The Simulation of Pore Size Distribution from Unsaturated Hydraulic Conductivity Data Using the Hydraulic Functions

Until now, the pore size distribution, PSD, of soil profile has been calculated from soil moisture characteristic data by water release method or mercury porosimetry using the capillary rise equation. But the current methods are often difficult to use and time consuming. Thus, in this work, theoretical framework for an easy and fast technique was suggested to estimate the PSD from unsaturated hydraulic conductivity data in an undisturbed field soil profile. In this study, unsaturated hydraulic conductivity data were collected and simulated by the variation of soil parameters in the given boundary conditions (Brooks and Corey soil parameters, ${\alpha}_{BC}=1-5L^{-1}$, b = 1 - 10; van Genuchten soil parameters, ${\alpha}_{VG}=0.001-1.0L^{-1}$, m = 0.1 - 0.9). Then, $K_s$ (1.0 cm $h^{-1})$ was used as the fixed input parameter for the simulation of each models. The PSDs were estimated from the collected K(h) data by model simulation. In the simulation of Brooks-Corey parameter, the saturated hydraulic conductivity, $K_s$, played a role of scaling factor for unsaturated hydraulic conductivity, K(h) Changes of parameter b explained the shape of PSD curve of soil intimately, and a ${\alpha}_{BC}$ affected on the sensitivity of PSD curve. In the case of van Genuchten model, $K_s$ and ${\alpha}_{VG}$ played the role of scaling factor for a vertical axis and a horizontal axis, respectively. Parameter m described the shape of PSD curve and K(h) systematically. This study suggests that the new theoretical technique can be applied to the in situ prediction of PSD in undisturbed field soil.

토양 수리학적 함수를 이용한 불포화 수리전도도로부터 공극크기분포의 모사

토양의 공극 크기별 분포는 토양중 수분의 함량과 수분퍼텐셜의 관계를 나타내는 토양수분특성 자료로부터 계산된다. 그러나 기존의 토양수분특성 측정방법들은 교란된 토양을 이용하거나 코어시료를 채취한다 하여도 동역학적으로 변화하는 현장 토양 공극분포를 반영하는 데는 많은 어려움이 있었다. 또한 이러한 토양수분특성 자료를 얻기 위해서는 많은 시간과 노력이 요구되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 교란되지 않은 현장 토양에서 측정한 불포화 수리전도도 자료로부터 토양의 공극 크기별 분포 곡선을 추정하는 이론적 체계를 제시하고자 하였다. 이를 위해 Brooks-Corey와 van Genuchten의 수리학적 모델을 이용하여 토양의 불포화 수리전도도 자료로부터 공극의 크기별 분포를 추정하는 이론적 모델을 전개하였으며, 이러한 이론적 모델에 근거하여 Brooks-Corey와 van Genuchten의 soil parameter들의 변화에 따른 불포화수리전도도와 공극 크기별 분포곡선의 모사하였다. 공극크기별 분포곡선의 모사는 토성별 불포화수리전도도 곡선의 scaling factor 역할을 하는 $K_s$를 1.0 cm $h^{-1}$로 설정하고, 수리학적 모델별로 일정한 경계조건 (Brooks-Corey soil parameters, ${\alpha}_{BC}=1-5L^{-1}$, b = 1 - 10; van Genuchten soil parameters, ${\alpha}_{VG}=0.001-1.0L^{-1}$, m = 0.1 - 0.9)에서 수행하였다. Brooks-Corey 모델을 이용한 공극 크기별 분포곡선의 모사에서는 parameter b가 공극분포곡선의 형태에 영향을 주었으며, ${\alpha}_{BC}$는 공극분포곡선의 민감도에 영향을 주었다. 또 van Genuchten 모델을 이용한 공극 크기별 분포곡선의 모사에서는 ${\alpha}_{VG}$가 scaling factor의 역할을 하였으며, parameter m은 공극분포곡선의 형태에 영향을 주었다. 따라서 경계조건 안에서 불포화 수리전도도 자료로부터 공극의 크기별 분포 모사가 가능하였으며, 토양 parameter들이 토성, 입자분포 등의 물리적 특성을 잘 반영하는 경우 이론적으로 현장 토양의 공극 크기별 분포의 추정이 가능할 것으로 판단되었다.