토양 수리 전도도 측정 방법 - 어떤 방법이 적합할까요?

How to measure hydraulic conductivity—Which method is right for you?

유압 전도도-정의, 측정 방법, 그리고 일반적인 방법의 장단점.

기여자

유압 전도성: 필요한 이유

토양 수리전도도 또는 토양이 물을 전달하는 능력은 거의 모든 토양 적용에 영향을 미칩니다. 전체 물 균형을 이해하는 데 중요하며 대수층을 통한 지하수 재충전을 추정하는 데도 사용됩니다. 수문학자들은 모델링을 위해 수리 전도도 값이 필요하며, 연구자들은 이를 사용하여 토양의 건강 상태를 판단하거나 여러 현장의 토양에서 물이 어떻게 흐르는지 예측합니다. 농업에서는 관개 속도를 결정하거나 침식 또는 영양분 침출을 예측하기 위해 수리 전도도를 기반으로 의사 결정을 내립니다. 또한 매립지 피복 효율을 결정하는 데도 사용됩니다. 지질 공학 엔지니어는 저류지, 노반, 빗물 정원 또는 유출수를 포집하도록 설계된 모든 시스템을 설계할 때 이 데이터가 필요합니다. 또한 토양이 없는 기질에서 식물이 사용할 수 있는 물을 이해하는 데도 사용됩니다. 기본적으로 토양 시스템 내에서 물이 어떻게 움직일지 예측하려면 물의 흐름을 지배하는 수리 전도도를 이해해야 합니다. 어떻게 측정할까요? 이 문서에서는 수리 전도도를 측정하는 방법과 그 정의, 일반적인 방법의 장단점을 살펴봅니다.

토양 수리전도도란 무엇인가요?

과학적 용어로 수리 전도도는 포화 상태 또는 거의 포화 상태인 조건에서 다공성 매체( 예:토양)물을 전달하는 능력으로 정의됩니다. 방정식 1은 이것이 무엇을 의미하는지 설명합니다. 여기서 i가 물의 유속(단위 시간당 단위 면적당 물의 양)을 나타내는 경우, 이는 K (유압 전도도)에 헤드 구배( dh/dz)를 곱한 값과 같습니다. 수두 구배(또는 수전위 구배)는 토양에서 물을 이동시키는 힘입니다. K는 이 추진력과 토양 내 물의 유속 사이의 비례 계수입니다.

Equation 1
방정식 1

수두(수전위)는 두 가지 주요 구성 요소로 확장할 수 있습니다.m 은 매트릭스 헤드(매트릭스 전위)이고 hg 는 중력 수두(중력 전위)입니다. 즉, 물이 토양을 통과하는 데는 매트릭스 힘과 중력도 작용합니다.

Equation 2
방정식 2

중력 기울기 dhg/dz는 1과 같습니다. 처음에 토양에 물이 가해지면 매트릭 힘이 물을 빠르게 토양으로 끌어당깁니다(아래 그림 2 참조). 그러나 토양이 매우 젖은 상태까지 오랜 시간 동안 침투가 이루어지면 매트릭 헤드는 0이 됩니다.

Equation 3
방정식 3

따라서 장시간의 침투율은 수력 전도도와 거의 같습니다. 이를 통해 토양 수리 전도도가 무엇을 의미하는지 알 수 있습니다. 장시간 물을 뿌린다면 물이 토양에 침투하는 속도는 수리 전도도와 거의 같을 것입니다.

유압 전도도에 영향을 미치는 요인

수리 전도도는 토양 질감, 입자 크기 분포, 거칠기, 비틀림, 모양, 물을 전도하는 기공의 상호 연결 정도와 같은 요인에 따라 달라집니다. 토양 질감만 고려한다면, 일반적으로 거친 질감의 토양이 미세한 질감의 토양보다 높은 수리 전도도를 갖습니다. 그러나 토양 구조와 기공 구조는 토양의 물 전달 능력에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

구조화된 토양은 일반적으로 큰 기공을 포함하고 있는 반면, 구조가 없는 토양은 기공이 작습니다. 그림 1(아래)은 잘 구조화된 점토질 토양과 구조화되지 않은 점토질 토양의 차이점과 특히 포화 상태 또는 그 근처에서 수력 전도도에 대한 구조의 중요성을 보여줍니다.

생체공, 뿌리 수로 또는 동물 굴은 물이 포함되어 있으면 포화 수력 전도도를 높입니다. 지표면에 도달하지 않아 물이 채워지지 않으면 전도도가 감소할 수 있습니다. 토양의 다짐이나 밀도는 토양의 수분 함량이나 수분 잠재력뿐만 아니라 또 다른 영향을 미치는 요인입니다.

유압 전도도 곡선: 중요한 예측 도구

토양은 포화 또는 불포화 상태이므로 토양 수리전도도는 포화 수리전도도(Ks/Kfs) 또는 불포화 수리전도도(K(Ψ))로 지정됩니다. 연구자들은 실험실 기기(KSATHYPROP)를 사용하여 다양한 포화/불포화 수준에서 특정 토양의 전도도 값을 그래프로 표시하는 수리 전도도 곡선을 만듭니다. 이 곡선은 다양한 토양 유형에서 다양한 수위에서 물의 흐름을 예측합니다.

A graph of Hydraulic conductivity curves for three different soils
그림 1. 세 가지 토양에 대한 유압 전도도 곡선. 세로축의 오른쪽에 있는 값은 포화 전도도 값을 나타냅니다. 왼쪽의 값은 불포화 값을 나타냅니다. 세로축은 로그 축입니다. 따라서 차이는 1 또는 2의 계수가 아닌 10의 계수 차이입니다.

그림 1은 세 가지 토양에 대한 토양 수리 전도도 곡선을 보여줍니다. 세로축은 0수두(수전위)입니다. 오른쪽 값은 포화 전도도 값을 나타냅니다. 왼쪽의 값은 불포화 값을 나타냅니다. 구조가 좋지 않은 점토질 토양(아래쪽 선)은 모래질 토양보다 포화 전도도가 훨씬 낮습니다. 이는 점토질 토양이 작은 기공으로 구성되어 있고 흐름 경로가 더 제한적이기 때문입니다. 그러나 점토 토양(점선)의 구조가 양호한 경우(즉, 골재 사이에 큰 기공을 가진 골재가 포함되어 있어 유동 경로가 더 나은 경우) 포화 수리 전도도가 모래의 전도도보다 높을 수 있습니다.

그림 1의 왼쪽에서 헤드(수전위)가 음수인 경우 토양이 포화되기 시작하고 공극이 비어 있습니다. 기공(특히 큰 기공)이 비워지면 유압 전도도가 급격히 감소합니다. 따라서 불포화 전도도는 항상 낮으며, 대부분의 경우 토양이 포화 상태일 때보다 훨씬 더 낮습니다.

구조가 좋지 않은 점토질 토양과 구조가 좋은 점토질 토양의 불포화 수리 전도도가 결국 만나는 것을 알 수 있습니다. 이는 특정 지점에서 거대 기공이 흐름에 기여하는 것을 멈추고 토양 입자 사이의 중간 기공에서만 흐름이 발생하기 때문입니다. 또한 구조가 없는 모래 토양의 불포화 수리 전도도 곡선은 점토 토양보다 높게 시작하지만 토양이 건조됨에 따라 불포화 수리 전도도가 점토 토양보다 낮아집니다.

필드 채도가 채도가 아닙니다.

포화 수리전도도(Ks)는 현장 포화 수리전도도(Kfs)와 동일하지 않습니다. 실험실에서 포화 수리전도도를 측정할 때는 토양 코어를 완전 포화 상태로 만들 수 있기 때문입니다. 그러나 현장에서는 토양을 완전 포화 상태로 만드는 것이 어렵습니다. 왜 그럴까요? 일반적으로 위에서부터 침투할 때는 공기가 빠져나갈 곳이 없기 때문에 토양에 공기가 갇히게 됩니다(그림 2).

An illustration of particles within the soil and the water absorption around it
그림 2. 토양이 물을 흡착하면 토양 입자에 달라붙는 수막을 형성합니다. 또한 공기로 채워진 기공 공간도 있습니다. 현장 조건에서는 이러한 공기 공간을 제거하기가 어렵습니다. 이러한 공기 포획으로 인해 포화도가 특정 토양 유형에 대한 이론적 포화도 최대치와 거의 같지 않습니다.

이로 인해 완전히 포화되지 않은 상황이 발생하므로 이를 현장 포화 유압 전도도(Kfs)라고 합니다. Kfs는 일반적으로 포집된 공기가 물의 이동을 느리게 하기 때문에 Ks보다 낮습니다.

유압 전도도 측정 방법

연구원들은 다양한 실험실 및 현장 기술을 사용하여 포화 및 불포화 토양 수리 전도도를 측정합니다. 이 문서에서는 가장 일반적인 몇 가지 방법을 살펴봅니다.

실험실 기술: 포화 유압 전도도

플로우 셀 (K): 작동 방식

플로우 셀 측정은 일반적으로 실험실로 가져온 토양 코어에서 이루어집니다. 교란되지 않은 토양 샘플 또는 교란된 토양 샘플을 측정하지만 샘플 크기는 유량계 설계에 따라 달라집니다. 상수 또는 낙하 헤드 측정 기법을 사용할 수 있습니다.

A diagram of a flow cell
그림 3. 플로우 셀 다이어그램

그림 3은 일반적인 플로우 셀의 작동 방식을 보여줍니다(다른 디자인도 있습니다). 토양 코어는 플로우 셀에 삽입하기 전에 포화 상태입니다. 수원지의 물이 토양 코어 상단을 통과하면 정상 상태의 유량이 측정됩니다. 그런 다음 이 값을 사용하여 침투율을 결정합니다. 정수두 및 낙하두 기법 모두에 대해 보정을 수행하여 i (침투율)에서 Ks 값(0 압력 수두의 영향을 나타내는 값)으로 보정합니다.

플로우 셀 장단점

표 1. 플로우 셀 장단점
장점 단점
간단한 계산 광활한 토양은 제한적입니다.
3차원 흐름에 대한 보정 없음 값은 필드 메서드와 다를 수 있습니다.
서로 다른 지평 분리 자동화를 위해 추가 장비 필요
여러 샘플을 동시에 측정할 수 있습니다. 전용 랩 공간
비교적 쉬운 설정 작은 표면적

유량 셀 계산은 3차원(측면) 흐름을 제거하는 알려진 영역을 통해 물이 침투하기 때문에 간단합니다. 또 다른 장점은 토양 지평선을 분리할 수 있다는 것입니다. 여러 토양층에서 샘플을 채취하여 어떤 지평선이 제한 요인이 될 수 있는지 확인할 수 있습니다.

플로우 셀은 설치가 쉽지만 장치를 자동화하는 것은 더 복잡합니다. 대형 자동화 장비를 계속 설치해야 하기 때문에 전용 실험실 공간이 필요합니다. 플로우 셀의 또 다른 한계는 넓은 토양이 물에 젖으면 제한된 토양 코어에서 팽창하여 토양 기공을 압축하고 토양 특성을 변화시킨다는 점입니다. 이로 인해 토양 수리 전도도가 과소평가될 수 있습니다. 이 문제를 극복하려면 토양이 포화 상태에 가까울 때 샘플을 채취하세요.

플로우 셀(및 모든 실험실 기술)의 한 가지 문제점은 실험실 값과 현장 값이 다르다는 것입니다. 토양 코어를 채취하는 동안 현장의 폐쇄된 거대공극이 열릴 수 있습니다. 개방된 기공을 통해 물이 더 쉽게 흐르기 때문에 수력 전도도를 과대평가할 수 있습니다. 또한 작은 토양 코어는 공간적 가변성을 고려하지 않습니다. 따라서 정확한 현장 표현을 얻으려면 더 많은 샘플이 필요합니다.

KSAT (Ks): 작동 방식

미터 KSAT 는 유량계와 유사하지만, 자동화가 장치에 내장되어 있어 측정이 단순화되고 속도가 빨라진다는 점이 다릅니다.

A photograph of the KSAT lab instrument that measures saturated hydraulic conductivity
포화 유압 전도도를 측정하는 실험실 기기( KSAT )의 전면 모습

낙하 및 일정한 헤드 기술을 모두 수행할 수 있습니다. KSAT 은 작은 토양 코어를 사용하며 물의 흐름을 제어하기 위해 뷰렛이 있는 물 기둥이 있습니다(그림 4).

A diagram of KSAT cross section
그림 4. KSAT 단면도

물이 뷰렛을 통해 흐르고 시료의 바닥으로 들어가 시료의 위쪽을 통해 유출됩니다. KSAT 는 압력 센서를 사용하여 물기둥의 압력 수두를 자동으로 측정합니다. 컴퓨터가 압력 트랜스듀서에서 판독값을 가져오고 소프트웨어가 계산을 자동화하여 다양한 온도에서 물의 점도 변화를 보정합니다. 낙하 수두 기법을 사용할 때 압력 변환기는 물기둥의 변화를 측정하고 소프트웨어는 해당 샘플의 유량과 유압 전도도를 계산합니다.

플로우 셀과 마찬가지로 KSAT의 한계는 표면적이 작고 제한된 샘플이라는 점입니다. 따라서 이 장치에 대한 샘플링 시에도 동일한 고려 사항을 적용하세요.

의 가장 큰 장점은 KSAT 의 가장 큰 장점은 모든 과정이 자동화되어 있어 시간을 절약할 수 있고 실험실 공간이 많이 필요하지 않다는 것입니다. 또한 HYPROP 와 결합하여 포화 및 불포화 유압 전도도 곡선 모두에서 자동으로 점을 생성할 수 있습니다. 방법을 알아보려면 동영상을 시청하세요.

현장 기술: 현장 포화 유압 전도성

링 인필로미터(Kfs)

현장 기술은 현장에서 실제로 일어나는 상황을 더 잘 표현합니다. 링 인필트로미터는 특정 깊이(일반적으로 약 5cm)까지 토양에 삽입하여 현장 포화 유압 전도도를 측정하는 얇은 벽의 개방형 실린더입니다. 물은 일정 또는 낙하 헤드 기법을 사용하여 링을 통해 침투합니다. 이 작업은 수동으로 수행하거나 시스템을 자동화하여 동시에 여러 측정을 수행할 수 있습니다. 단일 링 및 이중(또는 동심원) 링 투과계 등 다양한 실린더 배열이 있습니다.

싱글 링 인필로미터(Kfs)

단일 링 주입계는 단일 측정 실린더를 사용하며(그림 5), 일정한 헤드 또는 낙하 헤드 기법을 사용하여 실린더를 통해 물이 주입됩니다. 정두수 기법을 수행할 때는 일반적으로 마리오트 버블러가 있는 저장소를 사용하여 링 내부의 흐름과 수위를 제어합니다. 물이 링을 통해 침투하면 수직뿐만 아니라 수평으로도 토양으로 이동하므로 입체적인 흐름을 위해 보정을 해야 합니다.

Single ring infiltrometer cross section
그림 5. 싱글 링 투과계 단면도

단일 링 투과계의 직경 범위는 10~50cm입니다. 링 직경이 클수록 더 많은 면적을 측정할 수 있어 공간 변동성을 더 잘 표현할 수 있습니다.

더블 링 인필로미터(Kfs)

이중 링(또는 동심 링) 투과계는 더 큰 버퍼 실린더 내부에 단일 측정 실린더가 배치되어 있습니다. 버퍼 실린더는 분석을 단순화하기 위해 측정 실린더에서 유량 발산을 방지하기 위한 것입니다. 이론적으로 측정 실린더는 물의 수직 흐름만 측정하며 수평 흐름은 측정하지 않습니다. 이 방법은 낙하 또는 일정한 수두 기술을 사용하며, 동일한 압력 구배를 얻으려면 두 실린더에서 동일한 수위를 유지해야 하므로 일반적으로 많은 양의 물이 필요합니다.

Double or concentric ring infiltrometer cross section
그림 6. 이중 또는 동심원 링 투과계 단면도

링 인필로미터 장단점

링 침투계는 링이 커서 공간적 가변성을 더 많이 고려하므로 실험실 기기보다 현장 조건을 더 잘 나타내므로 모델링에 더 유용합니다. 그러나 이 측정에는 시간당 60~100L의 물이 필요하며, 침투 속도가 약 30cm/hr(전도도가 높은 토양은 300L/hr 이상 사용 가능)라고 가정하면 많은 양의 물을 운반해야 하므로 운반이 어렵습니다. 또한 측정에는 링 크기에 따라 2~3시간 정도의 시간이 소요됩니다.

또 다른 문제는 3차원 흐름을 보정하기 위해 토양의 거시적 모세관 길이 계수(알파라고 함)를 추정해야 한다는 것입니다. 이 알파 매개변수를 추정하는 표가 있지만 잘못 추정하면 수력 전도도를 부정확하게 추정하게 됩니다.

또한 버퍼 실린더는 측면 흐름을 막는 데 효과적이지 않은 경우가 많습니다. 이는 실험실 및 모델링 분석을 통해 문헌에서 밝혀진 사실입니다. 따라서 수직 흐름만 있다는 가정 하에 계산하면 과대평가가 발생할 수 있습니다.

SATURO (KFS): 작동 방식

METER SATURO 는 두 개의 서로 다른 압력 헤드에서 침투를 측정하는 잘 정립된 듀얼 헤드 방식을 자동화하여 측정을 간소화하고 잠재적인 인적 오류를 방지합니다.

A photograph of a researcher setting up SATURO infiltrometer
SATURO 인필로미터 설정

토양 위에 물을 고이고 공기압을 이용해 두 개의 압력 헤드를 만들고 펌프가 자동으로 정확한 수위를 유지합니다. 내부 프로세서가 자동으로 현장 포화 유압 전도도를 계산하여 데이터의 사후 처리가 필요하지 않습니다.

A diagram of a SATURO cross section
그림 7. SATURO 단면도

SATURO 장단점

SATURO 는 자동화와 간소화된 데이터 분석을 하나의 시스템에 결합한 제품입니다. 한 사람이 휴대하고 설치할 수 있도록 설계되었으며, 자동으로 정확한 수위를 유지하므로 지속적인 측정과 조정이 필요하지 않습니다.

측정에는 시간이 다소 걸리지만 링식 투과계보다 훨씬 짧고 무인으로 작동합니다. 여러 기기를 동시에 실행할 수 있으며 알파 계수를 추정할 필요가 없으므로 일반적인 오류 원인을 제거할 수 있습니다. 20리터 물백 두 개를 사용하지만 큰 외부 링이 필요하지 않으므로 이중 링 주입계보다 훨씬 적은 물을 필요로 합니다.

다음 웨비나에서는 Gaylon S. Campbell 박사가 유압 전도도의 기초와 SATURO 자동 듀얼 헤드 인필트로미터의 과학적 원리에 대해 설명합니다.

압력 인필로미터 (Kfs )

압력 주입계는 단일 링 주입계와 유사하지만 링 상단에 부착하여 링 위에 가해지는 압력 헤드를 제어할 수 있다는 점이 다릅니다(그림 8).

A diagram of pressure ring infiltrometer cross section
그림 8. 압력 링 주입구 단면도

사용자는 일정 시간 동안 단일 헤드를 적용한 다음 설정된 간격 동안 더 높은 압력 헤드로 전환한 다음 다시 설정된 간격 동안 더 낮은 헤드로 전환합니다. 두 압력 헤드 모두에서 준정상 상태의 침투율이 달성될 때까지 이 과정을 반복합니다. 그런 다음 서로 다른 압력 헤드에서의 침투율을 사용하여 알파 값 또는 흡착도와 같은 값을 추정할 수 있습니다.

압력 인플레이터 장단점

표 2. 압력 주입계 장단점
장점 단점
(𝛂)의 측정으로 Kfs 분석 개선 더 복잡한 측정 장치
흡착도 및 매트릭스 플럭스 전위를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 다중 헤드 기술에는 더 많은 시간이 필요합니다.
자동화되지 않음 - 더 많은 작업 필요

이 기술을 사용하면 다중 헤드 분석을 수행할 수 있으므로 흡착성 및 매트릭스 플럭스 전위와 같은 다른 측정을 수행할 수 있습니다. 또한 추정치와 비교하여 거시적 모세관 길이 계수(알파 값)를 측정할 수 있으므로 3차원 흐름을 보정할 때 잠재적인 오류 원인을 제거할 수 있습니다.

하지만 더 복잡한 측정 장치입니다. 특히 압력 헤드를 전환하려면 더 많은 자동화가 필요합니다. 그리고 두 압력 헤드 모두에서 정상 상태의 침투율에 도달하는 데 시간이 오래 걸립니다.

시추공 투과 파라미터 (KFS)

시추공 투과 매개변수 설계에는 여러 가지가 있지만(이 글의 범위를 벗어남) 여기서는 기본적인 사항을 살펴봅니다.

A diagram of a borehole permeameter cross section
그림 9. 시추공 투과 매개변수 단면도

시추공 투과도계는 시추공의 수위 확인 오류를 방지하기 위해 일정한 헤드 방법을 사용합니다. 시추공 투자율을 사용하려면 구멍을 원하는 깊이로 확대하고 투자율을 우물 위에 장착한 다음 마리오트 버블러를 삽입하여 시추공 내부의 수두를 일정하게 유지합니다. 그런 다음 유입량을 계산하고 정상 상태를 기다린 다음 이 값을 사용하여 유압 전도도를 계산한 후 3차원 흐름을 보정합니다. 수위와 시추공 내부의 압력 수두를 변경하여 단일 및 다중 수두 분석을 수행할 수 있습니다.

퍼미미터 장단점

표 3. 시추공 투과 파라미터 장단점
장점 단점
(𝛂)의 측정은 Kfs 분석을 개선합니다(다중 헤드 분석을 사용하는 경우에만 해당). 작은 표면적
다양한 토양층 분석 긴 측정 시간
흡착성 및 매트릭스 플럭스 전위 측정에 사용 가능 번짐 및 침전 가능성
측정 표면의 가시성 없음

다중 연못 헤드 분석을 사용하면 투과 파라미터를 통해 알파를 측정하여 잠재적인 오류 원인을 제거할 수 있으며, 흡착률과 매트릭스 플럭스 전위를 결정할 수 있습니다. 또한 큰 굴착이 필요한 링 투과계와 달리 작은 구멍만 뚫으면 되기 때문에 다양한 토양층을 측정하기가 더 쉽습니다.

투과 파라미터는 작은 표면적만 측정하므로 필드를 표현하려면 더 많은 측정이 필요합니다. 특히 여러 헤드 분석을 수행할 때는 측정 시간이 오래 걸립니다.

또 다른 문제는 시추공 내부의 번짐과 침전입니다(즉, 오거링이 절단되면서 표면이 번질 수 있음). 이렇게 하면 모공이 닫히고 물을 전도할 수 없게 되어 과소평가가 발생할 수 있습니다. 눈에 보이지 않기 때문에 번짐이나 침전물이 발생했는지 알기 어렵습니다. 하지만 이러한 문제를 줄일 수 있는 방법이 있습니다.

실험실 기술: 불포화 유압 전도성

유량 셀 (K(Ψ))

플로우 셀은 불포화 유압 전도도(K(Ψ))를 측정하는 데도 사용되지만 포화 유압 전도도와는 달리 측정에는 텐셔미터가 필요합니다(그림 10).

A diagram of a flow cell and tensiometer cross section
그림 10. 유량 셀 및 장력계 단면도

물은 수원지에서 샘플을 거쳐 토양 코어로 흐릅니다. 두 개의 장력계가 수전위를 모니터링하고, 사용자는 토양이 포화되지 않은 조건에서 물을 전달할 수 있도록 낮은 유량에서 높은 유량을 제어합니다. 두 장력계가 동일한 수전위(토양 흡입력)를 읽을 때까지 일정한 유속이 유지됩니다. 이러한 측정값과 유속은 특정 전위에서 불포화 수전도율을 결정하는 데 사용됩니다. 유지 특성을 얻기 위해 사용자는 토양 코어 수분 함량도 측정합니다. 이 단계를 반복하여 불포화 수리 전도도 곡선을 따라 다른 지점을 결정합니다.

플로우 셀 장단점

표 4. 플로우 셀 장단점
장점 단점
동시 수분 투과 및 유지 특성 일정한 흐름을 유지할 수 있는 방법이 필요합니다.
동일한 토양 기둥에서 포화 및 불포화 유량 파라미터 추정 복잡한 작업

유량 셀을 사용하면 불포화 수력 전도도와 유지 특성을 동시에 측정할 수 있어 부분적인 토양 수분 방출 곡선을 생성할 수 있습니다. 또한 동일한 토양 컬럼에서 포화 및 불포화 유량 파라미터를 모두 측정할 수 있습니다.

그러나 이 기술은 유량을 제어하고 변경하기 위해 펌프가 필요하며 작동이 복잡합니다. 또한 플로우 셀은 실험실에 공간이 필요하고 자동화를 위해서는 복잡한 계측기가 필요합니다.

증발 방법 (K(Ψ))

증발법은 1968년 Wind에 의해 처음 도입되었습니다. 이 방법에는 다양한 깊이에 삽입된 장력계가 있는 토양 코어가 필요합니다. 초기에 포화된 코어는 위쪽이 열려 있고 아래쪽이 닫혀 있어 표면으로부터의 증발만 허용합니다. 이렇게 하면 코어에 매트릭스 전위 구배가 생성됩니다. 시간이 지남에 따라 물이 증발함에 따라 토양 코어의 질량과 기울기를 측정하여 매트릭스 플럭스 전위 또는 불포화 수리 전도도를 계산할 수 있습니다. 이 기술은 매트릭 헤드와 수분 함량을 동시에 측정하기 위해 일정한 증발 속도가 필요하므로 불포화 수리 전도도 측정과 토양 수분 방출 곡선 생성이 모두 가능합니다.

HYPROP (K(Ψ))

미터 HYPROP 는 바람/쉰들러 증발 기법의 단순화된 버전을 기반으로 하는 실험실 기기입니다.

A photo of HYPROP 2 which creates soil moisture release curves
HYPROP 2는 토양 수분 방출 곡선을 생성합니다.

HYPROP 내부에는 표면만 열려 있는 토양 코어 내부에 높이가 다른 두 개의 텐시오미터가 있습니다(그림 11).

A diagram of a cross section inside the HYPROP cylinder
그림 11. HYPROP 실린더 내부 단면도

HYPROP 저울 위에 올려놓고 시간이 지남에 따라 증발하는 토양 코어의 질량을 측정합니다. 이를 통해 토양 유지 특성과 불포화 수리 전도도를 모두 생성합니다. 불포화 수리 전도도는 Darcy 방정식(방정식 4)의 반전을 사용하여 계산합니다.

Equation 4
방정식 4

HYPROP 장단점

표 5. HYPROP 장단점
장점 단점
동시 수분 투과 및 유지 특성 포화 상태에 가까운 신뢰할 수 없는 K(Ψ) 데이터
자동화된 측정 학습 곡선
뛰어난 측정 해상도 탈착 특성만

유량계에 비해 HYPROP 의 장점은 전체 수분 범위에 걸쳐 완전히 자동화된 측정이 가능하다는 것입니다. HYPROP 은 사용자가 다른 작업을 수행하는 동안 불포화 수전도율 곡선을 자동으로 생성하여 시간을 절약해 줍니다. 포화 근처를 제외한 고해상도(200개 이상의 데이터 포인트)로 물의 투과 및 유지 특성을 동시에 제공합니다. 곡선의 포화 끝을 보려면 KSAT 와 결합하고, 포화 끝을 보려면 WP4C 수분 전위 도구(건조한 토양)와 결합하여 전체 토양 수분 방출 곡선을 생성할 있습니다. 다음 동영상에서 토양 수분 방출 곡선에 대해 자세히 알아보세요.

는 학습 곡선이 있지만 HYPROP 는 학습 곡선이 있지만 에서 장력계를 채우는 방법을 배우면 쉽게 설정할 수 있습니다. 그리고 설정이 완료되면 완전히 자동화됩니다. HYPROP 은 증발 방식이기 때문에 탈착(수분 손실)특성만 측정하므로 흡착(수분 추가) 특성과는 차이가 있을 수 있습니다.

현장 기술: 불포화 유압 전도성

장력 인플레이터 (K(Ψ))

장력 인필트로미터는 불포화 유압 전도도만 측정합니다. 다공성 판을 토양 위에 놓고(그림 12), 마리오트 버블러가 포함된 타워로 제어되는 흡입을 통해 물을 빼냅니다.

A diagram of Tension infiltrometer cross section
그림 12. 장력 인필로미터 단면도

버블 튜브를 물속 깊숙이 삽입하여 음의 흡입을 제어하여 공기를 끌어당기는 데 필요한 에너지를 높여 장치를 통해 빨아들인 물을 대체합니다. 이 기술을 사용하면 과도 상태 또는 정상 상태 방법을 사용하여 분석할 수 있습니다.

일시적 방법: 시간에 따라 변화하는 침투율을 측정하여 정상 상태로 추정합니다.

정상 상태 방법: 시간이 지남에 따라 침투율 정상 상태에 도달합니다.

장력 침투계는 가해진 흡입력으로 토양에 물을 침투시키므로 다양한 음의 흡입력에서 침투율을 측정하여 기공 크기를 구분할 수 있습니다. 흡입력이 높을수록 물을 빼내려면 기공이 작아야 합니다. 또한 3차원 침투 기술이기 때문에 흐름에 대한 3차원 분석이 필요합니다.

장력 인플레이터의 장단점

표 6. 장력 인플레이터의 장단점
장점 단점
제어식 석션 정상 상태 방법은 시간이 많이 걸립니다.
디스크가 클수록 공간 변동성이 커집니다. 3차원 흐름을 보정하기 위해 토양 속성을 추정해야 합니다.
흡착성 및 반발성 추정
A photograph of a tension infiltrometer
장력 인플레이터 사진

장력 인플레이터의 장점은 흡입을 제어하여 특정 매트릭스 전위에서 불포화 유압 전도도를 측정할 수 있다는 점입니다. 더 큰 디스크를 사용하면 더 많은 공간 변동성을 설명할 수 있습니다. 그러나 큰 기공이 공간 변동성의 주요 원인이며 매우 낮은 흡입량으로 배출되기 때문에 이는 중요하지 않을 수 있습니다. 장력 인플레이터는 산불 발생 후의 소수성 연구에 유용한 흡착성 및 발수성을 추정하는 데도 사용됩니다.

정상 상태 방법은 시간이 오래 걸리고 과도 상태 방법과 마찬가지로 부정확할 수 있다는 한계가 있습니다(특히 초기 침투율이 높은 매우 건조한 토양에서는 더욱 그렇습니다). 따라서 여러 번 측정하는 것이 좋습니다. 이 기법은 잠재적인 오류의 원인인 3차원 흐름을 보정하기 위해 알파를 추정해야 합니다. 하지만 전반적으로 좋은 현장 기법입니다.

유압 전도도 측정 고려 사항

밭의 동일한 토양 유형에 대해 동일한 토양 수리전도도 값을 사용할 수 있다고 가정하지 마세요. 특히 토지 용도나 지형 위치가 다른 경우에는 그렇지 않습니다. 한 연구자는 동일한 토양 유형에서 수력학적 특성의 급격한 변화를 발견했습니다. 그의 현장에는 자연 초원, 개량 목초지, 재래식 경작지가 있었는데, 세 곳 모두에서 지형 위치가 크게 변화했습니다.

A diagram of hydraulic conductivity values for three different land uses and landscape positions
그림 13. 텍사스 블랙랜드의 세 가지 토지 용도 및 경관 위치에 대한 유압 전도도 값. 연구원들은 각 지점에서 이중 링 인필트로미터를 사용하여 현장 포화 유압 전도도를 세 번 측정했습니다.

그림 13은 정상부, 뒷사면, 발사면 모두에서 목초지와 초원 모두 동일한 경향을 보여줍니다. 토양 수리전도도 값은 뒷사면에서 더 높았고, 발사면에서 가장 낮은 값을 보였습니다. 이는 부분적으로 카티나 효과(정상부에서 용질 침출과 산사면에서의 용질 침전으로 인한 토양의 수리적 특성과 화학적 구성의 변화) 때문이었습니다. 흥미롭게도 기존 경작지에서는 이러한 경향이 뚜렷하지 않았는데, 이는 이 부지가 교란(정기적으로 경작)되었기 때문일 가능성이 높습니다.

어디에서 측정해야 하나요? 몇 번 측정해야 하나요?

한 가지 전략은 필드 전체에 걸쳐 일괄적으로 EC를 측정하여 실제 공간 변동성을 추정하는 것입니다. 이 정보를 통해 필드의 공간적 변동성을 포괄하기 위해 측정할 위치와 필요한 측정 개수를 결정할 수 있습니다. 그림 14는 EM38 장치를 사용하여 대량 EC를 측정하여 생성된 필드의 EC 맵입니다.

EC map showing variability in a Texas field
그림 14. 텍사스 유전의 변동성을 보여주는 EC 맵

이 지도는 연구자들이 현장을 여러 구역으로 나누고 측정할 위치를 결정하는 데 도움이 되었습니다. 이 경우 연구진은 선택한 각 지점(흰색 십자가)에서 현장 포화 유압 전도도를 세 번 측정하기로 했습니다.

유압 전도도 측정 방법에 대해 자세히 알아보기

  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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