COMPARISON OF FLUX AND RESIDENT CONCENTRATION BREAKTHROUGH CURVES IN STRUCTURED SOIL COLUMNS

구조토양에서의 침출수와 잔존수농도의 파과곡선에 관한 비교연구

In many solute transport studies, either flux or resident concentration has been used. Choice of the concentration mode was dependent on the monitoring device in solute displacement experiments. It has been accepted that no priority exists in the selection of concentration mode in the study of solute transport. It would be questionable, however, to accept the equivalency in the solute transport parameters between flux and resident concentrations in structured soils exhibiting preferential movement of solute. In this study, we investigate how they differ in the monitored breakthrough curves (BTCs) and transport parameters for a given boundary and flow condition by performing solute displacement experiments on a number of undisturbed soil columns. Both flux and resident concentrations have been simultaneously obtained by monitoring the effluent and resistance of the horizontally-positioned TDR probes. Two different solute transport models namely, convection-dispersion equation (CDE) and convective lognormal transfer function (CLT) models, were fitted to the observed breakthrough data in order to quantify the difference between two concentration modes. The study reveals that soil columns having relatively high flux densities exhibited great differences in the degree of peak concentration and travel time of peak between flux and resident concentrations. The peak concentration in flux mode was several times higher than that in resident one. Accordingly, the estimated parameters of flux mode differed greatly from those of resident mode and the difference was more pronounced in CDE than CLT model. Especially in CDE model, the parameters of flux mode were much higher than those of resident mode. This was mainly due to the bypassing of solute through soil macropores and failure of the equilibrium CDE model to adequate description of solute transport in studied soils. In the domain of the relationship between the ratio of hydrodynamic dispersion to molecular diffusion and the peclet number, both concentrations fall on a zone of predominant mechanical dispersion. However, it appears that more molecular diffusion contributes to the solute spreading in the matrix region than the macropore region due to the nonliearity present in the pore water velocity and dispersion coefficient relationship.

오염물질 이동현상 연구에서는 침출수 혹은 잔존수농도 형태가 사용되는데 이의 선택은 모니터링 방법에 의존하게 된다. 파과곡선 실험에서 모니터링 농도 형태에 관한 선택은 임의적이며, 각 농도 형태에서 얻어진 운송 파라미터들은 동등하며 다공성매질의 수리적 특성을 각각 대표하는 것으로 알려져왔다. 그러나, 현장상태의 구조적 발달을 보이는 토양에서는 농도 형태별 운송계수의 동등성이 의문시 된다. 본 연 구에서는 불교란 현장시료(직경 20cm, 높이 20cm)에 대하여 두가지 농도 형태에 의한 파과곡선 실험을 시행하므로써 모니터링 방법에 따른 농도 형태와 그에 따른 운송 파라미터들을 비교분석 하였다. 침출수 농도와 잔존수 농도는 토양상부에서 20cm와 loom 떨어진 지점에서 EC-meter와 TDR 을 이용하여 각각 측정하였다. 연구결과, 침출수 농도는 잔존수 농도보다 첨두농도가 훨씬 높게 그리고 첨두농도의 운송시간이 짧게 나타났음을 알 수 있었다. 따라서 침출수농도곡선으로부터 추정된 운송파 라미터들은 잔존수농도곡선으로부터 추정된 수치들과 상당한 차이를 보였으며 그 차이는 CLT 모델보다 CDE 모델에서 더 크게 나타났다. 특히 CDE 모델에서는 침출수곡선으로부터 도출된 계수값들이 잔존수곡선으로부터 도출된 계수값들보다 훨씬 크게 나타났다. 이는 구조토양내에 존재하고 있는 대공극을 통한 오염물질 우회통과와 평형조건에서의 CDE 모델이 연구대상토양에서의 오염물질 이동현상을 표현하는데 부적합하였기 때문인 것으로 사료된다. 분자 분산에 대한 동수리학적 확산의 비와 Peclet number와의 상관관계를 나타내는 도표영역에서 두가지 농도는 모두 역학적 확산이 오염물질 운송을 좌우하는 영역에 속하였다. 그러나 분자분산은 토양내 대공극부분보다 matrix 부분에서의 오염물질 확산에 더 많은 기여를 하는 것으로 나타났으며 이는 공극유속과 확산계수사이에 존재하는 비선형성에 기인하기 때문인 것으로 사료된다.