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문제 정의
- 본 연구는 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가하기 위하여 현장에서 채취한 토양의 토성을 판별하여 매개변수를 추정하였으며 모의 프로그램을 구성하여 관개에 의한 토양수분 재분배 모의 결과를 도출하였다. 토조실험을 실시하여 관개에 의한 토양 내 각 지점의 토양수분 변화량을 실측 함으로써 모델의 적용성을 검토하였으며 점적기 관개 간격, 유량 및 관개 시간을 가정하여 토양수분 거동을 모의하고 토양수분 재분배 균일성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 다양한 관개조건에 따른 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가함으로써 시설재배지 점적관개기준을 평가하고자 하였다. 토양 내에서의 수분거동을 토양특성과 관개 조건을 적용하여 모의할 수 있는 프로그램을 구성하였으며, 토조실험 (soil container experiment)을 수행하여 모의 결과와 실험값의 비교를 통해 모델의 적용성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 시설재배지 점적관개기준을 평가하기 위하여 다양한 관개조건에 대하여 토양수분 재분배 균일성을 판별하였다. 토양 내에서의 수분거동을 모의할 수 있는 프로그램을 구성 하기 위하여 3 차원 직교좌표계로 나타낸 Richards equation을 explicit finite difference scheme으로 해석하였으며 모의프로 그램의 계수는 체가름실험을 통한 토성분류와 기 구축된 토성별 수리적 특성 계수를 이용하여 모델에 적용하였다.
가설 설정
- 8 %로서 sandy loam과 loam으로 분류되었으며 초기토양수분 함량은 21 %로 나타났다. 관개시간은 4 시간 관개로 가정하였으며 이때의 유량은 2.25 ℓ/hr이다. 모의 결과 sandy loam의 경우가 loam에 비하여 재분배가 빠르게 진행되는 것으로 나타났으며, loam은 낮은 수리전도도로 인하여 상부격자가 포화되어 관개 초기에 중력방향의 수분이동에 비해 수평방향의 수분이동이 빠른 것으로 나타났다.
제안 방법
- 25 ℓ/hr를 나타냈다. 관개는 4 시간을 실시하였으며 토양수분 센서를 이용하여 시간에 따른 각 지점의 토양수분 함량의 변화를 1분 간격으로 측정하였다. 토양수분변화 측정 과정에서 증발에 의한 토양수분 손실을 차단하기 위하여 관개 이후 토조상부를 밀봉하였다.
- 국내 시설재배지 토양특성을 고려하여 50× 100×100 cm3 크기의 토조 (soil container)에 배수를 위한 자갈, 논토양 40 cm, 밭토양 50 cm를 차례대로 쌓아 점적관개에 의한 토양 내의 토양수분 함량 변화를 측정하기 위한 조건을 형성하였다.
- 토양수분의 거동은 포화 수리전도도가 높은 sandy loam이 loam에 비해 빠르게 나타났다. 상부토층의 포화로 인한 흐름발생을 고려하기 위하여 토양 수분 재분배 모델에서 상부토층의 격자가 포화되면 초과수분량을 수평방향의 인접 격자로 분배시키도록 구성하였다. loam 토양조건에서는 토양의 낮은 수리전도도로 인하여 관개 중 수평방향으로의 수분이동이 중력방향으로의 수분이동보다 빠른 양상을 보였으며 48 시간 후에도 50 cm 이하의 논 토층에는 토양수분의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 시설재배지 점적관개기준을 평가하기 위하여 국내에 상용되는 점적테이프의 유량 및 간격을 고려하여 시간에 따른 토양에서의 토양수분 균일성지수의 변화를 모의하였다. 관개량은 작물생육에 적합한 토양수분상태인 30 kPa～40 kPa을 기준으로 결정하였으며 평가에 적용된 점적관개기준은 Table 3과 같다.
- Department of Agriculture)의 입도조성에 의한 분류방법인 USDA 삼각토양분류법 (soil taxonomy)에 의해 구분된 토양의 종류에 따라 정리하였다. 실험에 사용된 토양의 종류를 파악하기 위하여 입도분석에 체가름 실험과 비중계 실험을 3 회 반복 실시하였다. 체가름 실험은 KS F 2309에 따라 수행하였으며, 비중계 실험은 KS F 2302에 따라 실시하였다.
- 토양 내에서의 수분거동을 토양특성과 관개 조건을 적용하여 모의할 수 있는 프로그램을 구성하였으며, 토조실험 (soil container experiment)을 수행하여 모의 결과와 실험값의 비교를 통해 모델의 적용성을 평가하였다. 이 결과를 바탕으로 모의 프로그램에서 점적관개조건을 가정하여 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가하였다.
- 국내 시설재배지 토양특성을 고려하여 50× 100×100 cm3 크기의 토조 (soil container)에 배수를 위한 자갈, 논토양 40 cm, 밭토양 50 cm를 차례대로 쌓아 점적관개에 의한 토양 내의 토양수분 함량 변화를 측정하기 위한 조건을 형성하였다. 초기토양수분함량을 측정하기 위하여 동일한 용적의 토양을 채취하여 노건조실험을 3 회 반복 실시하였다. 그 결과 밭 토양의 초기토양수분 함량은 21.
- 본 연구에서는 다양한 관개조건에 따른 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가함으로써 시설재배지 점적관개기준을 평가하고자 하였다. 토양 내에서의 수분거동을 토양특성과 관개 조건을 적용하여 모의할 수 있는 프로그램을 구성하였으며, 토조실험 (soil container experiment)을 수행하여 모의 결과와 실험값의 비교를 통해 모델의 적용성을 평가하였다. 이 결과를 바탕으로 모의 프로그램에서 점적관개조건을 가정하여 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가하였다.
- 토양수분 재분배 모델의 적용가능성을 평가하기 위하여 토조 실험결과를 바탕으로 모의결과를 검정하였다. 검정에는 결정계수(R2 : coefficient of determination), 평균제곱오차 (RMSE: Root Mean Square Error), 상대평균절대오차 (RMAE: Relative Mean Absolute Error), Nash-Sutcliffe 모형효율지수 (EI: Efficiency Index)를 적용하였다.
- 토양수분 재분배 평가모델의 검정을 위하여 sandy loam 과 loam의 토양특성계수를 적용한 모의결과와 실험결과를 비교하였으며, R2와 RMSE, RMAE, EI를 각 측정 깊이에 대하여 산정 하였다 (Table 2). 산정 결과 RMSE는 모두 센서의 오차인 3 % 이하로 나타났다.
- 토조실험을 수행하여 관개에 의한 토양수분 상태의 변화를 실측하였으며 실측 값과 모의값을 비교함으로써 모형을 검정하였다. 토양수분 재분배 평가에는 CUC를 적용하였으며 국내 상용되는 점적관개자재의 특성을 고려하여 다양한 관개조건에 대한 CUC 변화를 모의 하였다.
- 관개는 4 시간을 실시하였으며 토양수분 센서를 이용하여 시간에 따른 각 지점의 토양수분 함량의 변화를 1분 간격으로 측정하였다. 토양수분변화 측정 과정에서 증발에 의한 토양수분 손실을 차단하기 위하여 관개 이후 토조상부를 밀봉하였다.
- 토양 내에서의 수분거동을 모의할 수 있는 프로그램을 구성 하기 위하여 3 차원 직교좌표계로 나타낸 Richards equation을 explicit finite difference scheme으로 해석하였으며 모의프로 그램의 계수는 체가름실험을 통한 토성분류와 기 구축된 토성별 수리적 특성 계수를 이용하여 모델에 적용하였다. 토조실험을 수행하여 관개에 의한 토양수분 상태의 변화를 실측하였으며 실측 값과 모의값을 비교함으로써 모형을 검정하였다. 토양수분 재분배 평가에는 CUC를 적용하였으며 국내 상용되는 점적관개자재의 특성을 고려하여 다양한 관개조건에 대한 CUC 변화를 모의 하였다.
- 본 연구는 근군역에서의 토양수분 재분배 균일성을 평가하기 위하여 현장에서 채취한 토양의 토성을 판별하여 매개변수를 추정하였으며 모의 프로그램을 구성하여 관개에 의한 토양수분 재분배 모의 결과를 도출하였다. 토조실험을 실시하여 관개에 의한 토양 내 각 지점의 토양수분 변화량을 실측 함으로써 모델의 적용성을 검토하였으며 점적기 관개 간격, 유량 및 관개 시간을 가정하여 토양수분 거동을 모의하고 토양수분 재분배 균일성을 평가하였다. 이와 같은 과정을 도식화하여 나타내면 Fig.
대상 데이터
- 토양수분 측정센서는 판형 FDR (Frequancy Domain Reflectometry) 센서인 Spectrum 사(社)의 SM100을 사용하였다. 센서의 측정오차는 3 %이며 측정 범위는 6.
데이터처리
- 검정에는 결정계수(R2 : coefficient of determination), 평균제곱오차 (RMSE: Root Mean Square Error), 상대평균절대오차 (RMAE: Relative Mean Absolute Error), Nash-Sutcliffe 모형효율지수 (EI: Efficiency Index)를 적용하였다.
이론/모형
- , 1990). 본 연구에서는 mixed-form Richards equation으로 점적관개에 의한 토양수분 이동을 해석하기 위하여 3차원 직교좌표계로 식을 전개하여 적용하였다.
- Taylor 급수 전개를 이용하여 유한차분법으로 근사하는 방법에는 explicit, implicit 그리고 semi-implicit 방법이 있다. 본 연구에서는 비교적 간단한 해석 방법인 explicit 방법을 사용하였으며, Mixed-form Richards equation의 explicit difference scheme은 다음과 같다.
- 실험에 사용된 토양의 종류를 파악하기 위하여 입도분석에 체가름 실험과 비중계 실험을 3 회 반복 실시하였다. 체가름 실험은 KS F 2309에 따라 수행하였으며, 비중계 실험은 KS F 2302에 따라 실시하였다. 입도 분석 결과 연구에 사용된 밭 토양은 Fig.
- 본 연구에서는 시설재배지 점적관개기준을 평가하기 위하여 다양한 관개조건에 대하여 토양수분 재분배 균일성을 판별하였다. 토양 내에서의 수분거동을 모의할 수 있는 프로그램을 구성 하기 위하여 3 차원 직교좌표계로 나타낸 Richards equation을 explicit finite difference scheme으로 해석하였으며 모의프로 그램의 계수는 체가름실험을 통한 토성분류와 기 구축된 토성별 수리적 특성 계수를 이용하여 모델에 적용하였다. 토조실험을 수행하여 관개에 의한 토양수분 상태의 변화를 실측하였으며 실측 값과 모의값을 비교함으로써 모형을 검정하였다.
- 토양수분 재분배 평가 방법에는 근군역의 토양수분 재분배 균일성을 활용하였으며 토양수분 재분배 균일성을 판별하기 위하여 Christiansen Uniformity Coefficient (CUC)를 적용하였다. Christiansen (1942)은 스프링클러 관개에서 관개균일성을 판별하기 위하여 최초로 CUC를 적용하였으며 이후 Wu and Gitlin (1983)과 Kang et al.
성능/효과
- 1. 실험에 사용된 토양은 체가름실험 결과 sand, silt, clay 성분은 각각 평균 52.6 %, 34.0 %, 12.8 %로서 sandy loam과 loam으로 분류되었으며 초기토양수분 함량은 21 %로 나타났다. 관개시간은 4 시간 관개로 가정하였으며 이때의 유량은 2.
- 2. 모의결과와 실측값을 비교하여 수분변화가 일어난 9개 지점에 대하여 RMSE, RMAE, R2, EI를 산정하였으며 sandy loam에서는 각각 2.00 %, 0.06, 0.57, 0.49, loam에서는 각각 1.36 %, 0.04, 0.84, 0.77로 산정되어 모의결과가 실측값에 근접한 것으로 판단된다.
- 3. 관개기준을 가정하여 CUC를 모의한 결과 상이한 관개조건하에서 CUC의 변화는 장기적으로 큰 차이를 보이지 않았으며 토양수분 재분배는 sandy loam 보다 loam 토양에서 빠른 것으로 나타났다. 이는 토양수분 장력 40 kPa 기준으로 불포화 수리전도도가 loam이 sandy loam에 비하여 높기 때문인 것으로 판단된다.
- 상부토층의 포화로 인한 흐름발생을 고려하기 위하여 토양 수분 재분배 모델에서 상부토층의 격자가 포화되면 초과수분량을 수평방향의 인접 격자로 분배시키도록 구성하였다. loam 토양조건에서는 토양의 낮은 수리전도도로 인하여 관개 중 수평방향으로의 수분이동이 중력방향으로의 수분이동보다 빠른 양상을 보였으며 48 시간 후에도 50 cm 이하의 논 토층에는 토양수분의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 초기토양수분함량을 측정하기 위하여 동일한 용적의 토양을 채취하여 노건조실험을 3 회 반복 실시하였다. 그 결과 밭 토양의 초기토양수분 함량은 21.0 %로 나타났다. 점적기는 설치 위치 조정이 용이한 점적버튼을 활용하였으며 시간 당 유량 측정결과 2.
- Sandy loam과 loam 토양에 대하여 상이한 관개 조건을 적용한 결과 장기적으로는 CUC변화 양상이 다르지 않았다. 단기적으로는 간격이 좁은 점적기를 사용한 Case #1이 토양수분균일성이 안정적으로 나타날 것으로 예상되었으나 적은 유량과 작물 식재간격에 맞는 점적기를 사용한 Case #3이 가장 안정적인 토양수분 재분배 결과를 나타냈다. 따라서 과다설계와 과다관개를 지양하기 위해서는 식재간격에 맞는 점적기를 사용하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
- 관개 중에는 토양의 낮은 수리전도도로 인하여 상부토층이 포화되어 흐름이 발생하였다. 따라서 수평방향의 수분이동이 중력방향의 수분이동보다 빠른 것으로 측정되었으며 관개 후에는 중력방향의 수분이동이 수평방향의 수분이동보다 빠른 결과를 얻었다. 또한 토양의 낮은 수리 전도도로 인하여 관개 시작 후 48 시간이 지나도 50 cm 이하의 논 토양에는 영향이 없는 것으로 확인되었다.
- 토양수분변화가 적은－35 cm 토층과－50 cm 토층에서 R2와 EI가 낮게 산정된 이유는 모의값과 실측값의 변화 경향이 없기 때문에 R2와 EI가 실측값의 기기오차에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 토양수분의 유의미한 변화가 있는 9 개 지점에 대하여 R2와 EI를 산정한 결과 loam의 토양특성계수를 적용한 모델은 R2와 EI가 0.84, 0.77, sandy loam의 토양특성계수를 적용한 모델은 R2와 EI가 0.57, 0.49로 나타났다.
- 따라서 수평방향의 수분이동이 중력방향의 수분이동보다 빠른 것으로 측정되었으며 관개 후에는 중력방향의 수분이동이 수평방향의 수분이동보다 빠른 결과를 얻었다. 또한 토양의 낮은 수리 전도도로 인하여 관개 시작 후 48 시간이 지나도 50 cm 이하의 논 토양에는 영향이 없는 것으로 확인되었다.
- 25 ℓ/hr이다. 모의 결과 sandy loam의 경우가 loam에 비하여 재분배가 빠르게 진행되는 것으로 나타났으며, loam은 낮은 수리전도도로 인하여 상부격자가 포화되어 관개 초기에 중력방향의 수분이동에 비해 수평방향의 수분이동이 빠른 것으로 나타났다.
- 와 RMSE, RMAE, EI를 각 측정 깊이에 대하여 산정 하였다 (Table 2). 산정 결과 RMSE는 모두 센서의 오차인 3 % 이하로 나타났다. 토양수분변화가 적은－35 cm 토층과－50 cm 토층에서 R2와 EI가 낮게 산정된 이유는 모의값과 실측값의 변화 경향이 없기 때문에 R2와 EI가 실측값의 기기오차에 영향을 받은 것으로 판단된다.
- 체가름 실험은 KS F 2309에 따라 수행하였으며, 비중계 실험은 KS F 2302에 따라 실시하였다. 입도 분석 결과 연구에 사용된 밭 토양은 Fig. 2와 같이 sandy loam과 loam의 특성을 갖는 것으로 나타났으며, sand, silt, clay 성분은 각각 평균 52.6 %, 34.0 %, 12.8 %로 나타났다. Schaap et al.
후속연구
- 관개시스템에 대한 평가연구로서 Lee (1999)와 Nam and Kim (2006)은 관개자재의 성능과 수리적 특성을 판별하기 위하여 관개 균일성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 그러나 관개용 수는 토양 내에서 재분배되어 식물에 흡수되므로 관개자재와 관개방법에 대한 평가는 관개 균일성 이외에도 토양수분거동과 토양수분 재분배의 균일성에 관한 연구가 병행되어야 한다. 토양내 수분거동은 관개량과 토성에 따라 상이하기 때문에 현장실험을 통한 토양수분 재분배 균일성 평가는 시간적, 경제적 측면에서 어려움이 발생한다.
- 본 연구에서 산정한 토양수분 균일성 변화는 시설재배지 관개 시스템 설계시 의사결정을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단되며 과다설계와 부적절한 관개자재의 사용 및 운영 여부를 평가하는데 적용될 수 있을 것이다. 하지만 본 연구는 증발과 뿌리흡수를 고려하지 않아 장기적인 평가에는 한계가 있으므로 향후 상부토층에서의 증발과 작물의 뿌리흡수를 고려한 장기 관개에 따른 토양수분 상태에 관한 평가가 진행될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서 산정한 토양수분 균일성 변화는 시설재배지 관개 시스템 설계시 의사결정을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단되며 과다설계와 부적절한 관개자재의 사용 및 운영 여부를 평가하는데 적용될 수 있을 것이다. 하지만 본 연구는 증발과 뿌리흡수를 고려하지 않아 장기적인 평가에는 한계가 있으므로 향후 상부토층에서의 증발과 작물의 뿌리흡수를 고려한 장기 관개에 따른 토양수분 상태에 관한 평가가 진행될 수 있을 것이다.
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