[논문]스마트팜 운영시 빗물 재활용을 통한 농촌지역 지하수 사용량 대체 효과 실증 연구

유정현; 김은정; 윤철구; 손봉호; 이규회; 한영수

doi:10.7857/jsge.2023.28.5.051

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In this study, an empirical experiment was conducted to assess the feasibility of replacing groundwater with rainwater in melon cultivation using a smart rainwater harvesting system. The rainwater harvesting efficiency was calculated under three different melon cultivation scenarios. After cultivati...

In this study, an empirical experiment was conducted to assess the feasibility of replacing groundwater with rainwater in melon cultivation using a smart rainwater harvesting system. The rainwater harvesting efficiency was calculated under three different melon cultivation scenarios. After cultivation, the quality of the fruits grown with rainwater and groundwater was compared by examining the weight, degree of sweetness, and flesh hardness of the products. The results revealed that the water quality of the smart rainwater harvesting device was suitable for melon cultivation to provide better hardness and chloride levels than groundwater. It was also estimated that about 40% of the total water demand for full growth of the melon could be supplied by rainwater. The fruit weight and sweetness were equivalent or slightly better for the melons cultivated with rainwater than those cultivated with groundwater. In particular, the flesh hardness was significantly improved by rainwater cultivation. These results collectively suggest that rainwater can be used as a substitute for groundwater to preserve groundwater resources without compromizing the produced fruit quality.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Photo of the smart rainwater harvesting system installed at the Watermelon Research Center in Eumseong-gun, Chungcheongbukdo (a) and the groundwater level contour map around the research greenhouse (b).
그림 Fig. 2. The schematic diagram of the smart rainwater harvesting system.
그림 Fig. 3. The images of monitoring dashboard of the smart rainwater harvesting system: a PC version (a) and a mobile version (b).
그림 Fig. 4. Melon growing facility and fruit grown in the research greenhouse.
표 Table 1. Groundwater and filtered rainwater quality
그림 Fig. 5. Comparison of daily and cumulative usage of groundwater and rainwater during the first growing batch (cultivation period: April 6 to June 27, 2022). The usage of rainwater is shown as a negative number to indicate groundwater substitution.
그림 Fig. 6. Comparison of daily and cumulative usage of groundwater and rainwater during the first growing batch (cultivation period: June 29 to October 12, 2022). The usage of rainwater is shown as a negative number to indicate groundwater substitution.
그림 Fig. 7. Comparison of daily and cumulative usage of groundwater and rainwater during the first growing batch (cultivation period: April 18 to July 6, 2023). The usage of rainwater is shown as a negative number to indicate groundwater substitution.
그림 Fig. 8. Comparison of statistics results between fruit weight (a), fruit sweetness (b) and fruit flesh hardness (c) for melon growth using rain water and groundwater.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 빗물 활용의 필요성 및 지하수 자원 보존의 중요성에도 불구하고, 시설원예 온실의 지붕면을 활용하여 빗물이용장치를 설치할 경우 실질적으로 지하수 사용량의 대체율과 빗물 수질의 활용 시 작물 품질에 미치는 영향 등은 체계적으로 연구된 사례가 거의 없다. 본 연구에서는 충청북도 음성군의 멜론 경작 온실에서 빗물이용장치를 활용한 멜론 재배시 지하수 수자원 대체율을 빗물이용장치를 활용하여 측정하고, 얻어진 작물의 품질을 비교하는 연구를 수행하였다.

가설 설정

본 연구에서는 빗물이용장치의 정화 효율 등은 ㈜지엔에스엔지니어링이 한국산업시험기술원에서 성능평가(성정서 번호 : 22-074159-02-1)를 통하여 시험하였으며, 수질에 관련된 내용은 본 연구의 범위에서 제외하였다. 본 연구에서는 상기 성능평가를 통과한 처리된 빗물의 수질이 안전하다라는 가정 하에 멜론 실증 재배를 통해 절약되는 지하수량을 확인하고, 재배된 멜론의 품질을 확인하는 것으로 연구의 범주를 정하였다.

대상 데이터

빗물 사용의 효율을 계산하기 위해 수박연구소의 작물 재배 기간 동안의 물 공급량 데이터를 이용하였다. 데이터는 지하수와 빗물을 혼합 사용한 1, 2, 3번 베드와 지하수만을 사용한 4, 5번 베드의 사용량 데이터로 이루어져있다.
본 연구에서는 빗물이용장치의 정화 효율 등은 ㈜지엔에스엔지니어링이 한국산업시험기술원에서 성능평가(성정서 번호 : 22-074159-02-1)를 통하여 시험하였으며, 수질에 관련된 내용은 본 연구의 범위에서 제외하였다. 본 연구에서는 상기 성능평가를 통과한 처리된 빗물의 수질이 안전하다라는 가정 하에 멜론 실증 재배를 통해 절약되는 지하수량을 확인하고, 재배된 멜론의 품질을 확인하는 것으로 연구의 범주를 정하였다.
본 연구에서는 사용한 빗물이용장치는 활성탄 카트리지형 ICT기반 스마트 빗물 활용 시스템((주)지엔에스엔지니어링)이다. 빗물이용장치는 집수면을 통하여 집수된 빗물을 초기우수 배제 장치, 빗물 저류조, 활성탄 카트리지 필터를 통하여 미생물과 유‧무기물질을 효과적으로 제거한 후 장기간 저장한다(Fig.
빗물 사용의 효율을 계산하기 위해 수박연구소의 작물 재배 기간 동안의 물 공급량 데이터를 이용하였다. 데이터는 지하수와 빗물을 혼합 사용한 1, 2, 3번 베드와 지하수만을 사용한 4, 5번 베드의 사용량 데이터로 이루어져있다.

이론/모형

연구대상지의 지하수위(Groundwater level)를 파악하기 위해 국가공간정보포털에서 제공한 등수위선 및 지하수의 유동방향 지도를 QGIS(Quantum Geographic Information System) 프로그램을 활용하여 작성하였다(Fig. 1).

성능/효과

본 실증 연구 결과를 통해 시설원예 운영 시 지하수를 대체할 수 있는 방안으로 빗물 사용이 적합한 방법이라는 결론을 얻었으며, 스마트팜 환경에서 빗물 재활용이 지하수 의존도를 줄이는 중요한 방안으로 작용할 수 있음을 시사한다. 이것은 특히 양질의 수자원 공급이 제한적인 지역에서 매우 중요한 시사점이 될 수 있다.
이것은 특히 양질의 수자원 공급이 제한적인 지역에서 매우 중요한 시사점이 될 수 있다. 본 연구 결과는 스마트팜 환경에서의 빗물 재활용 가능성을 입증하였으며, 이를 통해 자원 관리의 효율화와 지속 가능한 농업 시스템 구축시 활용 가능한 실증 데이터를 제공한다는 의미가 있다.
과육의 경도가 적절히 높으면 보관 시 유리하며, 과실의 식감을 좋게하므로 멜론 품질이 향상된 결과로 해석할 수 있다. 종합적으로 볼 때, 빗물 사용에 따른 멜론의 생육 크기 변화는 차이가 거의 없으나, 멜론의 품질 면에서 다소 향상된 결과를 얻었다. 이는 처리 장치를 거친 빗물의 경우, 이온 농도가 낮고 수질이 일정하므로 경도 및 염도가 높으며 계절적 차이에 의해 수질의 변화가 나타나는 지하수에 비하여 관개수로 유용함을 보여준다.

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