[논문]불교란 토양칼럼에서의 자연강우에 대한 토양배수특성 연구

이주영; 이기철; 전철민; 김재곤

불교란 토양칼럼에서의 자연강우에 대한 토양배수특성 연구
A study on soil drainage characteristics of undisturbed soil columns and their responses to rainfall 원문보기

이주영 (연세대학교 지하수토양환경연구소) , 이기철 (한국농촌공사) , 전철민 (한국지질자원연구원) , 김재곤 (한국지질자원연구원)

본 연구에서는 다양한 토지이용의 불교란 토양칼럼 시료를 대상으로 토양 물리화학 특성 및 자연강우에 대한 토양배수 양상을 분석하였다. 공극률은 토양컬럼에서의 유효공극률과 투수계수 및 자연강우에 대한 배수율과 대체로 정의 상관관계를 보인다. 미국 통일분류법에 따라 토양을 분류하였을 때 소성성이 낮은 실트질 토양과 점토질 토양은 유효공극률이 낮으면서 배수율도 낮고, 소성성이 없는 실트질이 섞인 자갈(유구-논)과 실트질 모래는 유효공극률이 비교적 높으면서 배수율이 다소 높았다. 불교란 토양컬럼을 완전 포화상태에서 자연배수할 때 대부분의 토양은 50시간 전후로 거의 다. 배수되며 $150{\sim}200$시간 경과되면 거의 모든 토양에서 완전배수가 되었다. 일부 500여시간이 경과되어도 지속적으로 배수되는 토양이 있는데 이는 토양수분보유특성에 기인하는 것으로 사료된다. 배수량으로 가정한 함양량 실측실험에서는 오송(전의)임야 > 무주-밭, 무주-논 > 유구-임야 > 김해-밭 > 유구-논, 유구-밭 순으로 높았으며 이들 시료들의 함양률은 50% 이상이었다. 토성에 따른 자연강우 배수상태를 보면, 소성성이 낮은 실트질 토양의 배수율이 낮고, 실트질 모래는 다양한 배수상태를 보이나 대체로 배수율이 높다. 그리고 1차, 2차 실험에서 선행 강우 5mm 미만은 토양배수에 영향을 미치지 않았다.

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문제 정의

본 연구에서는 경기 화성과 전북 무주 이외에도 충남 유구, 충북 오성 및 충남 전의, 전북 김제, 전남 나주, 경남 김해에서 각각 논, 밭, 과수원, 임야의 불교란시료를 채취하여 투수계수와 유효공극률을 측정하고 자연강우에 대한 배수량 변화를 직접 측정하여 비교 분석하고 지하수함양량 추정 기본자료로 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

간극비, 공극률, 포화도, 투수계수를 측정하였다. 수직길이 100cm이상, 직경 25cm의 아크릴관을 사용하여 채취한 불교란 토양칼럼은 야외에 설치하여 투수계수, 유효공극률(비산출율) 및 자연강우에 대한 배수량을 측정하였다(Fig. 1). 토양칼럼 상부에는 물고임 현상을 막기 위해서 Overflow용 구멍을 만들었으며, 논토양의 경우 관개(irrigation) 상태를 유지하기 위하여 구멍을설치하지 않았다.
토양시료는 경기 화성, 충남 대전, 충남 유구, 충남 전의/충북 오성, 전북 김제, 전북 무주, 전남 나주, 경남 김해지역에서 논, 밭, 과수원, 임야로 이용하는 토양을 채취하여 실내에서 토성, 함수비, 간극비, 공극률, 포화도, 투수계수를 측정하였다. 수직길이 100cm이상, 직경 25cm의 아크릴관을 사용하여 채취한 불교란 토양칼럼은 야외에 설치하여 투수계수, 유효공극률(비산출율) 및 자연강우에 대한 배수량을 측정하였다(Fig.

성능/효과

강수량 및 급수량에 반응하는 배수율로 추정된 함양률을 산출한 결과 토양배수상태 및실내투수시험에서 매우 양호하였던 오송(전의)-논, 오송(전의)-밭의 함양률은 다른 시료에 비해현저히 높지는 않았다. 실측실험에서는 오송(전의)임야 > 무주-밭, 무주-논 > 유구-임야 > 김해- 밭 > 유구-논, 유구-밭 순으로 높았으며 이들 시료들의 함양률은 50% 이상이었다.
2). 공극률이 높은 시료들의 유효공극률은 다른 시료들에 비해 높았고 투수계수도 상대적으로 높았다. 김제-논, 김해-논, 나주-논 3점의 토양컬럼은 100여일이 경과되어도 완전포화상태에 도달하지 못할 정도로 토양의 투수상태가 매우 불량하였으며, 나주-과수, 화성-논은 실제로 투수계수를 실험한 결과 각각 7.
공극률이 높은 시료들의 유효공극률은 다른 시료들에 비해 높았고 투수계수도 상대적으로 높았다. 김제-논, 김해-논, 나주-논 3점의 토양컬럼은 100여일이 경과되어도 완전포화상태에 도달하지 못할 정도로 토양의 투수상태가 매우 불량하였으며, 나주-과수, 화성-논은 실제로 투수계수를 실험한 결과 각각 7.70xl0-6cm/sec, ZZHO-cm/sec로 매우 낮았으며, 김제-임야, 나주-밭, 무주-과수, 오송(전의)-논, 화성-밭 5점 시료는 불교란상태에서 직접 실험한 결과 구한 투수계수가 수lOecm/sec로 실내실험과 차이를 보이고 있다. 이는 실험방법상의차이에 기인한 것으로 사료된다.
실측실험에서는 오송(전의)임야 > 무주-밭, 무주-논 > 유구-임야 > 김해- 밭 > 유구-논, 유구-밭 순으로 높았으며 이들 시료들의 함양률은 50% 이상이었다. 유효공극률실험에서 투수계수가 너무 낮아 실험이 불가능하였던 김제-논, 나주-논은 300여mm를 주입하였으나함양률이 3%, 4%로 매우 낮았으며 실제로 비가 온 후에는 빗물이 거의 토양으로 내려가지 못하고 증발산(특히 증발)에 의해 수위(토양 위 수위)가 낮아졌다. 두 시료는 거의 지하침투가 일어나지 않았으며 완전포화시키기 위해 아래에서 위로 물을 주입하였을 때에도 거의 변화를 보이지 않았다.
따라서 지하로 침투되어 지하수로 함양되는 양은 상대적으로 적어질 수 있다. 이러한 경향을 고려할 때 특정시기동안의 현장조사로부터 산출한 지하수함양률은 조사기간 동안에 한정된 값으로 제한되며, 그 지역의 전반적인 지하수함양률을 산출하기 위해서는 평년기후관측자료(10년간 기후자료) 또는 그 이상의 장기간 기후관측자료를 이용하여 조사지역의 수리지질특성에 맞는 지하수함양률을 추정하거나 수년간 현장조사를 누적하여 그 지역의평균함양량을 추정하는 것이 타당하다.

후속연구

3). 그러나 오송(전의)-임야 및 유구-과수에서처럼 500여시간이 경과되어도 지속적으로 배수되는토양이 있는데 이는 토양수분보유특성에 기인하는 것으로 사료되며 이들 관계를 규명하기 위해서는 보다 더 심도있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
향후 토양수분 및 지하수 수위변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템을 구축하여토양 및 미고결 비포화대의 특성, 토지이용 등이 지하수함양 특성에 미치는 영향을 정량적으로 산출하고자 한다.

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