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문제 정의
- 본 연구에서는 토성에 따른 물의 이용효율을 높이면서 재배 작물의 생산성을 최대화하기 위한 효율적인 자동관개 로직을 개발하고자, 수분장력값을 관수 개시점으로 하여 물 공급 유지와 멈춤을 간헐적으로 수행하는 펄스형 관개방식과 측정한 수분장력값을 이용하여 토양수분량을 예측해 재배작물에 적합한 물량을 추가 투입하는 필요물량계산 관수방식을 적용하여 토성이 다른 실험베드에서 2년간 토마토 작물을 재배하면서 토양수분 함량과 장력의 변화를 측정비교하였다. 물공급 30초와 멈춤 30분 및 15분 조건을 이용한 펄스형 관수방식과 필요물량계산 방식에서 얻어진 수분장력값은 목표한 −20kPa 조건에 비해 각각 −42~−8kPa, −20~−10kPa로 나타나 필요물량 계산방식이 균일한 수분장력을 유지하는 측면에서는 유리하였으나 토양수분상태는 상대적으로 습하였다.
- 본 연구에서는 토성에 따른 물의 이용효율을 높이면서 재배 작물의 수확량을 최대화하기 위한 효율적인 관개 로직을 개발하고자, 농가현장에서 사용되고 있는 수분장력 값을 관개시점으로 하여 일정한 시간간격으로 물을 간헐적으로 투입하는 펄스형 관수방법과 농촌진흥청에서 개발한 토양 수분함량을 측정하여 재배작물에 적합한 물량을 추가 투입하는 필요물량계산 관수방법을 이용하여 토성이다른 실험베드에 토마토를 재배하면서 토양수분 함량과 장력의 변화를 실험적으로 측정비교하여 센싱기반 자동관개기술에 필요한 제어 요인을 구명하고자 하였다.
제안 방법
- 점적관수를 위한 펌프 작동시점은 사양토 베드에 설치된 다이키 수분장력계의 값이 (−)20kPa이 되었을 때 펌프에 연결된 솔레노이드에 전원이 자동으로 인가되면서 물 공급이 이루어지도록 하였다. 관개시간의 조절은 2011년과 2012년도에 각각 다른 방법을 적용하였는데 2011년에는 토양 내로 물이 침투하는 시간을 고려하여 펌프 작동과 멈춤시간을 주기적으로 부여하는 펄스형 관개시간 조절방식을 적용하였으며, 2012년에는 농촌진흥청에서 개발한 밭작물 물관리 방법(Hur, 2007)인 필요물량 계산법을 이용하여 관개량을 계산하여 펌프가동시간을 변경하는 방법을 적용하였다.
- 데이터 수집은 다이키 수분장력계의 출력 값인 전압신호와 Sentek 수분함량 센서에서 전송되는 디지털 신호인 SDI-12 인터페이스 신호를 수집하는 데 적합한 DT80범용데이터로거(DataTaker Pty Ltd, Rowville, Australia) 를 사용하여 동시 수집 및 저장(10분 간격)이 가능하도록 하였다. 또한, 실험이 수행된 부산지역과 분석을 수행한 장소(서울)의 원거리에 의한 데이터 수집 문제를 해결하기 위하여 로거에 CDMA 무선송신기를 설치하여 5분마다 로거에서 수집된 데이터를 핸드폰 망을 이용하여 전송하고 무선수신기가 설치된 서버에 데이터를 저장하고 인터넷 웹사이트(www.weblogger.kr)에서 수집된 데이터를 확인하고 다운로드할 수 있도록 하였다.
- 3(왼쪽)에 나타낸 바와 같이 관수개시 후 설정된 지속시간 동안 펌프가 작동하고 설정된 멈춤시간 동안 펌프작동을 멈춘 후 다시 주어진 수분퍼텐셜 조건에 도달하지 않은 경우 펌프가 설정된 지속 멈춤 조건으로 반복 작동하는 방식이다. 본 연구에서 적용한 관수 지속시간과 멈춤시간은 초기에는 30초와 30분으로 설정하여 한달 간 수행하였고, 그 이후 한달 간은 지속시간은 30초를 유지하는 대신 멈춤 시간은 15분으로 변경하였다. 필요물량 계산알고리즘은 Fig.
- 본 연구에서 적용한 사양토의 (−)20kPa은 농촌진흥청 밭작물 물관리기술에서 제시한 수분함량 산출식(Y = −4.029ln(abs(X)) + 31.362, X는 수분 장력 값, Y는 변환된 수분함량 값)을 이용하여 기준 수분함량 값과 측정 수분함량을 환산하여 그 차이 값을 베드면적 1m × 3m, 관개 깊이 30cm 조건에서 필요 물량을 산정하고 펌프의 유량을 고려하여 관수시간을 계산하여 공급하도록 하였다.
- 1). 점적관개에 따른 토양 내 수분장력과 함량 변화를 측정하기 위하여 다이키 수분장력계(DIK-3043, Daiki Rika Kogyo Co., Japan)와 Sentek 축전형 수분센서(EasyAG, Sentek Co, Australia)를 점적라인에 인접하여 설치하였다(Fig. 2). 하우스 내의 온습도 변화는 Vaisala 프로브(Model HMP45A/D, Helsinki, Finland)를 작물 부근 높이 1.
- 점적관수를 위한 펌프 작동시점은 사양토 베드에 설치된 다이키 수분장력계의 값이 (−)20kPa이 되었을 때 펌프에 연결된 솔레노이드에 전원이 자동으로 인가되면서 물 공급이 이루어지도록 하였다.
- 5ton을 충진하여 수행하였다. 토양의 굳힘은 2열 점적라인으로 1주일간 지속적으로 관수한 후 약 30일간 건조시켜 격리베드 내의 토양이 다져지고 위치별로 용적밀도가 최대한 균일한 조건이 되도록 하였다. 그 결과, Table 1과 같이 베드별로 서로 다른 토양 조건이 형성되었음을 확인하였다.
- 362, X는 수분 장력 값, Y는 변환된 수분함량 값)을 이용하여 기준 수분함량 값과 측정 수분함량을 환산하여 그 차이 값을 베드면적 1m × 3m, 관개 깊이 30cm 조건에서 필요 물량을 산정하고 펌프의 유량을 고려하여 관수시간을 계산하여 공급하도록 하였다. 펌프 가동 시간 종료 후 10분 동안 멈춤시간을 적용하여 물이 토양 내로 침투하도록 하였으며 다시 수분 장력을 측정하여 목표한 수분 장력에 도달하였으면 관개가 멈추도록 하였다.
- 2). 하우스 내의 온습도 변화는 Vaisala 프로브(Model HMP45A/D, Helsinki, Finland)를 작물 부근 높이 1.2m에 설치하여 토양수분 값과 함께 측정하였다.
대상 데이터
- 데이터 수집은 다이키 수분장력계의 출력 값인 전압신호와 Sentek 수분함량 센서에서 전송되는 디지털 신호인 SDI-12 인터페이스 신호를 수집하는 데 적합한 DT80범용데이터로거(DataTaker Pty Ltd, Rowville, Australia) 를 사용하여 동시 수집 및 저장(10분 간격)이 가능하도록 하였다. 또한, 실험이 수행된 부산지역과 분석을 수행한 장소(서울)의 원거리에 의한 데이터 수집 문제를 해결하기 위하여 로거에 CDMA 무선송신기를 설치하여 5분마다 로거에서 수집된 데이터를 핸드폰 망을 이용하여 전송하고 무선수신기가 설치된 서버에 데이터를 저장하고 인터넷 웹사이트(www.
- 본 실험은 선행 연구(Kim 등, 2009, 2011)와 같이 국립원예특작과학원 시설원예시험장(부산광역시 소재)의 소형 비닐하우스 내에 나무판으로 제작한 격리베드(1m × 3m × 0.4m, 가로 × 세로 × 높이)에 세 가지 다른 토성(사양토(Sandy loam), 양질사토(Loamy sand), 양토(Loam))의 토양 1.5ton을 충진하여 수행하였다.
- 작물은 2011~2012년 동안 2회에 걸쳐 5월 중순에 토마토를 2열 점적라인에 인접하여 정식하여 6월부터 8월까지 3개월 동안 재배하면서 관개실험을 수행하였다(Fig. 1). 점적관개에 따른 토양 내 수분장력과 함량 변화를 측정하기 위하여 다이키 수분장력계(DIK-3043, Daiki Rika Kogyo Co.
성능/효과
- 5(a))과 15분 멈춤(Fig.5(b)) 조건에서 토양 내 용적수분함량은 사양토, 양토, 양질사토의 조건에서 각각 17~24%, 18~26%, 8.2~10.5%를 나타내었다. 필요물량계산에 의한 지속관수의 경우는(Fig.
- 필요물량계산에 의한 지속관수의 경우는(Fig.5(c)) 사양토, 양토, 양질사토의 경우 19~31%, 21~26%, 14~21%로 나타나 함량 변화폭이 증가하는 경향을 보였는데 이는 필요물량계산 방식이 상대적으로 물 공급이 한번에 많이 이루어졌기 때문인 것으로 판단되었다. 토성별로 수분의 변화정도는 사양토가 양토와 양질 사토에 비해 물공급에 따른 높은 변화정도를 나타내었다.
- 이러한 결과는 물공급에 따른 수분함량의 변화정도가 수분장력에 비해 뚜렷하게 빠른 것과 관계가 있다. 결국, 펄스관개법을 적용할 경우는 수분장력 값보다는 수분함량 값이 시설재배지 토양의 수분관리에 유리한 인자임을 나타내었다. 그 이유는 일정 범위에서 수분 상태를 유지하기 위해서는 측정하는 인자 값이 빠른 반응을 나타내어만 적절한 물공급 제어가 가능하기 때문이다.
- 물공급 30초와 멈춤 30분 및 15분 조건을 이용한 펄스형 관수방식과 필요물량계산 방식에서 얻어진 수분장력값은 목표한 −20kPa 조건에 비해 각각 −42~−8kPa, −20~−10kPa로 나타나 필요물량 계산방식이 균일한 수분장력을 유지하는 측면에서는 유리하였으나 토양수분상태는 상대적으로 습하였다. 공시 토성 모두에서 수분함량은 수분장력에 비해 시간 반응이 빠르면서 물공급에 따라 비례적으로 증가하는 경향이 뚜렷하였다. 수분변화 값은 펄스형 관수와 필요물량계산 관수방식의 경우 사양토 기준으로 각각 17~24%, 19~31%로서 펄스형 관수방식이 수분변화 값이 작으면서 시간에 따라 안정적인 값을 유지한 것으로 나타났는데 이는 물공급에 따른 수분함량의 시간변화가 수분 장력에 비해 뚜렷하게 빠름과 관계가 있는 것으로 판단하였다.
- 관개 지속과 멈춤을 반복하는 펄스형 물공급방식과 물공급량 계산방식의 관개방식은 모두 관개 시점 −20kPa에서 솔레노이드에 전원공급이 이루어지면서 펌프가 구동되어 점적관수 라인을 통하여 물공급이 정확히 이루어짐을 확인하였다.
- 관개시간을 30초로 고정하고 관수멈춤을 15분으로 줄였을 경우는 최소값 기준으로 −42에서 −28kPa로 감소하였는데 수분장력의 변화정도는 상대적으로 작아지면서 유지정도가 개선되는 것을 확인하였다.
- 5에 나타난 바와 같이 시험토양 모두에서 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 물공급이 이루어지지 않을 때에는 수분함량 값은 감소하였고 낮이 밤보다 수분 변화 기울기가 높았는데 이는 낮 동안 활발한 증발산 현상 때문인 것으로 판단하였다. 물공급이 이루어진 후 수분함량 값은 수분장력 값에 비해 상대적으로 시험 토양 모두에서 즉각적이고 빠른 변화를 보였다.
- 물공급 30초와 멈춤 30분 및 15분 조건을 이용한 펄스형 관수방식과 필요물량계산 방식에서 얻어진 수분장력값은 목표한 −20kPa 조건에 비해 각각 −42~−8kPa, −20~−10kPa로 나타나 필요물량 계산방식이 균일한 수분장력을 유지하는 측면에서는 유리하였으나 토양수분상태는 상대적으로 습하였다.
- 또한, 물공급이 이루어지지 않을 때에는 수분함량 값은 감소하였고 낮이 밤보다 수분 변화 기울기가 높았는데 이는 낮 동안 활발한 증발산 현상 때문인 것으로 판단하였다. 물공급이 이루어진 후 수분함량 값은 수분장력 값에 비해 상대적으로 시험 토양 모두에서 즉각적이고 빠른 변화를 보였다. 이러한 결과는 실시간 자동으로 제어하는 측면에서는 수분함량이 더 적절함을 의미한다.
- 공시 토성 모두에서 수분함량은 수분장력에 비해 시간 반응이 빠르면서 물공급에 따라 비례적으로 증가하는 경향이 뚜렷하였다. 수분변화 값은 펄스형 관수와 필요물량계산 관수방식의 경우 사양토 기준으로 각각 17~24%, 19~31%로서 펄스형 관수방식이 수분변화 값이 작으면서 시간에 따라 안정적인 값을 유지한 것으로 나타났는데 이는 물공급에 따른 수분함량의 시간변화가 수분 장력에 비해 뚜렷하게 빠름과 관계가 있는 것으로 판단하였다. 이러한 결과로부터 펄스형 관수방식은 수분함량 값을 이용하여 수분을 조절하는 것이 유리함을 의미한다.
- 관개시간을 30초로 고정하고 관수멈춤을 15분으로 줄였을 경우는 최소값 기준으로 −42에서 −28kPa로 감소하였는데 수분장력의 변화정도는 상대적으로 작아지면서 유지정도가 개선되는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 부터 관개 지속과 멈춤을 고정하는 펄스형 관개방식은 외부 온습도 환경조건 변화에 따라 수분퍼텐셜 유지성능이 크게 영향을 받는 문제가 있는 것으로 나타났다. 결국 관수 지속 및 멈춤 형태의 수분장력관리 방법이 작물재배에 효과적으로 사용되기 위해서는 증발산량 변화에 따라 관수 지속 시간과 멈춤 간격을 연동하여 바꾸어 주는 방식의 적용이 필요함을 의미한다.
- 2012년 6월 26일의 경우 솔레노이드 밸브가 작동하지 않았음에도 수분장력이 증가한 이유는 그 당시 점적관수 라인 연결부위가 헐거워져 수압에 의한 분리현상이 일어나 물탱크 내의 물이 점적라인 연결 끝단에서 자연배수가 이루어지면서 발생하였다. 적용된 물량 계산방식은 외부 환경조건에 의해 건조상태에서 적정 수분상태로 복귀하는데 어려운 펄스형 간헐관개에 비해 수분장력 변화 최소화 측면에서는 유리한 것으로 나타났다. 하지만, 수분 장력의 유지상태는 −20~−10kPa로 상대적으로 높아 개선이 요구되었다.
- 반면에 필요물량계산에 의한 관개방식은 물공급이 지속되는 40~50분 동안 급속히 증가하다가 관개가 멈춘 후 급속히 감소하고 나중에는 증발산에 의해 지속적으로 감소하는 경향이 뚜렷하였다. 즉, 한번에 물을 충분히 투입하여 유지하는 방식에 의해 나타난 결과로서, 적절한 수분함량 값 유지측면에서는 펄스관개법에 비해 불리한 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 앞선 수분장력 값의 변화특성을 고려하였을 때 필요물량계산법은 −10kPa 수준과 같이 비교적 낮은 수분장력을 유지하는 데는 물공급을 적시에 하면서 안정적인 수준의 토양수분을 유지 하는 데 유리하다고 판단하였다.
- 5(c)) 사양토, 양토, 양질사토의 경우 19~31%, 21~26%, 14~21%로 나타나 함량 변화폭이 증가하는 경향을 보였는데 이는 필요물량계산 방식이 상대적으로 물 공급이 한번에 많이 이루어졌기 때문인 것으로 판단되었다. 토성별로 수분의 변화정도는 사양토가 양토와 양질 사토에 비해 물공급에 따른 높은 변화정도를 나타내었다.
- 특히, 30분 멈춤시간을 적용한 2011년 6월 16일의 경우 −20kPa 조건에서 관개가 시작되었음에도 수분장력은 목표 값에 도달하지 않고 계속 감소하여−42kPa까지 도달을 하여 여전히 물이 부족함을 나타내었고 3일 후가 되어서야 목표한 −20kPa에 도달하였다.
후속연구
- 결국 관수 지속 및 멈춤 형태의 수분장력관리 방법이 작물재배에 효과적으로 사용되기 위해서는 증발산량 변화에 따라 관수 지속 시간과 멈춤 간격을 연동하여 바꾸어 주는 방식의 적용이 필요함을 의미한다. 즉, 증발산량이 높은 낮에는 관수 지속시간을 늘리고 멈추는 시간을 줄이는 것이 필요하고, 밤과 같이 증발산량이 적은 경우는 멈추는 시간을 오히려 늘리는 방식을 적용하여 목표한 수분장력의 과부족 조건을 최소화하는 적응제어(adaptive control) 개념이 필요하며 이를 위해 수분센싱 외에 증발산량을 추가적으로 측정하여 관수 시간을 조절하는 방법이 필요할 것으로 나타났다.
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