A Numerical Model of Three-dimensional Soil Water Distribution for Drip Irrigation Management under Cropped Conditions

작물 흡수를 고려한 3차원 토양수분 분포 모델 개발을 통한 최적 점적 관개 연구

A numerical model of three-dimensional soil water distribution for drip irrigation management under cropped conditions was developed using Richards equation in Cartesian coordinates. The model accounts for both seasonal and diurnal changes in evaporation and transpiration, and the growth of plant root and the shape of root zone. Solutions were numerically approximated using the Crank-Nicolson implicit finite difference technique on the block-centered grid system and the Gauss-Seidel elimination in tandem. The model was tested under several conditions to allow the flow rates and configurations of drip emitters vary. In general, simulation results agreed well with experimental results and were as follows. The velocity of soil-water flow decreased drastically with distance from the drip source, and the rate of expansion of the wetted zone decreased rapidly during irrigation. The wetting front of wetted zone from a surface drip emitter traveled farther in vertical direction than in horizontal direction. Under this experimental weather condition, water use efficiency of a drip-irrigated apple field was greatest for 4-drip-emitter system buried at 25 cm, resulting from 10% increase in transpiration but 20% reduction in soil evaporation compared to those for surface 1-drip emitter system. Soil moisture retention curve obtained using disk tension infiltrometer showed significant difference from the curve obtained with pressure plate extractor.

작물이 자라는 토양에서 점적 관개에 의해 일어나는 토양 수분의 분포와 이동을 3차원 직교 좌표계로 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하였다. 모델은 지면 증발과 증산을 고려하였으며, 이들의 계절적 현화와 하루 중의 시간변화 뿐 아니라 작물 뿌리의 성장 및 뿌리의 토양 중 분포형태도 고려하였다. 모델의 해는 block centered grid system등을 적용하여 Crank-Nicolson법과 Gauss-Seidel 반복법을 사용하여 구하였다. 모델은 실험을 통해 검증하였으며, 점적 관개의 특성을 알기 위하여 모델을 이용한 컴퓨터 모사를 실시하였고, 본 연구의 조건으로부터 다음의 결과를 얻었다. (1) 관수된 물은 점적기에서 멀어짐에 따라 그 유속이 크게 감소하였고, 관수 시간이 증가함에 따라 습윤구역의 크기가 증가하는 속도도 급격히 감소하였다. (2) 1점 관수의 경우 습윤구역은 수평 방향보다는 수직 방향으로 더 깊이까지 도달하였다. (3) 본 연구조건에서 물이용 효율은 지하 25cm지점의 4점 관수가 가장 좋았으며, 지표면 1점 관수보다 증산량은 10% 증가, 지면 증발량은 20% 감소하였다. (4) disk tension infiltrometer에 의한 토양의 수분보유도 함수는 토양수분 압출에 의한 젖음 곡선과는 상당한 차이를 나타내는 것도 알 수 있었다.