적화 모형으로 구성되어 있다. 개발된 모형은 단기간의 저수지 최적 운영이나, 장기간의 모의를 통하여 대상 저수지의 용수 공급능력을 평가하도록 하였다.
- 1은 저수지 운영 최적화 모형의 흐름도를 나타낸 것이다. 개발된 모형은 저수지의 운영을 모의하면서 각 단계의 용수 배분은 설정된 목적함수와 제약조건을 만족하는 최적해를 탐색하는 최적화 기법을 사용하여 결정되도록 하였다. 본 모형은 유입량 및 수요량 추정과 저수량 발전량을 산정하기 위한 저수지 운영 모형과 최적 용수 배분량을 추정하기 위한 최적화 모형으로 구성되어 있다.
- (3)과 같이 용수수요를 만족시키고, 발전량를 최대화시키면서 목표 저수량을 확보하기 위해서 다중목적함수를 사용하였다. 농업용수를 주로 공급하는 댐은 관개기와 비관개 기에 용수수요가 구별되므로 목적함수는 관개기와 비관 개기로 구분하여 적용하였다. 관개기에는 발전으로 인한 편익을 최대화하면서 용수수요량을 만족시키는 방향으로 용수를 공급하도록 하며, 비관개기에는 발전으로 인한 편익을 최대화하면서 목표 저수량을 확보하는 방향으로 저수지가 운영되도록 하였다.
- 댐 하류 방류량에 따른 최적운영 결과와 과거자료를 비교하기 위하여 섬진강댐의 수문 및 운영 자료를 분석하였다. 과거 발전방류량은 39.
- 모형의 적용기간을 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하여 유입량 변화에 따른 최적운영결과를 실적운영과 비교하였다. 또한, 하류 용수 수요 증가에 대한 가능 공급량을 추정하기 위하여 운영방법별로 섬진강댐 의 용수공급능력 을 평 가하였다.
- 모형의 적용성은 섬진강 댐 운영에 개발된 모형을 적용하여 평가하였다. 모형의 적용기간은 유입량을 고려하여 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하였다. 풍수기에는 목표 운영수위별로 발전량이 실측발전량 보다 -2.
- 모형의 적용성은 개발된 모형을 섬진강댐의 최적운영에 적 용하여 평가하였다. 모형의 적용기간을 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하여 유입량 변화에 따른 최적운영결과를 실적운영과 비교하였다. 또한, 하류 용수 수요 증가에 대한 가능 공급량을 추정하기 위하여 운영방법별로 섬진강댐 의 용수공급능력 을 평 가하였다.
- 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중목적함수를 사용하였다. 모형의 적용성은 개발된 모형을 섬진강댐의 최적운영에 적 용하여 평가하였다. 모형의 적용기간을 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하여 유입량 변화에 따른 최적운영결과를 실적운영과 비교하였다.
- 모형의 적용성은 적용시기를 갈수기, 평수기, 풍수기으로 구분하여 평가하였다. 이는 모형의 목적함수에 사용된 가중치로 수문상황과 관계없이 일관된 값을 사용하기 위한 것이다.
- 50 m로 구분하여 해당되는 저수량으로 설정하였다. 목표 운영수위는 섬진강댐의 관개기전 확보 저수위와 상시만수위를 고려하여 4가지로 구분하였다. 댐의 방류를 제한하는 저수위는 각 용수를 공급하는 취수구의 위치를 고려하여 설정하였다.
- 0 %의 범위를 나타냈다. 발전량 산정 모형의 검정은 3개년의 발전유량과 저수위자료에 추정된 발전효율, 수두손실율, 가동손실율을 적용하여 순별로 산정한 발전량과 실적 발전량을 비교하였다. 실적 발전량과 계산 발전량간의 상대오차는 -1.
- 일반적으로 발전량은 발전사용수량, 방류시점 저수위, 발전시간, 터빈효율 등에 의해 영향을 받는다. 본 모형에서는 실제 발전량을 산정하기 위하여 발전효율(Eg), 수두손실률(HL), 가동손실률(OL)을 고려한 Eq. (2)를 사용하였다.
- 개발된 모형은 저수지의 운영을 모의하면서 각 단계의 용수 배분은 설정된 목적함수와 제약조건을 만족하는 최적해를 탐색하는 최적화 기법을 사용하여 결정되도록 하였다. 본 모형은 유입량 및 수요량 추정과 저수량 발전량을 산정하기 위한 저수지 운영 모형과 최적 용수 배분량을 추정하기 위한 최적화 모형으로 구성되어 있다. 개발된 모형은 단기간의 저수지 최적 운영이나, 장기간의 모의를 통하여 대상 저수지의 용수 공급능력을 평가하도록 하였다.
- 35 % 증가된 결과를 나타냈다. 본 모형을 증가된 용수 수요에 대한 댐의 공급능력 평가를 실시하여 공급 가능량과 이에 따른 운영방법을 제안하였다. 섬진강댐의 하류 용수 증가에 따른 용수공급 가능량을 산정하기 위하여 댐하류 방류량을 0.
- 모의 모형과 최적화 모형을 혼용한 방법은 저수지 운영을 모의하면서 각 단계의 용수 배분을 최적화 모형을 사용하여 결정하는 방법이다. 본 연구에서 개발한 저수지 최적 운영 모형은 저수지의 용수 공급능력을 평가하기 위하여 모의 모형과 최적화 모형을 혼용한 형태이다.
- 본 연구에서는 발전유량에 따른 터빈효율을 기준으로 하여 3 개 터빈을 하나의 터빈이 운영되는 것으로 가정하였다. 섬진강댐 수력발전의 발전효율(Eg), 수두손실율(HL), 가동손실율(OL)를 산정하기 위하여 순별 발전량 실적치를 실측값으로 하여 Eg, HL, OL의 값을 보정하고, 다른 기간의 자료를 이용하여 예측결과를 검정하였다.
- 본 모형을 증가된 용수 수요에 대한 댐의 공급능력 평가를 실시하여 공급 가능량과 이에 따른 운영방법을 제안하였다. 섬진강댐의 하류 용수 증가에 따른 용수공급 가능량을 산정하기 위하여 댐하류 방류량을 0.17, 0.50, 0.70, 1.0, 1.5, 3.0 m3/sec로 구분하여 최적 운영 결과를 비교하였다. 하류 방류량을 0.
- 본 연구에서는 섬진강댐을 단독으로 최적 운영할 경우 실측유입량 자료가 있는 1982년~2001년에 대하여 댐의 공급능력을 평가하였다. 이를 위하여 동진강 수계로 방류되는 농업용수는 관개지구의 필요수량을 고려한 모의결과를 사용하였으며, 섬진강광역상수도 용수는 75,000 m3/일가 공급되는 것으로 하였으며, 댐하류 방류량은 0.17, 0.5, 0.7, 1.0, 1.5, 3.0 m3/sec로 5가지로 구분하였다.
대상 데이터
- 모형 적용시 상시만수위는 196.50 m로 하고, 목적함수에 사용되는 목표 저수량은 목표 운영 수위를 188.68 m, 191.50 m, 194.00 m, 196.50 m로 구분하여 해당되는 저수량으로 설정하였다. 목표 운영수위는 섬진강댐의 관개기전 확보 저수위와 상시만수위를 고려하여 4가지로 구분하였다.
- 섬진강댐의 발전량을 산정하기 위해서는 발전터빈의 효율, 발전효율, 수두손실율, 가동손실율 등을 고려해야 한다. 섬진강댐의 발전터빈은 최대발전유량 11.0 m3/sec 인 2대의 터빈과 최대발전유량이 4.5 m3/sec인 1대의 터빈으로 총 3개의 터빈으로 구성되어 있으며, 발전유량에 따라 3개의 터빈을 어떻게 조합하여 운영하느냐에 따라서 발전 터빈의 효율(Et)이 달라진다. 본 연구에서는 발전유량에 따른 터빈효율을 기준으로 하여 3 개 터빈을 하나의 터빈이 운영되는 것으로 가정하였다.
- 저수지 최적운영 모형의 적용성을 평가하기 위하여 섬진강댐을 선정하였다. 우리나라 5대강 유역의 하나인 섬진강은 유로연장이 212.
이론/모형
- Table 1은 3개년의 발전유량, 저수위자료에 복합효율표를 적용하여 순별로 산정한 발전량과 실적 발전량을 비교한 것이다. Eg, HL, OL의 값은 실적 발전량과 계산 발전량간의 차이를 최소화하는 값을 시행착오법으로 선정하였다. 실적 발전량과 계산 발전량 간의 차이가 최소화되는 발전효율은 0.
- 본 연구에서는 저수지의 용수공급능력을 평가할 수 있는 모의-최적화 모형을 개발하였다. 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중목적함수를 사용하였다. 모형의 적용성은 개발된 모형을 섬진강댐의 최적운영에 적 용하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 저수지의 용수공급능력을 평가할 수 있는 모의-최적화 모형을 개발하였다. 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중목적함수를 사용하였다. 모형의 적용성은 개발된 모형을 섬진강댐의 최적운영에 적 용하여 평가하였다.
- 개발된 모형에서는 용수배분의 최적화를 위해서 전역 최적해 탐색법의 하나인 SCE-UA법과 다중 목적함수를 사용하였다. 모형의 적용성은 섬진강 댐 운영에 개발된 모형을 적용하여 평가하였다. 모형의 적용기간은 유입량을 고려하여 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하였다.
- 저수지 최적 운영 모형의 부모형인 저수지 운영 모형은 저수지 유입량과 용수 수요량을 예측하며 저수지 유입량, 방류량, 월류량 등을 고려하여 기간별로 댐의 저수량 발전량을 산정한다. 저수지 유입량은 자료의 양이 많고 질이 확보된 경우에는 실측자료를 사용하였으며, 자료의 양이 적은 경우에는 결정론적 강우-유출 모형인 SSARR 모형을 이용하여 생성한다.
- 확정론적 방법은 목적함수가 연속적이고 미분식이 필요하며, 추계학적 방법과 조합법은 가능해 공간에서 무작위로 추출한 점들의 목적함수를 평가하여 최 적 해를 탐색한다. 전역탐색기법으로는 Uniform Random Search(URS), Adaptive Random Search(ARS), Multiple Start Simplex(MSX), Genetic Algorithm(GA), Simulated Annealing법, SCE-UA (Shuffled Complex Evolution- University of Arizona)법 등이 있으며, 본 연구에서는 다른 방법보다 효율적이고 지속적인 결과를 나타낸다고 알려진 SCE-UA법 을 사용하였다. SCE-UA법은 Simplex^, 무작위 탐색법, 경쟁적 진화, 집합체의 혼합 등과 같은 개념을 조합한 탐색기법으로 정보의 공유와 생물학적인 진화개념에 바탕을 두고 있다(Duan et al.
성능/효과
- 50 m로 할 경우, 실적 공급량과 비슷하거나 증가된 결과를 나타냈다. Table 5에 나타난 결과를 종합해 보면, 발전량과 용수 공급량을 모두 만족시키는 운영 방법은 하류 방류량을 0.70 CMS 이하, 목표 저수위를 194.0 m 이하로 하는 것임을 알 수 있다.
- 37 %의 향상된 결과를 나타냈다. 각 기간별 발전량을 비교해 보면 풍수기에 실측 발전량 보다 가장 크게 향상된 결과를 나타냈으며, 갈수기에 가장 작은 향상결과를 나타냈다. 또한 목표 운영 수위를 191.
- 4는 대상 기간별 최적 발전량을 실적 발전량과 비교한 것이다. 갈수기의 발전량은 목표 저수량별로 실측 발전량에 비해서 -5.94~3.98 %의 향상된 결과를 나타냈다. 풍수기의 발전량은 목표 저수량별로 실측발전 량에 비해서 -2.
- 각 기간별 발전량을 비교해 보면 풍수기에 실측 발전량 보다 가장 크게 향상된 결과를 나타냈으며, 갈수기에 가장 작은 향상결과를 나타냈다. 또한 목표 운영 수위를 191.5 m로 할 경우 기간에 관계없이 실적 발전량 보다 향상된 결과를 나타냈다.
- 00 m로 할 경우, 실적 발전량과 비슷하거나 증가된 결과를 나타냈다. 또한, 농업용수 공급량을 기준으로 할 경우, 하류 방류량을 1.0 CMS 이하, 목표 운영 저수위를 191.50 m로 할 경우, 실적 공급량과 비슷하거나 증가된 결과를 나타냈다. Table 5에 나타난 결과를 종합해 보면, 발전량과 용수 공급량을 모두 만족시키는 운영 방법은 하류 방류량을 0.
- 3 %정도 상회하는 결과를 나타냈다. 또한, 하류 방류량을 1.5 CMS 이상으로 할 경우에는 실적 평균 방류량의 -18.6~1.6 % 정도 증가한 결과를 나타냈다.
- 37 % 향상된 결과를 나타냈다. 목표 저수위별 발전량을 비교해 보면, 목표 저수위가 196.50 m인 경우에 435.0 GWh로 가장 큰 발전량을 보였으며, 이는 실적발전량 보다 약 10.4 % 향상된 결과이다.
- 61 % 향상된 결과를 나타냈다. 목표 저수위별 발전량을 비교해 보면, 목표저수위가 188.68 m인 경우에 424.5 GWh로 가장 큰 발전량을 보였으며, 이는 실적발전량 보다 약 15 % 향상된 결과이다.
- 68 GWh, 총방류량은 1,119 백만 m3이다. 목표 저수위별 최적 운영 발전량은 실적 발전량 보다 -5.94~3.98 % 향상된 결과를 나타냈다. 목표저수위별 발전량을 비교해 보면, 목표저수위가 188.
- 8 백만 m3이다. 목표 저수위별 최적 운영 발전량은 실적 발전량 보다 4.53~10.37 % 향상된 결과를 나타냈다. 목표 저수위별 발전량을 비교해 보면, 목표 저수위가 196.
- 98 % 향상된 결과를 나타냈다. 목표저수위별 발전량을 비교해 보면, 목표저수위가 188.68 m인 경우에 245.0 GWh로 가장 큰 발전량을 보였으며, 이는 실적발전량 보다 약 4 % 향상된 결과이다.
- 5는 섬진강댐의 하류 방류량에 따른 최적 농업 용수 방류량과 실적 평균 농업용수 방류량을 비교한 것이다. 섬진강댐의 하류 방류량 증가에 따른 농업용수 방류량을 비교해보면 하류 방류량을 1.0 CMS 이하, 목표 저수위를 194.0 m 이하로 할 경우에 실적 평균 방류 량인 446.03 백만 m3를 -0.7~10.3 %정도 상회하는 결과를 나타냈다. 또한, 하류 방류량을 1.
- 6은 섬진강댐의 하류 방류량에 따른 최적 발전량을 실적 평균 발전량과 비교한 것이다. 섬진강댐의 하류 방류량 증가에 따른 발전량을 비교해보면 하류 방류량을 0.7 CMS 이하, 목표 저수위를 194.0 m 이하로 할 경우에는 실적 평균 발전량인 109.9 GWh를 0.4~4.8 % 정도 상회하는 결과를 나타냈다. 하류 방류량을 1.
- Eg, HL, OL의 값은 실적 발전량과 계산 발전량간의 차이를 최소화하는 값을 시행착오법으로 선정하였다. 실적 발전량과 계산 발전량 간의 차이가 최소화되는 발전효율은 0.966, 수두손실율은 10.0%, 가동손실율은 1 %로 선정되었으며, 이를 사용하여 산정한 계산 발전량과 실적 발전량간의 상대오차는 -2.0~2.0 %의 범위를 나타냈다. 발전량 산정 모형의 검정은 3개년의 발전유량과 저수위자료에 추정된 발전효율, 수두손실율, 가동손실율을 적용하여 순별로 산정한 발전량과 실적 발전량을 비교하였다.
- 61 %의 향상된 결과를 나타냈다. 평수기의 발전량은 목표 저수량별로 실측발전량에 비해서 4.53-10.37 %의 향상된 결과를 나타냈다. 각 기간별 발전량을 비교해 보면 풍수기에 실측 발전량 보다 가장 크게 향상된 결과를 나타냈으며, 갈수기에 가장 작은 향상결과를 나타냈다.
- 모형의 적용기간은 유입량을 고려하여 풍수기, 평수기, 갈수기로 구분하였다. 풍수기에는 목표 운영수위별로 발전량이 실측발전량 보다 -2.29~14.61 %, 갈수기에는 실측 발전량 보다 -5.94 ~3.98 % 증가된 결과를 나타냈다. 평수기에는 실측발전량 보다 -0.
- 98 %의 향상된 결과를 나타냈다. 풍수기의 발전량은 목표 저수량별로 실측발전 량에 비해서 -2.29-14.61 %의 향상된 결과를 나타냈다. 평수기의 발전량은 목표 저수량별로 실측발전량에 비해서 4.
- 8 % 정도 상회하는 결과를 나타냈다. 하류 방류량을 1.0 CMS 이상으로 할 경우에는 실적 평균 발전량 보다 0.5~21.9 % 정도 감소한 결과를 나타냈다.
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