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Hedging Rule을 이용한 댐 연계 운영 최적화: 한강수계 사례연구
Optimization of Multi-reservoir Operation with a Hedging Rule: Case Study of the Han River Basin 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.8, 2009년, pp.643 - 657  

류관형 (고려대학교 건축.사회환경공학부) ,  정건희 (고려대학교 방재과학기술연구센터) ,  이정호 (고려대학교 방재과학기술연구센터) ,  김중훈 (고려대학교 건축.사회환경공학부)

초록
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홍수기에 집중되는 유출량을 갈수기에 적절히 활용하기 위한 대표적인 구조물이 댐이다. 제한된 용수공급량을 적절히 분배해 용수수요량을 만족시키면서 미래 갈수기시 용수공급을 대비하여 댐 저류량을 조절하는 것이 댐 운영의 중요한 목적 중 하나이다. 본 연구에서는 갈수 시 댐 저류량에 따라 댐 계획방류량을 일정비율 줄여주는 Hedging Rule을 5단계로 적용하여 댐의 상시만수위 저류량에 대한 실제 저류량의 편차, 수요에 대한 용수공급 부족량, 그리고 하천유지용수 부족량을 목적함수로 하여 혼합정수 선형계획법(MILP, Mixed Integer Linear Programming)으로 저수지 연계운영모형을 구성하였다. 한강수계의 다목적댐인 충주, 횡성, 소양강 댐과 용수전용댐인 광동 댐, 그리고 발전용 댐이지만 비교적 큰 저류용량을 가진 화천 댐을 연계 운영 대상으로 하여, 수자원장기종합계획에 사용된 2003년 유출량 및 수요량 자료와 댐 운영 실무편람의 댐 계획방류량 자료를 10일 단위로 입력하여 GAMS/CPLEX를 이용해 최적화하였다. 그 결과 생공용수 수요량 99.99%, 농업용수 수요량 99.91%, 그리고 하천유지용수 수요량 100.00%를 충족시키면서도, 실제 2003년 운영자료에 비교하여 댐 저류효율이 10.04% 개선된 결과를 도출하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The major reason to construct large dams is to store surplus water during rainy seasons and utilize it for water supply in dry seasons. Reservoir storage has to meet a pre-defined target to satisfy water demands and cope with a dry season when the availability of water resources are limited temporal...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 가뭄 시 최적의 용수공급을 목적으로 수계의 댐을 연계운영하기 위한 방법으로 Hedging Rule을 제안하였다. 이는 우리나라와 같이 강우가 시간적으로 집중되어 있고, 수자원 부존량이 부족한 경우, 가뭄 발생 시 우선순위를 가지는 용수 수요처에 먼저 용수를 공급하고, 더욱 극심한 가뭄을 대비하기 위해 매우 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
  • 댐에는 각각의 용수 사용목적별 계획방류량이 정해져 있다. 여름철에 집중된 수자원을 연중 효율적으로 분배하기 위해 계획방류량과 실제방류량과의 편차를 최소화하면서도 댐의 저류량을 상시만수위에 가깝도록 확보하여 갈수기를 대비하는 것이 댐 운영의 기본 목적이다. 하지만 미래는 근본적으로 불확실성을 가지고 있으므로, 정확히 홍수조절과 용수공급을 모두 만족시키는 최적운영을 하는 것은 불가능하다.

가설 설정

  • 분기점은 소유역들 또는 전체 유역 출구점을 서로 연결하는 지점으로 유역내 수요처에 대한 취수가 일어나는 지점이기도 하다. 광역상수도 시설과 같이 소유역 구분이 분명하지 않은 대량 취수의 경우는 댐에서 일어나 해당 수요처로 공급되는 것으로 가정하였다. 각각의 요소들은 Fig.
  • 네트워크의 기본요소는 유역으로부터의 강우로 인한 유출량 (Natural inflow), 댐 (Dam), 분기점 (Junction), 생공용수 (Municipal demand), 농업용수 (Agricultural demand)로 이루어진 수요처, 그리고 유역출구점에서 하류로의 배출량 (Sink)이다. 두 개 이상의 댐이 연계 운영되는 유역을 다시 유출량 계산을 위한 소유역으로 구분하며, 각 소유역에는 유출량, 생공용수 수요처, 농업용수 수요처가 하나씩 존재하는 것으로 가정되었다. 분기점은 소유역들 또는 전체 유역 출구점을 서로 연결하는 지점으로 유역내 수요처에 대한 취수가 일어나는 지점이기도 하다.
  • 홍수기처럼 방류량이 큰 시기는 문제가 없으나 비홍수기에 수력발전을 위한 방류량이 필요하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 비홍수기에 하루 2시간 발전을 가정하여 발전기 가동시간비를 0.083으로 결정하여 발전최대수량과 곱하여 발전을 위한 최소방류량으로 Eq. (11)과 같이 제약조건을 추가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
댐 연계운영을 목적으로 하는 용수공급 모형의 예를 도시하기 위한 네트워크의 기본요소는 무엇인가? 2에서와 같이 간략한네트워크를 구성하였다. 네트워크의 기본요소는 유역으로부터의 강우로 인한 유출량 (Natural inflow), 댐 (Dam), 분기점 (Junction), 생공용수 (Municipal demand), 농업용수 (Agricultural demand)로 이루어진 수요처, 그리고 유역출구점에서 하류로의 배출량 (Sink)이다. 두 개 이상의 댐이 연계 운영되는 유역을 다시 유출량 계산을 위한 소유역으로 구분하며, 각 소유역에는 유출량, 생공용수 수요처, 농업용수 수요처가 하나씩 존재하는 것으로 가정되었다.
Hedging Rule 곡선에서 댐의 저류량을 부분선형함수에 의해 총 3구간을 나누었을 때, 각 함수는 무엇을 나타내는가? 1의 경우, Hedging Rule 곡선의 예로서, 댐의 저류량을 부분선형(Piecewise-linear)함수에 의해 총 3구간으로 나누고, 댐의 실제 저류량에 따라 댐 방류량을 제한한다. 3개의 부분선형함수 중 최상단의 함수는 목표저류량을, 중간 함수는 안정저류량을, 최하단 함수는 최소운영저류량을 나타낸다. 각각의 구분된 구간에 절적한 감소계수를 설정하여, 댐 저류량 감소 시 댐의 방류량을 줄임으로써 더욱 극심한 가뭄에 대비하는 것이 Hedging Rule의 기본목적이다.
댐 운영의 기본 목적은 무엇인가? 댐에는 각각의 용수 사용목적별 계획방류량이 정해져 있다. 여름철에 집중된 수자원을 연중 효율적으로 분배하기 위해 계획방류량과 실제방류량과의 편차를 최소화하면서도 댐의 저류량을 상시만수위에 가깝도록 확보하여 갈수기를 대비하는 것이 댐 운영의 기본 목적이다. 하지만 미래는 근본적으로 불확실성을 가지고 있으므로, 정확히 홍수조절과 용수공급을 모두 만족시키는 최적운영을 하는 것은 불가능하다.
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참고문헌 (23)

  1. 건설교통부 (2006). 수자원장기종합계획 

  2. 건설교통부, 한국수자원공사 (2005). 가뭄관리모니터링체계 수립 

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  21. Tejada-Guibert, J.A., Johnson, S.A. and Stedinger, JR (1995). 'The value of hydrologic information in stochastic dynamic programming models of a multireservoir system' Water Resources Research, Vol. 31, No. 10, pp. 2571-2579 

  22. Tu, M.-Y., Hsu, N.-S., and Yeh, W. W.-G. (2003). 'Optimization of reservoir management and operation with hedging rules.' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 129, No. 2, pp. 86-97 

  23. You, Jiing-Yun and Cai, Ximing (2008). 'Hedging rule for reservoir operations: 1. A theoretical analysis.' Water Resources Research, VOL. 44, W01415, doi:10.1029/2006WR005481 

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