[논문]원관형 토양샘플러를 이용한 토양물리특성 추정

유지현; 정명관; 박승기

doi:10.5389/ksae.2020.62.1.095

원관형 토양샘플러를 이용한 토양물리특성 추정
Estimation of Characteristic of the Soil Physical using the Pipe Type Soil Sampler 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.62 no.1, 2020년, pp.95 - 104

유지현 (Hwaseong.Suwon District Office, Korea Rural Community Corporation) , 정명관 (Department of Agricultural Engineering, Kongju National University) , 박승기 (Department of Regional Construction Engineering, Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to develop a pipe type soil sampler that can easily collect soil cross section servey and soil samples to conduct ecological environment surveys while minimizing ecological disturbance in the area subject to soil survey. Furthermore, this study develop the exponential type estimation specific weight formula (ESWF) that uses pipe type soil sampler to easily carry out soil cross section survey and soil sample while estimating the specific weight of the area using water content and soil sample length variation ratio (SLVRs) and to obtain apparent specific gravity, hardness, and max. porosity which are used as growth of corps and ecological environment index. The calibration results of ESWF showed a high degree of significance, with NSE for actual specific weight (γ0) and calibration estimation specific weight (γec) 0.95, R2 for 0.954, and RMSE for 0.051. The verification results of ESWF showed a high significance, with NSE for actual specific weight (γ0) and verification estimation specific weight (γev) 0.881, R2 for 0.978, and RMSE for 0.055.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 A design drawing of pipe type soil sampler
그림 Fig. 2 Photo of penetration test of pipe type soil sampler
그림 Fig. 3 Grain size accumulation curve of experimental soil
표 Table 1 Result of soil testing in experimental soil column
그림 Fig. 4 Change characteristics of specific weight and SLVR according to the water content and compaction
그림 Fig. 5 Relation of specific weight and another parameter (apparent specific gravity, hardness and max. porosity)
그림 Fig. 6 Relationship of SLVR and another parameter (specific weight, apparent specific gravity and hardness)
그림 Fig. 7 Relationship of SLVR and specific weight with difference of compaction and water content
표 Table 2 Result of regression analysis of SLVR and specific weight(γ₀)
그림 Fig. 8 Constants and coefficients of the relational expression between specific weight (γ₀) and soil sample length variation ratio (SLVR) according to water content (%)
표 Table 3 Calibration result of the Estimation Specific Weight Formula (ESWF)
그림 Fig. 9 Relationship of actual specific weight (γ₀) and calibration estimation specific weight (γ_ec)
그림 Fig. 10 Relationship of actual specific weight (γ₀) and verification estimation specific weight (γ_ev )
표 Table 4 Verification result of the Estimation Specific Weight Formula (ESWF)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 토양조사 대상지의 생태적 교란을 최소화하면서 토양단면조사와 토양시료를 손쉽게 채취하여 생태환경조사에 적용할 수 있는 할 수 있는 원관형 토양 샘플러를 개발하였고, 다짐정도와 함수비를 다르게 조성한 토양시험체에서 원관형 토양 샘플러로 직접 토양시료를 채취하기 위한 관입시험을 실시하였으며, 원관형 토양 샘플러의 토양샘플 길이 변화율과 토양의 물리적 특성인자와의 상관관계를 구명하여 토양의 물리적 특성값을 유도할 수 있는 추정식을 개발하고 적용성을 검증하였다.
본 연구는 경작지에서 환경 정보 및 생육 정보에 대한 정확한 데이터를 취득하기 위한 토양샘플을 채취하면서 단위중량추정식 (ESWF)으로 단위중량을 구하고 작물의 생육이 필수적인 단위중량과 가비중, 경도, 최대함수비 등 토양의 물리적 특성값을 구할 수 있을 것이다.
토양시료는 토양의 물리적, 화학적, 생물학적, 방사성적 특성을 정량하기 위해 채취한다. 토양특성이 파악되어야 할 때 마다 전체를 실험하는 것은 일반적으로 불가능하기 때문에 가능한 대표성이 높은 샘플의 채취가 필요하다.

제안 방법

단위중량추정식 (ESWF)개발에 사용한 5회의 토양시험체 실험 결과를 사용하여 단위중량추정식 (ESWF)에 대한 보정을 실시하였다. 단위중량추정식의 보정결과는 실측단위중량( \({\displaystyle \gamma }\)₀)과 보정추정단위중량 (\({\displaystyle \gamma }\)_{_\(ev\)})의 NSE가 0.
본 연구에서는 식 (18)을 토양샘플을 채취하면서 해당토양의 단위중량을 추정할 수 있는 단위중량추정식 (ESWF : Estimation Specific Weight Formula)으로 제안한다.
본 연구에서는 토양단면조사와 토양시료를 손쉽게 채취할 수 있는 원관형 토양 샘플러를 개발하였고 이 샘플러를 이용하여 토양시료를 채취하는 과정에서 얻을 수 있는 함수비와 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR)을 이용하여 해당토양의 단위중량을 추정하고 작물의 성장 및 생태환경지표로 활용되는 가비중, 경도, 최대공극율을 구할 수 있는 지수형 단위중량추정식 (ESWF : Estimation Specific Weight Formula)을 개발하였다.
원관형 토양 샘플러로 토양시료를 채취하면서 함수비와 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR)를 구하고, 함께 구한 함수비로 상수 a와 계수 b를 정하며, 상수 a와 계수 b 및 토양 샘플길이 변화율 (SLVR)을 적용하여 토양샘플을 채취하면서 해당 토양의 단위중량을 추정할 수 있는 단위중량추정식 (ESWF)으로 제안하였다.
원관형 토양 샘플러을 이용한 단위중량추정식 (ESWF)개발은 모래, 미사 및 점토의 함량은 각각 50.8%, 43.0%, 6.2%로 사질롬인 토양시험체에서 다짐정도와 함수비를 변화하면서, KSF 규정에 의거하여 토양의 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR), 단위중량, 가비중, 경도 등 토양의 물리적 특성인자값을 구하였고 총 7회 실시하였다. 토양 시험체의 단위중량과 가비중, 경도, 최대 공극량 및 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR)과 단위중량, 가비중, 경도에 대한 상관분석을 실시하여 유의성을 확인하였으며 관계식을 유도하였다.
원관형 토양 샘플러의 관입시험은 토양 시험체의 표면을 1/2로 구획한 후 토양의질-시료채취-제1부:시료 채취프로그램에 관한 지침 (KSIISO10381-1:2009)을 준용하여 “W” 형태로 5회 이상 관입시험을 실시하여 평균값을 취하였다.
원관형 토양 샘플러의 관입이 종료된 후 원관내 깊이를 측정하였다. 토양 샘플 길이 변화량은 식 (2)로 구하였으며 토양샘플 길이 변화율은 식 (3)으로 구하였다.
원관형 토양샘플러상수의 관계식 유도에 사용된 측정값을 사용하여 단위중량추정식 (ESWF : Estimation Specific Weight Formula)에 대한 보정을 실시하고 원관형 토양샘플러상수의 관계식 유도과정에서 유보하였던 토양시험체 단위중량과 토양 샘플 길이 변화율의 실험자료를 활용하여 로 단위중량추정식 (ESWF)의 검증을 실시한다.
토양 시험체의 다짐은 목재 다짐봉 (40 mm× 40 mm× 800 mm, 630 g)을 이용하였으며 다짐층수는 2층으로 하였고 소정의 다짐이 끝난 후 표면을 평탄하게 정리하였다.
2%로 사질롬인 토양시험체에서 다짐정도와 함수비를 변화하면서, KSF 규정에 의거하여 토양의 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR), 단위중량, 가비중, 경도 등 토양의 물리적 특성인자값을 구하였고 총 7회 실시하였다. 토양 시험체의 단위중량과 가비중, 경도, 최대 공극량 및 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR)과 단위중량, 가비중, 경도에 대한 상관분석을 실시하여 유의성을 확인하였으며 관계식을 유도하였다.
토양 시험체의 중량은 천장 크래인에 설치한 고하중 매달림 저울 (Max. 500 kg, Min. 0.2 kg)로 측정하였다. 단위중량은 거푸집 중량을 제외한 순수 시험토의 중량을 거푸집의 내용적 (0.
998로 고도의 유의성을 나타냈다. 함수비에 따른 단위중량과 토양 샘플 길이 변화율의 지수형관계식의 상수와 계수를 추정하기 위한 관계식을 유도하였다.

대상 데이터

단위중량추정식의 검증은 단위중량추정식의 개발 및 보정에서 유보하였던 Table 1의 2, 5번째 시험결과를 대상으로 실시하였다. 그 결과는 Table 4와 같으며 상수 a는 1.
단위중량추정식의 검증은 토양시험체 실험 결과중 단위중량추정식 개발 및 보정에서 유보하였던 2회의 실험결과를 대상으로 실시하였으며 상수 a는 1.345∼1.559, 계수 b는 –0.0117∼-0.0157값을 보였다.
본 연구에 사용한 토양 시험체 시험토의 입도분포특성은 Fig. 3과 같이 모래, 미사 및 점토의 함량은 각각 50.8%, 43.0%, 6.2%로 삼각좌표 분류법에 의하면 사질롬으로 분류되었다 (Chang et al., 2009). D₁₀, D₃₀ 및 D₆₀은 각각0.
토양 시험체의 함수비, 가비중 및 최대 공극율을 구하기 위하여 불교란 시료를 채취하였다. 불교란시료 채취는 ASTM(2006)에서 불교란시료 채취방법으로 제시한 Hand Operated Ring-Lined Barrel Sampler를 이용하였고 토양 시험체 중앙부에서 3회 실시하여 평균값을 취하였으며, 사용된 불교란시료 Can용량은 100 ㎤ 이다.
시험토는 대전광역시 유성구 원촌동 갑천 좌안 저수로 호안공위에 퇴적된 토양을 채취하여 사용하였다. 시험토는 실험실로 운반한 후 그늘에서 건조하였으며 흙의 입도 시험 방법 (KSF2302:2017)에 따라 입도시험을 실시하였다 (Ryu, 2009).
원관형 토양 샘플러는 Fig. 1과 같이 길이 540 mm, 내경 30 mm, 외경 31.4 mm인 스테인레스 강관 파이프로 제작하였다. 원관형 토양 샘플러의 선단부는 20 mm, 중앙부는 10 mm, 손잡이는 110 mm이며 선단부와 중앙부 및 중앙부와 손잡이부의 사이는 파이프의 반을 제거하여 토양단면을 관찰할 수 있도록 하였고 선단부는 경사각을 두어 토양 샘플 채취시 교란을 최소화하였다.
토양 시험체의 거푸집은 다짐과 고하중 매달림 저울로 중량 측정시 외형 및 다진 토양이 흐트러지지 않도록 보강한 합판으로 제작하여 사용하였다. 토양 시험체 거푸집의 규격은 가로, 세로 및 깊이가 각각 415 mm, 500 mm, 500 mm이며 내용적은 0.
토양 시험체의 함수비, 가비중 및 최대 공극율을 구하기 위하여 불교란 시료를 채취하였다. 불교란시료 채취는 ASTM(2006)에서 불교란시료 채취방법으로 제시한 Hand Operated Ring-Lined Barrel Sampler를 이용하였고 토양 시험체 중앙부에서 3회 실시하여 평균값을 취하였으며, 사용된 불교란시료 Can용량은 100 ㎤ 이다.

데이터처리

토양 시험체 측정값의 통계분석은 토양 시험체의 단위중량, 경도, 가비중 등 상호 토양 물리성 인자와의 상관관계 분석과 토양 시험체에서 원관형 토양 샘플러로 측정한 토양 샘플 길이 변화율 (SLVR)과 단위중량, 경도, 가비중 등 토양 물리성 인자의 상관관계분석 및 유의성 검증을 실시한다.
토양 시험체의 경도측정은 토양 시험체의 중앙부에서 야마나까 (山中)경도계를 이용하여 5회 이상 측정하고 그 평균값을 취하였으며, 식 (1)을 이용하여 경도를 환산하였다 (RDA, NAST, 2000).

이론/모형

시험토는 대전광역시 유성구 원촌동 갑천 좌안 저수로 호안공위에 퇴적된 토양을 채취하여 사용하였다. 시험토는 실험실로 운반한 후 그늘에서 건조하였으며 흙의 입도 시험 방법 (KSF2302:2017)에 따라 입도시험을 실시하였다 (Ryu, 2009).
원관형 토양 샘플러의 관입시험은 토양 시험체의 표면을 1/2로 구획한 후 토양의질-시료채취-제1부:시료 채취프로그램에 관한 지침 (KSIISO10381-1:2009)을 준용하여 “W” 형태로 5회 이상 관입시험을 실시하여 평균값을 취하였다. 원관형 토양 샘플러의 관입은 세립토의 함수량관입저항시험방법 (KSF2333:2015)을 준용하여 Fig. 2와 같이 토양 시험체 표면에 수직방향을 유지하면서 200 mm를 약 20초 동안 일정한 속도로 관입하였다 (Ryu, 2009).
토양 시험체는 KSF2312 규정의 건조법에 준하여 시험토가 동일 함수비 상태에서 무다짐, 40회 다짐 및 80회 다짐으로 구분하여 형성하였다. 세립토의 함수량-관입저항시험방법(KSF2333:2015)에서 동일 함수비 조건하에서 함수비-관입저항곡선은 3점 이상을 연결하여야 한다고 규정되어 있다.
함수비는 흙의 함수비 시험 방법 (KSF2306:2015)에 의거하여 측정하였으며 식 (4)를 이용하여 함수비를 산출한다. 가비중 (Ga)은 식 (5)와 같이 불교란시료 Can으로 채취한 시험토의 건조중량을 불교란시료 Can용량으로 나누어 구한다.

성능/효과

흙의 단위중량은 토성, 다짐특성, 흙의 함수량 등에 따라 크게 변화하기 때문에 원관형 토양 샘플러 길이 변화율과의 변화특성이 뚜렷하지 않았으며 다짐횟수에 따라 변화량이 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토양 시료채취의 목적은 어떻게 구분되는가?	토양특성이 파악되어야 할 때 마다 전체를 실험하는 것은 일반적으로 불가능하기 때문에 가능한 대표성이 높은 샘플의 채취가 필요하다. 토양 시료채취의 목적은 일반적인 토양의 질 시험을 위한 시료 채취, 토양도 작성을 위한 특별한 목적의 시료 채취, 법과 규정적 행위를 지원하기 위한 시료 채취, 유해성이나 유해성 평가의 일부로서 시료 채취 등으로 구분된다(KSIISO 10381-1:2009).
	스마트농업을 위한 토양정보는 어떤 것들이 있나?	미래농업은 ICT기술을 활용한 스마트팜 기술을 통해 환경정보 (온도⋅상대습도⋅광량⋅이산화탄소⋅토양 등) 및 생육정보에 대한 정확한 데이터를 기반으로 생육 단계별 정밀한 관리와 예측 등이 가능하여 균일하고 품질 좋은 농산물을 생산하여 농업 경쟁력을 향상시킬 수 있을 것이다 (KREI, 2016). 이 때 경작지에서 스마트농업을 위한 토양정보는 토양수분함량, 토양수분장력, 토양수분 매트릭 포텐셜, 토양의 경도, 가비중, 단위중량 등이 있으며 각각의 토양정보에 적합한 토양센서가 사용되고 있고 이들 토양센서들의 효율적인 운영을 위해 보정과 검증을 위한 토양시료 채취가 필수적이다.
	토양 샘플러 중에서 불교란 샘플러는 어떠한 것들이 있는가?	현재, 토양 샘플러는 다양한 토양조사의 목적에 적용할 수 있도록 개발되었으며 크게 불교란 샘플러, 교란 샘플러로 구분된다. 불교란 샘플러는 피스톤 상태에 따라 얇은관 샘플러, 이중관식 샘플러 및 호일식 샘플러로 구분되고 대구경 불교란 샘플러에는 쉘브록샘플러, 라발샘플러, NGI샘플러 등이 있으며 모래채취샘플러, 블록샘플러, 코아샘플러 등의 특수 불교란 샘플러가 있다. 교란시료와 암석코아 샘플러에는 스프릿배럴, 오거볼링, 싱글 코아 배럴, 더블 코아 배럴, 트리플코아 배럴 등이 있다 (Ryu, 2009).

참고문헌 (14)

ASTM, 2006. Annual Book of ASTM Standards, Vol. 04.08, Soil and Rock (I):D420-D5611, pp. 841-856.
Chang, P. W., W. J. Jeon, C. S. Song, C. Yu, S. H. Eam, and Y. S. Kim, 2009. Soil mechanics, Goomibook, Seoul, Korea, p. 56 (in Korean).
Kang, M. S., and S. W. Park, 2003. Development and application of total maximum daily loads simulation system using nonpoint source pollution model. Journal of Korean Water Resources Association 36(1): 117-128 (in Korean).

원문보기 상세보기
Kim, J. G., J. H. Park, B. J. Choi, J. H. Shim, G. J. Kwon, B. A. Lee, Y. U. Lee, and E. J. Joo, 2006. Ecological research methodology, Bomoondang, Seoul, p. 44 (in Korean).
KREI, 2016. Smart farm operation analysis and development direction research, KREI, Naju, p. 145 (in Korean).
KSF2302:2017, 2017. Standard test method for particle size distribution of soils, Korean Agency for Technology and Standards.
KSF2306:2015, 2015. Standard test method for water content of soils, Korean Agency for Technology and Standards.
KSF2333:2015, 2015. Standard test method for moisturepenetration resistance relations of fine-grained soils, Korean Agency for Technology and Standards.
KSIISO10381-1:2009, 2014. Soil quality-sampling-part 1: Guidance on the design of sampling programmes, Korean Agency for Technology and Standards.
KSIISO10381-4:2009, 2014. Soil quality-sampling-part 4: Guidance on the procedure for investigation of natural, near-natural and cultivated sites.
Lee, J. C., 2004. Cost-effective investigation on contaminated land and assessment of measurement uncertainty. Economic and Environmental Geology 37(1): 49-59 (in Korean).
Park, Y. S., and J. H. Kwon, 2014. Application and effectiveness analysis of SWAT filter strip in Golji watershed. Korean Journal Environmental Agriculture 33(1): 30-36 (in Korean). doi:10.5338/KJEA2014.33.1.30.

원문보기 상세보기
RDA, NAST, 2000. Analysis method of the soil and plant, NAST, Suwon, p. 202 (in Korean).
Ryu, J. H., 2009. Development of pipe type soil sampler for ecology environmental survey, Master Degree, Kongju, Kongju National University (in Korean).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증