토양입자(土壤粒子)의 특성(特性) 및 물리적(物理的) 요인(要因)에 따른 지하수(地下水) 통수성(通水性) 변화(變化)에 대한 기초(基礎) 연구(硏究) Basic Study on the Variation of the Permeability of Groundwater Depending on the Characteristic of Soil Particles and Physical Factors원문보기
본 연구에서는 토양에서 지하수의 흐름에 영향을 미치는 주요한 인자인 토양입자의 크기 및 입자들의 혼합 패턴에 따라 Darcy의 법칙에서 제시되어 있는 투수계수가 변화하는 양상을 검토하여 토양 환경에서의 물의 흐름에 대한 해석을 시도하였다. 또한 물의 온도 및 농도 변화에 따른 투수계수의 양상을 파악하였다. 그 결과, 토양입자의 크기 및 혼합패턴에 대한 투수계수는 입자의 크기에 비례하는 경향을 보였으며, 조합에 따라 공극률의 영향을 많이 받았다. 특히 단일입자에 비해 크기가 다른 모래 시료를 혼합한 경우 크기가 작은 단일입자의 투수계수값보다 낮은 값을 나타내었다. 또한 온도 증가에 따라 지하수의 투수계수가 증가하였으며, 지하수 내 이온의 농도에 따라 투수계수가 감소하였다. 본 연구결과는 토양 환경에서 지하수의 거동을 해석하는데 있어 토양의 특성이 반영되는 현상에 의미있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 토양에서 지하수의 흐름에 영향을 미치는 주요한 인자인 토양입자의 크기 및 입자들의 혼합 패턴에 따라 Darcy의 법칙에서 제시되어 있는 투수계수가 변화하는 양상을 검토하여 토양 환경에서의 물의 흐름에 대한 해석을 시도하였다. 또한 물의 온도 및 농도 변화에 따른 투수계수의 양상을 파악하였다. 그 결과, 토양입자의 크기 및 혼합패턴에 대한 투수계수는 입자의 크기에 비례하는 경향을 보였으며, 조합에 따라 공극률의 영향을 많이 받았다. 특히 단일입자에 비해 크기가 다른 모래 시료를 혼합한 경우 크기가 작은 단일입자의 투수계수값보다 낮은 값을 나타내었다. 또한 온도 증가에 따라 지하수의 투수계수가 증가하였으며, 지하수 내 이온의 농도에 따라 투수계수가 감소하였다. 본 연구결과는 토양 환경에서 지하수의 거동을 해석하는데 있어 토양의 특성이 반영되는 현상에 의미있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.
In this study, analysis of the flow of water in the soil environment was attempted to examine the changing patterns of permeability coefficient, k, presented in Darcy's law depending on soil particle size and the pattern of mixed soil that main factor affecting ground water flow in soil environment....
In this study, analysis of the flow of water in the soil environment was attempted to examine the changing patterns of permeability coefficient, k, presented in Darcy's law depending on soil particle size and the pattern of mixed soil that main factor affecting ground water flow in soil environment. In addition, permeability coefficient patterns depending on changes in water temperature and concentration were measured. As a result, the permeability for the soil particle size and mixing pattern is proportional to the size of the particles, and it was also influenced by the porosity depending on the mixed pattern and stratification. Especially compared with the single particle, mixing different sizes samples showed a lower k than the value of smaller single particles. In addition, permeability of groundwater increased with increasing temperature, also permeability decreased depending on the concentration of ions in groundwater. The results of this study were expected to use as meaningful data for the phenomenon reflects the characteristics of the soil to understand mobility of groundwater in soil environment.
In this study, analysis of the flow of water in the soil environment was attempted to examine the changing patterns of permeability coefficient, k, presented in Darcy's law depending on soil particle size and the pattern of mixed soil that main factor affecting ground water flow in soil environment. In addition, permeability coefficient patterns depending on changes in water temperature and concentration were measured. As a result, the permeability for the soil particle size and mixing pattern is proportional to the size of the particles, and it was also influenced by the porosity depending on the mixed pattern and stratification. Especially compared with the single particle, mixing different sizes samples showed a lower k than the value of smaller single particles. In addition, permeability of groundwater increased with increasing temperature, also permeability decreased depending on the concentration of ions in groundwater. The results of this study were expected to use as meaningful data for the phenomenon reflects the characteristics of the soil to understand mobility of groundwater in soil environment.
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문제 정의
또한, 물의 온도에 따른 투수계수의 변화 정도를 입자의 크기를 달리하여 검토함으로써 지하수의 흐름에 대한 온도 및 토양입자의 크기의 상관성에 대해 조사하였으며 물에 용해되어 있는 용질의 농도가 투수계수의 변화에 영향을 주는 양상을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 토양에서 지하수의 흐름에 영향을 미치는 주요한 인자인 토양 입자의 크기 및 입자들의 혼합 패턴에 따라 Darcy 의 법칙에서 제시되어 있는 투수계수가 변화하는 양상을 검토하여 토양 환경에서의 물의 흐름에 대한 해석의 구체화에 대한 기초조사를 수행하였다.
이를 살펴보면 A는 단면 체적이고 단위시간당 침투 수량 q는 동수경사(i)에 비례한다는 것을 알 수 있으며, 투수계수 k는 속도와 같은 단위를 가진다(cm/sec). 이와 같이 침투수량은 투수계수의 영향을 받으므로 다양한 조건에서 투수계수를 측정하여 토양 내 물의 침투수량의 영향을 알아보고자 하였다. 본 연구에서는 Darcy 의 법칙에 기초하여 정수두 투수시험방법을 이용하여 투수 계수 k를 산출하였다.
제안 방법
가장 작은 크기의 모래(125~300 µm)와 가장 큰 크기의 모래(1400~2000 µm)의 온도별 투수계수를 구하기 위해 모래 시료를 분류하고 설정한 온도별로 투수계수를 산정하였다.
또한 지하수의 흐름에서 중요한 요소가 되는 토양의 공극에 대한 다양성을 살펴보기 위해 모래시료를 여러 방법으로 조합하여 투수계수를 산정하였으며 이에 대한 방법은 분류한 모래시료의 혼합을 통해 공극의 차이를 변형하는 것과 층별로 다른 크기의 모래시료를 배치한 것이다. 크기가 다른 모래를 섞어 조합별 투수계수를 분석하기 위해 분류한 5가지 모래시료를 섞어 10가지 조합을 나누어 실험을 수행하였으며 가장 작은 크기의 모래시료와 가장 큰 크기의 모래 시료를 Fig.
또한 투수계수의 이온강도에 따른 영향을 검토하기 위해 분류한 시료 중간 크기인 300~425 µm의 모래시료를 사용하여 NaCl 용액의 몰 농도를 0.1 M, 1 M, 2 M 로 변화시킴에 따른 투수계수의 변화를 관찰하였다.
먼저 모래시료의 입자 크기변화에 따른 투수계수 산정을 위해 5가지로 분류한 모래 시료에 대해 투수계수 변화를 산정하였다. 제작한 정수위 투수계수 측정기 (Constant Head Permeameter) 를 이용하여 일정시간 (30 sec)에 따라 투수되는 물의 양을 측정하였으며 유출수의 양을 Darcy 의 법칙에 대입하여 투수계수를 산출하였다.
분류한 모래시료에 대한 투수계수를 산정하기 위해 정수두 투수시험법을 이용하였으며 시료의 크기별 투수 계수 및 모래시료의 다양한 조합에 따른 투수의 영향을 관찰하였다. 실험에서 사용한 정수두 투수계수 측정장치는 Fig.
온도에 따른 투수계수의 변화를 살펴보기 위해 가장 작은 크기의 모래시료(125~300 µm)와 가장 큰 크기의 모래시료(1400~2000 µm)에 대해 온도변화에 따른 투수 계수에 대한 실험을 수행하였으며, 각 온도는 25℃, 40℃, 60℃, 100℃로 조절하였다.
또한 지하수의 흐름에서 중요한 요소가 되는 토양의 공극에 대한 다양성을 살펴보기 위해 모래시료를 여러 방법으로 조합하여 투수계수를 산정하였으며 이에 대한 방법은 분류한 모래시료의 혼합을 통해 공극의 차이를 변형하는 것과 층별로 다른 크기의 모래시료를 배치한 것이다. 크기가 다른 모래를 섞어 조합별 투수계수를 분석하기 위해 분류한 5가지 모래시료를 섞어 10가지 조합을 나누어 실험을 수행하였으며 가장 작은 크기의 모래시료와 가장 큰 크기의 모래 시료를 Fig. 3와 같이 층별로 분류하여 투수계수를 추가로 도출하였다.
크기가 다른 모래시료를 섞어 조합별 투수계수를 알아보기 위해 5가지 분류된 모래시료를 임의로 혼합하여 10가지 조합을 제조하였으며 그에 따른 투수계수의 결과를 Table 2에 나타내었다.
토양에서의 지하수의 흐름에 영향을 미치는 주요 인자로 토양의 입자 크기 및 입자들의 혼합 패턴에 따른 투수계수의 변화 양상을 검토하기 위하여 크기별로 분류한 모래시료를 대상으로 정수위 투수계수 측정기를 이용하여 정수두 투수시험법으로 투수량를 측정하였다. 이를 Darcy 의 법칙에 적용하여 투수계수를 산정하고 토양입자의 패턴, 물의 온도변화 및 NaCl의 농도변화에 따른 투수계수의 변화를 고찰하였다.
투수계수의 이온에 따른 영향을 검토하기 위하여 NaCl 용액의 몰농도를 변화시켜가며 이온에 다른 투수 계수의 변화를 관찰하였으며 그 결과는 Fig. 5에 제시하였다.
투수계수의 측정을 위해 국내 주문진 산 모래시료를 미국표준체로 체거름하여 크기별로 분류한 후 사용하였다. 비중병을 사용하여 측정한 시료의 비중은 약 2.
대상 데이터
체거름한 각각의 크기별 분리 및 크기 숫자 (Size Number) 는 Table 1에 제시하였다. 투수계수 산정을 위한 정수두 투수시험에서 용수로는 수돗물을 사용하였으며, 이온강도에 따른 투수계수 산정을 위한 NaCl 용액은 1차 증류수를 이용하여 각 농도별 NaCl 용액을 조제하였다.
이론/모형
이와 같이 침투수량은 투수계수의 영향을 받으므로 다양한 조건에서 투수계수를 측정하여 토양 내 물의 침투수량의 영향을 알아보고자 하였다. 본 연구에서는 Darcy 의 법칙에 기초하여 정수두 투수시험방법을 이용하여 투수 계수 k를 산출하였다.
토양에서의 지하수의 흐름에 영향을 미치는 주요 인자로 토양의 입자 크기 및 입자들의 혼합 패턴에 따른 투수계수의 변화 양상을 검토하기 위하여 크기별로 분류한 모래시료를 대상으로 정수위 투수계수 측정기를 이용하여 정수두 투수시험법으로 투수량를 측정하였다. 이를 Darcy 의 법칙에 적용하여 투수계수를 산정하고 토양입자의 패턴, 물의 온도변화 및 NaCl의 농도변화에 따른 투수계수의 변화를 고찰하였다.
정수위 투수계수 측정기를 이용하여 일정시간에 따라 투수되는 양을 측정한 후 시료에 대한 각각의 투수계수 k를 Darcy 의 법칙에 적용하여 산정하였다.
먼저 모래시료의 입자 크기변화에 따른 투수계수 산정을 위해 5가지로 분류한 모래 시료에 대해 투수계수 변화를 산정하였다. 제작한 정수위 투수계수 측정기 (Constant Head Permeameter) 를 이용하여 일정시간 (30 sec)에 따라 투수되는 물의 양을 측정하였으며 유출수의 양을 Darcy 의 법칙에 대입하여 투수계수를 산출하였다. 이 때 물의 온도는 22℃ 정도이었다.
성능/효과
1) 토양 내 용해성 물질의 거동에 직접적인 영향을 주는 물리·화학적 성질 중 특히 토양입자의 크기는 토양의 공극율과 관계되는 주요한 요인이므로 지하수의 흐름성을 결정짓는데 연계된다.
그 결과, 이상에서 살펴본 바와 같이 토양입자의 크기 및 혼합패턴에 대한 투수계수는 입자의 크기에 비례하는 경향을 보였으며, 조합에 따라 공극률의 영향을 많이 받았다. 특히 단일입자에 비해 크기가 다른 모래 시료를 혼합한 경우 크기가 작은 단일입자의 k값보다 낮은 값을 나타내었다.
특히 단일입자에 비해 크기가 다른 모래 시료를 혼합한 경우 크기가 작은 단일입자의 k값보다 낮은 값을 나타내었다. 또한 온도 증가에 따라 용매의 점성도가 감소하여 지하수의 투수계수가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 한편 지하수 내 이온의 농도에 따라 투수계수가 감소하였으며, 특히 Na+ 이온의 양에 따라 투수계수가 상호 관계가 있다고 사료된다.
제시된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 크기가 큰 입자가 위층, 그리고 크기가 작은 입자가 아래층에 위치하고 있을 경우와 이와는 반대로 작은 입자가 위층, 그리고 크기가 큰 입자가 아래층에 위치하고 있을 경우를 비교하여 볼 때 그 투수계수의 값이 상호 다른 것으로 파악되었다. 또한, 크기가 상호 다른 입자가 혼합 되어 있을 시 입자들이 전체적으로 균질하게 분포되어 있을 경우와 비교하여 크기가 상호 다른 입자들이 층을 형성하고 있을 경우에서의 투수계수가 다른 것으로 관찰되었다. 즉, 크기가 작은 입자들이 위층을 형성하고 있을 경우의 투수계수는 크기가 서로 다른 입자들이 균질하게 혼합되어 있을 경우에 비해 투수계수는 감소하는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 크기가 큰 입자들이 위층에 존재하고 있을 경우에는 투수계수가 2배가까이 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다.
실험결과, 입자크기의 조합에 따른 투수계수가 달라 짐을 알 수 있으며 앞서 실험에서 수행한 입자크기와 k 값이 비례한다는 결론과 비교할 수 있다. 단일입자의 결과와 비교할 때 입자크기가 서로 다른 시료를 조합할경우 공극률이 줄어들어 나타난 결과로 유추할 수 있으며, 일반적으로 입자크기의 차이가 클수록 공극률이 줄어드는 경향을 보인다.
온도변화에 따른 k값의 변화를 살펴보면 온도가 증가함에 따라 투수계수 값이 증가하는 경향을 보임을 관찰할 수 있다. 이는 온도가 증가함에 따라 물의 점성도가 낮아지기 때문인 것과 토양입자의 열적교반에 의해 토양입자의 운동성이 커지기 때문인 것으로 사료된다.
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 실험 조건에서 이온의 농도가 증가함에 따라 투수계수 값이 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 토양 내 이온성 물질이 유입되면 지하수의 이온강도를 변화시켜 지하수의 거동에 영향을 줄 수 있는데 이온농도가 증가하면 이에 따른 물의 점성도가 증가하게 된다.
제시된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 크기가 큰 입자가 위층, 그리고 크기가 작은 입자가 아래층에 위치하고 있을 경우와 이와는 반대로 작은 입자가 위층, 그리고 크기가 큰 입자가 아래층에 위치하고 있을 경우를 비교하여 볼 때 그 투수계수의 값이 상호 다른 것으로 파악되었다. 또한, 크기가 상호 다른 입자가 혼합 되어 있을 시 입자들이 전체적으로 균질하게 분포되어 있을 경우와 비교하여 크기가 상호 다른 입자들이 층을 형성하고 있을 경우에서의 투수계수가 다른 것으로 관찰되었다.
또한, 크기가 상호 다른 입자가 혼합 되어 있을 시 입자들이 전체적으로 균질하게 분포되어 있을 경우와 비교하여 크기가 상호 다른 입자들이 층을 형성하고 있을 경우에서의 투수계수가 다른 것으로 관찰되었다. 즉, 크기가 작은 입자들이 위층을 형성하고 있을 경우의 투수계수는 크기가 서로 다른 입자들이 균질하게 혼합되어 있을 경우에 비해 투수계수는 감소하는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 크기가 큰 입자들이 위층에 존재하고 있을 경우에는 투수계수가 2배가까이 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다.
또한 온도 증가에 따라 용매의 점성도가 감소하여 지하수의 투수계수가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 한편 지하수 내 이온의 농도에 따라 투수계수가 감소하였으며, 특히 Na+ 이온의 양에 따라 투수계수가 상호 관계가 있다고 사료된다.
후속연구
실제로 토양은 다양한 크기의 입자들로 이루어져 있으며 상황에 따라 이러한 입자들이 혼합되어 있는 형태 또한 달라진다. 따라서, 토양의 이러한 성질들이 반영된 형태로 Darcy 의 법칙을 표현할 경우 지하수의 흐름을 예측하는데 있어 더욱 구체적인 해석이 가능할 뿐만 아니라 용해성 오염물의 거동을 예측하고 이를 처리하는데 있어 체계적인 접근이 이루어질 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서 제시된 결과는 토양 환경에서의 지하수의 거동을 해석하는데 있어 토양의 특성이 반영되는 현상에 의미 있는 자료로 활용될 것으로 사료되며, 또한 지하수에 용해되어 있는 오염물의 이동 및 처리에 실질적으로 응용될 수 있는 개념을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양의 공극율과 관계되는 주요한 요인은?
특히 우리나라는 급속한 산업발전과 경제성장에 따른 산업폐기물과 생활폐기물이 급격히 증가하고 있다는 측면에서 이러한 폐기물들이 매립 등으로 토양에 유입될 경우, 토양환경에 크게 영향을 미치게 된다.1) 토양 내 용해성 물질의 거동에 직접적인 영향을 주는 물리·화학적 성질 중 특히 토양입자의 크기는 토양의 공극율과 관계되는 주요한 요인이므로 지하수의 흐름성을 결정짓는데 연계된다. 따라서 토양의 성질에 따른 지하수 흐름 및 이를 통한 토양환경의 영향을 체계적으로 파악할 필요가 있다고 사료된다.
토양 내 지하수의 흐름의 가장 중요한 요인은?
토양 내 지하수의 흐름의 가장 중요한 요인은 토양입자의 크기라 할 수 있으며 또한 지하수에 용해되어 있는 물질의 농도 및 지하수의 온도를 주요 요인으로 고려할 수 있다2). 지하수의 온도는 물의 점성 및 표면장력의 크기와 관계됨으로써 토양내 물의 움직임을 결정 하는 중요한 요인으로 작용한다.
토양 환경에서의 물의 흐름에 대한 해석 연구에서 투수계수의 양상을 파악한 결과는?
또한 물의 온도 및 농도 변화에 따른 투수계수의 양상을 파악하였다. 그 결과, 토양입자의 크기 및 혼합패턴에 대한 투수계수는 입자의 크기에 비례하는 경향을 보였으며, 조합에 따라 공극률의 영향을 많이 받았다. 특히 단일입자에 비해 크기가 다른 모래 시료를 혼합한 경우 크기가 작은 단일입자의 투수계수값보다 낮은 값을 나타내었다. 또한 온도 증가에 따라 지하수의 투수계수가 증가하였으며, 지하수 내 이온의 농도에 따라 투수계수가 감소하였다. 본 연구결과는 토양 환경에서 지하수의 거동을 해석하는데 있어 토양의 특성이 반영되는 현상에 의미있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.
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