농지범용화를 위한 지하배수 시스템 설계 및 적용

김성필 ( Seongpil Kim ),이준구 ( Joongu Lee ),김명원 ( Meyongwon Kim ),배승종 ( Seungjong Bae ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

지금까지 농업생산기반정비는 주로 쌀 자급기반 확충 차원에서 논 위주로 이루어져 쌀의 자급기반, 기계화 영농기반 등은 어느 정도 마련되었으나, 밭의 경우 미흡한 기반정비, 낮은 수준의 기계화 등의 문제가 남아 있는 상황이다. 또한 논에서 밭작물 재배 비율이 1990년 7.7%에서 2000년 8.2%, 2010년 9.9%, 2012년 13%로 꾸준히 증대되고 있어 기술적 대응의 필요성이 커지고 있다. 이러한 관점에서 논으로 사용되는 농지를 밭으로 활용하고 다시 논으로 환원할 수 있는 농지의 범용화에 대한 관심과 요구가 증대되고 있는 실정이다. 또한 쌀 수입량과 생산량이 수요를 초과하여 쌀이 남는 현실과 쌀을 제외한 작물의 자급율 증대라는 요구와 맞물려 농지의 범용적 활용과 관련된 기술의 확보 및 실용화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 토양특성이 논과 밭에 대해 모두 양호하고 관련된 생산기반 시설이 구축된 농지의 경우 특별한 기술 또는 시설이 없이 논과 밭으로 활용될 수 있다. 그러나 논에서 생산되는 주곡인 쌀의 안정적 확보 측면에서 이러한 논의 경우에는 지속적으로 쌀생산지로 확보해 둘 필요가 있다. 따라서 이러한 우량농지를 제외한 논에서 쌀을 제외한 타작물을 재배하기 위해서는 농지의 생산기반 연건, 토양특성, 인근의 주요 생산작물 등 다양한 여건을 고려하여 범용화 사업을 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 농지범용화를 위해 필요한 많은 기술 및 시설 중에서 배수가 불량한 농지에서 우선적으로 고려되는 주요 시설은 지하암거배수 시스템 설계와 관련된 주요 변수와 이를 이용한 설계기법에 대하여 제시하고, 암거배수 시스템이 적용된 농지에서 지하수위 및 토양수분의 모니터링 결과를 제시하였다. 먼저, 지하배수 암거의 설계와 관련된 기법과 각 변수의 산정방법을 검토하였다. 설계 시 주요 항목으로 계획지하수위, 암거의 매설간격 및 매설깊이, 암거의 관경 및 기울기를 검토하였고 설계시 필요한 변수로 단위계획배수량, 지하수위, 투수계수, 유효간극률, 암거의 유효반경 등을 제시하고 각 변수의 산정방법과 검토사항을 제시하였다. 그리고 지하배수암거를 시공한 시험포를 운영하면서 지하배수에 따른 농지의 토양수분 및 지하수위 변화를 모니터링하여 시설의 효과를 검증하였다.

범용농지에서 토양수분제어 시나리오 구축

김성필 ( Seongpil Kim ),배승종 ( Seungjong Bae ),은상규 ( Sangkyu Eun ),김수진 ( Soojin Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

2014년 국내의 농경지 면적은 1,691천ha 이며, 이중 논이 934천ha, 밭이 757천ha를 차지하고 있다. 논의 면적은 1990년까지 증가하다가 이후 지속적으로 감소하는 추세이며 반대로 밭 면적은 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 전체적으로 경지면적이 감소하는 중에서 1990년 이후 밭 면적이 증가하고 채소 및 과수 경지면적이 유지되고 있는 것은 상대적으로 논에 비하여 밭에서 보다 많은 소득이 발생하고 있기 때문으로 보인다. 논에서 밭작물의 재배는 쌀의 과잉과 농가의 소득보전 등 많은 이유로 정부 등에서 지원하고 장려하는 사업이며 농지범용화 사업의 필요성이 제기되고 있다. 우리나라 농업 인구의 감소 및 고령화추세는 뚜렷하여 ‘2014년 농림어업조사 결과’에 따르면 농가 고령화율은 2014년 12월 기준 39.1%로 전년보다 1.8 %포인트 높아졌다. 고령화율은 2010년 31.8 %에서 매년 2 % 포인트 가량씩 빠르게 높아지고 있고 전체 인구 고령화율(12.7 %)의 3배를 넘는 수치이다. 농가 경영주 평균연령도 2014년 66.5세며, 고령인구 기준인 65세를 넘어선 2013년보다 1.1세 높아져서 농가 경영주의 39.7 %는 70세 이상, 60대 29.5 %, 50대 22.5 % 등 이다. 논에서의 밭작물 재배시 토양수분의 스마트 제어는 생산성 향상 뿐만 아니라 농업인구의 고령화에 대비한 주요한 수단이 될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 ICT 기술을 융합하여 농지범용화를 위해 논에서 밭작물을 재배하는 경우에 있어서 적용할 수 있는 스마트 토양수분 제어기술의 기초적 연구로 토양수분을 제어하기 위한 시나리오를 구축하는 연구이다. 먼저 대상 농지의 토양특성을 고려하여 관개의 시작점과 종료점이 되는 토양수분의 범위를 결정하여야 하며, 최적 토양수분범위 내에서 토양수분을 제어하기 위해서 1회 관개시간을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 시험 운영 중인 시험포의 토양함수특성(Soil water characteristics)을 결정하였으며, 자동제어가 되지 않는 관행적인 관개에서 토양수분의 범위를 모니터링하였다. 모니터링 결과를 이용하여 토양수분 제어를 위한 관개시점과 관개시간을 결정하였다. 이러한 과정을 토양수분제어를 위한 시나리오로 제시하여 향후 범용농지에서 토양수분제어 시스템에 활용하고자 한다.

범용농지에서 토양수분 제어를 위한 스마트 관개 시나리오 구축

김성필 ( Seongpil Kim ),배승종 ( Seungjong Bae ),장민원 ( Minwon Jang ),김수진 ( Soojin Kim ),허준 ( Joon Heo ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

쌀을 제외한 타 작물의 자급률을 증가시키기 위해서는 논의 범용농지화가 필수적이며, 해당 농지의 생산성을 향상시키기 위해서는 기존 논토양에서 밭작물을 재배 시 자주 발생하는 습해의 제어가 필수적이다. 전반적인 농지면적의 변화 양상과 농업 노동인구의 고령화에 따른 농업 경쟁력의 약화 맟 농가소득 정체 그리고 농업에 큰 영향을 미치는 한반도 기상 이변 등의 문제점을 타개하기 위한 노력의 일환으로 Information & Communication Technology(ICT) 기반 스마트 농업 기술 도입이 추진되고 있다. 비록 농업+ICT 융합 기술은 타 산업보다 아직 초보적인 단계에 머물러 있지만, 최근 가장 활발한 연구개발이 추진되고 있는 분야는 스마트팜으로 볼 수 있다. ICT 융합과 관련한 스마트팜 연구개발은 시설원예를 중심으로 농림축산식품부와 산업통상자원부, 농촌진흥청이 주도하고 주로 자동제어와 환경위치정보, 생육정보 등을 중심으로 진행되고 있으나 국내 스마트팜 관련 기술수준은 최고 기술보유국 대비 70% 수준으로 기술적 차이는 약 6년 내외로 나타나고 있다. 농산물 유통 등에서도 ICT를 접목한 시업이 확대 추진 중이나 아직 초기단계로 현장 활용도가 낮은 상황으로 평가되고 있고, 최적생육 모델 등의 알고리즘은 연구 추진 중으로 현장에서 활용은 아직 미미한 실정이다. 본 연구에서는 농지범용화 대상지에서 토양수분의 최적 제어를 위한 시나리오와 제어 프로그램을 구축하였다. 제어프로그램은 포장용수량, 영구위조점, 기준토양수분 등 토양정보와 작물의 종류, 재비기간 및 근군역높이 등 작물의 정보를 고려하도록 하였다. 또한 본 연구에서는 5일 이내에 강우 예보가 있는 경우 관개일과 관개량을 조절하기 위하여 기상예보자료를 이용하도록 하였다. 프로그램은 지속적으로 현재일 기준으로 이전 5일간의 평균 소비수량을 적용하여 토양수분을 모의하고 관개일과 관개량을 계산하도록 하였으며 강우예측자료와 비교하여 최종적으로 관개여부와 관개시간을 도출하도록 하였다. 본 연구에서 구축된 시스템은 시험포에 적용하여 향후 모니터링 및 적용성을 검증할 계획이다.

농지범용화를 위한 지하배수 시스템 적용 시험포 조성 및 모니터링

김성필 ( Seongpil Kim ),배승종 ( Seungjong Bae ),은상규 ( Sangkyu Eun ),김수진 ( Soojin Kim ),이준구 ( Joongu Lee ),허준 ( Joon Heo ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

현재 쌀 수입량과 생산량이 수요를 초과하여 쌀이 남는 현실과 쌀을 제외한 작물의 자급율 증대라는 요구와 맞물려 농지의 범용적 활용과 관련된 기술의 확보 및 실용화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 하지만 현재까지 농업생산기반정비는 주로 쌀 자급기반 확충 차원에서 논 위주로 이루어져 쌀의 자급기반, 기계화 영농기반 등은 어느 정도 마련되었으나, 밭의 경우 미흡한 기반정비, 낮은 수준의 기계화 등의 문제가 남아 있는 상황이다. 또한 논에서 밭작물 재배 비율이 꾸준히 증대되고 있어 기술적 대응의 필요성이 커지고 있다. 이러한 관점에서 논으로 사용되는 농지를 밭으로 활용하고 다시 논으로 환원할 수 있는 농지의 범용화에 대한 관심과 요구가 증대되고 있는 실정이며, 관련한 연구 또한 지속적으로 수행되고 있다. 본 연구에서는 농지범용화를 위해 필요한 많은 기술 및 시설 중에서 배수가 불량한 농지에서 우선적으로 고려되는 주요 시설인 지하배수암거 시스템 설계와 관련된 주요 변수와 이를 이용한 설계기법에 대하여 제시하고, 시험포를 선정하고 설계된 배수암거 시설의 실증적 연구를 위한 시험포 구축과정을 제시하였다. 농지범용화의 설계는 지표 및 지하배수와 지하관개의 설계로, 기본적으로 지표에서 유출·입되는 수량(Rain fall, evapotranspiration)과 지하시설을 통한 유출·입되는 수량(Irrigation, Drainage)과의 관계에서 적정한 지하수위 또는 토양함수량을 확보하기 위한 지하시설의 심도와 간격을 결정하는 문제로 요약할 수 있다. 본 연구에서 지하배수 암거의 설계는 부정류방정식을 활용하였고 기타 시설의 배치 및 구상은 농업생산기반정비사업계획 설계기준(배수편)을 준용하였다. 먼저, 지하배수 암거의 설계와 관련된 기법과 각 변수의 산정방법을 검토하였다. 설계 시 주요 항목으로 계획지하수위, 암거의 매설간격 및 매설깊이, 암거의 관경 및 기울기를 검토하였고 설계시 필요한 변수로 단위계획배수량, 지하수위, 투수계수, 유효간극률, 암거의 유효반경 등을 제시하고 각 변수의 산정방법과 검토사항을 제시하였다. 그리고 지하 배수암거를 시공한 시험포를 운영하면서 지하배수에 따른 농지의 토양수분 및 지하수위 변화를 모니터링하여 시설의 효과를 검증하였다. 또한 향후 시뮬레이션 및 지속적인 연구를 위해 토양수분 시뮬레이션 도구인 DRAINMOD의 예측결과와 비교하여 결과를 제시하였다.

주요 밭작물 정비유형에 따른 대상지 선정 및 정비계획 수립

유승환 ( Seungjong Bae ),배승종 ( Seunghwan Yoo ),김성필 ( Seongpil Kim ),김수진 ( Soojin Kim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

산업화 이후 우리나라 농정의 초점은 주곡인 쌀의 자급 달성에 있었기 때문에 이를 지원하는 농업생산기반정비 역시, 거의 전적으로 답작영농 부문에 치중되어 왔다. 따라서 밭농업기계화율(56%)은 논농업(94%)에 비해 현저히 낮고, 파종, 정식 및 수확 작업의 기계화는 초기 단계에 머물고 있는 실정이다. 전체 밭면적(764천ha)중 밭기반정비 대상면적은 13%(110천 ha)수준으로, 지금까지 106천 ha를 정비하여 사실상 완료단계이며, 상대적으로 조건이 불리한(경사도 7%) 밭이 전체 밭면적의 2/3를 넘고 있는데, 이러한 밭은 전혀 정비가 계획되어 있지 않아 이에 대한 적극적인 정책적 대응이 요구되고 있는 실정이다. 또한 밭농업은 대부분 소농경영체제로 인해 자본투자 능력이 매우 취약하여 기계화, 규모화, 성력화 추진에 근본적인 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 우리나라 밭기반정비 패러다임을 ‘취약한 밭농업 인프라 여건을 단순히 현대화’에서 벗어나 ‘취약한 인프라 여건을 새로운 성장동력화’하는 발상의 전환에 의한 새로운 정비시스템과 기법을 개발하기 위하여 농업생산환경 빅데이터 분석을 통한 지역 및 작물 맞춤형 밭농업 기계화 방안 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구 중 생산환경에 대한 데이터 분석을 통하여 고구마, 양파 및 배추에 대한 대상지를 선정하였으며 각 대상지에 대한 생산기반정비 기본구상(안)을 도출하였다. 본 과업에서는 기본 생산기반정비요소 중 용수원 및 용수조직, 배수조직, 농도에 대하여 지역에 적합하도록 정비방안을 도출하였으며 각 대상지의 정비방안에 대한 적정성을 검토하였다. 향후 본 연구에서 설정한 계획모델인 3대 프레임(농업경제, 환경보전, 사회통합) 등 밭기반 정비의 단순화 및 집약화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

농지범용화를 위한 스마트 토양수분제어 시스템 설계

배승종 ( Seungjong Bae ),김성필 ( Seongpil Kim ),은상규 ( Sangkyu Eun ),김수진 ( Soojin Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

2014년 국내의 농경지는 전체 국토면적 10,028천ha 중 약 16.8%인 1,691천ha를 차지하며 나머지는 산림이 6.369천ha로 63.5%를 차지하며 나머지 기타 면적이 1,968천ha를 차지하고 있다. 이중 논이 934천ha, 밭이 757천ha를 차지하고 있다. 국토면적은 간척사업 등으로 꾸준하게 증가하였으나 국토 중 농경지의 비율은 지속적으로 감소하고 있는 추세이다. 전체적으로 경지면적이 감소하는 중에서 1990년 이후 밭 면적이 증가하고 채소 및 과수 경지면적이 유지되고 있는 것은 상대적으로 논에 비하여 밭에서 보다 많은 소득이 발생하고 있기 때문으로 보인다. 한편, 우리나라의 곡물 자급률을 보면 1970년에는 80.5 %로 비교적 높은 수준의 자급률을 보이고 있으나 1980년에는 56 %, 1990년에 43 %, 2000년에 30 %, 2014년에는 24 %로 떨어져 점점 자급률이 떨어지고 있음을 알 수 있다. 다만 주곡인 쌀의 자급률은 그동안 생산기반정비 및 품종개량에 대한 꾸준한 노력과 투자로 생산량이 증가하고 국민 식생활이 변화함에 따라 1990년대 이후에는 100 %이상의 자급률을 달성하였으나 쌀을 제외한 타 작물의 자급률은 오히려 2010년 이후 5 % 대로 급격히 떨어지고 있다. 쌀을 제외한 타 작물의 자급률을 증가시키기 위해서는 논의 범용농지화가 필수적이며, 해당 농지의 생산성을 향상시키기 위해서는 기존 논토양에서 밭작물을 재배 시 자주 발생하는 습해의 제어가 필수적이다. 논에 밭작물을 재배하는 경우 토양의 특성이 다른 관계로 어려움을 겪기도 하지만 배수불량에 의한 피해가 발생하는 경우가 많으며, 논농사에 익숙한 경우 밭작물에 대한 토양수분관리가 어려운 경우가 많이 발생하고 있다. 일본의 경우 농지를 논과 밭으로 자유롭게 사용할 수 있는 의미로 범용농지 기술을 개발하고 활용하고 있는데 현재 전체 논 면적 247만 ha 중 2012년 기준 107만 ha가 범용농지로 조성되었다. 전반적인 농지면적의 변화양상과 농업노동인구의 고령화에 따른 농업 경쟁력의 약화 맟 농가소득 정체 그리고 농업에 큰 영향을 미치는 한반도 기상 이변 등의 문제점을 타개하기 위한 노력의 일환으로 Information & Communication Technology(ICT) 기반 스마트 농업 기술 도입이 추진되고 있다. 비록 농업+ICT 융합 기술은 타 산업보다 아직 초보적인 단계에 머물러 있지만, 최근 가장 활발한 연구개발이 추진되고 있는 분야를 스마트팜으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 ICT 기술을 융합하여 농지범용화를 위해 논에서 밭작물을 재배하는 경우에 있어서 적용할 수 있는 스마트 토양수분 제어기술의 실용화에 대한 것으로 범용농지 적합형 토양수분 관리 기술의 적용성을 검토하고 시스템을 설계하여 시험포를 운영한 결과를 제시하였다.

농지범용화를 위한 토양수분 제어시스템 구축 및 적용성 분석

배승종 ( Seongpil Kim ),김성필 ( Seungjong Bae ),은상규 ( Sangkyu Eun ),김수진 ( Soojin Kim ),허준 ( Joon Heo ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

2014년 국내의 농경지는 전체 국토면적 10,028천ha 중 약 16.8%인 1,691천ha를 차지하며 나머지는 산림이 6.369천ha로 63.5%를 차지하며 나머지 기타 면적이 1,968천ha를 차지하고 있다. 이중 논이 934천ha, 밭이 757천ha를 차지하고 있다. 국토면적은 간척사업 등으로 꾸준하게 증가하였으나 국토 중 농경지의 비율은 지속적으로 감소하고 있는 추세이다. 전체적으로 경지면적이 감소하는 중에서 1990년 이후 밭 면적이 증가하고 채소 및 과수 경지면적이 유지되고 있는 것은 상대적으로 논에 비하여 밭에서 보다 많은 소득이 발생하고 있기 때문으로 보인다. 한편, 우리나라의 쌀을 제외한 타작물의 자급률은 2010년 이후 5%대로 급격히 떨어지고 있다. 쌀을 제외한 타 작물의 자급률을 증가시키기 위해서는 논의 범용농지화가 필수적이며, 해당 농지의 생산성을 향상시키기 위해서는 기존 논토양에서 밭작물을 재배 시 자주 발생하는 습해의 제어가 필수적이다. 일본의 경우 농지를 논과 밭으로 자유롭게 사용할 수 있는 의미로 범용농지 기술을 개발하고 활용하고 있는데 현재 전체 논 면적 247만 ha 중 2012년 기준 107만 ha가 범용농지로 조성되었다. 일본의 농지 범용화 기술은 작부체계의 유사성으로 국내에서 활용에 대한 시사점이 큰 기술로 논과 밭으로 사용할 경우 관개 및 배수의 조절기술로 요약할 수 있으며 대표적으로 FOEAS 시스템을 들 수 있다. FOEAS는 배수불량에 따른 피해를 방지하기 위하여 지하배수 및 지하관개기술을 결합한 시스템이다. 전반적인 농지면적의 변화양상과 농업 노동인구의 고령화에 따른 농업 경쟁력의 약화 및 농가소득 정체 그리고 농업에 큰 영향을 미치는 한반도 기상 이변 등의 문제점을 타개하기 위한 노력의 일환으로 Information & Communication Technology(ICT) 기반 스마트 농업 기술 도입이 추진되고 있다. 본 연구에서는 농지범용화를 위해 필요한 많은 기술 및 시설 중에서 배수가 불량한 농지에서 우선적으로 고려되는 주요 시설인 지하배수암거 시스템과 스프링클러를 이용한 관개를 위한 스마트 토양수분 제어시스템을 구축하였다. 토양수분 제어를 위한 관개 및 배수 시나리오를 적용한 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하고 시험포에 적용한 결과를 제시하였다. 경험적으로 수행하던 관개 및 배수에 대비한 스마트 토양수분제어의 결과와 작물수확량(감자)의 비교를 통하여 시스템의 적용성을 고찰하였다.