KR20150030447A - 지능형 농업용수 관리시스템 및 그 일별 관개수량의 관리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 관개배수공학, 수리학 및 정보통신기술을 이용한 농업용수 관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관개조직을 노드(Node)와 링크(Link)로 구분하여 모델링하고 농업용수의 정확한 수요예측을 거쳐 균등분배를 통한 체계적인 용수공급을 수행함으로써 용수의 과잉사용과 무효방류에 따른 용수의 과다손실을 방지할 수 있는 지능형 농업용수 관리시스템, 그 일별 관개수량의 관리방법에 관한 것이다.
수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장을 포함한 관개조직에 대해 관개배수공학, 수리학 및 정보통신기술을 도입한 농업용수 관리시스템에 있어서, 수원공에 있어서 저수시설은 노드(Node)로 양수시설은 링크(Link)로 구분하고, 취수시설에 있어서 취수탑과 사통의 취수공을 소정 직경을 갖는 오리피스로서 링크(Link)로 구분하고, 수로조직은 용수로와 배수로의 링크(Link)와, 상기 용수로와 배수로의 접합지점인 노드(Node)로 구분하고, 포장은 측벽과 하단에 각각 유출공과 침투공이 형성된 탱크로서 노드(Node)로 구분하여 관개조직을 모델링하고, DIROM모형을 이용하여 과거의 기상자료와 미래의 기상예측 자료 및 수원공의 규모와 포장면적 자료를 통한 물수지 분석을 수행하여 예정 관개량을 산정하고, 관개조직내 노드(Node)와 링크(Link)에서 각각 연속방정식과 운동량방정식을 이용하는 1차원 부정류로 해석하여 관개상황을 모의조작하고, 그리고 지리정보시스템(GIS) 데이터를 이용하여 관개조직을 관리하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템이 제공된다.
수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장을 포함한 관개조직에 대해 관개배수공학, 수리학 및 정보통신기술을 도입한 농업용수 관리시스템에 있어서, 수원공에 있어서 저수시설은 노드(Node)로 양수시설은 링크(Link)로 구분하고, 취수시설에 있어서 취수탑과 사통의 취수공을 소정 직경을 갖는 오리피스로서 링크(Link)로 구분하고, 수로조직은 용수로와 배수로의 링크(Link)와, 상기 용수로와 배수로의 접합지점인 노드(Node)로 구분하고, 포장은 측벽과 하단에 각각 유출공과 침투공이 형성된 탱크로서 노드(Node)로 구분하여 관개조직을 모델링하고, DIROM모형을 이용하여 과거의 기상자료와 미래의 기상예측 자료 및 수원공의 규모와 포장면적 자료를 통한 물수지 분석을 수행하여 예정 관개량을 산정하고, 관개조직내 노드(Node)와 링크(Link)에서 각각 연속방정식과 운동량방정식을 이용하는 1차원 부정류로 해석하여 관개상황을 모의조작하고, 그리고 지리정보시스템(GIS) 데이터를 이용하여 관개조직을 관리하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 관개배수공학, 수리학 및 정보통신기술을 이용한 농업용수 관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관개조직을 노드(Node)와 링크(Link)로 구분하여 모델링한 후 농업용수의 정확한 수요예측을 통해 예정 관개량을 산정하고, 예정 관개량에 대한 관개조직내의 관개상황을 다각적으로 해석하여 최종적으로는 최적 관개량과 관개시기 및 관개방법을 결정함으로써 용수 균등분배를 통한 체계적인 용수공급 및 용수의 과잉사용과 무효방류에 따른 용수의 과다손실을 방지할 수 있는 지능형 농업용수 관리시스템 및 그 일별 관개수량의 관리방법에 관한 것이다.
일반적으로 농업용수는 작물의 생산을 목적으로 논과 밭의 경지에 인공적으로 물을 공급하는 관개용수를 말한다. 우리나라는 심각한 물 부족 국가로 분류되어 있으며, 물 사용량의 약 50%를 차지하는 농업용수의 체계적인 관리가 요구되고 있다.
농업용수의 관리목적은 경지에서 필요한 용수의 공급시기와 관개수량을 정확히 산정하여 적정 관개계획(Irrigation Scheduling)을 수립한 후 현지에서 관개계획에 따른 물관리를 실시함으로써 한정된 수자원을 효율적으로 사용하고 작물의 생산성 향상을 극대화하기 위함이다. 따라서, 농업용수의 수량이 풍부하거나 결핍한 조건에서 최적의 관개시기와 관계량을 결정하기 위하여 수원공에서부터 수로조직 및 포장까지 일원화된 관리를 할 수 있는 농업용수 관리시스템이 요구되고 있다.
도 1은 농업용수의 관개조직을 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 농업용수의 관개조직은 저수지, 취입보 등과 같은 수원공과, 간선·지선·지거로 이루어진 용수로와 배수로의 수로조직과, 용수의 최종 수요처인 경지(이하, '포장'이라 함)로 이루어진다. 그리고, 상기 관개조직에는 용수공급을 조절하기 위한 취수탑, 사통과 같은 취수시설(미도시)이 구비된다.
그리고, 수로조직은 형태별로 개수로와 관수로로 구분할 수 있으며, 용수를 제어하기 위한 시설로 분수공, 합류공, 물넘이, 방수공, 제수공, 유말공, 조정지, 팜펀드, 조압시설 등이 있다.
한편, 종래기술에 따른 농업용수 관리시스템은 주로 상기 포장의 면적에 따른 필요수량을 예측하여 수원규모에 따른 일별 관개수량을 산정하고, 실제 현장에서 현지관리인의 과거 경험에 의하여 물관리가 이루어지고 있는 실정이다.
즉, 종래기술은 수로조직의 규모, 형식, 계통, 도달시간 등에 대한 고려 없이, 단순히 수원공의 규모에 따른 일별 유역 유입량과, 포장의 면적에 따른 필요수량을 단순 비교하는 물수지 모형을 통하여 일별 관개수량을 산정하였다. 이로 인해 관개에 따른 수로조직과 포장에서의 용수 수급상황을 예측하거나 파악하기 어려울 뿐만 아니라 능동적으로 용수의 수급제어가 불가능하여 한발 등과 같은 비상시에 의사결정이 어려운 문제점이 있다.
또한, 평상시에도 용수 과잉사용과 무효방류에 따른 용수 과다손실을 제어하기가 쉽지 않기 때문에 효율적인 물관리가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
나아가, 동일 용수구역내 여러 지구를 묶은 광역 물관리가 불가능하여 환원수 재이용 등 용수 절약을 실천하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 농업용수의 정확한 수요예측과 균등분배를 통해 용수의 체계적 공급 및 용수손실을 최소화하여 농업외 하천유지용수, 생활용수 등의 수자원을 고도로 이용할 수 있는 과학적이고 체계적인 지능형 농업용수 관리시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 관개용수의 균등분배를 통한 체계적인 용수공급을 수행할 수 있도록 수원공과 수로조직 및 포장에 대한 관개조직을 모델링 한 후 농업용수의 정확한 수요예측을 통해 예정 관개량을 산정하고, 관개조직내 관개상황을 해석하여 최적 관개량과 관개시기 및 관개방법을 결정함으로써 용수의 과잉사용과 무효방류에 따른 용수의 과다손실을 방지할 수 있는 지능형 농업용수 관리시스템 및 그 일별 관개수량의 관리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 발명의 목적은 수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장을 포함한 관개조직을 지리정보시스템(GIS) 데이터를 이용하여 관리하는 농업용수 관리시스템에 있어서, 상기 관개조직을 유량이 모이는 노드(Node)와, 노드(Node)와 노드(Node)를 연결하여 유량을 전송하는 링크(Link)로 구성된 네트워크 모형으로 모델링하고, 상기 수원공에 있어서 저수시설은 노드(Node)로, 양수시설은 링크(Link)로 구분하고, 상기 취수시설에 있어서 취수탑과 사통의 취수공을 소정 직경을 갖는 오리피스로서 링크(Link)로 구분하고, 상기 수로조직은 용수로와 배수로의 링크(Link)와, 상기 용수로와 배수로의 접합지점인 노드(Node)로 구분하고, 상기 포장은 측벽과 하단에 각각 유출공과 침투공이 형성된 탱크로서 노드(Node)로 구분하여 상기 관개조직을 모델링한 지능형 농업용수 관리시스템에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템에 있어서, 상기 관개조직의 관개수량의 관리는, DIROM모형을 이용하여 과거의 기상자료와 미래의 기상예측 자료 및 상기 수원공의 규모와 상기 포장면적 자료를 통한 물수지 분석을 수행하여 예정 관개수량을 산정하고, 상기 용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 예정 관개수량을 분배하고, 상기 용수로에 설치된 유량계로부터 실제 측정된 관개수량을 전송받을 수 있다.
이때, 상기 예정 관개수량을 산정하기 위한 물수지 분석은 TANK 모형을 이용하여 상기 수원공의 유역 유입량을 산정하고, Penman식을 이용하여 상기 포장에 있어서 논의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하고, Penman-Monteith식을 이용하여 상기 포장에 있어서 밭의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하고, 상기 유역유입량, 상기 논의 관개 필요수량, 상기 밭의 관개 필요수량을 이용하여 물수지를 분석할 수 있다.
또한, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 수로조직에 자연하천의 홍수유출 해석기법을 적용하여 수로내 수리해석을 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 수로조직을 자연하천으로, 상기 수로조직내 관개수량을 자연하천의 홍수 유입량으로 개념화하고, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 관개조직의 상기 노드(Node)와 상기 링크(Link)에 흐르는 관개용수에 대하여 각각 연속방정식과 운동량방정식을 이용하는 1차원 부정류로 해석하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 과거의 기상자료 및 미래의 기상 예측자료를 이용하여 추정된 상기 수원공의 유역 유입량을 입력받고, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 유역 유입량과 상기 포장의 면적을 고려하여 산정된 필요수량의 물수지 분석을 통한 예정 관개량 데이터와, 현지관리인의 경험에 따라 결정되는 관개량 데이터를 입력받고, 상기 지능형 농업용수 관리시스템이 상기 링크(Link)에서의 수문제어를 통하여 관개 모의조작을 수행하여 최적 관개량 및 관개시기를 결정할 수 있다.
한편, 상기 지능형 농업용수 관리시스템이 상기 관개 모의조작의 결과 또는 실측 관개수량의 모니터링 결과를 사용자 인터페이스에 표출할 수 있다.
또한, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 관개 모의조작을 통한 상기 포장의 담수심을 산정하여 용수노선별 지배면적에 대한 필요수량보다 수로조직에 흐르는 실제 관개수량이 큰 경우 경보를 제공할 수 있다.
한편, 상기 지능형 농업용수 관리시스템은 공급된 관개량에서 증발량 및 침투량을 반영하여 논 및 밭에서의 수위를 산정하고, 논과 밭에서의 상기 수위가 특정 수위 이상으로 올라갈 경우 관개용수의 공급을 중단할 수 있다.
또한, 다른 카테고리로서 상기와 같은 본 발명의 목적은 수원공의 유역 유입량을 산정하고, 포장의 면적에 따른 필요수량을 산정하여 DIROM 모형을 이용하여 물수지 분석을 통한 일별 관개수량을 산정하는 단계; 용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 관개수량을 분배하는 단계 및 상기 용수로에 설치된 유량계로부터 실제 측정된 관개수량이 전송되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템을 이용한 일별 관개수량의 관리방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 물수지 분석을 통한 일별 관개수량을 산정하는 단계는, TANK 모형을 이용하여 수원공의 유역 유입량을 산정하는 단계; Penman식을 이용하여 포장에 있어서 논의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하는 단계; Penman-Monteith식을 이용하여 상기 포장에 있어서 밭의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하는 단계 및 상기 유역유입량, 상기 논의 관개 필요수량, 상기 밭의 관개 필요수량을 이용하여 물수지를 분석하는 단계를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 다음과 같은 효과를 가지고 있다.
(1) 본 발명은 수원공, 수로조직, 취수시설 및 포장의 관개조직을 노드(Node)와 링크(Link)로 단순화하여 모델링하고 농업용수의 정확한 수요예측을 거쳐 균등분배를 통한 체계적인 용수공급을 수행할 수 있다.
(2) 본 발명은 GIS-DB엔진을 이용하여 단일지구와 광역지구에 대해 용배수계통을 활용한 관개 네트워크를 구성함으로써 효율적인 물 관리가 가능하다.
(3) 본 발명은 정밀한 관계계획에 따른 지능형 물관리로 수량이 풍부하거나 결핍한 조건에서 작물의 최대생산과 최대수익을 달성하고, 여유수량은 하천 유지용수, 생활용수 등 다양한 지역용수로 활용할 수 있다.
(4) 본 발명은 관개 모의조작을 통하여 관개수량에 따른 관개상황을 미리 예측함으로서 수원공에서의 관개수량 조절, 용배수시설의 제어, 관개방식과 관개시기의 변경 등 실제 포장에서의 용수 과잉 사용을 최대한 억제할 수 있고, 뿐만 아니라 무효방류를 관리하여 용수 손실량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
(5) 본 발명은 농업용수 개발사업의 수로조직 설계 결과에 대한 시뮬레이션을 수행되는 것과 같이 수로조직 설계 및 분석 시스템으로 활용될 수 있다.
(6) 본 발명을 이용함으로써 우리나라 수자원 이용량의 약 50%(약 160톤)를 차지하는 농업용수 손실양을 20% 정도 줄인다면 전체 생활용수 사용량(약 76억톤)의 42%에 해당하는 많은 양을 절감할 수 있는 파급효과가 있다.
도 1은 농업용수의 관개조직을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템의 전체 구성도이다.
도 3a는 실제 관개조직의 일례 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 관개조직을 본 발명에 따라 모델링한 도면이다.
도 4는 일별 관개수량을 관리하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 관개수량 산정을 위한 물수지 분석방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 유역 유입량을 산정하기 위한 TANK 모형의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템의 전체 구성도이다.
도 3a는 실제 관개조직의 일례 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 관개조직을 본 발명에 따라 모델링한 도면이다.
도 4는 일별 관개수량을 관리하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 관개수량 산정을 위한 물수지 분석방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 유역 유입량을 산정하기 위한 TANK 모형의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템의 전체 구성도를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 관개 네트워크 구성을 위한 관개조직 모델링 데이터베이스(110), 관개수량 산정을 위한 관개조직의 물수지 분석부(120), 수로조직의 유출 및 수위해석을 위한 유출 및 수위해석부(130) 및 관개 모의조작부(140)로 구성된 지능형 농업용수 관리서버(100)와 실제 관개조직의 노드 및 링크에 설치된 수위계(200), 유량계(300)로 구성될 수 있다. 도면에서는 일부에만 수위계 및 유량계를 표시했으나, 모든 노드 및 링크에 수위계 및 유량계가 설치될 수 있다.
관개조직 모델링 데이터베이스(110)는 수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장의 관개조직을 노드(Node)와 링크(Link)로 구분하여 노드(Node)와 링크(Link)로 구분된 관개조직정보를 저장한다.
물수지 분석부(120)는 과거의 기상자료 및 미래의 기상 예측자료를 이용하여 추정된 수원공의 유역 유입량을 입력받고, 포장의 면적을 고려한 필요수량을 산정하고, 유역 유입량 및 관개 필요수량을 이용하여 물수지 분석을 실시한다. 물수지 분석에 대한 자세한 설명은 후술한다.
유출 및 수위해석부(130)는 관개 필요수량을 수로조직에 유입시켜서 수로조직에서의 농업용수의 유출 및 수위해석을 실시한다. 수로조직에서의 농업용수의 유출 및 수위해석에 대한 자세한 설명은 후술한다.
관개 모의조작부(140)는 예정 관개수량 및 현지관리인의 경험에 따라 결정되는 관개수량을 입력받아 이를 이용하여 수로조직에 유입시켜 농업용수의 유출 및 수위해석을 하여 관개 모의조작을 실시한다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
(관개 네트워크 구성을 위한 관개조직 모델링)
도 3a는 실제 관개조직의 일례 나타내는 도면이고, 도 3b는 도 3a의 관개조직을 본 발명에 따라 모델링한 도면이다. 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같이 수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장의 관개조직을 다음과 같이 노드(Node)와 링크(Link)로 구분하여 모델링 할 수 있다.
노드(Node)는 관개조직에서 분기점, 합류점 등과 같은 접합점과, 저수지, 팜펀드, 저류지 등과 같은 저류요소이다. 이때, 측정을 위한 주요 변수는 유량, 수심 등이고, 중요한 종속변수는 수위이다.
그리고, 링크(Link)는 노드(Node)와 노드(Node) 사이를 연결하는 유량을 전송하는 용·배수시설로서 개수로, 터널, 암거, 수로교, 잠관, 낙차공, 급류공, 유말공, 관수로, 분수문, 제수문, 배수문 등이 이에 해당한다. 측정하고자 하는 주요 수리특성치는 조도계수, 길이, 단면적, 동수반경, 수면폭 등이고, 중요한 독립변수는 유량(Q)이다.
수원공에 있어서 저수지 또는 보와 같은 저수시설은 노드(Node)로 구분하고, 양수장과 같은 양수시설은 링크(Link)로 구분할 수 있다.
그리고, 취수시설에 있어서 취수탑과 사통의 취수공을 소정 직경을 갖는 원형 오리피스로서 링크(Link)로 구분할 수 있다.
그리고, 수로조직은 용수로와 배수로를 링크(Link)로 구분하고, 용수로와 배수로의 접합지점을 노드(Node)로 구분한다.
그리고, 포장은 측벽상단과 하단에 각각 유출공과 침투공이 형성된 탱크(저류지)로서 노드(Node)로 구분한다. 즉, 포장을 탱크로 간주하고 측벽상단의 유출공은 논두렁을 월류하는 월류수량을 나타내고 하단의 침투공은 침투수량을 나타내므로써 포장의 일별 담수심을 추정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템의 관개조직 모델링 데이터베이스(100)는 단일지구와 몇 개의 단일지구를 묶은 광역지구에 모두 적용가능하도록 GIS-DB엔진을 이용하여 관개조직을 모델링하는 것이 바람직하다. 즉, GIS환경에서 단일지구 또는 광역지구에 대해 용배수계통을 활용한 관개 네트워크를 구성할 수 있다.
이때, 모델링된 관개조직에 흐르는 실제 관개수량을 산정하기 위하여 수로에 설치된 수위계와 유량계를 이용하여 수로조직의 수위와 유량이 측정될 수 있다. 이렇게 측정된 수위 및 유량은 지능형 농업용수 관리서버(100)로 전송될 수 있다.
도 4는 일별 관개수량을 관리하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 관개조직의 일별 관개수량을 관리하기 위하여 수원공의 유역 유입량을 산정하고, 포장의 면적에 따른 관개수량을 산정하여 산정된 데이터값을 기초로 DIROM 모형 또는 DAWAST 모형을 통한 물수지 분석을 실시한다(S110).
다음으로, 용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 관개수량을 분배한다(S120).
다음으로, 용수로의 주요 지점에 수위계와 유속계의 조합과 같은 유량계를 설치하고 설치된 유량계로부터 실제 관개수량을 입력 받는다(S130).
(관개수량 산정을 위한 관개조직의 물수지 분석)
이하에서는, 관개수량 산정을 위한 관개조직의 물수지 분석방법을 좀 더 상세하게 설명한다.
도 5는 물수지 분석방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 유역 유입량 및 관개 필요수량 산정 모형을 이용하여 물수지 분석을 실시한다.
본 발명에 따른 농업용수 관리시스템을 이용한 일별 물수지 분석방법은 DIROM 모형을 이용한다.
DIROM 모형은 유역특성인자로부터 TANK 모형의 매개변수를 예측하여 무계측유역에서도 하천유량을 추정할 수 있도록 수정된 모형을 말한다. 지표 및 중간유출과 지하수 유출성분을 나타내는 TANK 모형의 매개변수와 유역면적, 논, 밭, 임야 구성비 등 유역별 지상인자와의 다중회귀분석을 실시하여 최적의 매개변수를 추정하여 일단위 유출량을 추정하게 된다.
물수지 분석이란, 한 유역에 장래에 안정된 용수수급을 계획하기 위하여 유역내의 과거 자연유량을 장래의 용수수요와 비교함으로써 소유역별 과부족을 예측하는 것으로 일반적으로 물수지 분석은 어느 유역에서 계획기준년에 대한 수자원의 수급관계를 분석하는 일련의 과정이다.
물수지 관계식은 다음과 같다
I - O = ΔS
I : 유입요소로 강우에 의한 유입량, 유역외 도수 유입량 등
O : 유출요소로 생활, 공업, 농업용수 수요량, 증발량, 침투량, 하천유출량, 유역 외 도수 유출량 등
ΔS : 저류요소로 하천, 저수지 등 저류공간에 저류되는 수량 등
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템에서 유출요소인 O는 농업용수만을 고려하여 논의 관개수량, 밭의 관개수량에 하천유출량 및 유역 외 도수 유출량을 더하여 산출될 수 있다. 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 증발량과 침투량에 대하여 논의 관개수량 및 밭의 관개수량 산정시 고려할 수 있다.
상기 물수지 관계식을 이용한 물수지 분석절차는 다음과 같다.
(1) 소유역을 구분한다. (2)분석 단위기간을 결정한다. (3) 분석 대상기간을 결정한다. (4) 소유역별 유역유입량을 산정한다. (5) 소유역별 수요량 및 순물소모량을 산정한다. 여기에서, 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 농업용수만을 고려하여, 소유역별 수요량 및 순물소모량에 해당하는 관개수량을 산정한다. (6) 물수지를 분석한다.
이때, 소유역, 분석 단위기간, 분석 대상기간은 본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템에 미리 저장되어 있거나, 입력을 받을 수 있다.
구체적으로, 물수지 분석은 다음과 같은 과정을 거치게 된다.
먼저, TANK 모형을 이용하여 수원공의 유역 유입량을 산정한다(S210). 이때, 유역 유입량을 산정하기 위한 TANK 모형의 개략도가 도 6에 도시되어 있다.
TANK 모형은 유역을 유출공을 가진 일련의 저수지 조합으로 가정하여 강수량을 유량으로 환산하는 모형이며, 도 6에서와 같이 연속된 3단 탱크로 구성되거나 이와 달리 4단 탱크로 구성될 수 있다. 이때, 측면의 구멍은 하천으로의 유출공을 표현하고, 하단의 구멍은 하층으로의 침투공을 표현한다. 그리고 강우가 1단 탱크로 유입되어 저류량이 증가하면서 저류량 중 일부는 측면 유출공으로 유출되고, 일부는 하단 침투공으로 침투되어 2단 탱크로 유입되는 방식으로 유출량을 분석하게 된다. 이러한 과정을 거쳐서 소유역에 해당하는 수원공의 유역 유입량을 산정할 수 있다.
다음으로, Penman식을 이용하여 포장에 있어서 논의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정한다(S220).
Penman법은 영국의 Penman이 열수지법과 공기역학적 방법인 Delton 법을 조합하여 제시한 것으로 습윤지역에서 기온, 습도, 일조시간, 증기압, 풍속 등의 기상요소를 데이터로 이용하여 잠재 증발산량을 구하는데 사용할 수 있다.
이때, 주간과 야간의 기상상태의 차이을 고려한 수정 Penman식을 이용하는 것이 바람직하다. 수정 Penman식에 있어서 논의 관개 필요수량은 증발산량과 침투량의 합으로 이루어진다. 이때, 증발산량을 구하는 방법은 실측에 의하는 방법과 계산에 의한 방법이 있으며, 침투량은 지역별로 조사한 침투량 자료를 입력받아 사용한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 증발산량 산정시 수정 Penman식을 이용하여 계산에 의한 방법을 사용할 수 있다.
수정 Penman식을 이용한 논의 필요수량을 산정하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 기상자료(기온, 상대습도, 일조시간 등), 포장관리(토양침투량, 담수심등), 영농방식(이앙, 직파등), 생육기별 물관리 방식 자료를 입력 받는다.
다음으로, 수정Perman식에 의해 잠재증발산량을 산정한다. 수정Perman식은 아래의 [수학식1]과 같다.
이후에, 생육기별, 영농방식별, 지역별 구분에 따라 작물계수를 이용하여 실제 증발산량을 산정한다.
다음으로, 실제증발산량에 침투량을 더하여 생육기별 작물소비수량을 산정한다.
이후에, 논에서의 물수지를 통해 일별담수심을 추적하여 얻어낸 유효우량을 입력 받는다.
다음으로, 이앙기등 생육기별 재배관리 용수량을 입력받는다.
이후에, 생육기별 작물소비수량에서 유효우량을 빼고 재배관리 용수량을 더하여 순관개수량을 산정한다.
마지막으로, 순관개수량에 미리 저장된 수로손실율을 이용하여 관개수량을 산정한다.
수정 Penman식은 다음과 같다.
ET : 잠재증발량(mm/day)
c : 기후조건에 따른 조정계수(통상 1.0을 적용)
W : 온도 가중인자
Rn : 순일사량(mm/day)
f(u) : 풍속과 관련된 함수
es : 포화증기압(milibar)
ea : 실제증기압(milibar)
다음으로, Penman-Monteith식을 이용하여 포장에 있어서 밭의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정한다(S230). Penman-Monteith식은 기존의 Penman식을 발전시킨 것으로 습윤과 건조지역 모두 적용성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.
구체적으로 Penman-Monteith식을 이용하여 밭에서의 관개 필요수량을 산정하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 기온, 상대습도, 일조시간 등 기상자료와, 작부체계 및 작부시기 자료와, 관개방식, 토양특성 자료를 입력 받는다.
다음으로, Penman-Monteith식에 의해 잠재증발산량을 산정한다. Penman-Monteith식은 아래의 [수학식2]와 같다.
이후에, 잠재증발산량에 작물계수를 곱하여 실제증발산량을 산정한 후 시기별 작물 소비수량을 산정한다.
다음으로 각 시기별 작물 소비수량 및 유효우량을 고려하여 생육기별 관개량을 산정한다. 이때 유효우량은 강우량, 관개량, 작물 소비수량의 토양내 물수지를 통해 결정하게 된다.
밭은 논의 연속관개는 달리 수일에 한번씩 관개를 하게 되므로 1회 용수량과 간단일수(irrigation interval)가 중요하다.
따라서 마지막으로 생육기별 관개량에 토양수분소비형(SMEP, Soil Moisture Extract Pattern)과 토층별 생장유효수분량에 의해 산정된 총신속유효수분량(TRAM, Total Ready Available Moisture)을 고려하여 1회 용수량과 간단일수를 산정하고 여기에 관개효율을 적용하여 밭에서의 관개 필요수량을 산정한다.
상기 Penman-Monteith식을 공기역학적인 항과 일사량에 관계된 항으로 나타내면 다음과 같다.
Et = 잠재증발산량(mm/day)
Rn = 순일사량(mm/day)
ea-ed = 증기압차(mbar)
△ = 수증기압 곡선
γ = 습도상수
G = 토양으로 흡수되는 열유동량
마지막으로, 앞에서 산정된 유역유입량, 관개수량을 물수지 관계식에 대입하여 물수지를 산정한다(S240).
이때, I - O = ΔS에서 I 대신 유역유입량을 대입하고, O 대신 논의 관개 필요수량과 밭의 관개 필요수량의 합인 관개수량을 대입하여 ΔS를 얻는다.
(수로조직의 유출 및 수위해석)
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템에 있어서, 수로조직은 자연하천의 홍수유출 해석기법을 수로조직에 적용하여 수로내 수리해석, 유속 및 유량계산, 유수 및 배수곡선 해석 등을 수행하게 된다.
홍수유출 해석기법은 (1)하천이 포함된 유역을 소유역으로 구분하여 소유역별 홍수량을 산정하고, (2)소유역별 홍수량을 합성하여 하천의 유입홍수량으로 입력하고, (3)하천추적을 통해 하천의 유출 해석을 실시하게 된다. 유출해석을 위한 홍수추적 방법은 수문학적 방법과 수리학적 방법이 있으며, 본 발명의 농업용수 관리시스템은 수리학적 홍수추적을 이용한다.
참고로, 수리학적 홍수추적은 홍수파의 흐름해석을 수리학적으로 나타내는 부정부등류의 지배방정식인 편미분 연속방정식과 운동방정식에 경계조건을 적용하여 풀이하는 방법이다.
본 발명에 있어서는 관개수로를 자연하천으로 대체하고, 관개수량을 하천에 유입되는 홍수량으로 대체하여 관개수로에 대한 해석을 실시하게 된다. 그리고, 관개조직의 물수지 분석을 통한 관개수량, 현지관리인의 경험에 의한 관개수량 및 수로에서 실측을 통한 관개수량을 수로조직의 유입량 자료로 입력받아 수로조직내에서 유출 및 수리해석을 실시하게 된다.
또한, 합류·분류시스템으로 구성된 복잡한 루프(Loop)형 수로 네트워크 및 배수, 역류, 급류, 압력류 계산과 웨어, 오리피스, 역사이펀, 저류지, 양수장 등 각종 수리시설물의 수리해석이 가능하도록 관개조직내 흐름을 노드(Node)와 링크(Link)에서 각각 연속방정식과 운동량방정식을 이용하는 1차원 부정류 흐름으로 해석하여 계산하는 것이 바람직하다. 이때, 수위는 노드(Node)에서 연속방정식을, 유량은 링크(Link)에서 운동량방정식을, 유속은 manning의 유속공식을 사용한다.
한편, 분수공, 제수공과 같은 수리시설물의 흐름해석은 내외수위 및 문비의 개방도에 따라 완전 수중 오리피스, 불완전 수중 오리피스 및 웨어흐름으로 구분하여 해석한다.
그리고, 말단 유말공 하단에는 구멍이 없는 가상 저류지로 모델링하여 저류지 유입량을 하천 방류량으로 간주하게 된다.
(관개 모의조작)
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 과거의 기상자료 및 기상 예측자료를 전송받아 수원공의 유역 유입량을 추정하고, 포장의 면적을 고려한 관개수량을 산정할 수 있다.
이를 통해서 단일지구 또는 광역지구에 대해 연간, 월간, 주간 또는 일간 관개계획을 수립하게 된다.
예를들어, 연간 관개계획은 연초에 과거 기상자료를 통계처리하여 그 해의 기상을 예측한 후 TANK 모형으로 저수지 유입량을 산정하고, 수정 Penman식 또는 Penman-Monteith식을 이용하여 필요수량을 산정한다. 그리고, 물수지 분석을 통해 예정 관개량을 산정하고, 산정된 예정 관개량을 수로조직에 유입시켜 연간 관개상황을 분석하여 관개량을 조정한 후 최종 관개계획을 수립하게 된다.
관개조직의 예정 관개량 산정은 장기 예정 관개량과 단기 예정 관개량으로 구분할 수 있으며, 장기 관개량은 과거의 기상자료를 통계처리 하고, 단기 관개량은 기상 예측자료를 이용하여 DIROM모형을 통하여 수원공의 유역유입량과 포장면적에 따른 필요수량을 산정한 후 이를 물수지 분석하여 일별 관개수량을 산정하고, 용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 관개수량을 배분한다.
또한, 월별, 주별, 기별(가뭄예측 기간 등) 관개계획은 현장에서 관개가 진행되는 기간 중 기상청의 기상예보를 입력받아 물수지 분석후 예정 관개량을 산정하고, 산정된 예정 관개량을 수로조직에 유입시켜서 월별, 주별, 기별 관개상황을 분석하여 관개량을 조정한 후 최종 관개계획을 수립하게 된다.
또한, 일간 관개계획은 그날의 기상자료를 입력하여 물수지 분석 후 예정 관개량을 산정하고, 산정된 예정 관개량을 수로조직에 유입시켜서 그날의 관개상황을 분석하여 관개량을 조정한 후 최종 일간 관개계획을 수립하게 된다.
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 상기 관개계획에 따라 관개 모의조작을 실시하게 된다.
구체적으로, 포장의 면적을 고려하여 산정된 예정 관개량 데이터와, 현지관리인의 경험에 따라 결정되는 관개량 데이터가 입력되어 링크(Link)에서의 수문제어를 통해 관개 모의조작을 수행하게 된다. 이때, 수량이 풍부하거나 결핍한 조건에서 상기 수문제어를 통해 기상조건 및 하천 방류 조건에 따른 최적 관개수량 또는 관개시기를 결정함으로써 작물의 최대 생산과 최대수익을 달성하고 손실수량을 최소로 할 수 있다.
또한, 현지관리인의 경험에 따른 관개량과, 실측 관개량 자료를 입력받아 이를 기초로 실제 관개 모의조작을 수행할 수도 있다.
상술된 본 발명에 따른 관개 모의조작은 수요자 요구방식 또는 공급자 주도방식으로 수행될 수 있다.
수요자 요구방식은 포장에서의 용수 상황을 실시간으로 감시하면서 물 수요를 중심으로 용수를 공급함으로써 용수 공급 유연성을 가지면서 용수 손실을 최소화하여 효율적인 용수관리 가능하고, 용수 공급에 관한 자료를 저장 관리하면서 외부에서 원격 제어함으로써 편리한 방법으로 체계적인 용수 관리가 가능한 장점이 있다.
공급자 주도방식은 수요처(포장)에서 필요로 하는 용수를 포장의 면적이나 담수심 등의 데이터를 기초로 관개용수를 산정하여 용수를 공급하는 방식이다.
또한, 본 발명은 상술한 관개 모의조작을 통해 관개수량이 하천유지용수로 이용되거나 하류에서 관개에 재이용될 수 있도록 하천 방류량 자료를 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 지능형 농업용수 관리시스템은 상술된 다양한 조건의 관개 모의조작의 결과와, 실측 관개수량의 모니터링 결과를 모니터와 같은 사용자 인터페이스에 표출함으로써 평상시나 한발 등의 비상시에 과학적이고 체계적인 의사결정을 지원할 수 있다.
또한, 본 발명은 관개 모의조작을 통한 포장의 담수심을 예측하여 용수노선별 지배면적에 대한 필요수량보다 실제 수로조직에 흐르는 관개수량이 큰 경우 경보를 제공함으로써 신속한 의사결정을 지원할 수 있다. 그리고, 관개도중 일정 수위 또는 유량을 경보함으로써 수문조작의 경보 기능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 공급된 관개량에서 증발량 및 땅속으로의 침투량을 반영하여 논 및 밭에서의 수위를 추정할 수 있고, 이를 이용하여 논과 밭에서의 수위가 특정 수위 이상으로 올라갈 경우 원격에서의 수문제어를 통하여 공급 예정인 관개용수의 공급을 중단할 수 있다. 이때, 증발량 및 침투량은 본 발명의 일 실시예에 따른 농업용수 관리시스템에 미리 저장될 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위의 범위에 속함은 자명하다.
100 : 지능형 농업용수 관리서버
110 : 관개조직 모델링 데이터베이스
120 : 물수지 분석부
130 : 유출 및 수위해석부
140 : 관개 모의조작부
200 : 수위계
300 : 유량계
110 : 관개조직 모델링 데이터베이스
120 : 물수지 분석부
130 : 유출 및 수위해석부
140 : 관개 모의조작부
200 : 수위계
300 : 유량계
Claims (11)
- 수원공, 취수시설, 수로조직 및 포장을 포함한 관개조직을 지리정보시스템(GIS) 데이터를 이용하여 관리하는 농업용수 관리시스템에 있어서,
상기 관개조직을 유량이 모이는 노드(Node)와, 노드(Node)와 노드(Node)를 연결하여 유량을 전송하는 링크(Link)로 구성된 네트워크 모형으로 모델링하고,
상기 수원공에 있어서 저수시설은 노드(Node)로, 양수시설은 링크(Link)로 구분하고,
상기 취수시설에 있어서 취수탑과 사통의 취수공을 소정 직경을 갖는 오리피스로서 링크(Link)로 구분하고,
상기 수로조직은 용수로와 배수로의 링크(Link)와, 상기 용수로와 배수로의 접합지점인 노드(Node)로 구분하고,
상기 포장은 측벽과 하단에 각각 유출공과 침투공이 형성된 탱크로서 노드(Node)로 구분하여 상기 관개조직을 모델링한 지능형 농업용수 관리시스템. - 제1항에 있어서,
상기 관개조직의 관개수량의 관리는,
DIROM모형을 이용하여 과거의 기상자료와 미래의 기상예측 자료 및 상기 수원공의 규모와 상기 포장면적 자료를 통한 물수지 분석을 수행하여 예정 관개수량을 산정하고,
상기 용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 예정 관개수량을 분배하고,
상기 용수로에 설치된 유량계로부터 실제 측정된 관개수량을 전송받는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 예정 관개수량을 산정하기 위한 물수지 분석은,
TANK 모형을 이용하여 상기 수원공의 유역 유입량을 산정하고,
Penman식을 이용하여 상기 포장에 있어서 논의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하고,
Penman-Monteith식을 이용하여 상기 포장에 있어서 밭의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하고,
상기 유역유입량, 상기 논의 관개 필요수량, 상기 밭의 관개 필요수량을 이용하여 물수지를 분석하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
상기 수로조직에 자연하천의 홍수유출 해석기법을 적용하여 수로내 수리해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 4항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
상기 수로조직을 자연하천으로, 상기 수로조직내 관개수량을 자연하천의 홍수 유입량으로 개념화하고,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
상기 관개조직의 상기 노드(Node)와 상기 링크(Link)에 흐르는 관개용수에 대하여 각각 연속방정식과 운동량방정식을 이용하는 1차원 부정류로 해석하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
과거의 기상자료 및 미래의 기상 예측자료를 이용하여 추정된 상기 수원공의 유역 유입량을 입력받고,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
상기 유역 유입량과 상기 포장의 면적을 고려하여 산정된 필요수량의 물수지 분석을 통한 예정 관개량 데이터와, 현지관리인의 경험에 따라 결정되는 관개량 데이터를 입력받고,
상기 지능형 농업용수 관리시스템이 상기 링크(Link)에서의 수문제어를 통하여 관개 모의조작을 수행하여 최적 관개량 및 관개시기를 결정하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템이,
상기 관개 모의조작의 결과 또는 실측 관개수량의 모니터링 결과를 사용자 인터페이스에 표출하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
상기 관개 모의조작을 통한 상기 포장의 담수심을 산정하여 용수노선별 지배면적에 대한 필요수량보다 수로조직에 흐르는 실제 관개수량이 큰 경우 경보를 제공하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 지능형 농업용수 관리시스템은,
공급된 관개량에서 증발량 및 침투량을 반영하여 논 및 밭에서의 수위를 산정하고, 논과 밭에서의 상기 수위가 특정 수위 이상으로 올라갈 경우 관개용수의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템. - 수원공의 유역 유입량을 산정하고, 포장의 면적에 따른 필요수량을 산정하여 DIROM 모형을 이용하여 물수지 분석을 통한 일별 관개수량을 산정하는 단계;
용수로의 지배면적별 필요수량을 계산하여 노선별 관개수량을 분배하는 단계; 및
상기 용수로에 설치된 유량계로부터 실제 측정된 관개수량이 전송되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 농업용수 관리시스템을 이용한 일별 관개수량의 관리방법. - 제 10항에 있어서,
상기 물수지 분석을 통한 일별 관개수량을 산정하는 단계는,
TANK 모형을 이용하여 수원공의 유역 유입량을 산정하는 단계;
Penman식을 이용하여 포장에 있어서 논의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하는 단계;
Penman-Monteith식을 이용하여 상기 포장에 있어서 밭의 관개 필요수량을 면적에 따라 산정하는 단계; 및
상기 유역유입량, 상기 논의 관개 필요수량, 상기 밭의 관개 필요수량을 이용하여 물수지를 분석하는 단계를 포함하는 지능형 농업용수 관리시스템을 이용한 일별 관개수량의 관리방법.
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