기여자

_Kfs가 고통스러운 이유

토양이 물을 흡수하는 능력, 즉 포화 수리전도도는 전통적으로 과학자들이 측정하기에는 복잡한 문제였습니다. 토양별 알파 추정 오류와 부적절한 3차원 흐름 완충으로 인해 부정확한 현장 포화 수리 전도도 (_Kfs) 측정이 흔히 발생합니다. 3차원 흐름이란 물이 토양에 3차원으로 침투하여 아래쪽뿐만 아니라 옆으로도 퍼지는 것을 의미합니다. 문제는 포화 수리 전도도를 나타내는 값인 _Kfs가 1차원적인 값이라는 점입니다. 연구자들은 모델링에서 _Kfs를 의사 결정의 기초로 사용하지만, 이 값을 얻으려면 먼저 3차원 흐름의 영향을 제거해야 합니다.

추정 - 위험한 제안

3차원 흐름의 영향을 제거하는 전통적인 방법은 알파 값 표나 토양의 거시적 모세관 길이를 살펴보는 것입니다. 그러나 알파는 토양이 물을 옆으로 끌어당기는 정도를 나타내는 흡착 효과의 추정치일 뿐이므로 부정확할 위험이 높습니다. 연구자나 엔지니어가 잘못된 알파 값을 선택하면 추정치가 크게 벗어날 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 외부 링이 침투 후 물의 측면 확산을 제한하고 3차원 흐름을 완충하는 간단한 방법인 이중 링 침투계(그림 2)로 _Kfs를 측정하기도 합니다. 그러나 이중 링 인필트로미터는 3차원 흐름을 완벽하게 완충하지 못합니다(Swartzendruber D. 및 TC Olson 1961a). 따라서 연구자가 중앙 링에서 1차원 흐름을 얻는다고 가정하고 작동하면 필드 포화 전도도 값을 과대평가할 수 있습니다. 이는 특히 투자율이 매우 낮도록 설계된 토양에서 작업할 때 재앙이 될 수 있습니다. _Kfs가 과대평가된 경우, 연구자나 엔지니어는 매립지 덮개(예: _Ks가 ^10-5cm/s-1 이상)가 비효율적이라고 잘못 가정할 수 있는데 실제로는 _Kfs를 과대평가한 것이고 덮개는 실제로 규정을 준수하고 있습니다.

Kfs _해결

는 SATURO 는 잘 정립된 듀얼 헤드 방식을 자동화하여 추정/가정 문제를 제거합니다. 이 방법은 토양 위에 물을 고이고 공기 압력을 사용하여 두 개의 서로 다른 압력 헤드를 만듭니다. 이 두 개의 서로 다른 압력 헤드에서 침투를 측정하면 알파 계수를 추정할 필요가 없으므로 연구자는 아무런 가정 없이 현장 포화 유압 전도도를 결정할 수 있습니다. 또한 SATURO 은 이중 링 침투계처럼 큰 외부 링이 필요하지 않으므로 물 사용량이 훨씬 적습니다. 이 자동화된 접근 방식은 시간을 절약하고 유압 전도도 평가의 오류를 줄여줍니다. 다음 이론 섹션에서는 이것이 가능한 이유를 자세히 설명합니다.

SATURO 판독값과 더블링 인필로미터 판독값을 비교하는 방법 보기

아래 동영상에서 Gaylon S. Campbell 박사가 수문학의 기초와 SATURO 자동 듀얼 헤드 인필트로미터의 과학에 대해 설명합니다. 30분 분량의 이 웨비나에서 자세히 알아보세요:

• 유압 전도성이란 무엇인가요?
• 다공성 매체
• 유압 전도성을 결정하는 요소
• 유압 전도도에 관심을 가져야 하는 이유
• 유압 전도도는 어떻게 측정하나요?
• 실험실 기기
• 현장 계측기
• SATURO: 듀얼 헤드 인필로미터의 원리
• 비교: 더블 링 및 SATURO 듀얼 헤드 방식

SATURO: 더 정확한 이유

현장 포화 유압 전도도, K_fs (cm/s)는 현장 포화 조건에서 유체(일반적으로 물)가 공극 공간이나 균열을 통해 쉽게 이동할 수 있는 정도를 설명하는 기본적인 토양 수력학적 특성입니다. 가장 오래되고 간단한 현장 측정 방법 중 하나인 K_fs 를 현장에서 측정하는 가장 오래되고 간단한 방법 중 하나는 토양으로 작은 거리를 밀어 넣은 단일 링(반경 b) 내에서 연못 침투(D)를 측정하는 것이었습니다(그림 1). 원래 분석에서는 측정된 정상 유량인 Qs (cm3/s)를 사용하고 1차원 수직 흐름을 가정하여 K_fs 를 구하기 위해 Bouwer(1986)와 Daniel(1989)의 1차원 수직 흐름을 가정했습니다.

이 접근 방식은 K_fs 를 과대평가했는데, 이는 불포화 토양의 모세관 현상과 고리 안의 고인 물로 인한 흐름의 측면 발산 때문이었습니다(Bouwer 1986). 흐름 발산을 제거하려는 시도에는 내부 링의 흐름을 완충하기 위해 외부 링을 추가하는 것이 포함되었습니다(그림 2). 그러나 이중 링 침투계 기술은 내부 링으로부터의 측면 흐름을 방지하는 데 효과적이지 않았습니다(Swartzendruber and Olson 1961a, 1961b).

최근 연구에서는 횡방향 흐름을 보정하는 새로운 방법을 제시했습니다. 레이놀즈와 엘릭(1990)은 토양 모세관 현상, 연못 깊이, 링 반경(b), 링 삽입 깊이(d)를 고려한 단일 링으로의 꾸준한 연못 침투에 대한 새로운 분석 방법을 제시하고 K_fs, 매트릭스 플럭스(φm), 거시적 모세관 길이(∝)를 계산할 수 있는 수단을 제공합니다. 이 분석은 두 개의 연못 머리 접근법(Reynolds and Elrick 1990)으로 알려져 있습니다.

두 개의 머리를 생각하는 접근 방식은 SATURO 에서 사용하는 기법이지만 약간의 수정과 단순화를 거쳤습니다. 이 계산을 위한 가장 간단한 방정식은 Nimmo 외(2009)의 것입니다. 이들은 K_fs 를 계산합니다(방정식 1 참조).

여기서 i( cm/s)는 안정된(최종) 침투 속도(부피를 면적으로 나눈 값)이고 F는 흡착성 및 기하학적 효과를 보정하는 함수입니다.

(2009)는 방정식 2와 같이 F를 제공합니다.

어디

• D는 연못의 깊이(cm)입니다.
• d는 인필트로미터의 삽입 깊이(cm)입니다.
• b는 침투계 반경(cm)입니다.
• ∆는 주어진 투과계 지오메트리에 대한 상수이며, C₁d + C₂b (cm)
• C₁ 은 0.993
• C₂ 는 0.578
• λ는 토양의 특성인 가드너 ∝의 역수이며, 초기 수분 함량(cm)입니다.

방정식 2에서 ∆는 레이놀즈와 엘릭(1990)의 방정식 36에 bπ를 곱한 값으로, 그림 2와 방정식 2를 레이놀즈와 엘릭(1990)의 방정식 37과 조화시킬 수 있습니다.

두 개의 연못 깊이의 경우 공식 3을 사용합니다:

λ를 K의 관점에서 풀기 위해 올바른 항 중 하나를 재배열합니다._fs를 다른 오른쪽 항의 λ로 대입하여 수율을 단순화합니다.

어디

• D₁ 은 실제 고압 헤드입니다.
• D₂ 는 실제 저압 헤드입니다.
• ∆는 0.993d + 0.578b(cm)입니다.
• i₁ 은 고압 헤드에서의 침투 속도입니다.
• i₂ 는 저압 헤드에서의 침투 속도입니다.

에서 d는 침투계 삽입 깊이이고 b는 침투계 반경입니다. SATURO , 5cm 삽입 링의 경우 d = 5cm, b = 7.5cm이므로 ∆ = 9.3cm입니다. 10cm 삽입 링의 경우 d = 10cm, b = 7.5cm이므로 ∆ = 14.3cm입니다.

그런 다음 유압 전도도에 마지막 압력 사이클의 준정상 상태 침투율 차이를 곱하고 마지막 압력 사이클에서 측정된 압력 수두의 차이로 나눕니다.

방정식 4는 레이놀즈와 엘릭(1990)의 방정식 41과 동일하며 λ로 설명되는 토양 특성 및 초기 수분 함량에 대한 의존성을 제거합니다.

지루한 수작업 시간 절약

는 SATURO 는 자동화와 간소화된 데이터 분석을 하나의 시스템에 결합합니다. 침투율과 현장 포화 유압 전도도까지 즉석에서 계산할 수 있습니다. SATURO 을 사용하면 현장에서 더 빠르고 정확하게 _Kfs를 측정할 수 있습니다.

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참조

1. Bouwer H. 1986. 섭취율: 실린더 침투계. Klute A., 편집자, 토양 분석 방법: 파트 1- 물리적 및 광물 학적 방법. 2nd ed. Madison (WI): ASA 및 SSSA. 825-844.(기사 링크)
2. Dane JH 및 Topp GC, 편집자. 2002. 토양 분석 방법: 4부-물리적 방법. Madison (WI): 미국 토양 과학 협회(링크)
3. 다니엘 드. 1989. 압축 점토에 대한 현장 수력 전도도 테스트. J. Geotech. Eng. 115(9).(기사 링크)
4. 님모 JR, 슈미트 KM, 퍼킨스 KS, 스톡 JD. 2009. 면적 특성화를위한 현장 포화 수력 전도도의 신속한 측정. 바도세 구역 J. 8(1): 142-149.(기사 링크)
5. 레이놀즈 WD와 엘릭 DE. 1990. 단일 링에서 연못 침투: I. 꾸준한 흐름 분석. Soil Sci. Soc. J. 54(5): 1233-1241.(논문 링크)
6. 스와르첸드루버 D와 올슨 TC. 1961. 이중 링 침투계에서 완충 효과에 대한 모래 모델 연구. Soil Sci. Soc. Proc. 25(1): 5-8.(논문 링크)
7. 스와르첸드루버 D와 올슨 TC. 1961. 습윤 깊이와 입자 크기에 영향을 받는 이중 링 침투도계의 모델 연구. Soil Sci. 92(4): 219-225.(기사 링크)

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