Application of an Automated Time Domain Reflectometry to Solute Transport Study at Field Scale: Transport Concept

시간영역 광전자파 분석기 (Automatic TDR System)를 이용한 오염물질의 거동에 관한 연구: 오염물질 운송개념

The time-series resident solute concentrations, monitored at two field plots using the automated 144-channel TDR system by Kim (this issue), are used to investigate the dominant transport mechanism at field scale. Two models, based on contradictory assumptions for describing the solute transport in the vadose zone, are fitted to the measured mean breakthrough curves (BTCs): the deterministic one-dimensional convection-dispersion model (CDE) and the stochastic-convective lognormal transfer function model (CLT). In addition, moment analysis has been performed using the probability density functions (pdfs) of the travel time of resident concentration. Results of moment analysis have shown that the first and second time moments of resident pdf are larger than those of flux pdf. Based on the time moments, expressed in function of model parameters, variance and dispersion of resident solute travel times are derived. The relationship between variance or dispersion of solute travel time and depth has been found to be identical for both the time-series flux and resident concentrations. Based on these relationships, the two models have been tested. However, due to the significant variations of transport properties across depth, the test has led to unreliable results. Consequently, the model performance has been evaluated based on predictability of the time-series resident BTCs at other depths after calibration at the first depth. The evaluation of model predictability has resulted in a clear conclusion that for both experimental sites the CLT model gives more accurate prediction than the CDE model. This suggests that solute transport at natural field soils is more likely governed by a stream tube model concept with correlated flow than a complete mixing model. Poor prediction of CDE model is attributed to the underestimation of solute spreading and thus resulting in an overprediction of peak concentration.

현장에서의 주요 운송 메카니즘을 연구하기 위하여 시간별 잔존수 농도분포곡선 자료를 이용하였다. 운송개념을 대표하는 모델로서 2개의 상반된 가설에 근기한 모델, 즉 CDE와 CLT모델을 사용하였으며 파라미터 추정을 위하여 깊이별 평균농도자료에 최적화기법을 적용하였으며 잔존수 농도의 도달시간을 나타내는 확율밀도함수를 이용하여 모멘트해석도 시행되었다. 모멘트 해석결과 잔존수농도의 1차 및 2차 시간 모멘트는 침출수농도의 것들보다 크게 나타났다. 또한 시간 모멘트를 이용하여 오염물질 운송시간의 변이도와 확산 파라미터도 도출되었다. 변이도 및 확산계수와 운송거리간의 상관관계는 침출수농도 및 잔존수농도에 대해서 동일하게 나타났다. 이러한 관계를 이용하여 2가지 모델을 검정하였으나 운송거리에 따른 운송파라미터의 불규칙한 변화로 확정적 결론을 얻을 수 없었다. 따라서 첫 번째 깊이에서 얻은 파라미터를 이용하여 다른 깊이에서의 오염물질 운송 방식을 예측하여 실측자료와 비교하여 각 모델을 검정하였다. 그 결과 CLT 모델이 CDE 모델보다 현장실측자료에 근접하였다. 이는 오염물질이 이동함에 따라 완전한 혼합이 발생하는 것이 아니라 상관흐름 즉, "오염물질이 각 층을 통과할 때 빠른 물질은 빠르게 느린 물질은 지속적으로 느리게 움직인다"는 사실을 뒷받침한다고 볼 수 있다. 특히 첨두농도에 대한 CDE 모델의 과대예측은 오염물질 확산의 과소평가에 기인하는 것으로 나타났다.