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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 시설재배지 규모와 특성을 고려하여 점적기의 종류에 따른 관개 균일성을 평가하였다. Fig.
- 또한 점적관개 시설은 작물의 생육 기간에 따른 적정 토양수분을 유지하고 효율적인 물관리를 통한 수량 증대, 품질의 향성, 노동력 절감 등을 위하여 사용할 수 있는 관개 방법으로 인식되어 왔다. 본 연구에서는 우리나라의 시설재배 특성을 반영하여 적정 관개량을 제어할 수 있도록 효율적인 점적관개 설계를 위한 emitter의 관개 균일성을 검토하고, 점적기별 성능 평가를 수행하였다. 점적 관개 시 거리에 따른 압력별 유량의 변화 실험을 수행하여 관개 균일도 평가 및 압력-유량과의 관계를 규명하였다.
- 본 연구에서는 점적관개시설의 성능 평가를 위하여 국내에서 사용되는 9 개의 emitter를 선정하여 점적관개 설계를 위한 관개 균일성 실험을 실시하고, 점적기별 성능 평가를 수행하였다. 실험 결과로부터 점적관개를 위한 관개 시간, 점적 라인 설치, 파괴압력 등, 적정 점적관개 시스템의 설계 및 운영에 필요한 기초 자료를 구축하고, Hazen-Williams 공식을 적용하여 압력과 관개량의 관계를 모의하여 향후 자동 관개시스템 설계를 위한 자료로서 활용될 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 점적라인 설계 시 설계범위 결정을 위한 기초자료로서 점적라인의 파괴압력수두를 측정하였다. Emitter의 점적 간격별로 3 반복 실험을 수행하였으며, 그 결과는 Table 4에 도시한 바와 같다. NK 사의 경우 10, 15, 20, 30 cm 점적기 간격별 파괴압력수두는 59.
- 관개 균일도를 평가하기 위한 지표로는 균등계수 (coefficient of uniformity, CU), 분배 균등계수 (distribution uniformity, DU), 통계적 균등계수 (statistical uniformity, Us와 유출균등계수 (emission uniformity, EU) 등이 있으며, 본 연구에서는 점적 관개 균일도 평가에 적합한 지표를 선정하였다. 통계적 균등계수 (식 (1))는 emitter 유량의 변이정도를 나타내는 계수로서 Christiansen (1942)이 제안한 균등계수를 활용하여, emitter 유량의 변이도를 정량적으로 평가하는 도구이다 (Bralts et al.
- 점적 관개 시 거리에 따른 압력별 유량의 변화 실험을 수행하여 관개 균일도 평가 및 압력-유량과의 관계를 규명하였다. 또한 점적 관개 설계 시 설계범위 결정을 위한 파괴 압력을 측정하였으며, 실험 결과를 기초자료로 활용하여 관개 시스템 설계를 위한 관개 모의를 통하여 Hazen-Williams 계수를 산정하여 설계에 활용될 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 시설재배 특성을 반영하여 적정 관개량을 제어할 수 있도록 효율적인 점적관개 설계를 위한 emitter의 관개 균일성을 검토하고, 점적기별 성능 평가를 수행하였다. 점적 관개 시 거리에 따른 압력별 유량의 변화 실험을 수행하여 관개 균일도 평가 및 압력-유량과의 관계를 규명하였다. 또한 점적 관개 설계 시 설계범위 결정을 위한 파괴 압력을 측정하였으며, 실험 결과를 기초자료로 활용하여 관개 시스템 설계를 위한 관개 모의를 통하여 Hazen-Williams 계수를 산정하여 설계에 활용될 수 있도록 하였다.
- 1에 도시한 바와 같이 실험은 경기도 수원시에 위치한 원예연구소 시험 포장에 점적 관개 시스템을 구성하여 수행하였으며, 국내외 간격별 (10, 15, 20, 30 cm) 압력보상 버튼이 있는 점적 관개 테이프 (chip-type) 및 비압력 보상형 점적 관개 테이프 (band-type)를 100 m 길이로 설치하였다. 점적관개 시스템 구성 후 10 m 간격으로 압력계를 설치하여 압력 강하로 인한 손실수두를 측정하고, 각 지점에 비커를 설치하여 유량을 측정하여 지점별 점적기 유량 및 압력의 차이를 분석하였다 (Table 1).
- 점적라인 설계 시 설계범위 결정을 위한 기초자료로서 점적라인의 파괴압력수두를 측정하였다. Emitter의 점적 간격별로 3 반복 실험을 수행하였으며, 그 결과는 Table 4에 도시한 바와 같다.
- 점적라인 설계기준압력은 점적라인 최후방 emitter의 구동압력으로 결정되며 본 연구에서는 점적라인에서의 emitter 구동압력 변화실험의 결과를 바탕으로 모의에 적용되는 설계기준압력을 선정하였다. NK 사의 10 cm 간격의 점적라인을 대상으로 5, 7, 9, 12 m 설계기준압력에 대하여 C 값의 변화에 따른 emitter 구동압력의 변화를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 시설재배지 규모와 특성을 고려하여 점적기의 종류에 따른 관개 균일성을 평가하였다. Fig. 1에 도시한 바와 같이 실험은 경기도 수원시에 위치한 원예연구소 시험 포장에 점적 관개 시스템을 구성하여 수행하였으며, 국내외 간격별 (10, 15, 20, 30 cm) 압력보상 버튼이 있는 점적 관개 테이프 (chip-type) 및 비압력 보상형 점적 관개 테이프 (band-type)를 100 m 길이로 설치하였다. 점적관개 시스템 구성 후 10 m 간격으로 압력계를 설치하여 압력 강하로 인한 손실수두를 측정하고, 각 지점에 비커를 설치하여 유량을 측정하여 지점별 점적기 유량 및 압력의 차이를 분석하였다 (Table 1).
데이터처리
- Hazen-Williams 공식을 이용한 관개 모의 결과의 검증을 위하여 실측 값과 비교를 하였으며, Table 5와 Fig. 7에 도시한 바와 같이 모형의 결과 값은 실측 값과 고도의 유의성을 보였다. 10 cm, 15 cm, 20 cm 점적 라인의 모의 결과, C 값은 110, 122, 128로 산정되었으며, 30 cm 점적 라인의 경우 C 값은 61로 산정되어 다른 간격의 점적기와 상이한 차이를 보였다.
- Hazen-Williams 공식의 유속계수인 C 값을 변화시킴으로써 모형을 보정하였으며, 모형 보정 방법으로 단순시행착오법을 적용하였다. 목적함수로서 RMSE (Root Mean Square Error)를 이용하였으며 모형의 추정 오차를 평가하기 위하여 결정계수 (R2)를 산정하였다. 매개변수 보정을 위한 공식은 식 (5)와 같다.
이론/모형
- Hazen-Williams 공식의 유속계수인 C 값을 변화시킴으로써 모형을 보정하였으며, 모형 보정 방법으로 단순시행착오법을 적용하였다.
- 관개시스템 모의설계를 위한 기초자료로서 Hazen-Williams 공식을 적용하여 점적라인의 구동압력을 모의 하였으며, 모의결과를 실측치와 비교하여 모형을 보정하였다. Hazen-Williams 공식의 유속계수인 C 값을 변화시킴으로써 모형을 보정하였으며, 모형 보정 방법으로 단순시행착오법을 적용하였다.
- 관망 해석을 위한 마찰손실수두 방정식은 일반적으로 식 (3)과 같이 Hazen-Williams 공식을 사용하며, 관 마찰계수의 산정은 유속계수인 C 계수를 이용하여 정량화한다.
- 관망 해석을 위한 마찰손실수두 방정식은 일반적으로 식 (3)과 같이 Hazen-Williams 공식을 사용하며, 관 마찰계수의 산정은 유속계수인 C 계수를 이용하여 정량화한다. 본 연구에서는 실험 결과로부터 점적 테이프의 특성을 고려하여 관개 모의를 수행하였으며, 모의 프로그램의 지배방정식으로 Hazen-Williams 공식을 사용하였다 (Karmeli et al., 1985).
성능/효과
- 6에 도시한 결과, C 값이 작을수록 압력곡선의 기울기가 가파르게 나타나는 결과를 도출할 수 있었다. 12 m 압력수두를 설계기준으로 적용한 결과 C 값이 100인 경우 점적라인 최전방 emitter의 구동압력과 최후방 emitter의 압력 차이는 7.92 m로 모의되었으며 C 값이 120인 경우 구동압력의 차이는 4.75 m로 산출되었다. 5 m설계기준압력에서 C 값이 100인 경우 구동압력의 차이는 3.
- 75 m로 산출되었다. 5 m설계기준압력에서 C 값이 100인 경우 구동압력의 차이는 3.57 m, 120인 경우는 2.13 m로 나타났으며 설계기준압력이 감소할수록, C 값이 증가할수록 최전방 점적기와 최후방 점적기의 압력 차이는 감소하는 경향을 보였다. Hazen-Willams 식에서 C 값이 클수록 관내의 마찰력이 적은 것을 의미하므로 C 값이 증가함에 따라 압력손실은 감소하도록 산정되며 관로를 통과하는 유량과 구간의 수두손실이 양의 상관관계를 가지므로 설계기준압력이 높을수록 emitter의 압력-유량 특성에 의하여 수두손실이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- Emitter의 관개균일도 평가 결과 NK 사 10 cm 점적 간격 점적 라인의 평균 Us는 91.5 %, 평균 EU는 87.6 %로 산정되었으며, 30 cm 간격의 경우 평균 Us는 96.2 %, 평균 EU는 93.9 %로 나타났다. SW 사 10 cm 간격 점적 라인은 평균 Us는 75.
- NK 사의 10 cm 점적 간격의 점적 라인은 최전방 emitter로부터 10 m 지점 emitter와 90 m 지점 emitter의 구동압력 편차는 3.49 m로서 30 cm 간격의 구동압력 편차 1.43 m 보다 크게 측정되었으며, 제조사가 동일한 점적 라인에 대하여 점적 간격이 좁을수록 구동압력의 편차가 증가하는 경향을 보였다. NK 사의 30 cm 점적간격의 점적 라인이 압력 및 유량의 편차가 가장 낮게 측정되었으며, SW 사의 10 cm 점적간격의 점적 라인이 압력 편차 4.
- 43 m 보다 크게 측정되었으며, 제조사가 동일한 점적 라인에 대하여 점적 간격이 좁을수록 구동압력의 편차가 증가하는 경향을 보였다. NK 사의 30 cm 점적간격의 점적 라인이 압력 및 유량의 편차가 가장 낮게 측정되었으며, SW 사의 10 cm 점적간격의 점적 라인이 압력 편차 4.32 m, 유량 편차 0.55 ℓ/hr로서 압력 및 유량의 편차가 가장 높은 것으로 나타났다.
- SW 사 10 cm 간격 점적 라인은 평균 Us는 75.6 %, 평균 EU는 75.4 %이며, 20 cm 간격의 경우 평균 Us는 91.3 %, 평균 EU는 88.3 %로서 점적 간격에 대하여 NK 사와 유사한 경향을 보였다.
- 2 m로 산정되었고, 측정 결과 파괴압력은 점적라인의 관벽의 두께에 의하여 차이를 보였으나 점적간격이나 제조사의 영향은 미미한 것으로 나타났다. 동일한 점적 간격 20 cm의 제조사별 결과를 살펴보면 NK 사의 경우 61.2 m, SW 사의 경우 38.1 m, NP 사의 경우 42.1 m의 파괴압력수두 결과가 산정되었다. 동일한 점적 간격이라도 제조사마다 파괴압력수두에는 상이한 차이를 보였으며, 점적관개 설계 시 제조사의 파괴압력을 인지하고 운영 시 emitter의 파괴가 발생하지 않도록 구동 압력을 설정해야 한다.
- Table 3과 같이 Us와 EU 모두 점적 간격이 넓을수록 균일도가 높은 결과를 도출하였으며, 구동압력수두는 관개균일도 변화에 대한 영향이 적은 것으로 판단된다. 점적 간격이 좁을수록 균일성 평가 결과가 저조하였으며, 상대적으로 점적 간격이 좁은 SW 사 10 cm 점적간격의 점적라인은 전방부와 후방부의 유량차이에 의하여 균일성 평가 결과 poor로 나타났다. 따라서 간격이 좁은 점적기를 사용할 경우 관개시스템 설계 시 수두손실에 의한 유량의 변화에 유의하여야 할 것이다.
- 점적 라인의 유입 구동압력수두 (20.4, 16.3, 12.2, 8.2 m)를 상이하게 조절하여 점적기별 거리에 따른 압력과 유량의 변화를 측정한 결과, Fig. 3에 도시한 바와 같이 압력 변화는 점적기 간격이 좁은 점적 라인 일수록 변화 폭이 크게 나타났다. 점적 라인의 전방으로부터 후방으로 갈수록 압력이 감소하며, 이에 따라 점적기 유량이 감소하는 경향을 보였으나 유량 변화는 압력 변화에 비하여 경향성이 적은 것으로 나타났다.
- 3에 도시한 바와 같이 압력 변화는 점적기 간격이 좁은 점적 라인 일수록 변화 폭이 크게 나타났다. 점적 라인의 전방으로부터 후방으로 갈수록 압력이 감소하며, 이에 따라 점적기 유량이 감소하는 경향을 보였으나 유량 변화는 압력 변화에 비하여 경향성이 적은 것으로 나타났다. 전방부와 후방부 점적기의 유량이 압력보상 점적기의 특성에 따른 오차 보정에 기인한 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 영농인들과 관개 기술자들에게 점적 관개를 위한 관개 시간, 점적 라인 설치 등, 적정 점적관개 시스템의 설계 및 운영에 필요한 기초자료를 제공함으로써 향후 시설재배의 관개시설 설계에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 점적관개시설의 성능 평가를 위하여 국내에서 사용되는 9 개의 emitter를 선정하여 점적관개 설계를 위한 관개 균일성 실험을 실시하고, 점적기별 성능 평가를 수행하였다. 실험 결과로부터 점적관개를 위한 관개 시간, 점적 라인 설치, 파괴압력 등, 적정 점적관개 시스템의 설계 및 운영에 필요한 기초 자료를 구축하고, Hazen-Williams 공식을 적용하여 압력과 관개량의 관계를 모의하여 향후 자동 관개시스템 설계를 위한 자료로서 활용될 수 있도록 하였다.
- 동일한 점적 간격이라도 제조사마다 파괴압력수두에는 상이한 차이를 보였으며, 점적관개 설계 시 제조사의 파괴압력을 인지하고 운영 시 emitter의 파괴가 발생하지 않도록 구동 압력을 설정해야 한다. 점적라인의 파괴압력은 점적라인 구동 압력 모의를 통하여 설계범위를 산정하기 위한 기초자료로서 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
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