두 산림유역의 표층 토양의 공극 발달과 수리학적 성질의 계절적 특성 Seasonal Characteristics of Pore Development and Hydraulic Properties of Surface Soil in Two Forested Watershed원문보기
토양수리특성을 규명하는 것은 사면에서의 수문과정을 이해하는 과정에서 중요한 부분이다. 이 연구에서는 토양공극발달 및 수리학적 특성의 시간적인 변화특성에 대해서 조사하였다. 특히, 대공극 흐름이나 수리전도도와 관련된 특성들을 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면에서 관측하였다. 연직 흐름의 측정을 위해 사용된 기기는 장력 침투계로 약 8개월동안 토양층 표면의 수리전도도를 측정하였다. 측정된 결과는 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 크지만, 5월과 10월의 경우는 낮은 값을 보여준다. 이는 식생의 세근활동 등과 관련된 공극구조의 발달양상과 선행강우사상으로 인한 토양수분의 영향으로 설명될 수 있다. 침투과정에서 있어서 대공극은 산림 유역에서의 수리전도도에 미치는 영향은 대단히 크며, 수문학적 과정에 있어서도 매우 중요한 기작이다. 본 연구는 현장에서 측정된 토양 수리특성의 시간적 불균일성을 보여주는 사례로 사면에서의 침투과정이 동적인 과정임을 보여주고 있고, 관련된 다양한 토양 수리학적 특성들은 국내 산지사면에서 발생되는 수문기작을 이해하는데 중요한 기초 자료가 된다.
토양수리특성을 규명하는 것은 사면에서의 수문과정을 이해하는 과정에서 중요한 부분이다. 이 연구에서는 토양공극발달 및 수리학적 특성의 시간적인 변화특성에 대해서 조사하였다. 특히, 대공극 흐름이나 수리전도도와 관련된 특성들을 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면에서 관측하였다. 연직 흐름의 측정을 위해 사용된 기기는 장력 침투계로 약 8개월동안 토양층 표면의 수리전도도를 측정하였다. 측정된 결과는 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 크지만, 5월과 10월의 경우는 낮은 값을 보여준다. 이는 식생의 세근활동 등과 관련된 공극구조의 발달양상과 선행강우사상으로 인한 토양수분의 영향으로 설명될 수 있다. 침투과정에서 있어서 대공극은 산림 유역에서의 수리전도도에 미치는 영향은 대단히 크며, 수문학적 과정에 있어서도 매우 중요한 기작이다. 본 연구는 현장에서 측정된 토양 수리특성의 시간적 불균일성을 보여주는 사례로 사면에서의 침투과정이 동적인 과정임을 보여주고 있고, 관련된 다양한 토양 수리학적 특성들은 국내 산지사면에서 발생되는 수문기작을 이해하는데 중요한 기초 자료가 된다.
Configuration of soil hydraulic property is an essential component to understand the hydrological processes at the hillslope scale. In this study, we investigated temporal variations in pore development and soil hydraulic properties during the period from March to October in 2008. Characteristics fo...
Configuration of soil hydraulic property is an essential component to understand the hydrological processes at the hillslope scale. In this study, we investigated temporal variations in pore development and soil hydraulic properties during the period from March to October in 2008. Characteristics for macropore flow and hydraulic conductivity were measured at two hillslopes: one is the hillslope located at the Buprunsa in Sulmachun watershed, and the other is the hillslope located in Gwangneung Research Forest. Vertical fluxes through macropore were measured using a tension infiltrometer at the depth of surface. The saturated hydraulic conductivities in March, June, July and September were relatively high compared to those in May and October. Temporal variations in several soil hydraulic features could be explained by the differences in vegetation activity and soil moisture content determined by antecedent precipitation. Particularly, the features of macropores had a substantial impact on hydraulic conductivity in the forest hillslope. The temporal nonuniformity of the soil hydraulic properties observed in this study manifests the dynamic features of hydrological processes in the hillslope scale and the experimental results will be useful to understand the internal hydrological processes in the mountainous hillslope.
Configuration of soil hydraulic property is an essential component to understand the hydrological processes at the hillslope scale. In this study, we investigated temporal variations in pore development and soil hydraulic properties during the period from March to October in 2008. Characteristics for macropore flow and hydraulic conductivity were measured at two hillslopes: one is the hillslope located at the Buprunsa in Sulmachun watershed, and the other is the hillslope located in Gwangneung Research Forest. Vertical fluxes through macropore were measured using a tension infiltrometer at the depth of surface. The saturated hydraulic conductivities in March, June, July and September were relatively high compared to those in May and October. Temporal variations in several soil hydraulic features could be explained by the differences in vegetation activity and soil moisture content determined by antecedent precipitation. Particularly, the features of macropores had a substantial impact on hydraulic conductivity in the forest hillslope. The temporal nonuniformity of the soil hydraulic properties observed in this study manifests the dynamic features of hydrological processes in the hillslope scale and the experimental results will be useful to understand the internal hydrological processes in the mountainous hillslope.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구의 주요 목적은 연구대상사면에서 Gwak et al.(2007)에 시도된 대공극 흐름의 특성을 수리학적 특성과 연계하여 복수의 사면에서 확장된 측정을 실시하고, 이를 근거로 토양공극과 수리학적 특성의 계절적 변동성을 규명하는 것이다. 보다 구체적으로 포화수리 전도도의 계절적 변동성과 이들 중 유효 흐름률 혹은 대공극 유효흐름 분율의 계절적 변동성을 측정하고, 불포화수리전도도의 계절적 변동성도 규명하는 것을 연구 목적으로 하였다.
(2007)에 시도된 대공극 흐름의 특성을 수리학적 특성과 연계하여 복수의 사면에서 확장된 측정을 실시하고, 이를 근거로 토양공극과 수리학적 특성의 계절적 변동성을 규명하는 것이다. 보다 구체적으로 포화수리 전도도의 계절적 변동성과 이들 중 유효 흐름률 혹은 대공극 유효흐름 분율의 계절적 변동성을 측정하고, 불포화수리전도도의 계절적 변동성도 규명하는 것을 연구 목적으로 하였다.
침투과정에서 있어서 대공극은 산림 유역에서의 수리전도도에 미치는 영향은 대단히 크며, 수문학적 과정에 있어서도 매우 중요한 기작이다. 본 연구는 현장에서 측정된 토양 수리특성의 시간적 불균일성을 보여주는 사례로 사면에서의 침투과정이 동적인 과정임을 보여주고 있고, 관련된 다양한 토양 수리학적 특성들은 국내 산지사면에서 발생되는 수문기작을 이해하는데 중요한 기초 자료가 된다.
토양수리특성을 규명하는 것은 사면에서의 수문과정을 이해하는 과정에서 중요한 부분이다. 이 연구에서는 토양공극발달 및 수리학적 특성의 시간적인 변화특성에 대해서 조사하였다. 특히, 대공극 흐름이나 수리 전도도와 관련된 특성들을 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면에서 관측하였다.
가설 설정
이때 A는 물 저장고의 단면적이며, V는 침투가 시작되는 시점에서 침투가 일정할 때까지 물 저장고내의 수두의 하강속도를 뜻한다. 장력침투실험에 있어서 토양입자의 크기가 균질하고 일정하며, 다져진 상태에서의 수리전도도는 지수함수로 나타낼 수 있다고 가정하고(Wooding, 1968), Gardner(1958)가 제안한 지수형 불포화 수리전도도를 적용하였다.
제안 방법
실험은 장력침투계(Soilmeasurement Systems, Tucson, AZ)를 이용하여 수행되었다. 경사가 가파른 지점에서는 연직으로 절토하여 실험을 수행하였다(Sullivan et al., 1996). 계절적 변화 기간에 맞춰 광릉 8지점, 설마천 7지점에서 광릉 -7cm, -5cm, -3cm, 설마천 -10cm, -6cm, -3cm, 각각 3개의 장력을 기준으로 하였다(Table 1, Table 2, Fig.
, 1996). 계절적 변화 기간에 맞춰 광릉 8지점, 설마천 7지점에서 광릉 -7cm, -5cm, -3cm, 설마천 -10cm, -6cm, -3cm, 각각 3개의 장력을 기준으로 하였다(Table 1, Table 2, Fig. 2). 실험의 수행시 3개의 장력값의 사용은 2개의 경우보다 정확한 지수 기울기(α)를 구할 뿐만 아니라 K 값의 정확도를 높인다.
실험은 장력침투계(Soilmeasurement Systems, Tucson, AZ)를 이용하여 수행되었다. 경사가 가파른 지점에서는 연직으로 절토하여 실험을 수행하였다(Sullivan et al.
, 2000). 심한 경사일때 지표면에 실험이 불가능하여 불가피하게 절토할 수밖에 없기 때문에 동일한 조건으로 경사가 낮은 지점에서 실험하기 위해 모든 지점의 토양 깊이를 10cm로 절토하였다. 장력침투계로 정해진 장력기준에 따라 침투율이 정상상태가 될 때까지 측정하였다(최소 10분).
특히, 대공극 흐름이나 수리 전도도와 관련된 특성들을 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면에서 관측하였다. 연직 흐름의 측정을 위해 사용된 기기는 장력 침투계로약 8개월동안 토양층 표면의 수리전도도를 측정하였다. 측정된 결과는 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 크지만, 5월과 10월의 경우는 낮은 값을 보여준다.
9월 9일 설마천 유역 B7지점은 여름철 집중호우로 인해 토양이 상당부분 유실되어 실험을 실시하지 못하였다(Table 2). 장력침투 실험과 더불어 TDR방식인 Minitrase(Soil moisture Equipment 社)장비를 이용해 각 지점의 토양수분값을 측정하였다(Table 3). 2008년 9월 9일의 광릉의 실험 지점의 토양수분값은 장비이상으로 인해 측정하지 못하였다.
심한 경사일때 지표면에 실험이 불가능하여 불가피하게 절토할 수밖에 없기 때문에 동일한 조건으로 경사가 낮은 지점에서 실험하기 위해 모든 지점의 토양 깊이를 10cm로 절토하였다. 장력침투계로 정해진 장력기준에 따라 침투율이 정상상태가 될 때까지 측정하였다(최소 10분). 6월 21일 광릉 A4지점 실험당시 급작스런 호우에 의해 실험을 중지하였고, 6월 22일로 예정되었던 설마천 유역 실험은 작일과 금일새벽 집중호우에 의해 실험이 불가하여 6월 26일에 실시하였다.
이 연구에서는 토양공극발달 및 수리학적 특성의 시간적인 변화특성에 대해서 조사하였다. 특히, 대공극 흐름이나 수리 전도도와 관련된 특성들을 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면에서 관측하였다. 연직 흐름의 측정을 위해 사용된 기기는 장력 침투계로약 8개월동안 토양층 표면의 수리전도도를 측정하였다.
경기도 파주시 설마리에 위치한 설마천 유역의 범륜사 우측사면과 포천시 소흘읍 광릉슈퍼사이트 내 원두부 소유역에서 2008년 3월부터 2008년 10월까지 6차례의 장력 침투 실험을 실시하였다. 현장 침투실험을 통해 포화수리전도도와 유효흐름, 대공극 유효흐름분율, 유효공극부피와 대공극 유효부피분율 및 불포화 수리 전도도의 계절적 변동성을 관측하였다. 전체적으로 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 컸지만, 5월과 10월의 경우는 낮았다.
대상 데이터
경기도 파주시 설마리에 위치한 설마천 유역의 범륜사 우측사면과 포천시 소흘읍 광릉슈퍼사이트 내 원두부 소유역에서 2008년 3월부터 2008년 10월까지 6차례의 장력 침투 실험을 실시하였다. 현장 침투실험을 통해 포화수리전도도와 유효흐름, 대공극 유효흐름분율, 유효공극부피와 대공극 유효부피분율 및 불포화 수리 전도도의 계절적 변동성을 관측하였다.
임상은 90% 이상이 잣나무, 소나무류인 침엽수림이 발달해 있다. 광릉 소유역은 광릉수목원내 활엽수림 위어댐 350m 상부에 원두부로 추정되는 지점을 중심으로 다른 상부로부터의 유입이 불가능한 독립적인 사면이며 인위적인 요소들에 의한 영향이 전혀 없어 변형되지 않은 자연 산지 지점을 연구지역으로 선정하였다. 유역면적은 7,700m2, 연평균 기온은 11.
본 연구의 대상유역으로 경기도 파주시 적성면 설마천 유역내에 감악산 범륜사 우측 소규모 산지사면과 경기도 포천시 소흘읍 광릉슈퍼사이트 내 원두부 유역으로 독립사면을 가진 유역이다(Fig. 1). 설마천 유역은 1995년 한국건설기술연구원에서 산지 소유역의 특성변화와 수문, 기상 등 기초자료에 대한 지속적 관측과 자료 축적을 위해 시험유역으로 운영하고 있으며 설마리에 위치한 영국군 전적비교를 출구로 하는 설마천의 중상류 지점에 위치하고 있다.
이론/모형
이러한 문제를 해결하기 위해 3개 이상 장력에 대해 시험을 수행하여 (2)식에 α 대신 λc를 대입하고, Gardner(1958)의 식을 이용하여 Wooding(1968)의 식을 다시 표현하면 다음과 같다.
성능/효과
상대적으로 큰 장력이 작용하는 것은 미세한 공극들에 해당하는 것을 의미하는 반면에 작은 장력이 작용하는 것은 대부분 큰 공극과 미세공극 모두에 해당한다. 다시 말하면, 큰 장력에 해당되는 미세공극 같은 토양구조체부피를 통한 물의 이동속도는 거의 일정하지만, 작은 장력에 해당하는 대공극과 미세공극을 합한 공극들을 통한 물의 이동속도는 급격하게 증가한다. 이는 대공극흐름율과 부피의 계절적 특성분석에서 얻은 결론과 같은 것으로서 대공극이 토양의 수리전도도특성을 주로 반영함을 말한다.
이는 식생의 세근활동 등과 관련된 공극의 발달양상과 선행강우사상으로 인한 초기토양수분의 영향으로 설명할 수 있다. 본 연구에서 제시된 결과는 사면에서의 다양한 토양 수리 특성이 유역별 지점별로도 상이한 특성을 보여주고 있으나, 동일한 지점의 월별 변동성도 상당하다는 것을 보여주고 있다. 본 연구는 현장에서 측정된 토양 수리특성의 시간적 불균일성을 보여주는 사례로서 사면에서의 수문과정이 동적인 과정임을 의미하고 있고, 제시된 토양 수리학적 특성들은 다양한 수문연구의 참고자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
(2007)은 이러한 식생 및 동물군에 의한 대공극의 발달이 포화 수리전도도에 크게 영향을 미친다고 보고하였다. 전체 적으로 사면의 하부 및 원두부 유역으로 갈수록 포화 수리 전도도값이 높다는 것을 알 수 있었다. 광릉의 포화수리전도도의 계절적 변동성은 설마천의 결과와 같은 경향을 보인다.
현장 침투실험을 통해 포화수리전도도와 유효흐름, 대공극 유효흐름분율, 유효공극부피와 대공극 유효부피분율 및 불포화 수리 전도도의 계절적 변동성을 관측하였다. 전체적으로 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 컸지만, 5월과 10월의 경우는 낮았다. 이는 식생의 세근활동 등과 관련된 공극의 발달양상과 선행강우사상으로 인한 초기토양수분의 영향으로 설명할 수 있다.
4 mm가 내려 토사침식이 일어나 굵은 골재 또는 기반암이 보이기 시작하여 포화수리전도도의 특성이 변화되었기 때문이다. 전체적으로는 6월과 9월의 포화 수리 전도도값이 3월, 5월, 10월보다 높게 평가되었다. 3월의 포화수리 전도도가 다소 높은 이유는 겨울의 동결된 토양이 녹으면서 토양의 수리전도성에 영향을 준것으로 해석된다.
후속연구
그러나 근본적인 원인이 동·식물활동의 현저한 감소로 인한 영향인지 토양수분값의 영향인지는 추가적이고 지속적인 실험을 통해서 차후 규명해야 할 연구 주제이다.
식생의 영향과 사면의 상대적인 포화도에 의한 토양층 우선흐름경로의 발달양상, 그리고 선행강우로 인한 토양층의 포화 상태 등에 의해 영향을 받는다. 다양한 수문 식생요소의 구체적인 상호작용과 수리특성에 대한 연구는 중요한 차후의 연구주제가 될 것이다.
본 연구에서 제시된 결과는 사면에서의 다양한 토양 수리 특성이 유역별 지점별로도 상이한 특성을 보여주고 있으나, 동일한 지점의 월별 변동성도 상당하다는 것을 보여주고 있다. 본 연구는 현장에서 측정된 토양 수리특성의 시간적 불균일성을 보여주는 사례로서 사면에서의 수문과정이 동적인 과정임을 의미하고 있고, 제시된 토양 수리학적 특성들은 다양한 수문연구의 참고자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대공극의 생성인자는 무엇이 있는가?
대공극의 생성인자로는 식생의 세근활동, 융해로 인한 관로의 형성, 지렁이 등의 절지동물의 활동, 침식, 곤충류의 서식처 활동 등의 다양한 요인에서 기인하는 것으로 알려져 있다(Watson and Luxmoore, 1986; Tsukamoto et al., 1988; Larsson, 1999).
토양구조체 흐름은 무엇을 통해서 발생되는가?
사면에서의 수문기작은 강우가 지표면에 접촉하는 침투과정을 통해서 시작된다(Horton, 1933). 침투과정 의 흐름발생은 토양구조체의 미세입자 간극을 통해서 발생되는 토양구조체 흐름(Matrix Flow)과 토양 속에 존재하는 식생이나, 생물체 등의 활동과 관련되는 대공극 흐름(Macropore Flow)으로 구분될 수 있다 (Beven and Germann, 1982; Noguchi et al., 1999).
장력 침투계로 약 8개월동안 설마천 유역의 범륜사 사면과 광릉연구유역의 원두부 소사면의 토양층 표면의 수리전도도를 측정한 결과는?
연직 흐름의 측정을 위해 사용된 기기는 장력 침투계로 약 8개월동안 토양층 표면의 수리전도도를 측정하였다. 측정된 결과는 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적으로 크지만, 5월과 10월의 경우는 낮은 값을 보여준다. 이는 식생의 세근활동 등과 관련된 공극구조의 발달양상과 선행강우사상으로 인한 토양수분의 영향으로 설명될 수 있다.
참고문헌 (22)
Baird, A. J., 1997: Field estimation of macropore functioning and surface hydraulic conductivity in a fen peat, Hydrological Processes 11, 287-295
Bodhinayake, W., B. C. Si, and C. Xiao, 2004: New method for determining water-conducting macro-and mesoporosity from tension infiltrometer, Soil Science Society of America Journal 68, 760-769
Bormann, B., and K. Klaassen, 2008: Seasonal and land use dependent variability of soil hydraulic and soil hydrological properties of two Northern German soils, Geoderma 145, 295-302
Casanova, M., I. Messing, and A. Joel, 2000: Influence of aspect and slope gradient on hydraulic conductivity measured by tension infiltrometer, Hydrological Processes14, 155-164
Gardner, W. R., 1958: Some steady state solutions of unsaturated moisture flow equations with application to evaporation from a water table, Soil Science 85, 228-232
Gupta, S, D., B. P Mohanty, and J. M. Kohne, 2006: soil hydraulic conductivities and their spatial and temporal variations in a vertisol, Soil Science Society of America 70, 1872-1881
Gwak, Y. S., S. J. Kim, J. Kim, J. H. Lim, and S. Kim, 2007: Spatial distribution of macropore flow percentage and macroporosities in the Gwangneung forest catchment, Korean Journal of Agricultural and Forest meteorology 9(4), 234-246
Larsson, M. H., 1999: Quantifying macroporeflow effects on nitrate and pesticide leaching in a structed clay soil, field experiments and modelling with the MACRO and SOILN models, Acta Universitatis Agriculturae Sueciae, Agraria 164, 34
Noguchi, S., N. Abdul Rahim, K. Baharuddin, T. Sammori, M. Tani, and K. Morisada, 1997a: Soil physical properties and preferential flow pathways in tropical rain forest, Bukit Tarek, Peninsular Malaysia, Journal of Forest Research 2, 115-120
Noguchi, S., Y. Tsuboyama, R. C. Sidle, and I. Hosoda, 1997b: Spatially distributed morphological characteristics of macropores in forest soils of Hitachi Ohta Experimental Watershed, Japan, Journal of Forest Research 2, 207- 215
Noguchi, S., Y. Tsuboyama, R. C. Sidle, and I. Hosoda,1999: Morphological characteristics of macropores and the distribution of preferential flow pathways in a forested slope segment, Soil Science Society of America Journal 63, 1413-1423
Perret, J. S., S. O. Prasher, A. Kantzas, and C. Langford, 1999: Three-dimensional quantification of macropore networks in undisturbed soil cores, Soil Science Society of America Journal 63, 1530-1543
Sullivan, M., J. J. Warwick, and S. W. Tyler, 1996: Quantifying and delineating spatial variations of surface infiltration in small watershed, Journal of Hydrology 181, 149-168
Uchida, T, K. Kosugi, and T. Mizuyama, 2001: Effect of pipeflow on hydrological process and its relation to landslide: a review of pipeflow studies in forested headwater catchments, Hydrological Processes 15, 2151-2174
Vandervaere, J, P., M. Vauclin, and D. E. Elrick, 2000: Transient flow from tension infitlrometers I. The twoparameter equation, Soil Science Society of America Journal 64, 1263-1272
Watson, K. W., and R. J. Luxmoore, 1986: Estimating macroporosity in a forest watershed by use of a tension infiltrometer, Soil Science Society of America Journal, 50, 578-582
Wilson, G. V., and R. J. Luxmoore, 1988: Infiltration, macroporosity, and mesoporosity distributions on two forested watersheds, Soil Science Society of America Journal 52, 329-335
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.