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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 최근 인터넷의 보편화에 따른 지역별 기상정보가 실시간 또는 일별로 일반인들에게 제공되고 있어 이를 활용할 경우 농가에서 별도로 고가의 토양수분센서 등을 구입하지 않아도 자신의 토양특성과 재배이력을 알면 일별로 토양수분을 평가할 수 있는 토양수분예측 모형을 개발하고자 하였다.
- 본 시험은 농경지에서 간단한 일 기상자료와 관개이력으로 물 수지 및 토양수분함량을 일단위로 추정하기 위하여 AFKAE0.5 토양수분추정모형을 개발하고 이를 검증을 하고자 하였다. 다양한 토양의 특성을 단순화 하기 위해 대상토양을 300mm의 균일한 토양으로 가정하였고 대상 토양지하에서 물 이동을 정의하기 위하여 토양수분장력에 따른 3개의 수분영역을 설정하여 투수량과 상승량을 산출하여 물 수지에 반영하였다.
가설 설정
- 실제로 특정일의 토양수분함량을 알기위해서는 Eq. (2)의 과정이 과거부터 계속 반복되어야 연속적인 산출에 의해 정확한 토양수분함량을 알 수 있을 것이다.
- 두 번째로 토양수분의 이동은 토양의 수분포텐셜의 차이에 따라 이동방향과 속도가 결정된다. 그러나 실제 포장의 토양에서 정확하게 이를 일별로 산출하는 것은 쉽지 않다.
- 작물이 재배되고 있는 농경지 토양은 지역, 지형, 토성 등 매우 다양한 특성을 가지고 있으며 심지어 같은 작물이 재배되고 있는 동일포장에서도 이질성이 크기 때문에 토양수분의 이동과 수지를 세부적으로 표현하기는 매우 어려운 측면이 있다. 따라서 본 연구는 농가에서 사용할 수 있는 실용적인 측면을 강조하고자 하였기 때문에 포장내의 다양성과 이질성을 반영하기보다는 AFKAEN0.5에서는 2가지의 가설을 적용하여 토양의 수분이동을 정의하였다.
- 물 유출량은 강우량이 많을 때 발생하는 것으로 가정하였으며 포장의 토성별로 과포화 될 수 있는 토양수분장력을 설정하고 이를 초과하는 물은 유출되는 것으로 산정하였다.
제안 방법
- 2006년 공주시 지역내 고추포장을 대상으로 개발모형을 모의하였으며 이를 검증하기 위하여 각각의 물 수지 요소 및 토양수분 변화량을 측정하였다. 먼저 투입요인으로 강수량은 포장 주위에 기상관측기를 설치하여 직접 측정을 하였으며 토양수분변화량을 측정하기 위해 층위별 토양수분센서 (Sentek, EasyAG, Austrailia)를 설치하여 작물재배기간 중 10cm 간격으로 토양수분함량을 1시간 간격으로 측정하여 10, 20, 30cm 층위에서 나온 값을 1일로 평균한 후 합하여 해당일의 토양수분함량을 설정하여 모의한 값과 비교를 하였다.
- 토양 물수지에서 투입요인으로는 강우, 관개, 수분 상승량을 설정하였고 산출요인으로는 증발산, 유거, 투수량을 설정하여 모형을 개발하였다. 각 요인의 물량 산출을 위한 추정모형은 문헌 및 보고서를 이용하여 작성하였으며 모형을 검증하기 위해 공주지역 고추포장을 대상으로 작부기간 동안 AFKAE0.5 모형을 이용하여 모의하여 물 수지를 산출하였으며 모형의 검증을 위하여 실제 포장에서 층위별 센서를 이용하여 측정한 토양수분함량 변화 값을 비교하였다.
- 5 토양수분추정모형을 개발하고 이를 검증을 하고자 하였다. 다양한 토양의 특성을 단순화 하기 위해 대상토양을 300mm의 균일한 토양으로 가정하였고 대상 토양지하에서 물 이동을 정의하기 위하여 토양수분장력에 따른 3개의 수분영역을 설정하여 투수량과 상승량을 산출하여 물 수지에 반영하였다. 토양 물수지에서 투입요인으로는 강우, 관개, 수분 상승량을 설정하였고 산출요인으로는 증발산, 유거, 투수량을 설정하여 모형을 개발하였다.
- 그러나 실제 포장의 토양에서 정확하게 이를 일별로 산출하는 것은 쉽지 않다. 따라서 이러한 문제들을 해결하기 위하여 대상 토양 내 수분이동은 무시하였으며 토양 내 수분함량에 따라 영역을 3가지로 설정하고 토층 300 mm 이하의 토양과 대상 토양과의 토양수분 이동의 방향성을 정의하여 토양 내 수분이동을 단순화하였다. 제1수분영역은 토양의 포화수리전도도에 의해 물 이동이 영향을 받는 범위로서 대상 300 mm 토양에 존재하는 수분이 아래로 이동하는 범주를 말한다.
- 2006년 공주시 지역내 고추포장을 대상으로 개발모형을 모의하였으며 이를 검증하기 위하여 각각의 물 수지 요소 및 토양수분 변화량을 측정하였다. 먼저 투입요인으로 강수량은 포장 주위에 기상관측기를 설치하여 직접 측정을 하였으며 토양수분변화량을 측정하기 위해 층위별 토양수분센서 (Sentek, EasyAG, Austrailia)를 설치하여 작물재배기간 중 10cm 간격으로 토양수분함량을 1시간 간격으로 측정하여 10, 20, 30cm 층위에서 나온 값을 1일로 평균한 후 합하여 해당일의 토양수분함량을 설정하여 모의한 값과 비교를 하였다. 모의 및 검정된 대상 포장은 세부정밀 토양도에 근거하였을 때 안룡통 (Anryong-series)으로 경사가 2-7% 이내로 과거 벼를 재배하였던 토양으로 사양질 토양으로 평가되었다.
- 모의 및 검정된 대상 포장은 세부정밀 토양도에 근거하였을 때 안룡통 (Anryong-series)으로 경사가 2-7% 이내로 과거 벼를 재배하였던 토양으로 사양질 토양으로 평가되었다. 모의된 기간은 1월 1일부터 12월 31일까지 모의되었으며 토양수분함량의 변화량은 작부기간인 5월 20일에서 9월 23일까지 토양수분센서로 측정된 값이 있어 이 기간에 대해 모형 검증을 수행하였다.
- 여기서 △S는 토양수분함량 변화량 (mm), R은 강우량, Ir은 관개량, Up은 수분상승량, ET는 증발산량, Rf는 표면 유출량, Down은 수분투수량이고 이다. 물의 유입요인으로는 강우량, 관개량 등을 설정하였으며 가설에서 정의된 바와 같이 토양수분이 제2수분영역에 있을 때 지하토양에서 계로 상승하는 토양수분량을 추가하였으며 유출요인으로는 증발산량 및 수분 투수량과 함께 토양수분이 제1수분영역에 있을 때 지하 토양으로 투수되는 수분의 양으로 설정하였다.
- 이를 위해 전전일의 토양수분함량을 근거로 하여 기상 등을 고려한 물수지를 계산하여 전일 토양수분함량을 계산하여 다음 날로 다시 돌려주는 모형이다. 본 모형은 일별 기상자료를 기반으로 토양 내 수분이동, 작물재배 시 영농활동 등을 고려하여 당일의 토양에 투입되는 물과 계의 밖으로 빠져나가는 산출량을 계산하는 물 수지 모형을 Fig. 1과 같이 설정하고 이를 Eq. (1)과 같이 수식화하여 토양수분함량을 산출하였다.
- 이를 대표적으로 해결하기 위해서는 토양수분함량을 수분포텐셜로 표현하여 방향성과 양을 결정하는 방법이 사용하여야 한다. 수분함량 대표적으로 대상 토양 300 mm와 아래 토양과의 수분이동의 방향성을 규정하고 그 양을 산출하여 일별 물 수지 및 토양 수분함량을 표현할 수 있도록 하였다. 제1수분 영역은 토양이 포화수준에 있을 경우를 말하는데 토양수분 장력이 10 kPa 미만 때를 말하며 이 상태에서는 토양수분이 지하로 투수되는 것으로 정의한다.
- 첫 번째로는 작물의 뿌리가 가장 많이 존재하고 있는 표토와 심토를 합쳐 300mm의 깊이의 토양을 수분이동 및 저장의 대상으로 설정하였고 동일포장에서는 균질한 토성을 가지고 있는 것으로 가설을 설정하고 토양수분 수지 및 이동모형을 개발하였다. 지금까지 우리나라에서 연구되어온 토양분야에서 얻을 수 있는 자료의 경우 토양조사 등을 통해 포장의 토성 자료를 얻을 수 있기 때문에 대상 포장의 토성을 알 수 있으면 토양수분이동을 좀 더 정밀하게 계산해 낼 수 있기 때문이다.
- 다양한 토양의 특성을 단순화 하기 위해 대상토양을 300mm의 균일한 토양으로 가정하였고 대상 토양지하에서 물 이동을 정의하기 위하여 토양수분장력에 따른 3개의 수분영역을 설정하여 투수량과 상승량을 산출하여 물 수지에 반영하였다. 토양 물수지에서 투입요인으로는 강우, 관개, 수분 상승량을 설정하였고 산출요인으로는 증발산, 유거, 투수량을 설정하여 모형을 개발하였다. 각 요인의 물량 산출을 위한 추정모형은 문헌 및 보고서를 이용하여 작성하였으며 모형을 검증하기 위해 공주지역 고추포장을 대상으로 작부기간 동안 AFKAE0.
- 토양에서 유출량 (Rf)을 산정하기 위하여 토양에서 일정 토양수분장력의 과포화 수준을 9 kPa을 설정하였으며 토성별로 9 kPa일 때의 수분함량을 산정하여 아래와 같은 수식을 적용하였다.
- 한편, 본 모형에서 다른 토양 물수지 모형과 달리 토양수분함량 변화량 산출식에서 Up (상향)과 Down (하향)으로 표시된 수분 상승량 및 투수량은 현재의 토양수분함량을 가설에서 정의된 영역에 포함되었을 경우 방향성을 결정하고 그 양을 산출하였다. 토양에서 지하로 배수되는 경우는 정의된 가설과 같이 대상 토양이 제1수분영역에 있을 경우이며 이 경우는 점토, 모래 함량을 이용한 Saxton의 포화수리전도도 추정모형을 이용하여 투수되는 1일 물량을 산정하였다. 토양수분 상승량을 결정하기 위해 Oh et al.
- 한편, 본 모형에서 다른 토양 물수지 모형과 달리 토양수분함량 변화량 산출식에서 Up (상향)과 Down (하향)으로 표시된 수분 상승량 및 투수량은 현재의 토양수분함량을 가설에서 정의된 영역에 포함되었을 경우 방향성을 결정하고 그 양을 산출하였다. 토양에서 지하로 배수되는 경우는 정의된 가설과 같이 대상 토양이 제1수분영역에 있을 경우이며 이 경우는 점토, 모래 함량을 이용한 Saxton의 포화수리전도도 추정모형을 이용하여 투수되는 1일 물량을 산정하였다.
대상 데이터
- 구축된 AFKAE0.5 모형의 모의를 위해 2006년 공주에 있는 안룡통 고추재배 포장을 대상으로 하였다. 포장에 고추정식은 5월 10일이었으며 수확은 8월 30일이었다.
- 먼저, 관측자료에 의해 정의되는 물량으로서 R로 표시된 강수량은 일별 기상자료를 기반으로 토양에 유입되는 물의 양을 알 수 있으며 본 모형에서 이용 가능한 기상자료로는 대상 포장이 포함되어 있는 기상청, 농진청 등에서 제공하는 해당지역의 일별 강수량 자료를 사용할 수 있다. 만일 해당 포장에 기상관측 장비를 설치하여 일 단위 이하로 측정을 하였을 경우 더 정확한 물량을 산출 할 수 있을 것이다.
- 먼저 투입요인으로 강수량은 포장 주위에 기상관측기를 설치하여 직접 측정을 하였으며 토양수분변화량을 측정하기 위해 층위별 토양수분센서 (Sentek, EasyAG, Austrailia)를 설치하여 작물재배기간 중 10cm 간격으로 토양수분함량을 1시간 간격으로 측정하여 10, 20, 30cm 층위에서 나온 값을 1일로 평균한 후 합하여 해당일의 토양수분함량을 설정하여 모의한 값과 비교를 하였다. 모의 및 검정된 대상 포장은 세부정밀 토양도에 근거하였을 때 안룡통 (Anryong-series)으로 경사가 2-7% 이내로 과거 벼를 재배하였던 토양으로 사양질 토양으로 평가되었다. 모의된 기간은 1월 1일부터 12월 31일까지 모의되었으며 토양수분함량의 변화량은 작부기간인 5월 20일에서 9월 23일까지 토양수분센서로 측정된 값이 있어 이 기간에 대해 모형 검증을 수행하였다.
- 모의를 위한 입력자료로 해당 지역의 기상자료를 기상청 인터넷 서비스로 강수량, 최고기온, 최저기온, 평균기온, 평균풍속, 평균상대습도, 일조시간 등을 일 단위로 제공받아 사용하였다 (KMA, 2006).
데이터처리
- (2)와 같이 전일 토양수분함량을 순차적으로 당일로 되돌리는 루프 수식을 포함하고 있다. 각 요소별로 얻어진 값들을 계산하기 위하여 MS Excel 프로그램을 이용하여 작성하였다.
- 5 모형의 타당성을 검증할 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 본 시험에서도 층위별 토양센서를 작부기간동안 대상 포장토양에 설치하여 모니터링 한 결과를 AFKAE0.5 모형 모의에 산출된 토양수분함량 변화를 일별로 비교하였으며 그 결과는 Fig. 7과 같았다.
이론/모형
- ET는 일 증발산량을 말하며 증발산을 추정하기 위해 많은 모형들이 제안되었으나 Blaney-Criddle 모형이나 Penman 모형 등이 1주일에서 10일 이상의 평균 기상자료를 이용하는 반면 FAO Penman-Monteith 모형은 1일 증발산량이나 시간 단위의 증발산량 예측이 가능하기 때문에 본 모형에 적용하였다. FAO Penman-Monteith 모형의 산출모형식은 Hur et al. (2006)에서 제안된 모형을 도입하여 사용하였다.
- 개발된 농경지 물수지 및 토양수분 변화량 예측 모델은 AFKAE0.5 (Assessment program for Korean Agricultural Environment V. 0.5)으로 명명하였다. 작물이 재배되고 있는 농경지 토양은 지역, 지형, 토성 등 매우 다양한 특성을 가지고 있으며 심지어 같은 작물이 재배되고 있는 동일포장에서도 이질성이 크기 때문에 토양수분의 이동과 수지를 세부적으로 표현하기는 매우 어려운 측면이 있다.
- 토양에서 지하로 배수되는 경우는 정의된 가설과 같이 대상 토양이 제1수분영역에 있을 경우이며 이 경우는 점토, 모래 함량을 이용한 Saxton의 포화수리전도도 추정모형을 이용하여 투수되는 1일 물량을 산정하였다. 토양수분 상승량을 결정하기 위해 Oh et al. (1997)에서 제시된 토양수분장력에 따라 토양의 토성별 지하수 모세관 상승 잠재력을 이용하여 아래와 같은 Eq. (3)을 만들어 상승량을 결정하였다.
성능/효과
- 본 모형은 단순하게 수학적으로 계산하여 가기 때문에 토양의 다양하고 세부적인 특성을 반영하지 못하는 것으로 판단된다. 그러나 일별 나타나는 경향은 매우 비슷한 것으로 평가되며 특히, 토양이 건조기에 들어설 때 잘 맞는 경향이 있어 한발 등의 예측이나 관개시점 설정에 매우 유용할 것으로 사료되었다.
- 대상 포장에 대해 AFKAE0.5 모형의 모의 결과 투입부분으로 연간 강우, 관개, 수분상승량은 각각 1,043, 0, 207 mm이었으며 산출요인으로 증발산, 유거, 투수량은 각각 831, 309, 161 mm로 산출되어 투입된 물보다 산출된 물의 양이 88 mm 많았다. 또한 작부기간중 증발산량에 대해 지하에서 상승하는 수분량이 24.
- 5 모형의 검증은 기상이나 관개량의 경우 입력 자료이므로 별도의 조사가 필요 없으며 유출량, 증발산, 상승량, 투수량 등은 정확하게 측정을 하기 위해서는 많은 노력이 필요하지만 그 마저 일반 농가포장에서는 정확하게 측정하기가 매우 어렵다. 따라서 물수지에 대한 검증은 토양내 수분함량을 주기적으로 측정한 자료를 일별로 분석할 수 있으며 모형에서도 토양수분함량을 일별로 표현할 수 있기 때문에 이들을 비교하면 개발된 AFKAE0.5 모형의 타당성을 검증할 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 본 시험에서도 층위별 토양센서를 작부기간동안 대상 포장토양에 설치하여 모니터링 한 결과를 AFKAE0.
- 5 모형의 모의 결과 투입부분으로 연간 강우, 관개, 수분상승량은 각각 1,043, 0, 207 mm이었으며 산출요인으로 증발산, 유거, 투수량은 각각 831, 309, 161 mm로 산출되어 투입된 물보다 산출된 물의 양이 88 mm 많았다. 또한 작부기간중 증발산량에 대해 지하에서 상승하는 수분량이 24.7%에 해당되어 건조기에 지하에서 모세관 등을 통해 상승하는 양도 상당한 것을 알 수 있었다. 작부기간 중 토양수분 측정값과 AFKAE0.
- 본 모형은 토성에 따른 토양수분곡선에서 과포화 수준을 토양의 최대 용수량으로 설정하였기 때문에 토성에 따라 최대 수분함유량이 결정되어 지는데 센서에서 측정된 값과 잘 일치하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 강우나 관개가 없어 건조가 진행되는 동안 수분감소가 되는 경사가 모형과 측정치간 절대적인 수분함량에서는 차이가 있지만 전반적으로 잘 일치하고 있다.
- 6과 같았다. 본 모형은 토양이 가질 수 있는 최대 수분함량이 9 kPa로 한정되어 있기 때문에 집중강우가 연속적으로 올 경우에는 최대 토양수분함량 값에서 연속적인 수평직성으로 나타남을 알 수 있었다. 연간 토양수분함량은 작부기간 이외에도 강우에 토양수분함량이 영향을 받으며 시험 포장의 경우 토양수분의 감소 기울기가 강우가 많이 온 직후와 계속적으로 건조해지는 상태와 차이가 발생하고 있음을 알 수 있었다.
- 위에서 정의한 가설을 토대로 토양내 수분함량은 토층 300 mm의 토양내 수분함량으로 정의할 수 있으며 토양의 구성비율이 토양 (고상) 50%, 공기 (기상) 20%, 수분 (액상) 25%, 유기물 (고상) 5%라 하면 본 모형에서 토양수분함량은 용적비로 75 mm가 있는 것이라 할 수 있다. 개발된 모형은 기상청, 농진청 등에서 제공되는 일별 기상자료를 근거로 토양수분함량을 추정할 수 있도록 설계가 되어 있기 때문에 전날의 토양수분함량을 최종적으로 표현하게 된다.
- 7%에 해당되어 건조기에 지하에서 모세관 등을 통해 상승하는 양도 상당한 것을 알 수 있었다. 작부기간 중 토양수분 측정값과 AFKAE0.5 모형의 모의 값과 토양수분함량의 변화를 일별로 비교한 결과 포화되었을 때의 수분함량이 유사하였으며 건조에 따른 수분함량 일별 감소비율이 매우 유사하게 나타나고 있어 모형이 적합한 것으로 평가되었다.
- 일부 제1수분영역을 제외하고 대부분의 토양수분 상태는 제2수분영역에 포함되어 있으며 모의에 의해 계산된 수분 상승량은 연간 207 mm이며 작부기간인 5월에서 10월까지는 119 mm이었다. 작부기간동안 증발산량과 비교하였을 때 일별 차이가 있지만 토양수분량은 평균적으로 증발산량의 24.7%를 차지하였다. 실제로 설치된 층위별 토양수분센서를 30분 또는 1시간 간격으로 모니터링을 한 결과를 보면 일중 토양수분 상승량이 관측되며 그 양은 모의된 토양수분 상승량과 비슷하였다.
- 4와 같았다. 토양수분장력에 따라 3개의 수분영역을 일별로 구분한 결과 제3수분영역에 포함되는 날은 없었으며 이는 조사된 해의 심한 한발조건에 이른 시기가 없었다고 판단할 수 있었다. 토양 내 수분이 지하로 투수되는 제1수분영역에 포함된 부분은 Fig.
후속연구
- 개발된 AFKAE0.5 토양 물수지 및 수분추정 모형은 농가에서 손쉽게 자가 포장에 대한 기본적인 영농이력을 알고 있으며 포장의 수분상태를 알 수 있고 적정관개를 할 수 있는 유용한 도구로서 역할을 할 것으로 기대된다.
- 먼저, 관측자료에 의해 정의되는 물량으로서 R로 표시된 강수량은 일별 기상자료를 기반으로 토양에 유입되는 물의 양을 알 수 있으며 본 모형에서 이용 가능한 기상자료로는 대상 포장이 포함되어 있는 기상청, 농진청 등에서 제공하는 해당지역의 일별 강수량 자료를 사용할 수 있다. 만일 해당 포장에 기상관측 장비를 설치하여 일 단위 이하로 측정을 하였을 경우 더 정확한 물량을 산출 할 수 있을 것이다. Ir로 표시되는 관개량은 실제 작물재배시 포장에 관개되는 물량으로 현지 농가에 의해 계산되는 물량이다.
- 본 모형에서는 일반적인 농경지의 물수지를 평가하는 것도 중요하지만 토양수분함량의 변화가 가장 중요한 요인으로 판단되었으며 증발산량 및 유출량도 토양수분함량 변화에 따라 신뢰성을 활보할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 일부 토양수분 추정 모형의 경우 토양의 층위를 수 mm 단위로 구분하여 순차적인 토양수분장력에 따른 이동을 해석하기도 하지만 실제 작물을 재배하는 농가에서는 관개시점 및 가뭄의 시작 등이 중요한 관심사항이기 때문에 본 모형을 프로그램화 하여 보급한다면 고가의 토양수분 측정장치가 없어도 손쉽게 포장의 수분상태를 판단하고 작물에 따른 적정 관개 및 포장관리가 가능할 것으로 기대된다.
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