Preferential Flow as Tested by Breakthrough Curves of Cl^- and Cu²⁺ from Saturated Undisturbed Soil Core Samples under Steady Flow Conditions

포화 불교란 토양시료의 Cl^- 및 Cu²⁺ 출현곡선에 의한 preferential flow의 검증

Preferential flow has recently been the subject of increasing interest because these phenomena contribute to solute transport in soils. Commonly, preferential flow paths are associated with macropores or highly structured soils. We presented an analysis of the measured breakthrough curves (BTCs) of $Cl^-$ and $Cu^{2+}$ ions to test the occurrence of preferential flow in soils using miscible displacement technique under steady flow conditions. We also analyzed soil water retention curves and from this curves induced cumulative pore size distribution of undisturbed soils, which sampled from Ap1, B1, and C horizons of Songjeong series soils (the fine loamy, mesic family of Typic Hapludults). In this study, miscible displacement experiment on C horizon was excluded, because it is structureless sandy loam with saturated hydraulic conductivity of $5.2cmhr^{-1}$. The saturated hydraulic conductivity of Ap1 horizon was $2.0cmhr^{-1}$, which was about 7 times higher than that of B1 horizon ($0.27cm hr^{-1}$). Cumulative pore size distribution predicted that Ap1 horizon had more macropores (pore diameter larger than $49{\mu}m$, equivalent to -6 kpa of soil matric potential) than B1 horizon. The hydrodynamic dispersion coefficient from chloride BTCs was estimated as $1.3cm^2hr^{-1}$ for B1 and $34cm^2hr^{-1}$ for Ap1 horizon. However the retardation factors of B1 and Ap1 horizon were significantly different, i.e. 1 and 0.6, respectively, which means that there was distinct partition between mobile water and immobile phase in Ap1 horizon. The copper retardation effect of Ap1 horizon was less than that of B1 horizon, even though cation exchange capacity of Ap1 horizon was higher than that of B1 horizon. Thus, breakthrough curves of $Cl^-$ and $Cu^{2+}$ obviously showed the probability that preferential flow would occur in Ap1 horizon.

사과 과수원 토양(송정통, the fine loamy, mesic family of Typic Hapludults)을 층위별로 채취하여 토양 수리적 특성과 누적공극분포를 조사하고 표토인 Ap1층과 점토집적층인 B1층에서 각각 토양코아시료 (지름 7.4 cm, 높이 7.4 cm)를 채취하여 포화조건에서 $Cl^-$와 $Cu^{2+}$로 혼성치환실험을 수행하고 그 출현곡선으로부터 선택류(選擇流)를 검증하고자 하였다. Ap1층과 B1층은 사질 식양토로 같은 토성이나 Ap1층의 포화수리전도도는 $2.0cmhr^{-1}$로 B1층($0.27cm hr^{-1}$)의 약 7배에 달하였다. C층은 포화수리전도도 $5.2cmhr^{-1}$인 구조가 없는 사양토로 물과 용질의 이동을 제한하는 역할이 가장 낮을 것으로 판단되었다. 누적 공극분포에서 Ap1층과 B1층의 대공극량(토양수분포텐셜 - 6 kpa에 해당하는 지름 $49{\mu}m$ 이상의 공극)은 각각 총 공극량의 24%, B1층은 14%이었다. 염소출현곡선에서 Ap1층 코아와 B1층 코아의 수력학적 분산계수는 각각 $34cm^2hr^{-1}$, $1.3cm^2hr^{-1}$이었고 이때 B1층 코아의 지연계수는 1인 반면 Ap1층 코아는 0.6으로 부동수분과 유동수분의 분배가 일어났다. 양이온 치환용량이 Ap1층이 B1층보다 높음에도 불구하고 Ap1층 코아의 구리지연효과가 B1층보다 더 작게 나타났다. 이 결과는 포화수리전도도와 대공극 함량이 큰 Ap1층에서 선택류(選擇流)가 일어날 수 가능성을 보여 주었다. 그러나 투수성이 좋은 모재층을 가진 이 토양단면에서 Ap1층에서 선택류(選擇流)가 일어난다 하더라도 B1층에 의해 제한될 것으로 사료된다.