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지표면 온도상승이 빗물의 토양침투에 미치는 영향에 대한 실험 및 수치 해석적 연구
Experimental and Numerical Study on the Effect of the Rain Infiltration with the Increase of Surface Temperature 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.6, 2013년, pp.422 - 429  

신나라 (충남대학교 환경공학과) ,  신미수 (충남대학교 환경공학과) ,  장동순 (충남대학교 환경공학과)

초록
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지구온난화와 도시 사막화에 따른 지표면의 온도 상승은 기상과 기후에 대한 실질적은 변화를 야기시킨다는 것은 경험적으로 잘 알려져 있다. 특히 사막화 지역에서는 사막 토양이 침투에 유리한 높은 기공성을 가졌음에도 불구하고 오히려 강우 시 강력한 유출(runoff) 현상에 의한 홍수가 빈번하게 발생하고 있다. 강수시 이러한 높은 유출 특성은 빠른 수분증발과 짧은 수자원순환주기에 의하여 집중호우를 발생시키고 지하수 자원을 고갈시키는 최악의 양극화 현상을 야기시키고 있다. 이러한 현상에 대한 물리적인 기전은 사막과 같은 토양에 높은 온도에 의한 강한 열적 부력현상에 의한 것으로 판단된다. 그러나 이러한 주제의 중요성에도 불구하고 이것에 대한 과학적인 연구가 제대로 이루어지지 않은 것으로 나타나고 있다. 본 논문에서는 이러한 현상에 대한 물리적인 가설에 대한 기전을 밝히기 위해 실험적인 연구와 수치 해석적 연구를 병행하였다. 실험적 연구를 위해 기공도 약 35%에 입도 2.0 mm를 가진 자갈성 모래를 가지고 토양 온도 변화에 따른 실험을 수행하였다. 온도 변화에 대한 구체적인 변수는 case 1의 표준상태의 경우에는 지표면의 온도를 $15^{\circ}C$로 하였고, case 2의 경우는 $70^{\circ}C$ 비교적 높은 고온을 선택하여 각각 10회의 반복실험을 시도하여 평균값을 취하였다. $70^{\circ}C$를 선택한 이유는 캘리포니아 Coachella Valley이 검은 모래가 화씨 191도(섭씨 88도)까지 상승한다는 경험적 자료에 기초하였다. 실험 결과 온도가 $70^{\circ}C$인 경우는 $15^{\circ}C$인 경우에 비하여 유출(runoff)이 온도상승효과에 의하여 약 5% 이상 실질적으로 증가하는 결과를 보였으며 지하로 침투하는 침투량(infiltration)은 빗물의 양을 동일한 양으로 표준화 하여 보정한 경우 온도가 낮을 때 상대적으로 30% 정도 증가하는 현상을 나타내었다. 이러한 결과는 지표면 온도 상승이 지하수 고갈과 그에 따른 지반강하에 중요한 인자가 될 수 있음을 시사한다. 수치해석의 결과는 실험 결과와 비교할 때 온도상승에 의해 약 4.6% 정도 유출이 증가되는 것으로 나타나 실험결과와 비교적 잘 부합하였으며 강우량에 따른 변수 연구의 경우도 물리적으로 일관성이 있었다. 이러한 기본적인 연구 결과에 기초할 때 향후 보다 실질적인 시스템에 대한 연구가 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is generally known that the increase of the Earth surface temperature due to the global warming together with the land desertification by rapid urban development has caused severe climate and weather change. In desert or desertification land, it is observed that there are always severe flooding p...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 환경재난에 영향을 주는 물리적인 변수들 중에서 ‘온난화나 사막화로 인한 지표면의 온도상승에 따른 빗물의 유출량 증가와 그로 인한 수자원 순환체계의 왜곡과 환경재난’에 초점을 둔 연구이다. 본 연구는 지구온난화에 따른 지표면의 온도상승에 따른 강우시의 침투량과 지표면유출량의 미치는 영향을 알아보기 위함으로 실험과 수치 해석적 방법을 사용하였으며 상호 비교검증을 하였으며 수학적 모델에 대한 타당성을 검증하였다.
  • 본 연구에서는 실험실에서 빗물의 온도와 지표면 토양층의 온도차이가 강우형태에 따라 얼마만한 양이 지하로 침투하고 유출되는지를 분석하고자 한다. 실험 장치에 대한 도식도와 제원 Fig.
  • 이를 위하여 본 연구에서는 실험실에서 빗물의 온도와 지표면 토양층의 온도차이가 강우 형태에 따른 침투(infiltration)와 유출(runoff)되는 양의 정량화를 위해 실험적인 방법과 수치해석적인 연구를 통하여 분석하고자 한다. 즉 실험을 수행하면서 이에 따른 다공성 매질에서의 유동에 대한 수치해석적인 분석을 병행하여 열적 부력현상에 따른 유출 현상에 대하여 저항 기전을 정량적으로 규명하고자 한다.
  • 이를 위하여 본 연구에서는 실험실에서 빗물의 온도와 지표면 토양층의 온도차이가 강우 형태에 따른 침투(infiltration)와 유출(runoff)되는 양의 정량화를 위해 실험적인 방법과 수치해석적인 연구를 통하여 분석하고자 한다. 즉 실험을 수행하면서 이에 따른 다공성 매질에서의 유동에 대한 수치해석적인 분석을 병행하여 열적 부력현상에 따른 유출 현상에 대하여 저항 기전을 정량적으로 규명하고자 한다.

가설 설정

  • 입구에서의 조건과 경계조건을 살펴보면 Table 2와 같다. Inlet에서 빗물의 유입을 가정하였으며 강우강도에 따른 유입 속도의 변화에 따른 변수연구를 수행하였다. 토양부분을 다공성 매질로 가정하였는데 다공성 매질에서 관성저항(Inertial resistance)과 점성저항(viscous resistance)의 정확한 값을 측정하거나 가정하기는 어렵지만 본 연구에서는 상온과 고온에서의 빗물 침투량의 차이가 공극에서의 점성저항 변화에 따라 영향을 줄 것으로 판단하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 입자의 평균직경(Dp), 유체의 밀도(ρ), 그리고 공극률(x)의 관계식인 “Ergun” 식을 통해 관성저항(Inertial resistance)과 점성저항(viscous resistance)의 값을 추정하였다. 공극영역에서의 공극률을 0.3이라 가정하였고, 입구에서의 물의 온도는 평균 11℃이다. 실온에서의 열원이 없을 때 지표면의 온도는 15℃이고, 열원이 있는 고온에서의 지표면 온도는 70℃이다.
  • 총 격자수는 약 105,000개 정도로 구성하였으며 유입구와 유출구 부분은 조밀하게 격자를 구성하였다. 또한 토양의 공극을 빗물이 통과하는 형태이므로 Gas (air)와 Liquid (H2O)의 2가지 상(phase)이 존재한다고 가정하였다.
  • Inlet에서 빗물의 유입을 가정하였으며 강우강도에 따른 유입 속도의 변화에 따른 변수연구를 수행하였다. 토양부분을 다공성 매질로 가정하였는데 다공성 매질에서 관성저항(Inertial resistance)과 점성저항(viscous resistance)의 정확한 값을 측정하거나 가정하기는 어렵지만 본 연구에서는 상온과 고온에서의 빗물 침투량의 차이가 공극에서의 점성저항 변화에 따라 영향을 줄 것으로 판단하였다. 이는 빗물이 침투하기 전에는 토양공극의 대부분을 공기가 차지하고 있으므로 온도가 증가하면 공기의 점성이 증가하여 그에 따라 빗물 침투에 영향을 줄 것으로 판단하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사막화 지역의 강력한 유출 현상에 대한 물리적인 기전으로 판단되는 것은? 강수시 이러한 높은 유출 특성은 빠른 수분증발과 짧은 수자원순환주기에 의하여 집중호우를 발생시키고 지하수 자원을 고갈시키는 최악의 양극화 현상을 야기시키고 있다. 이러한 현상에 대한 물리적인 기전은 사막과 같은 토양에 높은 온도에 의한 강한 열적 부력현상에 의한 것으로 판단된다. 그러나 이러한 주제의 중요성에도 불구하고 이것에 대한 과학적인 연구가 제대로 이루어지지 않은 것으로 나타나고 있다.
사막화 지역에 강우시 일어나는 현상은? 지구온난화와 도시 사막화에 따른 지표면의 온도 상승은 기상과 기후에 대한 실질적은 변화를 야기시킨다는 것은 경험적으로 잘 알려져 있다. 특히 사막화 지역에서는 사막 토양이 침투에 유리한 높은 기공성을 가졌음에도 불구하고 오히려 강우 시 강력한 유출(runoff) 현상에 의한 홍수가 빈번하게 발생하고 있다. 강수시 이러한 높은 유출 특성은 빠른 수분증발과 짧은 수자원순환주기에 의하여 집중호우를 발생시키고 지하수 자원을 고갈시키는 최악의 양극화 현상을 야기시키고 있다.
PMP에 준하는 집중호우가 많은 지역에 현실이 된 배경은? 온난화와 사막화의 복합적인 현상은 지표면의 온도의 상승을 유도하였고 그 결과, 내리는 빗물보다 높은 지표면의 온도는 빗물을 순조롭게 지하로 침투시키는 대신 극단적인 예를 들면 마치 뜨거운 프라이팬에서 물이 튀듯이 그대로 하늘로 증발하는 현상을 나타낸다. 이 결과 수자원이 지하수로 유입되어 지표수로 올라와 하늘로 증발하는 완전한 수자원 순환 대신 그대로 지표수에서 하늘로 순환하는 “half-cycle” 형태에 의한 비정상적인 순환에 의한 집중호우 현상이 빈발하였다. 그 대표적인 결과가 PMP (Probable Maximum Precipitation, 예상가능최대강수량)에 준하는 집중호우가 많은 지역에서 현실로 나타나고 있다는 점이다.
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참고문헌 (6)

  1. Suhas V. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow, Mcgraw-hill book company, New York(1980). 

  2. S. Muzaferija and M. Peric, Computation of free surface flows using interface-tracking and interface-capturing methods, Comp. Mech. Publications(1999). 

  3. Huang, H. and Ayoub, J. "Applicability of the Forchheimer Equation for Non-Darcy Flow in Porous Media," SPE J., 13(1), 112-122(2008). 

  4. Bird, R. B., Stewart, W. E. and Lightfoot, E. N., Transport Phenomena, John Wiley & Sons, Inc., New York(1966). 

  5. Thomas E. Loynachan, Kirk W. Brown, Terence H. Cooper, and Murray H. Milford, "Sustaining Our Soils and Society," American Geological Institute, Soil Science Society of America, and USDA Natural Resource Conservation Service publication. pp.22-25(1999). 

  6. Fetter, C. W., Applied Hydrogeology, 3rd ed. Prentice Hall, Inc. Englewood Cliffs, N. J(1994). 

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