초록
지구온난화와 도시 사막화에 따른 지표면의 온도 상승은 기상과 기후에 대한 실질적은 변화를 야기시킨다는 것은 경험적으로 잘 알려져 있다. 특히 사막화 지역에서는 사막 토양이 침투에 유리한 높은 기공성을 가졌음에도 불구하고 오히려 강우 시 강력한 유출(runoff) 현상에 의한 홍수가 빈번하게 발생하고 있다. 강수시 이러한 높은 유출 특성은 빠른 수분증발과 짧은 수자원순환주기에 의하여 집중호우를 발생시키고 지하수 자원을 고갈시키는 최악의 양극화 현상을 야기시키고 있다. 이러한 현상에 대한 물리적인 기전은 사막과 같은 토양에 높은 온도에 의한 강한 열적 부력현상에 의한 것으로 판단된다. 그러나 이러한 주제의 중요성에도 불구하고 이것에 대한 과학적인 연구가 제대로 이루어지지 않은 것으로 나타나고 있다. 본 논문에서는 이러한 현상에 대한 물리적인 가설에 대한 기전을 밝히기 위해 실험적인 연구와 수치 해석적 연구를 병행하였다. 실험적 연구를 위해 기공도 약 35%에 입도 2.0 mm를 가진 자갈성 모래를 가지고 토양 온도 변화에 따른 실험을 수행하였다. 온도 변화에 대한 구체적인 변수는 case 1의 표준상태의 경우에는 지표면의 온도를 $15^{\circ}C$로 하였고, case 2의 경우는 $70^{\circ}C$ 비교적 높은 고온을 선택하여 각각 10회의 반복실험을 시도하여 평균값을 취하였다. $70^{\circ}C$를 선택한 이유는 캘리포니아 Coachella Valley이 검은 모래가 화씨 191도(섭씨 88도)까지 상승한다는 경험적 자료에 기초하였다. 실험 결과 온도가 $70^{\circ}C$인 경우는 $15^{\circ}C$인 경우에 비하여 유출(runoff)이 온도상승효과에 의하여 약 5% 이상 실질적으로 증가하는 결과를 보였으며 지하로 침투하는 침투량(infiltration)은 빗물의 양을 동일한 양으로 표준화 하여 보정한 경우 온도가 낮을 때 상대적으로 30% 정도 증가하는 현상을 나타내었다. 이러한 결과는 지표면 온도 상승이 지하수 고갈과 그에 따른 지반강하에 중요한 인자가 될 수 있음을 시사한다. 수치해석의 결과는 실험 결과와 비교할 때 온도상승에 의해 약 4.6% 정도 유출이 증가되는 것으로 나타나 실험결과와 비교적 잘 부합하였으며 강우량에 따른 변수 연구의 경우도 물리적으로 일관성이 있었다. 이러한 기본적인 연구 결과에 기초할 때 향후 보다 실질적인 시스템에 대한 연구가 가능할 것으로 판단된다.
It is generally known that the increase of the Earth surface temperature due to the global warming together with the land desertification by rapid urban development has caused severe climate and weather change. In desert or desertification land, it is observed that there are always severe flooding phenomena, even if desert sand has the high porosity, which could be believed as the favorable condition of rain water infiltration into ground water. The high runoff feature causes possibly another heavy rain by quick evaporation with the depletion of underground water due to the lack of infiltration. The basic physics of desert flooding is reasonably assumed due to the thermal buoyancy of the higher temperature of the soil temperature than that of the rain drop. Considering the importance of this topic associated with water resource management and climate disaster prevention, no systematic investigation has, however, been reported in literature. In this study, therefore, a laboratory scale experiment together with the effort of numerical calculation have been performed to evaluate quantitatively the basic hypothesis of run-off mechanism caused by the increase of soil temperature. To this end, first, of all, a series of experiment has been made repeatedly with the change of soil temperature with well-sorted coarse sand having porosity of 35% and particle diameter, 2.0 mm. In specific, in case 1, the ground surface temperature was kept at $15^{\circ}C$, while in case 2 that was high enough at $70^{\circ}C$. The temperature of $70^{\circ}C$ was tested as this try since the informal measured surface temperature of black sand in California's Coachella Valley up to at 191 deg. $^{\circ}F$ ($88^{\circ}C$). Based on the experimental study, it is observed that the amount of runoff at $70^{\circ}C$ was higher more than 5% compared to that at $15^{\circ}C$. Further, the relative amount of infiltration by the decrease of the surface temperature from 70 to $15^{\circ}C$ is about more than 30%. The result of numerical calculation performed was well agreed with the experimental data, that is, the increase of runoff in calculation as 4.6%. Doing this successfully, a basic but important research could be made in the near future for the more complex and advanced topic for this topic.
