본 연구에서는 공급 우선순위에 따른 물수급 분석 결과의 비교를 위해 국내 수자원장기종합계획에서 활용한 K-WEAP (Korea-Water Evaluation And Planing System) 모형과 MODSIM (Modified SIMYLD) 모형을 이용하여 분석하였다. 기존의 수자원장기종합계획은 수요처의 공급 우선순위를 모두 동일하게 공급하는 것으로 가정하여 분석하였으며 K-WEAP은 최대충족률을 만족시키기 위한 비율 배분을 수행하는 반면 MODSIM은 물 공급 우선순위의 적용이 필수적인 것으로 분석되었다. 먼저 우선순위에 따른 한강 유역의 물수급 분석 결과, 평균 1,035 천 $m^3$의 물부족이 감소하였으며 이는 생 공용수의 배분량이 증가하면서 회귀수량이 증가하고, 수자원의 재이용이 많아지기 때문인 것으로 분석되었다. 우선순위를 적용한 K-WEAP과 MODSIM의 분석결과를 비교할 경우, 상대오차 최대 5.3%이내, 결정계수($R^2$)는 0.9999로 매우 유사한 물 부족이 발생하였다. 또한 두 모형 모두 합리적인 물 부족 분석 결과를 제공한다면, 모형의 구축과 데이터 처리에 해당하는 GUI 편의성은 K-WEAP이 더 우수한 것으로 나타났으나, 구동시간의 효율성은 MODSIM이 더 우수한 것으로 분석되었다. 향후 K-WEAP모형 뿐만 아니라 MODSIM 모형을 활용한 다양한 시나리오에 따른 분석을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 공급 우선순위에 따른 물수급 분석 결과의 비교를 위해 국내 수자원장기종합계획에서 활용한 K-WEAP (Korea-Water Evaluation And Planing System) 모형과 MODSIM (Modified SIMYLD) 모형을 이용하여 분석하였다. 기존의 수자원장기종합계획은 수요처의 공급 우선순위를 모두 동일하게 공급하는 것으로 가정하여 분석하였으며 K-WEAP은 최대충족률을 만족시키기 위한 비율 배분을 수행하는 반면 MODSIM은 물 공급 우선순위의 적용이 필수적인 것으로 분석되었다. 먼저 우선순위에 따른 한강 유역의 물수급 분석 결과, 평균 1,035 천 $m^3$의 물부족이 감소하였으며 이는 생 공용수의 배분량이 증가하면서 회귀수량이 증가하고, 수자원의 재이용이 많아지기 때문인 것으로 분석되었다. 우선순위를 적용한 K-WEAP과 MODSIM의 분석결과를 비교할 경우, 상대오차 최대 5.3%이내, 결정계수($R^2$)는 0.9999로 매우 유사한 물 부족이 발생하였다. 또한 두 모형 모두 합리적인 물 부족 분석 결과를 제공한다면, 모형의 구축과 데이터 처리에 해당하는 GUI 편의성은 K-WEAP이 더 우수한 것으로 나타났으나, 구동시간의 효율성은 MODSIM이 더 우수한 것으로 분석되었다. 향후 K-WEAP모형 뿐만 아니라 MODSIM 모형을 활용한 다양한 시나리오에 따른 분석을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
This study compared the characteristics of the optimization technique and the water supply and demand forecast using K-WEAP (Korea-Water Evaluation and Planning System) model and MODSIM (Modified SIMYLD) model considering wtaer supply priority. Currently, The national water resources plan applied sa...
This study compared the characteristics of the optimization technique and the water supply and demand forecast using K-WEAP (Korea-Water Evaluation and Planning System) model and MODSIM (Modified SIMYLD) model considering wtaer supply priority. Currently, The national water resources plan applied same priority for municipal, industrial and agricultural demand. the K-WEAP model performs the ratio allocation to satisfy the maximum satisfaction rate, whereas the MODSIM model should be applied to the water supply priority of demands. As a result of applying the priority, water shortage decreased by an average of $1,035,000m^3$ than same prioritized results. It is due to the increase of the return flow rate as the distribution of Municipal and industrial water increases. Comparing the analysis results of K-WEAP and MODSIM applying the priorities, the relative error was within 5.3% and the coefficient of determination ($R^2$) was 0.9999. In addition, if both models provide reasonable water balance analysis results, K-WEAP is superior to GUI convenience for model construction and data processing. However, MODSIM is more effective in simulation time efficiency. It is expected that it will be able to carry out analysis according to various scenarios using the model.
This study compared the characteristics of the optimization technique and the water supply and demand forecast using K-WEAP (Korea-Water Evaluation and Planning System) model and MODSIM (Modified SIMYLD) model considering wtaer supply priority. Currently, The national water resources plan applied same priority for municipal, industrial and agricultural demand. the K-WEAP model performs the ratio allocation to satisfy the maximum satisfaction rate, whereas the MODSIM model should be applied to the water supply priority of demands. As a result of applying the priority, water shortage decreased by an average of $1,035,000m^3$ than same prioritized results. It is due to the increase of the return flow rate as the distribution of Municipal and industrial water increases. Comparing the analysis results of K-WEAP and MODSIM applying the priorities, the relative error was within 5.3% and the coefficient of determination ($R^2$) was 0.9999. In addition, if both models provide reasonable water balance analysis results, K-WEAP is superior to GUI convenience for model construction and data processing. However, MODSIM is more effective in simulation time efficiency. It is expected that it will be able to carry out analysis according to various scenarios using the model.
MODSIM을 활용한 연구를 정리해보면 수자원계획의 활용, 국내 수자원시설물의 운영 평가 및 개선방안, 가뭄 대책 마련 등 물수급 계획 및 운영 분야에 대한 연구가 있었으며 주요 키워드로 수요처의 “공급우선권”과 “수리권관리” 등으로 이는 2장 물수급 분석 모형의 최적화 방법 비교에서 모형의 특성을 제시하고자 한다. 이처럼 MODSIM 모형을 이용한 물수급 분석을 수행한 연구는 많았지만 우선순위에 따른 물부족량의 비교와 모형의 검증 측면에서 K-WEAP모형과 MODSIM모형에 대한 비교분석을 수행한 연구는 없었기 때문에 본 연구에서는 두 모형의 특성을 고찰하고 물수급 분석결과를 비교하고자 하였다.
제안 방법
본 절에서는 K-WEAP모형과 MODSIM 모형의 물수급 분석 결과에 앞서 우선순위의 적용 여부에 따른 물 부족 분석결과의 차이를 보고자 K-WEAP모형을 이용하여 비교를 수행하였다. 이에 전체 30개 중권역 중 하천의 최상류부 유역이거나 단독으로 구성되어 회귀의 영향과 무관한 유역은 제외하고, 회귀의 영향을 받을 수 있는 유역인 13개 유역(1003, 1005, 1007, 1009, 1010, 1012, 1013, 1015, 1017, 1018, 1019, 1023, 1024)에 대한 49개년간 물 부족량을 산정한 결과는 Fig.
대상 데이터
본 연구의 적용 대상 유역은 한강으로서 4개의 대권역으로 구성되어 있고, 한강 34,428.1 km2, 안성천 1,658.66 km2, 한강 서해 1,970.81 km2, 한강동해 3,889.68 km2로 총 41,947.25 km2로 국내 5대강 권역 중 가장 큰 면적을 차지하고 있다. 한강 유역은 지역적 특수성으로 인해 다른 유역과 다르게 본류 내 하굿둑이 존재하지 않고, 상류부는 공유하천인 북한강과 임진강을 포함하고 있어 다른 유역에 비해 수자원 관리와 특성이 특별한 유역이다.
수자원장기종합계획(MOLIT, 2016)에서는 2020년의 목표연도를 기준으로 고수요, 기준수요, 저수요 등 3개의 시나리오로 구분하여 1966년∼2015년(49개년)의 하천유량이 장래에 반복된다는 가정을 통해 물 부족을 산정하였으며 본 연구에서는 목표연도 2020년의 기준수요자료를 이용하여 모형에 적용하였다. 분석 결과의 비교를 위해 자연유출량은 4단 탱크모형을 이용한 매개변수 검증과 지역화가 수행된 결과를 적용하였으며 자료의 기간은 1966년∼2015년(49년)의 반순 단위(5일) 자료를 중권역 단위로 구성하였다. 수자원시설물은 저수지와 다기능보 12개, 광역으로 도수되는양과 하천유지유량 24개 지점 등 일관성 유지를 위해 저수용량과 운영방법 등을 그대로 적용하였다.
이론/모형
본 연구에서 적용한 모형은 K-WEAPdss 모형으로 21세기 프론티어연구개발사업의 “수자원의 지속적확보기술개발 사업단”의 지원 하에 개발한 한국형 통합수자원평가계획모형이며 SEI-B (Stockholm Environment Institute-Boston Center)와 한국건설기술연구원이 공동 개발하였다(Lee and Choi, 2011). 모형은 지속적인 발전을 통해 현재는 수량-수질의 통합, 경제성 분석 등 복합적인 평가와 계획이 가능하다.
성능/효과
1) 기존의 수자원장기종합계획은 용도별 수요처의 공급 우선순위를 모두 동일하게 공급하는 것으로 가정하였으며 최적화를 수행하는 목적함수의 차이에 따라 K-WEAP은 최대충족률을 만족시키기 위한 비율 배분을 수행하는 반면 MODSIM은 물 공급 우선순위의 적용이 필수적인 것으로 분석되었다.
3) 우선순위를 적용한 K-WEAP과 MODSIM을 비교할 경우 최대 물 부족이 발생한 년도는 2015으로 동일한 결과를 나타냈으며, 상대오차 최대 5.3%이내, 결정계수(R2)는 0.9999로 매우 유사한 부족량과 시점을 나타냈다. 일부 모형 간의 물 부족량의 차이는 연 평균 0.
4) 두 모형 모두 합리적인 물 부족 분석 결과를 제공한다고 가정할 경우, 모형의 구축과 데이터 처리에 해당하는 GUI편의성은 K-WEAP이 더 우수한 것으로 나타났으나, 구동 시간의 효율성 을 고려할 경우는 MODSIM이 더 우수한 것으로 분석되었다.
본 연구에서 활용한 각 모형에 대한 구동시간을 검토한 결과 계산 효율 측면에서 속도는 MODSIM이 K-WEAP보다 우수한 것으로 나타났다. 이는 최적화 방법을 해석하는 방식에서 Lagrangian relaxation algorithm RELAX-IV가 Simplex Method보다 속도측면에서 효율적임을 보여주는 결과로 판단된다.
후속연구
현재는 중권역 단위의 하천수, 댐수, 지하수를 연계하여 모든 수량을 이용할 수 있다는 가정 하에 수요처별 우선순위를 동일하게 적용하였지만, 지금과 같은 시스템에서는 같은 공급량과 수요량임에도 불구하고 공급 우선순위를 고려함에 따라 물 부족량의 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이에 따라 우선순위를 적용한 K-WEAP과 MODSIM 모형의 결과에 대한 검증을 수행하였으며 향후 국가차원의 물수급 전망을 수행할 경우, 실제 공급 우선순위의 반영과 더불어 K-WEAP모형뿐만 아니라 MODSIM 모형을 활용한 다양한 시나리오에 따른 분석을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MODSIM은 어떤 최적화 방법으로 수자원 분배를 수행하는가?
MODSIM은 하천유역 네트웍모형(river basin network model)으로 하천유역 관리에 있어서 물리적, 수문학적, 제도적인 측면에서 물이 배분될 수 있고(Yoo, 2005), 유역 수자원관리 시설의 전체적인 배치 및 운영조건을 다양하게 반영할 수 있도록 구축되어 있는 하천유역 관리 의사 결정 지원시스템이다(Labadie and Larson, 2007). MODSIM은 K-WEAP모형과 같은 최적화 방법 중 선형계획법을 통해 수자원 분배를 수행하며 이를 효율적으로 해석하기 위한 정수 기반의 Lagrangian relaxation algorithm RELAX-IV를 적용하여 해석한다. RELAX-IV알고리즘은 simplex method에 대비 해석 수행시간이 최소 5배 이상 빠르다고 알려져 있다(K-Water, 2008).
MODSIM은 무엇인가?
0까지 개발되었다. MODSIM은 하천유역 네트웍모형(river basin network model)으로 하천유역 관리에 있어서 물리적, 수문학적, 제도적인 측면에서 물이 배분될 수 있고(Yoo, 2005), 유역 수자원관리 시설의 전체적인 배치 및 운영조건을 다양하게 반영할 수 있도록 구축되어 있는 하천유역 관리 의사 결정 지원시스템이다(Labadie and Larson, 2007). MODSIM은 K-WEAP모형과 같은 최적화 방법 중 선형계획법을 통해 수자원 분배를 수행하며 이를 효율적으로 해석하기 위한 정수 기반의 Lagrangian relaxation algorithm RELAX-IV를 적용하여 해석한다.
물수급 모델 구축시 MODSIM 모형의 장점은 무엇인가?
K-WEAP 모형은 노드별 정보를 각각 입력가능하고, 모식도상 다른 색으로 표현할 수 있어 단순 네트워크의 경우 물 이동 경로 파악이 원활한 특징이 있다. MODSIM 모형은 비선형적인 하도 손실이나 하도추적을 위한 기능을 계산상 포함하지 않는다면 하천, 취입수로 등 link에 대한 구분이 별도로 존재하지 않고, 광역과 하천유지유량, 회귀수 등의 정보는 네트워크에서 별도로 표현되지 않기 때문에 모식도상 경로파악이 어려운 단점이 있으나 네트워크가 복잡해지더라도 부하가 걸리지 않고, 노드와 노드 간 각각 링크로 연결하기 때문에 수정과 자료보완이 편리한 장점이 있다. 자료의 입출력 부분에서는 K-WEAP 모형은 네트워크를 구축한 각각의 노드 정보에 대하여 엑셀로 가져오기/내보내기 기능을 통해 시계열자료와 입력하는 모든 매개변수를 일괄적으로 입·출력이 가능하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.