HEC-ResSIM을 이용한 저수지연계운영 효과 연구 = Development of downstream control function rule for parallel reservoirs with HEC-ResSIM
Recently, lots of researches and studies to respond to the more deepened impacts of flood and drought accompanied by unexpected weather events (e.g. El Nino & La Nino, etc.) have been underway. However, an increase in dam-development costs, as due to a decrease in optimal sites for dam development and an increase in compensation costs for affected residents, raises a need for paradigm shifts in dam development projects toward the sustainable development of water resources that will contribute to environmental protection and conservation.
This suggests that there is a need to focus water resources management on water supply, not water demand, and rehabilitate currents dams and develop & improve techniques for the conjunctional operation of dam groups rather than construct new dams, which, in turn, will enable making the most ofavailable resources. Currently, domestic and overseas researches on the substantial development of techniques to conjunctionally operate water supply dams (including multipurpose dams), and thereby, secure the efficient and economical use of water resources limitative in terms of their quantity, have continued.
This study attempted to propose a technique for conjunctional dam operation to efficiently operate various dam groups located in a river system, and thereby, maximize relevant benefits in terms of reliable water utilization. To do so, HEC-ResSIM, a reservoir simulation tool developed by the US Army Corps of Engineers, was used; the usability of the program was proven through its verification. Also, the independent and conjunctional simulations of dam groups were carried out using 100-year inflow data and a stochastic method. To validate the proposed technique, the results of the simulations were assessed for their verification.
To carry out reservoir simulations, actual inflow data (data coverage for each dam : 18 years) were used, and measured storage levels (i.e. EL.141.64m (Andong Dam) & EL.152.47m (Imha Dam)) as of Jan. 1, 1993were used as initial storage levels. During the simulations, the annual water supply of Andong Dam decreased by 3.6% with a decrease in mean storage level by 0.19%, and the annual water supply and mean storage level of Imha Dam decreased by 4.08% and 0.27%, respectively.
The conjunctional simulation of the two dams based on Balancing Rule (with 95% in reliability of water utilization) showed that their annual water supply & power generation increased by 7.73% (i.e. 105 million m3) and 8.55% (i.e. 16.52GWh), respectively, with a decrease in dead discharge (or outflow) by as high as 35.87% (3.32CMS), when compared with their independent simulation. This suggests that their conjunctional operation will enable stably supplying water corresponding to 110% of 95.2 million m3 supplied by the 3 dams newly constructed (i.e. Seongdeok Dam, Gunwi Dam, Buhang Dam), and annually generate clean energy corresponding to 105% of 15.78GWh generated by Yeongju Dam whose construction is underway.
The conjunctional simulation of the target dams based on Allocation Rule with 95% in reliability of water utilization (in which outflow rate is allocated to each dam according to the level of water demands based on downstream control points) was carried out; outflow rate allocated to Andong Dam and Imha Dam was 65%and 35%, respectively. As a result, it was revealed that their annual water supply & power generation increased by 7.40% (i.e. 101 million m3) and 8.47% (i.e. 16.36GWh), respectively, with a decrease in dead discharge (or outflow) by as high as 34.26% (3.17CMS). Under the same reliability of water utilization, however, water supply and power generation based on the Allocation Rule was found to be 0.31% (i.e. 5 millions m3) and 0.08% (i.e. 0.2GWh), respectively, lower than when the Balancing Rule was applied, while dead outflow was 2.54% (i.e. 0.15CMS) higher.
The results of dam simulations carried out as above were assessed using 3indexes: reliability, recoverability and vulnerability. When compared with the conjunctional simulations of the target dams, their independent simulations showed a low level of reliability, recoverability and vulnerability. With regard to their conjunctional simulations, the Allocation Rule was found to be 1.2% and 56.52% less favorable in terms of reliability and recoverability, respectively, than the Balancing Rule, while the former 39.44% more favorable in terms of vulnerability than the latter.
This study attempted to propose a technique for conjunctional dam operation to efficiently operate various dam groups located in a river system. To do so, the independent and conjunctional simulations of dam groups were carried out using HEC-ResSIM V.3.0, along with long-term data and a stochastic method. With regard to their conjunctional simulation, Balancing Rule and Allocation Rule (Andong Dam : 65%, Imha Dam : 35%) were applied. It’s expected that the proposed method will contribute to the identification of how to stably supply water on a long-term basis, and thereby, help achieve the ultimate goal of dam operation to timely release outflow. It will also help solve difficulties in driving new projects based on non-structural measures to secure water resources, and improve techniques for dam operation by making it possible to maximize the use of current water-resource infra.
최근 예기치 못하게 발생되는 엘니뇨, 라니냐 등 기상이변에 의한 홍수와 가뭄의 영향이 지속적으로 심화되고 있으며 이에대한 대책을 수립하기 위해 많은 연구와 관심이 집중되고 있다. 그러나 댐 개발 적지의 감소와 보상비 상승등으로 인한 댐사업비의 증가와 과거 개발과도기의 개발위주의 논리에 반대하는 환경 보호․보존을 위한 지속가능한 새로운 수자원개발 및 관리 패러다임이 필요하게 되었다.
수자원관리 개념을 공급위주의 관리로부터 수요위주 관리로 전환하고, 신규댐 개발에만 치중할 것이 아니라 기존댐 재개발과 댐군 연계운영기법의 개발 및 개선을 통하여 가용자원을 최대한 활용하여야 한다. 한정적인 수자원의 효율적이고 경제적인 활용을 위해 국내외에서는 다목적댐을 포함한 주요 용수공급용 댐의 최적 연계운영방안에 대한 구체적인 기술개발이 지속적으로 수행중이다.
이수기와 같이 장기적인 관점에서 저수지운영을 해야하는 관리자는 해당기간동안의 최대한의 이수효과를 도출하기 위한 전략을 필요로 한다. 이를 위해서는 미래 유입량의 불확실성을 고려한 저수지 운영 모형에 근거한 최적화된 운영률의 수립이 필요하다. 최적화된 중장기 운영률이 존재할 경우 수자원관리자는 신뢰와 확신을 가지고 이에 근거한 단기 운영률을 단계적으로 수립할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 수계내에 다양하게 위치한 댐군을 효율적으로 운영하여 이수효과를 최대화하기 위한 연계운영기법을 미공병단에서 개발한 저수지 모의운영 TOOL인 HEC-ResSIM을 이용하여 연구하였다. 이를위해 프로그램의 검증을 통하여 사용성을 증명하고, 추계학적 수문발생기법을 이용한 100개년의 장기유입량을 기준으로 단독운영과 연계운영을 수행하였고 모의운영의 성과의 타당성 확보를 위해 평가를 실시하였다.
1993년 1월 1일의 관측수위(안동댐 EL.141.64m, 임하댐 EL.152.47m)를 초기 수위로 설정하여 실제 유입량(댐별 18개년)을 적용하여 저수지 모의운영을 실시하였다. 안동댐의 경우, 모의 운영의 성과 중 년간용수 공급효과는 3.6%, 평균저수위는 0.19%가 각각 감소되었고, 임하댐의 년간용수 공급효과는 4.08%, 평균저수위는 0.27%가 각각 감소되었다.
이수안전도 95% 만족을 기준으로 Balancing Rule을 적용하여 연계운영을 수행한 결과, 각댐별 단독운영 대비 2개댐의 용수공급효과는 7.73%(105백만㎥)이 증가하고 무효방류량도 35.87%(3.32CMS)나 줄어들었으며, 수력발전량은 8.55% (16.52GWh)나 증대되었다. 연계운영을 통해 신규댐 3개소(성덕댐, 군위댐, 부항댐)의 연간용수공급량인 95.2백만㎥ 대비 110%의 안정적인 용수공급이 가능하고, 연간발전량은 건설중인 영주댐(15.78GWh) 대비 105%의 청정한 전력의 생산이 가능한 것으로 분석되었다.
하류 조절점을 기준으로 한 용수수요에 대하여 댐별로 방류비율을 할당하는 Allocation Rule로 저수지 연계운영을 실시하였다. 최적비율은 안동댐 65%, 임하댐 35%의 방류량 할당규칙을 적용하는 것이었다. 동일한 수요량을 공급하는 단독운영 대비, Allocation Rule을 적용한 운영을 통해 동일한 이수안전도 95%를 만족하는 용수공급효과가 7.40%(101백만㎥)이 증가하였다. 또한 무효방류량도 34.26%(3.17CMS)나 줄어들었으며, 수력발전량은 8.47%(16.36GWh)나 증대되었다. 그러나 Balancing Rule 대비, Allocation Rule을 적용한 운영을 통해 동일한 이수안전도 95%를 만족하는 용수공급효과가 0.31%(5백만㎥)이 감소하였다. 또한 무효방류량은 2.54%(0.15CMS)가 증가하였으며, 수력발전량은 0.08%(0.2GWh)가 감소되었다.
연계운영 중 Allocation Rule은 Balancing Rule 대비 신뢰도는 1.2%, 회복도는 56.52%로 일부 저조하나, 취약도는 39.44%로 우월한 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 추계학적 수문발생기법을 활용하여, HEC-ResSIM V.3.0을 이용하여 저수지의 장기모의운영을 통해 Balancing Rule과 Allocation rule을 분석하였다. 이러한 모형을 통해 장기적으로 용수를 안정적으로 공급할 수 있는 방안을 수립하는데 기여하rh 적절한 시기에 적절한 방류를 행하는 저수지 운영의 궁극적인 목표를 이루는데 도움이 되리라 본다. 또한 수자원 확보를 위한 비구조적인 대책으로 기 구축된 수자원시설을 최대한 활용하여 저수지운영의 기술향상에 일조하리라 본다.
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