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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.1 pp.125-131
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.1.125

Advance in Automatic Measuring Tool of Soil Losses Using Water Environment Research Equipment ISCO 6712 Modes

Gye-Ryeong Bak*, Dong-Shig Oh, Tae-Young Kim, Gye-Jun Lee, Jeong-Tae Lee
Highland Agriculture Research Institute, National Institute of Crop Science, Pyeongchang-Gun, 25342, Korea
Corresponding author: Gye-Ryeong Bak Tel: +82-33-330-1950 Fax: +82-33-330-1519 E-mail: bgl1228@korea.kr
February 10, 2020 February 11, 2020 February 13, 2020

Abstract


The research of soil conservation, especially in agricultural slope field, was not an easy work because of the difficulty of the precise measurement of soil losses. This research aims at the real-time quantification of soil losses measurement. The automatic measurement tool of soil losses was plotted with water environment research equipment ISCO 6712 model attachable to ISCO 674 rain gauge and ISCO 730 bubbler flow module. Besides, to detect the suspended concentration of run-off water the sampling bottle was connected to each water level horizon in reservoir tank at 10 cm interval. Using our planned installations, soil losses content was detectable over time and the estimated soil loss quantity approached to the measured loss amount at the confident range of 85.1% and 101.7% in a storm of 161.3 ㎜ and 82.6 ㎜ rain of 2017 year.



토양유실 자동화 수집기를 통한 토양유실량 추정

백 계령*, 오 동식, 이 계준, 김 태영, 이 정태
국립식량과학원 고령지농업연구소

초록


물 유거(Run-off)에 따른 토양유실량을 자동정량하고자 ISCO 6712 수질환경 종합측정장치를 이용하여 토양유실량 추정장치를 고안하였고, 이 장치를 통해 실시간으로 유실되는 토양량을 추정할 수 있었다. 토양유실량 추정장치는 ISCO 6712 장치에 수위계(ISCO 730), 우량계(ISCO 674) 그리고 흙탕물을 받는 저수조 내에 층위 별로 흙탕물을 자동으로 채취할 수 있는 시설을 추가하였다. 1 × 5 m2 크기, 경사 15 %의 라이시미터(lysimeter) 내 석비레(Saprolite) 토양에 옥수수를 심어 실험한 결과 2017년 1회 강우량 161.3 ㎜의 강우사상에서는 실측 토양유실량의 85.1%, 82.6 ㎜ 강우사상에서는 101.7 %의 토양량을 추정하였다.



    National Institute of Crop Science

    서론

    경사지에 위치한 밭은 강우에 의한 물과 토양이 유출되어 침식 위험성이 크다. 특히 우리나라는 밭토양의 약 70%가 경사지에 분포되어 있어(Lee et al., 2007) 토양과 환경을 보 전하기 위한 연구를 농업과 환경분야에서 수행하고 있다. 최근 환경관련 연구에서 자주 거론되는 비점오염원 발생의 원인은 물과 토사, 화학물질 등의 지표유출이다. 그러므로 물과 토양의 유출량을 정확히 측정하는 것은 환경농업연구 분야에서 중요한 연구대상 중 하나이다. 토양유실량을 산정 하기 위하여 토양유실예측공식(Universal soil loss equation, USLE; Wischmeier & Smith, 1987)과 WEPP(Water erosion prediction project; Flanagan and livingston, 1995) 등이 개발 되어 전세계적으로 널리 이용되어 왔다. USLE 모형은 강우, 토양, 경사도, 토양피복, 토양관리의 5개 인자값을 이용하고 있으며, 우리나라에서도 농경지 및 하천에서 토양유실량을 추정하거나 분석할 때 이용하고 있다(Kim et al., 2005; Park et al., 2011). 물과 토양의 유출형태는 강우, 작물재배형태, 토양특성 등에 따라 변하기 때문에 물과 토양의 유출량을 예측하는 것은 쉽지 않다(Shin et al., 2011). 토양유실 연구에 서 시험구의 토양 유실량의 측정은 전량 집수조, 분할 집수기, 시간대별 채취기 등을 일반적으로 사용하고 있지만(PAP/ RAC, 1997) 토양유실량을 정확히 측정하는 것은 인력과 시 간이 많이 소요되고 장마나 폭우 시 정확한 유실량을 측정하 는 데에 어려움을 겪고 있기 때문에 많은 연구자들은 토양유 실량을 예측하기 위한 노력을 계속하고 있다(Hur et al., 2005; Jung et al., 2007, Park et al., 2011). 토양농도센서를 활용하여 흙탕물을 측정하는 방법도 유출수로부터 유출된 토양의 양 을 예측할 수 있다. 흙탕물의 농도는 강우강도, 토성, 경사도 등에 영향을 크게 받기 때문에 야외에서 매 강우 시 발생하는 흙탕물의 농도를 정확히 아는 것은 어렵다. ISCO 6712 자동 수질시료채취기는 농업과 환경분야 연구에서 시간 단위의 시료를 채취할 때 이용하고 있다(Eban et al., 2007; Shin et al., 2011). 본 연구에서는 ISCO 6712 수질환경 종합측정장치 를 이용하여 유출수로부터 유출된 토양의 양을 추정할 수 있는 토양유실량 추정장치를 고안하였고, 경사 15%의 라이 시미터에서 옥수수를 재배하여 강우 시 발생하는 실측 토양 유실량과 추정된 토양유실량을 비교하고 평가하였다.

    재료 및 방법

    1. 포장실험

    본 연구는 1 × 5 ㎡의 15% 경사의 라이시미터를 설치한 강원도 평창군 대관령면 횡계리에 위치한 포장에서 2017년 60 x 25 cm의 재식 밀도로 옥수수를 재배하여 연구를 수행하였 다. 토양에 자갈함량과 유기물함량이 많으면 토양유실은 줄어 든다고 보고된 바 있으므로(Poesen et al., 1994;Figueiredo & Poesen, 1998; Benediktas et al., 2007) 토양유실량을 추정할 때는 토양 화학성에 대한 정보도 필요하다. 시험포장의 토성 및 토양화학성은 시험 전에 포스트 홀 핸드 오거(auger)를 사 용하여 깊이 10~15 cm의 표토를 채취하여 2일간 그늘에서 말 린 후 2 mm 체로 쳐서 분석하였다. 토성은 비중계법, 용적밀 도는 10 cm3의 코어(core)를 이용하여 채취한 토양샘플로부터 구하였으며, 분석방법은 농업과학기술원 토양 및 식물체분석 법(RDA, 2012)에 준하여 분석하였다.

    토양유실량을 추정하기 위해 Rain gauge(ISCO 674, Teledyne ISCO, Lincoln, USA)와 Bubbler flow module (ISCO 730, Teledyne ISCO, Lincoln, USA)을 환경종합측정 장치 ISCO Model No. 6712(Teledyne ISCO, Lincoln, USA) 에 부착하여 매 5분마다 저수조 내로 들어오는 흙탕물의 양 을 실시간으로 측정하였다. 또한 시간 별 유거수 토사농도 의 측정은 흙탕물을 받는 저수조 내에 Fig. 1과 같이 10 cm 간격으로 PVC 관을 제작하여 수직으로 꽂고 2L 들이 샘플 링 통을 연결하여 시료를 채취하여 수행하였다. 토양유실량 을 정량할 때 자갈(Gravels, Ø 2.0 ㎜ 이상) 이상의 입자는 포함시키지 않았다.

    고안된 장치의 평가는 2017년 장마시기인 7월에 발생한 2번의 강우사상에 대해 실제로 토양유실량을 측정하여 평 가하였다.

    2. 실내실험

    저수조 내로 들어오는 유거수의 토사농도를 결정하기 위 하여 인공강우실에서 경사 5%, 크기 0.8 × 0.8 × 0.15 m3 규모의 장치에 풍건된 석비레토양을 넣어 위에서 물을 충분 히 뿌려 하루 정도 굳힌 후, 포장실험에서 사용한 저수조 내의 수직관과 샘플 통을 보다 작은 저수조 내에 층위 10 cm와 20 cm 두 깊이로 설치하고 인공강우기(DAIKI-3000, Japan)의 강우강도를 임의로 조절하여 실험을 수행하였다 (Fig. 2). 저수조 내로 떨어진 흙탕물의 농도와 샘플 통으로 들어온 흙탕물의 농도를 비교하기 위하여 실제 떨어지는 저 수조 농도와 샘플 통의 흙탕물 농도를 10 cm 에서는 13번, 20 cm에서는 26번 측정하여 저수조 내로 들어오는 실제 흙탕 물 농도를 구하기 위한 회귀식을 Excel을 통해 산출하였다.

    결과 및 고찰(Results and Discussion)

    1. 포장실험

    시험포장의 토양 물리성은 Table 1과 같다. 경사도 15% 인 시험포장의 표토는 양질사토(Loamy Sand)이고 토양유 실에 크게 영향을 미치는 자갈(Gravels)이 17.74%(Vol. %) 로 다소 많았으며, 유기물함량(g/100g)이 4.0%로 유기물이 많은 토양으로 나타났다.

    저수조로 들어오는 흙탕물의 양을 매 5분마다 실시간으로 측정한 수위는 일률적으로 증가만 하지 않는다 (Fig. 3A). 이 는 실시간으로 계측되는 수위가 mm 단위로 기록되는데 흙 탕물이 저수조 내로 떨어질 때 물결이 일렁거리기 때문으로 판단된다. ISCO 730과 같은 Pressure bubbler sensor는 이용 하기 쉽고 비교적 안정적이지만 강에서 수위를 측정할 때 주 변 수생식물, 물결 등의 영향을 받으면 불안정할 때가 있다고 보고되어 있다(Crane, 2009). 그러나 1회 강우가 시작하여 끝 날 때까지 수위가 계속 상승하므로 누증적으로 상승하는 smoothing line을 excel을 이용하여 Fig. 3B에 나타내었다.

    흙탕물의 농도를 이용하여 유실되어 저수조 내로 들어오 는 토양량을 정량하기 위해 저수조 각 층위 별로 흙탕물 시료 를 채취하였다. 저수조 내의 보다 아래 층위에서 채취된 토양 일수록 먼저 유실된 토양이므로 시간 별로 들어오는 유실된 토양량을 알 수 있다. 세 층위에서 채취된 토양의 농도는 뚜 렷한 차이를 보이는데(Fig. 4) 이는 토양이 강우에 의해 유실 될 때 강우강도가 시간 별로 큰 차이가 있음을 보여준다.

    각 층위에서 채취된 흙탕물시료의 토양농도와 실제의 토 양농도 간에는 흙탕물이 저수조 내로 떨어질 때 구성입자들 이 위로 튀어 오르거나 빗물에 의해 씻겨 내려가기 때문에 실제로 유실되어 저수조 내로 들어오는 토양의 양을 정확하 게 추정하기 위해서는 보정이 필요하다. Shi et al.(2012)에 따르면 토양입자들이 튀어 올라 유실되는 순위는 Silt(미사) > Clay(점토) > Sand(모래)로 나타난다. Silt는 분리된 상태 로 단일입자들로 움직이지만 Clay는 뭉친 상태로 덩이로 움 직이기 때문에 점질토양이 미사질토양 보다는 유실이 적게 일어난다. 지름 2 ㎜ 이상의 자갈은 움직이기 어려워 잘 유 실되지 않는다. Fig. 5는 본 연구에서 고안한 토양유실량 추 정장치에서 흙탕물이 받아져 있는 상태이다. 층위 별 샘플 통으로 들어오는 농도는 안쪽 관(ⓑ Inner PVC pipe)으로 들어오는 농도인데, 이 농도는 실시간 각 층위 수면으로 떠 오르는 Solid ball(비중, ρ=0.854)의 반발력에 의해 결정되게 된다. 자갈이나 덩이 진 입자들은 잘 튀어 오르지 않기 때문 에 ⓑ관으로 들어오지 못하고 바깥 ⓐ(Outer PVC pipe)관 내에서 수면아래로 낙하하므로 샘플통 내로 수집된 토양 농 도는 실제 저수조 내로 떨어진 농도 보다는 작아진다. 따라 서, 유실되는 토양량을 정확하게 정량하기 위해서 저수조 내로 들어온 토양농도와 샘플통으로 들어온 토양농도와의 상관성을 실내 인공강우실에서 실험하였다.

    2. 실내(인공강우실) 실험

    실내에서 인공강우기(Rainfall simulator)를 통한 토양농 도 보정실험을 수행한 결과 최초로 흙탕물이 떨어지는 저 수조 층위 10 cm에서의 농도와 20 cm 이상에서의 농도관 계는 다르게 나타났다. 이는 층위가 올라 갈수록 물의 밀 도 (ρ)가 높아져 Solid ball의 반발력이 증가하는 것으로 생각되며, 그 관계를 Figure 6, 7에 나타내었다. 저수조 시 작 층위 10 ㎝에서는 샘플통 내의 농도와 저수조 내로 들 어온 실제 농도와의 관계는 y=10.916x+0.0047, R2=0.7466 의 직선상관성을 보였으며(Fig. 6), 저수조 층위 20 cm 이 상에서는y=10.411x+0.0009, R2=0.7721의 직선상관성을 보였다(Fig. 7). 인공강우 실내 실험을 통하여, 저수조 내로 들어 오는 흙탕물의 층위 별 샘플 채취로 저수조 내에 쌓 인 흙탕물의 토양농도를 상당히 유의하게 추정할 수 있음 을 알 수 있었다.

    층위 별로 채취한 저수조 내의 흙탕물의 농도와 실제로 유실된 흙탕물의 농도와의 관계를 알게 됨으로써 실제 포장 에서 2017년 두 번의 강우 사상에서 유실된 토양량을 본 연구에서 고안한 장치를 통해 추정할 수 있었다.

    Fig. 6, 7의 회귀식을 통해 강우 시 수집된 흙탕물 시료 (Sampled)로부터 층위 별 흙탕물 농도를 산출하고(Tank) 80 cm 지름의 저수조에서 흙탕물의 높이와 농도에 따라 추정 된 토양유실량(Estimated)과 실제로 수집된 흙탕물로부터 측정한 토양유실량을 비교하고 평가하였다(Table 2).

    강우 사상에 따라 저수조 층위 별 유실되는 토양농도는 크게 달랐으며, 2017년 7월 2일부터 4일까지 발생된 강우량 161.3 mm에서는 토양이 2748.9 g이 실제로 유실되었고, 개 발된 토양유실 자동추정시스템에는 2339.4 g으로 추정되었 다. 또한, 2017년 7월 7일부터 11일까지 발생된 강우량 82.6 mm에서는 측정된 토양유실량이 1212.4 g이었고, 시스템을 통하여 추정된 유실 토양량은 1233.7 g 이었다. 결과적으로 추정된 토양량은 161.3 mm의 강우사상에서는 실제 토양유 실량의 85.1 %를, 82.6 mm의 강우사상에서는 101.7 % 수준 의 추정이 가능하였다.

    본 연구에서는 보다 정확한 농도를 구하기 위하여 시간 단위로 시료를 채취하여 층위를 나누어서 회귀식을 산출하 였으나 각각 R2= 0.75, 0.77 수준에 그쳤다. 그러나 경사지 에서 강우 시마다 토양유실양을 정확히 실측하는 것은 폭우 가 오거나 장마철에는 집수기가 넘치거나 이전 강우사상 시 의 조사가 이루어질 시간이 부족하여 정확한 토양유실량을 측정하기가 어렵다. 폭우 등에 대비하여 회전분할집수기 등 이 개발되어 이용되고 있으나(Zhang et al., 2008) 연속해서 강우가 발생할 시에는 여전히 어려움을 겪고 있다. 우리나 라에서 토양유실량의 예측은 주로 범용 토양유실예측공식 (USLE)를 이용하여 각 환경에 따라 인자값을 보정하는 방 향으로 연구되어 왔으며(Park et al., 2011), 토성과 경사 등 에 따른 물유출량 및 토양유출량을 추정하기 위한 식들이 개발되었으나(Jung et al., 2007; Yoo et al., 2007) 하천 유역, 행정 구역 단위의 광범위한 구역에 적용하여 비교적 작은 범위의 연구에 적용하기에는 오류가 많아 적용하기 힘든 실 정이다. 본 연구에서 제안한 토양유실량 추정장치와 회귀식 을 이용하면 연속된 강우사상에서도 신뢰도 있는 토양유실 량의 추정이 가능할 것으로 생각된다.

    ISCO 6712 수질환경 종합측정장치를 이용하여 토양유 실추정장치를 고안하여 평가한 결과 강우 시 해당 장치를 이용하여 수집된 흙탕물의 농도는 시간에 따라 매우 다르 며, 실제 흙탕물의 농도(y)는 수집된 흙탕물의 농도(x)를 이 용하여 구할 수 있으며, 10 cm 층위에서는 y = 10.916x + 0.0047, 그 이상의 층위에서는 y = 10.411x + 0.0009 의 관 계를 보인다. 해당 식을 이용하여 구한 흙탕물의 농도에서 토양유실량을 추정한 결과 14.9%-1.7% 수준의 오차범위에 서의 추정이 가능하였다.

    감사의 글

    본 연구는 국립식량과학원의 작물시험연구사업(과제번 호: PJ01266701)의 지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    A designed device for automatic soil loss measuring system

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    Verification for correlated soil particle concentration between in reservoir tank and in sampling bottles by rainfall simulator.

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    Change in water level of reservoir tank stemmed from bubbler recording in 5-min interval during rainig time (a) Dot graph depending on water level (b) Smoothing line in accordance with (a).

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    Change in sampled bottle concentration in three water level horizons on 12th juju 2017 with rainfall intensity change over time.

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    Automatic measuring tools of soil losses with suspended water after rainfall.

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    Regressive correlation of inflow conc. In reservoir tank with suspended soil particle conc. of sampling bottle in water level 10 cm horizon.

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    Regressive correlation of inflow conc. In reservoir tank with suspended soil particle conc. of sampling bottle in water level 20 cm or higher horizon.

    Table

    Soil physical properties in top 10 cm depth of maize field in Lysimeter(1 X 5 m2)

    Results in estimated and measured soil loss weight according to rainfall events of 2017 on maize field plot

    Reference

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