• 한국수자원학회논문집
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• 제55권7호
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• pp.495-504
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• 2022

최근 인공지능의 발전으로 시계열 자료 분석에 효과적인 Long Short-Term Memory (LSTM) 모델이 댐유입량 예측의 정확도를 높이는 데 활용되고 있다. 본 연구에서는 그 중 LSTM의 성능을 더욱 향상할 수 있는 Sequence-to-Sequence (s2s) 구조에 Attention 기법을 LSTM 모델에 첨가하여 소양강댐 유역의 유입량을 예측하였다. 분석 데이터는 2013년부터 2020년까지의 유입량 시자료와 종관기상관측기온 및 강수량 자료를 학습, 검증, 평가로 나누어 훈련한 후, 모델의 성능 평가를 진행하였다. 분석 결과, LSTM-s2s 모델보다 attention까지 첨가한 모델이 일반적으로 더 좋은 성능을 보였으며, attention 첨가 모델이 첨두값도 더 잘 예측하는 모습을 보였다. 그리고 두 모델 모두 첨두값 발생 동안 유량 패턴을 잘 반영하였지만 세밀한 시간 단위 변화량에는 어려움이 있었다. 이를 통해 시간 단위 예측의 어려움에도 불구하고, LSTM-s2s에 attention까지 첨가한 모델이 기존 LSTM-s2s의 예측 성능을 향상할 수 있음을 알 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.33-33
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• 2022

팔당댐 유역은 수도권 2600만 인구의 상수원으로, 수도권 전체 물 소비량의 90.2%에 달하는 물을 공급하고 있어 중요성이 상당히 크다. 하지만 기후변화로 한반도에 극한기후의 발생 빈도가 증가하면서 미래 수자원 관리가 더욱 어려워질 전망이다. 이에 본 연구에서는 모형 구축을 통해 기후변화가 팔당댐 유역의 수자원에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다. 본 연구는 저수량이 높은 다목적댐이자 상류에 위치하는 소양강댐, 충주댐의 유역의 유입량을 수문모형인 VIC model로 모의하였다. 댐의 존재에 따른 하류의 유량 교란을 고려하기 위해 딥러닝 기반의 LSTM 예측 모형을 활용하였고 각 댐의 방류량을 예측하였다. 보정 기간(1986-2019), 검증 기간(2020)에 대한 방류량 예측 모형의 NSE는 0.9407, 0.6449로 높은 예측성능을 보였다. 팔당댐 유입량 예측에도 LSTM이 활용되었고 소양강댐, 충주댐의 방류량과 두 유역을 제외한 잔여유역의 기상변수인 강우량, 온도, 풍속이 입력되었다. 팔당댐 유입량 예측 모형의 NSE는 보정 기간(1986-2019), 검증 기간(2020)에 대해 각 0.9990, 0.7878로 유입량을 정확도 높게 예측하였다. 기후변화의 영향을 평가하기 위해 기상청에서 제공하는 RCP4.5의 상세화된 고해상도(1km) 미래 기상자료를 구축된 모형에 입력하여 미래의 팔당댐 유입량을 모의하였다. 모의 결과, 미래 기간에는 팔당댐 일 유입량의 변동성이 증가하면서 유황이 불안정해지고 극한에 해당하는 빈도 갈수량이 크게 감소하는 것으로 예측되었다. 따라서 극한기후로 인해 물 공급이 제한되는 재난 상황에 대비하여 물 공급에 대한 자립성을 높일 수 있는 새로운 물관리 정책이 필요할 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.123-123
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• 2018

가뭄은 홍수와 달리 진행속도가 비교적 느리기 때문에 초기에 감지한다면 피해를 최소화 할 수 있다. 국내에서는 가뭄전망을 위해 물리적 기반의 기상-수문연계해석 시스템을 구축하여 월 내지 계절전망을 수행하고 있다. 물리적 기반의 가뭄전망은 수치예보모델의 불확실성을 가지고 있으므로 예보 정확도 개선의 측면에서는 통계적 모델을 같이 활용하는 것이 바람직하다. 최근 국외에서는 통계적 방법인 AI (Artificial Intelligence) 기술을 사용하여 가뭄을 전망하는 연구가 활발히 진행 중이나, 아직까지 국내에서는 관련연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 기반의 댐 유입량 예측 모델을 구축하고 SRI (Standardized Runoff Index)를 활용하여 수문학적 가뭄전망을 수행하였다. 대상유역은 국내 주요 다목적댐이 위치한 충주댐 유역과 소양강댐 유역을 선정하였다. 수문 및 기상자료는 국토 교통부 및 기상청의 관측 댐 유입량, 관측 강수량, 관측 기온 및 장기기상예보 자료를 사용하였다. ANFIS 모델 구축을 위한 훈련 및 보정기간과 검정기간은 각각 1987~2010년과 2011~2016년을 선정하였다. 수문학적 가뭄전망은 지속기간 3개월의 1개월 전망 SRI3를 활용하였으며, SRI3는 관측유입량과 예측유입량을 결합하여 산정하였다. 댐 예측유입량 및 수문학적 가뭄전망의 정확도 평가를 위해 상관계수, 평균제곱근오차를 활용하였다. 댐 예측유입량 평가 결과 예측값과 관측값의 상관계수가 높게 나타났으며, 평균제곱근오차는 낮아 예측성이 뛰어났다. SRI3의 경우 관측값과 예측값의 가뭄발생시기가 유사하여 가뭄을 적절하게 반영하는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 통계적 기반의 수문학적 가뭄전망기법을 개발하였다는 측면에서 의의가 있으며, 향후 물리적 기반의 가뭄전망정보와 결합한다면 보다 실효성이 향상될 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.377-377
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• 2017

다목적댐은 비어있는 저수지 용량을 활용, 상류에서 유입되는 홍수를 저류하여 하류의 피해를 경감시키고, 저류된 저수량을 활용하여 갈수시 생 공 유지용수 등을 목적에 맞게 하류로의 공급에 주요 목적이 있다. 이를 위해 댐 계획에는 상류에서 유입되는 목표 빈도 계획홍수량을 산정하고, 이에 따른 여수로의 계획방류량 등이 포함된 홍수 조절 방안이 수립된다. 다목적댐은 그 중요도 때문에 많은 사회적 재화(財貨)가 투입되어 하천에서 가장 높은 빈도인 200년 빈도 홍수량에 대비하도록 설계되어 있다. 그러나 대부분의 댐 하류 하천에서는 긴 연장에 따른 투자비용 등의 한계로 상류 댐에 미치지 못하는 100년 빈도 이하로 설정되어있다. 이런 상 하류의 홍수계획간 괴리로 댐의 계획 방류량 수준의 홍수 조절시에는 하류 하천에 재난상황으로 발생할 우려가 있다. 기상예보의 고도화로 단기 예보의 정밀도가 높아져 단기간 댐 운영에는 효과적으로 활용되고 있다. 하지만 5일 이후를 예보하는 중 장기예보는 아직까지도 불확실성이 높은 실정이다. 여기에 기후변화 등 기상의 불확실성을 고려하여 홍수기 초 장마와 태풍 등의 영향에 대비하기 위해 무작정 댐을 저(低)수위로 운영하면 이후 여름 가뭄에 취약해 지고, 반대로 저수량 확보의 고(高)수위 운영을 할 경우 연이은 태풍 등 홍수상황에 취약해 지게 된다. 최근 '14~'15년도 낙동강 수계에 여름가뭄으로 안동 임하댐이 가뭄단계에 돌입하는 등 홍수기초 적정 저수량의 확보는 안정적 수자원시설 운영에 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 이러한 불확실한 기상상황에 대비하고 댐의 이치수 목적 달성을 위해, 홍수기초 가능한 저수량을 확보하되 계획홍수량이 들어와도 하류피해는 경감시킬 수 있는 저수지 수위를 찾고자하였다. 이를 위해 낙동강 수계 9개 다목적댐(안동, 임하, 성덕, 보현산, 군위, 김천부항, 합천, 남강, 밀양댐)을 대상으로 댐 설계 및 직하류 하천 상황을 고려한 "홍수기초 댐 저수량 확보 수위 검토"를 실시하였다. 댐 직하류 하천의 홍수대비 상황 및 홍수조절시 제약사항 등을 조사해 주요지점(Critical Point)을 선정하고 그 지점의 홍수량을 파악한다. 이어서 저류함수 모형을 활용하여 댐별 저수지 모의 운영을 실시하였다. 대상 댐 저수지에 계획홍수량을 유입시키고 수위를 점차 조정하면서 하류 지점의 홍수량 내의 규모로 방류를 하는 저수지 모의 운영을 실시하였다. 이때 저수지의 계획홍수위를 초과하지 않는 등 안정적 홍수조절이 가능한 특정 수위를 찾아 하류 하천 환경을 고려한 댐 운영 수위로 선정하였다. 최근 홍수기총에는 강수량이 계속 줄어들고 홍수기 이후 더 많은 강수가 내리는 등 기후변화로 댐 운영은 날로 어려워지고 있다. 본 연구의 분석 결과는 홍수기초 가뭄 및 장마 또는 태풍 등에 대비하여 댐 운영의 이 치수 두 가지 목적을 달성하는데 참고가 될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권6호
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• pp.461-469
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• 2022

유역의 수자원 수급계획 시 중요하게 사용되는 댐 유입량은 자료의 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 하지만 단순 물수지법에 의해 산정되는 댐 유입량은 음유입량이 다수 발생하고, 댐 방류량 이외의 유출량을 생략함으로써 실제 유입량 특성을 반영하지 못한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 물수지에서의 유출량 중 고려 가능한 증발량을 고려하여 물수지 개선식을 제시하였다. 소양강댐을 대상으로 재평가된 댐유입량 시계열에서 음유입량의 발생비율이 감소하고, 자료 생산주기별 유입량의 체적은 일관성을 확보하였다. 이외에도 소양강댐 유역에서의 가용수 자원 특성을 검토한 결과, 인간적 측면에서의 직접적인 사용이 약 60%이고, 자연적 측면에서의 간접적 사용이 약 40%인 것으로 나타났다. 또한 가뭄해에는 전체 수자원의 총량 중 간접적인 수자원 이용의 비중이 증가하는 것이 확인되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.564-564
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• 2012

유역내에서 발생한 고탁수는 저수지로 유입됨으로써 용수 공급에 지장을 초래하고, 수환경 악화 및 하류지역의 정수비용 부담을 가중시키는 등 사회, 경제적으로 여러 가지 문제를 일으키고 있다. 우리나라 대부분의 다목적댐은 홍수기에 탁수로 인하여 다양한 문제를 겪고 있다. 탁수문제는 수중생태계를 파괴하고, 상수원을 오염시키며, 물이 가지는 관광자원으로서의 가치를 심각하게 훼손시키는 등 심각한 문제를 야기 시키고 있다. 특히, 최근에는 잦은 이상 집중강우 현상 때문에 탁수의 장기화 문제가 대두되면서 중요한 사회문제로 떠오르고 있다. 수자원의 효율적 이용을 극대화하기 위한 댐의 연결사업은 탁수의 인위적인 외곡이 발생하기 때문에 적절한 조절을 통해 그 영향을 최소화할 필요가 있다. 댐에서 물의 밀도는 온도, 염도 및 탁도 등의 변화로 인하여 일정하지 않고 시간과 공간에 따라 변화하며, 일반적으로 혼합되지 않고 밀도와 두께가 다른 층에 분리되어 존재한다. 여름철 집중 강우 시 유입되는 고탁수층은 저수지의 밀도성층으로 인하여 표수층 하부에 위치하며, 이를 적기에 배제하지 않을 경우에는 수평방향의 확산현상과 연직방향의 전도현상으로 인해 저수지 전역에 분포하게 되어, 탁수현상의 장기화를 유발한다. 본 연구에서는 EFDC의 댐의 수리 및 수질예측모형을 이용해 여름철 집중강우시 유입되는 고탁수의 도달시간과 탁수량 등을 예측 평가하였다. 댐의 취수탑이 설치되는 위치는 댐의 상류측으로 일반적인 댐 주변의 온도 및 탁수거동과는 다르기 때문에 이 부분을 반영하여 평가하여야 한다. 본 연구에서는 EFDC의 댐 수리 및 수질예측모형을 이용하여 여름철 댐으로 유입되는 탁수거동을 평가하고, 댐 연결터널로 유입되는 취수탑 앞의 탁수농도를 예측하여 적절한 선택취수를 통해 댐 연결로 인한 고탁수의 댐간 이동을 최소화하기 위한 취수설비 운영방안을 제시하였다. 총 6개의 홍수사상('99년 홍수, '02년 루사, '03년 매미, '06년 에위니아, '09년 홍수 등)을 선정하여, 홍수사상에 대한 시단위의 유입량자료를 이용하여 양 댐간 연결로 인한 탁수거동을 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.318-318
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• 2012

인도네시아의 Citarum 유역을 대상으로 구축된 RRFS를 이용하여 해당유역의 상류에 위치한 다목적 댐인 Saguling 댐에 대한 2005년 월 유입량예측을 수행하여 보았다. 실제 예측과정에는 ESP 기법을 적용하였고 여기에 기상전망을 고려할 수 있는 사전처리기법인 PDF ratio 방법을 이용하여 유출량 시나리오의 발생확률을 갱신하였다. 이를 위하여 대상유역의 월 강우량 관측 자료에 대한 초보예측을 통하여 2005년 관측 강우량에 따라 기상전망을 생성하였다. 또한 Saguling 댐의 월 유입량 과거 관측자료에 대한 초보예측을 통하여 High Flow, Normal Flow, Low Flow에 대한 예측구간을 구성하여 보았다. Fig. 1과 Fig. 2는 각각 ESP 기법과 PDF ratio 방법을 이용하여 산정한 Normal Flow와 Low Flow의 상한계 유입량의 발생확률의 변화를 도시한 것이다. 관측 유입량이 발생한 구간의 예측확률을 기반으로 예측점수를 산정해 본 결과 ESP 기법에 의한 예측점수가 0.333을 상회하고 있음을 볼 수 있었다. 이는 ESP 기법에 의한 예측결과가 초보예측보다 정확도가 높음을 의미하는 것으로 본 연구에서 구성한 ESP 시스템의 적용성을 확인할 수 있다. 또한 고무적인 결과로서 PDF ratio 방법에 의한 예측점수가 ESP 기법에 의한 예측점수를 상회하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 ESP 기법에 의한 예측결과를 확률기상전망을 이용하여 갱신할 경우 예측 정확도를 개선시킬 수 있음을 의미하는 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.296-296
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• 2016

한강유역의 다목적댐인 소양강댐, 충주댐, 횡성댐의 운영이 하류부에 미치는 조절효과를 분석하기 위해 3개의 다목적댐이 모두 운영되고 있는 현재의 유역상황과 소양강댐, 충주댐, 횡성댐이 각각 없을 경우를 가정하여 시나리오별로 팔당댐 지점에서 유황곡선 차이를 검토함으로써, 3개 다목적댐의 조절효과를 정량적으로 분석하였다. 각 시나리오별 유출분석시 소양강댐, 충주댐, 횡성댐의 운영이 이루어질 경우에는 각 댐의 방류량 자료가 모형에 고려되도록 하였으며, 반대로 댐 운영이 이루어지지 않을 경우에는 각 댐의 유입량 자료가 모형에 반영되도록 하였다. 또한, 북한강 본류구간에 위치한 의암댐과 청평댐에 대해서는 발전용댐이기 때문에 유입량이 모두 방류되는 것으로 가정하여 적용하였다. 분석기간은 횡성댐의 자료 기간을 고려하여 2001~2009년을 선정하였으며, 시나리오별 각 댐의 조절효과를 정량화하기 위해 하류부인 팔당댐 지점에서의 유황곡선 차이를 계산하여 비교하는 방법을 이용하였다. 소양강댐 운영에 따른 팔당댐 지점에서의 조절유량은 약 10.3억$m^3$이며 조절기간은 304일로 분석되었고, 충주댐 운영에 따른 조절유량은 약 11.9억$m^3$에 조절기간은 336일, 횡성댐 운영에 따른 조절유량은 약 0.53억$m^3$에 조절기간은 303일로 분석되었다. 3개 다목적댐이 모두 운영될 경우의 유황 조절효과는 약 22.5억$m^3$에 333일로 분석되었다.

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국해양정보통신학회 2008년도 지능정보 및 응용 학술대회
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• pp.62-66
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• 2008

댐의 수문 제어는 유입량이 변하는 동안 이루어지는 복잡하고 비선형적인 제어이다. 이 논문에서는 퍼지 기법을 이용하여 유입량이 변하는 동안의 수문을 효과적으로 제어하기 위한 방법을 제안하였다. 특히 단순히 수문 제어에만 머물지 않고 가뭄 때를 대비하여 적정 수위를 유지할 수 있도록 하는 기능과 방류량을 제어할 수 있도록 하는 기능을 보완하였다. 이를 위하여 일반적으로 사용되는 정적인 퍼지 함수를 이용하지 않고 상황에 따라 함수값이 변하는 동적 퍼지 추론 기법과 방류량 제어를 위한 퍼지 규칙을 함께 적용함으로써 방류량을 제한할 수 있도록 하는 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 이용하여 시뮬레이션 실험을 실시한 결과 수문 제어 기능뿐만 아니라 사용자가 지정한 적정 수위를 유지하고 정해진 방류량을 넘지 않도록 하는 방식으로 댐 수문 제어가 이루어짐을 확인할 수 있었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제32권4B호
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• pp.221-232
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• 2012

본 연구에서는 이상홍수 발생 시 저수지의 안전성을 확보함과 동시에 두 개의 저수지를 효율적으로 연계운영하여 하류의 홍수피해를 줄이기 위한 모형을 개발하였다. 이상홍수 발생 시 저수지 최적연계운영을 위해 선형계획법을 사용하였고, 저수지 운영에서 유입량, 저수지 수위, 유입량의 증감 등의 요소에 포함된 불확실성을 해결하기 위해 퍼지제어기법을 도입하였다. 선형계획법을 이용하여 이상홍수 유입에 따른 저수지 최적연계운영규칙을 찾아내고, 퍼지제어기법을 사용하여 신속하고 정교한 운영이 요구되는 이상홍수 유입상황에 사용할 수 있는 모형을 개발하였다. 본 연구에서는 낙동강 상류에 위치한 안동댐과 임하댐을 대상으로 각 댐의 저수지에 100년 빈도의 홍수와 PMF가 유입될 때 안동시의 계획홍수량을 초과하지 않도록 저수지최적연계운영을 실시하였고, 최적연계운영규칙과 퍼지제어기법을 사용하여 댐 하류지점의 유량과 각 댐별 저류량, 유입량, 유입량의 증감에 따라 방류량을 결정하는 모형을 개발하였다. 개발된 모형은 안동댐과 임하댐의 각 저수지 및 안동시의 유황에 따라 결정되는 224개의 퍼지규칙으로 정리되었으며, GUI를 통해 현재 유황을 입력하면 각 댐의 방류량을 간단히 결정할 수 있다.