[논문]천층 토양 내 지중온도 변동 특성과 수치모델 평가

정재훈; 김규범; 박승기; 김형수; 김태형

doi:10.14481/jkges.2015.16.5.35

[국내논문] 천층 토양 내 지중온도 변동 특성과 수치모델 평가
Fluctuation Features and Numerical Model for Underground Temperature in Shallow Subsurface Soil 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.16 no.5, 2015년, pp.35 - 42

정재훈 (Well Tech Co.) , 김규범 (K-water Institute) , 박승기 (Kongju National University) , 김형수 (Jungwon University) , 김태형 (K-water Institute)

초록
AI-Helper

본 연구는 충남 예산지역의 산림 토양에 대해 심도별 지중온도를 관측하고 기후 및 토양의 침투 특성에 따른 지중온도의 변화를 분석하였으며, 대기온도와 토양의 열물성치를 수치 해석적 모델에 적용하여 지중온도의 변화를 모사하였다. 심도별(20, 50, 100cm) 계측 자료를 분석한 결과 50cm 이내의 지중온도는 대기온도의 직접적인 영향을 받아 온도의 변동 폭이 크고 뚜렷하며, 100cm 심도에서는 완만하면서 작은 진동 폭을 갖는다. 연구 기간 동안의 지중온도 변화량은 지층의 수리전도도와 약한 정의 상관관계를 갖고 있어 물의 흐름이 대기온도의 전달을 용이하게 하는 것으로 파악된다. 수치모델에 의한 지중온도 예측 결과는 실측 자료와 약 0.99의 교차상관계수를 보이고 있어 매우 유사한 것으로 나타났다. 앞으로 불포화 토양의 수리전도도와 지하수 함양량을 추정하는데 수치모델을 이용한 대수층의 지중온도 예측 결과를 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This is conducted to observe underground temperature and to analyze its change affected by climate condition and soil infiltration in the mountainous area, Yesan region, Chungcheong-namdo province. Additionally, underground temperature change is also simulated using air temperature and soil thermal properties with a numerical model. Soil temperature monitoring data acquired from each depth, 20 cm, 50 cm, and 100 cm, indicates that the data within 50 cm in depth shows peak-shaped big fluctuation directly affected by air temperature and it at 100 cm has open-shaped small fluctuation. Underground temperature variation, a difference between high and low values, during monitoring period is weakly proportional to hydraulic conductivity of the sediment and it is assumed that water plays a part in delivering air temperature in soil. The underground temperature estimated by a numerical model is very similar to the observed data with an average value of 0.99 cross-correlation coefficient. From the result of this study, the aquifer unsaturated hydraulic conductivity of the soil and the groundwater recharge is likely to be able to estimate with underground temperature profile calculated using a numerical model.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 불포화 토양에서 지표 부근의 지중온도를 심도별로 관측하여 천부 지층 내 온도 변화 특성을 파악하였으며, 수치모델을 통해 지중온도를 예측하여 모형의 정확성을 평가하였다. 이로부터 불포화대의 지하수 함양량과 수리전도도와 같은 수리특성을 파악에 모델 결과의 활용성을 다루고자 하였다.
본 연구에서는 불포화 토양에서 지표 부근의 지중온도를 심도별로 관측하여 천부 지층 내 온도 변화 특성을 파악하였으며, 수치모델을 통해 지중온도를 예측하여 모형의 정확성을 평가하였다. 이로부터 불포화대의 지하수 함양량과 수리전도도와 같은 수리특성을 파악에 모델 결과의 활용성을 다루고자 하였다.

제안 방법

연구 지역 내 5개 지점(Obs-1∼Obs-5)에 오거를 이용해 100cm 깊이까지 굴착한 후 20cm, 50cm, 100cm 깊이에 i-Button을 설치한 후 동일 토양 시료로 되메움 하였다(Fig. 3). 대기온도 측정을 위하여 Obs-1에서 2m 상부 대기 중에 i-Button을 설치하였으며, 강우량은 SWL 지점에서 중량식 우량계(Model: PLUVIO)를 이용하여 측정하였다.
각 관측 지점에서는 Guelph 투수계를 이용한 현장투수시험과 토양 시료를 채취해 열물성 실내실험을 실시하였다. 강우 시 토양으로 침투되는 과정에서 토양의 투수성에 따른 지중온도 변화 양상을 파악하고, 지중온도 수치모사에 사용되는 열물성치의 실측값을 얻고자 수행되었다.
본 연구에서는 충남 예산지역의 산림 충적층에 대해 심도별 지중온도를 관측하고 기후 및 토양의 침투 특성에 따른 지중온도의 변화를 분석하였으며, 조사지점 토양의 기후 자료와 열물성치를 수치 해석적 모델에 적용하여 지중온도의 변화를 모사하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

연구 지역은 충남 예산군 대흥면 갈신리의 공주대학교 산업과학대학 내 위치한 소규모 시험유역으로서 면적은 0.329km², 최저표고는 해발 110m, 최고표고는 해발 190m이며, 지면피복은 산림토양으로 구성되어 있다(Fig. 1).
연구 지역 토양은 농촌진흥청의 토양 분류상 사양질계 적황색토인 오산통(OSAN Series, OnE2)에 해당되며, 미농무성의 분류방법에 의하면 coarse loamy, mesic family of typic dystrudepts에 속한다. 이 토양의 표토는 진갈색의 자갈이 있는 양토이며 심토는 토심이 보통이며 황적색의 자갈이 있는 양토이다.

이론/모형

Guelph 투수계를 이용한 현장 투수시험은 각 지점별 20cm와 50cm 깊이에서 실시하였으며, 100cm 깊이에서는 Guelph 투수계의 측정 가능 심도를 초과하여 측정할 수 없었다. Guelph 투수계는 Mariotte 사이폰의 원리를 적용하여 우물에서 불포화 토양으로 충진되는 물의 정상류율을 측정하는 정수위 투수계이며 우물의 직경은 60mm, 측정범위는 10^-6cm/s까지 측정이 가능하다(Soil Moisture Equipment Corp., 1991)(Fig. 4).
지중온도 변화를 모사하기 위하여 포화 및 불포화 대수층에서의 지하수 흐름과 질량 및 열 이송에 대한 유한요소 모델인 FEFLOW(Ver 5.1)를 사용하였다.

성능/효과

(1) 50cm 이내 심도의 지중온도는 대기온도의 직접적인 영향을 받아 일변화가 뚜렷하고 100cm 심도에서는 대기온도의 간접적인 영향으로 지중온도 변화가 완만한 특성을 보인다.
(2) 지중온도의 변화량과 수리전도도와의 상관성을 분석한 결과 약한 정의 관계를 보이는데 매질의 수리전도도가 온도 전달에 긍정적 영향을 미치는 것으로 보인다.
(3) 수치모델을 이용하여 대기온도, 토양의 열물성치, 지하수 온도 등의 입력자료를 활용하여 지중온도를 모사한 결과, 예측값과 실측값은 약 0.99의 교차상관관계를 보이며 잘 일치하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 이와 같은 수치모델 기법을 활용하여 심도별 지중온도 변화를 예측한다면 온도의 연속 계측 시스템이 부재한 경우라도 지하수 함양량 또는 수리전도도 등의 평가가 가능할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사양질계 적황색토인 오산통의 특징은?	연구 지역 토양은 농촌진흥청의 토양 분류상 사양질계 적황색토인 오산통(OSAN Series, OnE2)에 해당되며, 미농무성의 분류방법에 의하면 coarse loamy, mesic family of typic dystrudepts에 속한다. 이 토양의 표토는 진갈색의 자갈이 있는 양토이며 심토는 토심이 보통이며 황적색의 자갈이 있는 양토이다. 기층은 잡색인 진갈색 혹은 황적색의 화강암의 풍화모질물인 자갈이 있는 사양토이다(RDA, 2006). 본 지역은 선캠브리아기의 편마암 복합체를 최하위 지층으로 하여 편암복합체, 덕정리 화강편마암, 쥬라기의 남포층군, 쥬라기 홍성 화강암, 세립질 흑운모 화강암, 섬록암, 반화강암, 백악기의 석영반암 등이 분포하고 있으며 제4기 충적층이 상기 지층들을 부정합으로 피복하고 있다(Uhm & Lee, 1963; MOCT et al.
	우리나라 지하수자원의 활용처는 어디인가?	현재 우리나라는 지하수자원을 생활용수에서부터 시작하여 각종 용수공급과 지열을 이용한 냉난방시스템에 이르기까지 다양한 분야에 활용하고 있다. 지하수자원에 대한 평가는 개발가능량과 같은 양적인 측면과 오염에 대한 질적인 측면으로 대분되는데 공통된 요소로서는 지하수 온도 또는 대수층의 지중온도가 고려된다.
	지하수자원에 대한 평가에서, 공통으로 고려되는 요소는 무엇인가?	현재 우리나라는 지하수자원을 생활용수에서부터 시작하여 각종 용수공급과 지열을 이용한 냉난방시스템에 이르기까지 다양한 분야에 활용하고 있다. 지하수자원에 대한 평가는 개발가능량과 같은 양적인 측면과 오염에 대한 질적인 측면으로 대분되는데 공통된 요소로서는 지하수 온도 또는 대수층의 지중온도가 고려된다. 양적인 측면에서의 지하수 온도는 온도추적자 또는 온도시계열을 이용한 지하수 유동 및 함양량 해석을 통해 개발가능량을 평가하는데 사용되어지고, 질적인 측면에서의 지하수 수온은 오염의 지표로 활용되는 지하수 수질항목의 농도에 영향을 미친다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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