KR101684217B1 - 저수지의 용수 관리 장치 - Google Patents

저수지의 용수 관리 장치 Download PDF

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KR101684217B1
KR101684217B1 KR1020160038008A KR20160038008A KR101684217B1 KR 101684217 B1 KR101684217 B1 KR 101684217B1 KR 1020160038008 A KR1020160038008 A KR 1020160038008A KR 20160038008 A KR20160038008 A KR 20160038008A KR 101684217 B1 KR101684217 B1 KR 101684217B1
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이재응
지정원
이은경
안재황
유명수
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아주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 저수지의 용수 관리 장치가 개시된다. 본 발명의 저수지의 용수 관리 장치는, 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보를 저장하는 데이터베이스; 관리대상 저수지 및 관리항목을 선택하는 입력부; 입력부로부터 입력된 관리대상 저수지와 관리항목에 따라 데이터베이스로부터 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보에 기초하여 선형계획법에 따른 최적화 기법으로 월별 방류량 및 부족량을 산출하는 처리부; 및 처리부의 산출결과를 표시하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저수지의 용수 관리 장치{APPARATUS FOR MANAGING WATER OF RESERVOIR}
본 발명은 저수지의 용수 관리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저수지의 용수에 대해 물부족 최소화를 위한 장기 계획을 수립하여 운용할 수 있도록 최적의 방류량 및 부족량을 제공할 수 있도록 하는 저수지의 용수 관리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 가뭄의 영향은 비구조적이며 매우 넓은 지역에 걸쳐 다양한 경로로 나타나므로, 가뭄이 언제 시작되고 언제 끝나는지를 결정하는 것은 매우 까다로운 일이다.
가뭄은 대개 강우부족 상태의 지속시간을 고려하여 정의되는 기상학적 가뭄, 강우부족, 실제와 잠재 증발산량 간의 차이, 토양수분 부족, 저수지 또는 지하수위의 저하 등을 참조하여 다양한 기상학적 가뭄을 농작물에 대한 파급효과로 연결하여 가뭄으로 정의하는 농업적 가뭄, 하도유출, 저수지 수위, 지하수와 같은 지표유출과 기저유출과 관련한 강수 부족기간과 관련된 수문학적 가뭄 및 수문시스템의 변화 또는 지역발전으로 인한 용수요구량의 급격한 증가로 발생하는 사회경제적 가뭄으로 구분될 수 있다.
가뭄은 홍수와 같이 단기간에 급진적으로 발생하는 것이 아니라 장기간에 걸쳐 점진적으로 발생하기 때문에 홍수에 비해 대처할 시간적 여유가 있는 편이다. 그러나 이러한 가뭄에 충분히 대처하지 못한다면 장기간에 걸친 가뭄으로 인해 그 피해범위와 규모가 매우 광범위하게 나타난다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제2009-00909497호(2009.08.26.)인 "가뭄관리를 위한 최적의 운영률 시스템 및 이를 적용하는 방법"이 있다.
최근에는 기후변화로 인해 수자원의 불확실성이 심화되고 가뭄이 지속적으로 진행되고 있어 홍수기와 비홍수기 모두 효율적인 저수지 운영을 통해 물부족을 최소화하면서 용수공급 및 가뭄 해갈에 도움이 되는 수자원의 장기 계획 수립이 점점 중요시 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 대응하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저수지의 용수에 대해 물부족 최소화를 위한 장기 계획을 수립하기 위해, 월별 유입량에 따라 부족량이 최소화될 수 있도록 하는 목적함수 및 제약조건에 의한 선형계획법에 따라 최적화하여 월별 방류량 및 부족량을 제공할 수 있도록 하는 저수지의 용수 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 저수지의 용수 관리 장치는, 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보를 저장하는 데이터베이스; 관리대상 저수지 및 관리항목을 선택하는 입력부; 입력부로부터 입력된 관리대상 저수지와 관리항목에 따라 데이터베이스에 저장된 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보에 기초하여 선형계획법에 따른 최적화 기법으로 월별 방류량 및 부족량을 산출하는 처리부; 및 처리부의 산출결과를 표시하는 출력부를 포함하되, 저수지의 제원은, 저수지의 시설물 제원, 수위 관리능력, 발전 능력 및 ?O수 공급계획을 포함하되, 수위 관리능력은 저수위, 상시 만수위, 계획홍수위, 최대 방류량을 포함하고, 발전능력은 최대 발전량 및 발전할 때 사용되는 수량을 포함하며, 용수 공급계획은 기본 계획공급량, 농업 및 공업 용수 공급량, 및 하천유지 용수량을 포함하는 것을 특징으로 하고, 관리항목은, 과거 유입량 정보에 기초한 예측 유입량에 따른 적용률, 관리대상 저수지의 초기 수위 및 시작 월을 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에서 관리대상 저수지는, 발전 가능한 다목적 댐인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에서 처리부는, 저수지의 용수 부족량이 최소가 되도록 하기 위한 목적함수 모듈; 저수지의 용수 관리에 대한 제약조건을 처리하기 위한 제약조건 모듈; 및 선형계획법에 따라 목적함수 모듈과 제약조건 모듈을 통해 방류량 및 부족량을 최적화하는 최적화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 목적함수 모듈은, 목적함수
Figure 112016030342665-pat00001
에 따라 부족량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00002
는 부족량, t는 월을 의미한다.
본 발명에서 제약조건 모듈은, 저류량과 방류량에 따른 물수지 방정식, 기본계획 공급량과 방류량과의 관계에 따른 부족량 도출식, 월별로 운영되는 수위에 따른 월별 수위조건을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 물수지 방정식은,
Figure 112016030342665-pat00003
인 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00004
는 저류량,
Figure 112016030342665-pat00005
는 유입량,
Figure 112016030342665-pat00006
는 발전방류량,
Figure 112016030342665-pat00007
는 수문방류량을 의미한다.
본 발명에서 부족량 도출식은,
Figure 112016030342665-pat00008
인 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00009
는 기본계획 공급량,
Figure 112016030342665-pat00010
은 저수지내 취수량,
Figure 112016030342665-pat00011
는 댐하류 취수량,
Figure 112016030342665-pat00012
는 하천유지용수를 의미한다.
본 발명에서 월별 수위조건은,
Figure 112016030342665-pat00013
인 것을 특징으로 한다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00014
는 상시만수위나 계획홍수위,
Figure 112016030342665-pat00015
는 댐별 저수위를 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따른 저수지의 용수 관리 장치는 저수지의 용수에 대해 물부족 최소화를 위한 장기 계획을 수립하기 위해, 월별 유입량에 따라 부족량이 최소화될 수 있도록 하는 목적함수 및 제약조건에 의한 선형계획법에 따라 최적화하여 월별 방류량 및 부족량을 제공함으로써 가뭄에 대응하여 용수 관리 계획을 수립할 수 있도록 가이드 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치에 따라 산출된 결과를 나타낸 테이블이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치에 따라 산출 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 저수지의 용수 관리 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치는, 데이터베이스(20), 입력부(10), 처리부(30) 및 출력부(40)를 포함한다.
데이터베이스(20)는 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보를 저장하여 선형계획법에 의한 방류량 및 부족량을 최적화할 때 적용할 수 있도록 한다.
여기서 저수지의 제원으로는 저수지의 시설물 제원을 비롯하여 수위 관리능력에 따른 저수위, 상시 만수위, 계획홍수위, 최대 방류량 등을 포함할 수 있고, 발전능력으로 최대 발전량 및 발전할 때 사용되는 수량을 포함할 수 있으며, 용수 공급계획으로 기본 계획공급량, 농업 및 공업 용수 공급량 및 하천유지 용수량을 포함할 수 있다.
또한 수위 관리능력은 갈수기 및 홍수기에 따른 월별로 다르게 관리될 수도 있다.
본 실시예에서 저수지는 발전 가능한 다목적 댐을 예시로 적용하는 것이 바람직하다.
입력부(10)는 관리대상 저수지 및 관리항목을 선택한다.
즉, 관리대상 저수지에 대한 가뭄 대응 계획을 수립하기 위해 관리항목으로 예측 유입량에 따른 적용률, 관리대상 저수지의 초기 수위 및 시작 월 중 어느 하나 이상을 선택할 수 있다.
예를 들어, 과거 유입량 정보에 기초한 예측 유입량 대비 가뭄으로 유입량이 줄어 들 경우를 가정하여 예측 유입량에 따른 적용률을 0, 20, 40, 60, 80 및 100%로 적용함으로써 가뭄에 따른 월별 발전방류량, 수문방류량 및 부족량을 산출할 수 있도록 한다.
또한, 관리대상 저수지의 초기 수위를 설정함으로써 가뭄으로 수위가 낮아진 상태에서의 가뭄 대응 계획 뿐만 아니라 월별 발전방류량, 수문방류량 및 부족량을 산출하기 위한 시작 월을 설정함으로써 갈수기 상황과 홍수기 상황에서의 가뭄 대응 계획을 수립할 수 있도록 할 수 있다.
처리부(30)는 입력부(10)로부터 입력된 관리대상 저수지와 관리항목에 따라 데이터베이스(20)에 저장된 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보에 기초하여 목적함수에 제약조건을 적용하여 선형계획법에 따른 최적화 기법으로 월별 발전방류량, 수문방류량 및 부족량을 산출한다.
이때 처리부(30)는 목적함수 모듈(32), 제약조건 모듈(34) 및 최적화 모듈(36)을 포함할 수 있다.
여기서 목적함수 모듈(32)은 저수지의 용수 부족량이 최소가 되도록 구동하기 위한 모듈로써, 목적함수
Figure 112016030342665-pat00016
에 따라 각 월별 부족량의 합을 최소화되도록 구동된다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00017
는 부족량, t는 월을 의미한다.
제약조건 모듈(34)은 저수지의 용수 관리에 대한 제약조건을 처리하기 위한 모듈로써, 저류량과 방류량에 따른 물수지 방정식, 기본계획 공급량과 방류량과의 관계에 따른 부족량 도출식 및 월별로 운영되는 수위에 따른 월별 수위조건을 포함하여 구동될 수 있다.
이때 물수지 방정식은
Figure 112016030342665-pat00018
으로 유입량과 저류량을 통해 역으로 발전방류량 및 수문방류량을 산출할 수 있다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00019
는 저류량,
Figure 112016030342665-pat00020
는 유입량,
Figure 112016030342665-pat00021
는 발전방류량,
Figure 112016030342665-pat00022
는 수문방류량을 의미한다.
또한, 부족량 도출식은
Figure 112016030342665-pat00023
으로 기본계획 공급량과 방류량과의 관계를 통해 부족량을 도출할 수 있다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00024
는 기본계획 공급량,
Figure 112016030342665-pat00025
은 저수지내 취수량,
Figure 112016030342665-pat00026
는 댐하류 취수량,
Figure 112016030342665-pat00027
는 하천유지용수를 의미한다.
이때 기본계획 공급량, 저수지내 취수량(Dam intake), 댐하류 취수량(Downstream intake) 및 하천유지용수는 관리대상 저수지별로 데이터베이스(20)에 구축된다.
그리고 월별 수위조건은 갈수기와 홍수기에 따라
Figure 112016030342665-pat00028
의 조건을 적용할 수 있다.
여기서,
Figure 112016030342665-pat00029
는 상시만수위나 계획홍수위,
Figure 112016030342665-pat00030
는 댐별 저수위를 의미한다.
이때
Figure 112016030342665-pat00031
값으로 갈수기에는 상시만수위를 적용하고, 홍수기에는 계획홍수위를 적용할 수 있다.
최적화모듈(36)은 선형계획법에 따라 목적함수 모듈(32)과 제약조건 모듈(34)을 통해 월별 부족량의 합이 최소가 되는 발전방류량(Generation), 수문방류량(Spillway) 및 부족량(Shortage)을 최적화한다.
출력부(40)는 처리부(30)의 산출결과를 표시함으로써 가뭄에 대응하여 장기 계획을 수립할 수 있도록 가이드한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치에 따라 산출된 결과를 나타낸 테이블이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치에 따라 산출 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지의 용수 관리 장치에서 산출된 결과는 테이블과 그래프로 제공될 수 있다.
도 2는 소양강댐을 예시로 예측 유입량에 따른 적용률을 80% 적용하고, 초기 수위를 EL 177.7m로 설정하고, 시작 월을 1월로 설정하여 산출한 결과를 나타낸 것이다. 이때 소양강댐의 저수위는 EL 150.00m, 상시 만수위는 EL 190.30m, 계획홍수위는 EL193.50m 이다.
도 2에서 보는 바와 같이 산출된 결과로 유입량(inflow), 수위(Stage), 저류량(Storage), 발전방류량(Generation), 수문방류량(Spillway)를 비롯하여 저수지내 취수량(Dam intake), 댐하류 취수량(Downstream intake)과 부족량(Shortage)을 출력할 수 있다.
그리고, 이러한 산출 결과는 도 3에 도시된 바와 같이 그래프를 통해 유입량(inflow), 저류량(Storage), 발전방류량(Generation) 및 수문방류량(Spillway)을 출력할 수도 있다.
이를 통해 유입량의 증가에 의해 저류량이 증가하게 됨에 따라 발전방류량을 증가시키게 되지만, 갈수기의 유입량 감소를 예측하여 저류량이 증가함에도 발전방류량을 감소시켜 부족량이 최소가 되도록 계획할 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 저수지의 용수 관리 장치에 따르면, 저수지의 용수에 대해 물부족 최소화를 위한 장기 계획을 수립하기 위해, 월별 유입량에 따라 부족량이 최소화될 수 있도록 하는 목적함수 및 제약조건에 의한 선형계획법에 따라 최적화하여 월별 방류량 및 부족량을 제공함으로써 가뭄에 대응하여 용수 관리 계획을 수립할 수 있도록 가이드 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 입력부
20 : 데이터베이스
30 : 처리부
40 : 출력부

Claims (10)

  1. 저수지의 제원 및 과거 유입량 정보를 저장하는 데이터베이스;
    관리대상 저수지 및 관리항목을 선택하는 입력부;
    상기 입력부로부터 입력된 상기 관리대상 저수지와 상기 관리항목에 따라 상기 데이터베이스에 저장된 상기 저수지의 제원 및 상기 과거 유입량 정보에 기초하여 선형계획법에 따른 최적화 기법으로 월별 방류량 및 부족량을 산출하는 처리부; 및
    상기 처리부의 산출결과를 표시하는 출력부를 포함하되,
    상기 저수지의 제원은, 저수지의 시설물 제원, 수위 관리능력, 발전 능력 및 용수 공급계획을 포함하되, 상기 수위 관리능력은 저수위, 상시 만수위, 계획홍수위, 최대 방류량을 포함하고, 상기 발전능력은 최대 발전량 및 발전할 때 사용되는 수량을 포함하며, 상기 용수 공급계획은 기본 계획공급량, 농업 및 공업 용수 공급량, 및 하천유지 용수량을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 관리항목은, 상기 과거 유입량 정보에 기초한 예측 유입량에 따른 적용률, 상기 관리대상 저수지의 초기 수위 및 시작 월을 포함하는 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 관리대상 저수지는, 발전 가능한 다목적 댐인 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 처리부는, 상기 저수지의 용수 부족량이 최소가 되도록 하기 위한 목적함수 모듈;
    상기 저수지의 용수 관리에 대한 제약조건을 처리하기 위한 제약조건 모듈; 및
    선형계획법에 따라 상기 목적함수 모듈과 상기 제약조건 모듈을 통해 방류량 및 부족량을 최적화하는 최적화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 목적함수 모듈은, 목적함수
    Figure 112016030342665-pat00032
    에 따라 부족량을 산출하는 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
    여기서,
    Figure 112016030342665-pat00033
    는 부족량, t는 월을 의미한다.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제약조건 모듈은, 저류량과 방류량에 따른 물수지 방정식, 기본계획 공급량과 방류량과의 관계에 따른 부족량 도출식, 월별로 운영되는 수위에 따른 월별 수위조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 물수지 방정식은,
    Figure 112016030342665-pat00034
    인 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
    여기서,
    Figure 112016030342665-pat00035
    는 저류량,
    Figure 112016030342665-pat00036
    는 유입량,
    Figure 112016030342665-pat00037
    는 발전방류량,
    Figure 112016030342665-pat00038
    는 수문방류량을 의미한다.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 부족량 도출식은,
    Figure 112016030342665-pat00039
    인 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
    여기서,
    Figure 112016030342665-pat00040
    는 기본계획 공급량,
    Figure 112016030342665-pat00041
    은 저수지내 취수량,
    Figure 112016030342665-pat00042
    는 댐하류 취수량,
    Figure 112016030342665-pat00043
    는 하천유지용수를 의미한다.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 월별 수위조건은,
    Figure 112016030342665-pat00044
    인 것을 특징으로 하는 저수지의 용수 관리 장치.
    여기서,
    Figure 112016030342665-pat00045
    는 상시만수위나 계획홍수위,
    Figure 112016030342665-pat00046
    는 댐별 저수위를 의미한다.
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