Effective hydraulic conductivity of a statistically anisotropic heterogeneous medium is obtained for steady two-dimensional flows employing stochastic analysis. Flow equations are solved up to second order and the effective conductivity is obtained in a semi-analytic form depending only on the spatial correlation function and the anisotropy ratio of the hydraulic conductivity field, hence becoming a true intrinsic property independent of the flow field. Results are obtained using a statistically anisotropic Gaussian correlation function where the anisotropy is defined as the ratio of integral scales normal and parallel to the mean flow direction. Second order results indicate that the effective conductivity of an anisotropic medium is greater than that of an isotropic one when the anisotropy ratio is less than one and vice versa. It is also found that the effective conductivity has upper and lower bounds of the arithmetic and the harmonic mean conductivities.
Ma, Changkun;Zhang, Chao;Chen, Qinglin;Pan, Zhenkai;Ma, Lei
Geomechanics and Engineering
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v.25
no.2
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pp.159-170
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2021
Particle size of tailings in different areas of dams varies due to sedimentation and separation. Saturated hydraulic conductivity of high-stacked talings materials are seriously affected by void ratio and particle breakage. Conjoined consolidation permeability tests were carried out using a self-developed high-stress permeability and consolidation apparatus. The hydraulic conductivity decreases nonlinearly with the increase of consolidation pressure. The seepage pattern of coarse-particle tailings is channel flow, and the seepage pattern of fine-particle tailings is scattered flow. The change rate of hydraulic conductivity of tailings with different particle sizes under high consolidation pressure tends to be identical. A hydraulic conductivity hysteresis is found in coarse-particle tailings. The hydraulic conductivity hysteresis is more obvious when the water head is lower. A new hydraulic conductivity-void ratio equation was derived by introducing the concept of effective void ratio and breakage index. The equation integrated the hydraulic conductivity equation with different particle sizes over a wide range of consolidation pressures.
The hydraulic conductivities in the bentonite-sand mixtures with high density were measured, and the effects of sand content and dry density on the hydraulic conductivity were investigated. The hydraulic conductivities of the bentonite-sand mixtures with a dry density of 1.6 Mg/㎥ and 1.8 Mg/㎥ are less than 10$^{-11}$ m/s when the sand content is not higher than 70 wt%. However at the sand content of 90 wt%, the hydraulic conductivity increases rapidly At the same dry density, the logarithm of hydraulic conductivity increases linearly with increasing sand content. The hydraulic conductivity of the bentonite-sand mixture can be explained by the concept of effective clay dry density, and using this concept, the hydraulic conductivities for the mixtures with various sand contents and dry densities can be estimated.
Khakimov, Elyorbek;Chung, Sang Yong;Senapathi, Venkatramanan;Elzain, Hussam Eldin;Son, JooHyeong
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.22
no.3
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pp.27-41
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2017
This study dealt with the characteristics and the interrelations of hydrogeological parameters such as hydraulic conductivity, dispersivity and effective porosity of unconsolidated sediments for providing the basic data necessary for the planning of the management and preservation of groundwater quality in the Nakdong River Delta of Busan City, Korea. Groundwater quality in this area has been deteriorated due to seawater intrusion, agricultural fertilizer and pesticide, industrial wastewater, and contaminated river water. The physical properties (grain size distribution, sediment type, sorting) and aquifer parameters (hydraulic conductivity, effective porosity, longitudinal dispersivity) were determined from grain size analysis, laboratory permeability test and column tracer test. Among 36 samples, there were 18 Sand (S), 7 Gravelly Sand (gS), 5 Silty Sand (zS), 5 Muddy Sand (mS), and 1 Sandy Silt (sZ). Hydraulic conductivity was determined through a falling head test, and ranged from $9.2{\times}10^{-5}$ to $2.9{\times}10^{-2}cm/sec$ (0.08 to 25.6 m/day). From breakthrough curves, dispersivity was calculated to be 0.35~3.92 cm. Also, effective porosity and average linear velocity were obtained through the column tracer test, and their values were 0.04~0.46 and 1.06E-04~6.49E-02 cm/sec, respectively. Statistical methods were used to understand the interrelations among aquifer parameters of hydraulic conductivity, effective porosity and dispersivity. The relation between dispersivity and hydraulic conductivity or effective porosity considered the sample length, because dispersivity was affected by experimental scale. The relations between dispersivity and hydraulic conductivity or effective porosity were all in inverse proportion for all long and short samples. The reason was because dispersivity was in inverse proportion to the groundwater velocity in case of steady hydrodynamic dispersion coefficient, and groundwater velocity was in proportion to the hydraulic conductivity or effective porosity. This study also elucidated that longitudinal dispersivity was dependent on the scale of column tracer test, and all hydrogeological parameters were low to high values due to the sand quantity of sediments. It is expected that the hydrogeological parameter data of sediments will be very useful for the planning of groundwater management and preservation in the Nakdong River Delta of Busan City, Korea.
Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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2003.09a
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pp.395-398
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2003
Geosynthetic Clay Liners(GCLs) have been widely used as hydraulic barrier in landfills and remediation projects of contaminated sites. The aim of this research is to modify GCLs for effective removal of contaminants. We perform the free swell test, hydraulic conductivity test, and contaminants (TCE, hexavalent chromium, and nitrate) removal test on the bentonite-ZVI mixture with various ZVI content. As the ZVI content increased, contaminants removal efficiencies and swell volume increased, and hydraulic conductivity decreased.
Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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2004.04a
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pp.341-345
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2004
An attempt has been made in this study to evaluate an applicability of Relative Effective Porosity Model (REPM) as a method for estimating saturated hydraulic conductivity (K$_{s}$) for homogeneous coarse, medium, and fine sands. The saturated hydraulic conductivities obtained from REPM are converted into average linear velocities using Darcy's Law and compared with the results from experimental tracer tests for homogeneous coarse, medium, and fine sand layer. Two types of tracer tests analyses, analytical solution using CXTFIT and moment methods, are performed to obtain reasonable linear velocity range for each layer. For the coarse and medium sands, the converted average linear velocity from REPM is in the velocity range obtained from tracer tests. However, small difference between the results from REPM and tracer tests is found for the fine sands. These results show that REPM gives reasonable estimates of saturated hydraulic conductivity.y.
The effective unsaturated hydraulic conductivity in stratified soils is evaluated using a three-dimensional stochastic approach. Because of the disparity of the correlation scales in a stratified soil, the general stochastic equations are simplified. This allows analytical evaluation of generic expressions for the effective hydraulic conductivities. Simple asymptotic expressions, valid at particular ranges(wetting front, drying condition, wetting condition) of the mean flow characteristics, are also derived. An example of applying the derived theoretical result to a imaginaryl clay soil is presented. It reveals found that the effective unsaturated hydraulic conductivity showed large-scale hysteresis. Such large-scale hysteresis was produced by the spatial variability of hydraulic soil properties rather than hysteresis of the local parameters. In addition the results show that the effective hydraulic conductivities were larger in the case of accommodating heterogeneity of soil preperties rather than neglecting heterogeneity of soil properties.
Kim, Soo-Dong;Park, Samgyu;Hamm, Se-Yeong;Oh, Yun-Yeong
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.19
no.3
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pp.39-46
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2014
Hydraulic conductivity is an important parameter, representing permeable property of the groundwater in aquifers, in the issues of groundwater development, groundwater contamination, and groundwater flow, etc. We estimated a relationship between hydraulic conductivity and electrical properties (formation factor, chargeability, and time constant) of silty sand in the laboratory. For this study, we conducted grain size analysis, constant head permeameter test, and measured electrical resistivity and spectral induced polarization of silty sand samples collected from the riverside alluvium of the Nakdong River in Nogok-ri area, Dasan-myeon, Goryeong-gun in Gyeongbook Province, Korea. In the laboratory test, we used soil samples of approximately uniform porosity with 0.5% error range, and kept the electrical resistivity of pore water with 100 ohm-m. As a result, the relationship between effective particle size and hydraulic conductivity agrees fairly well with the existing empirical formulas. Hydraulic conductivity was correlated with formation factor, chargeability, and time constant: hydraulic conductivity increased with increasing formation factor and time constant as well as with decreasing chargeability.
Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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2004.09a
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pp.312-316
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2004
Single-well tracer tests, especially push pull tracer tests, are more effective to estimate hydraulic parameters and microbial metabolic activities in terms of duration and cost compared to multi-well tracer tests. However, there are some drawbacks in accuracy, complicated data analysis and uniqueness. These shortages are thought to be derived from the applied conditions which affect mass recovery curve and breakthrough curve. Factors such as extraction rate, resting period, hydraulic conductivity and hydraulic gradient are considered as the major factors determining the mass recovery rate and shape of the breakthrough curve. The results of the sensitivity analysis are summarized as follows: 1) the significant change in concentration of breakthrough curve is obtained when the extraction rate increases. This effect would also be much higher if the hydraulic conductivity is lower; 2) the mass recovery rate decreases with the increase of resting time, and the difference of mass recovery rates for different resting times is inversely proportional to the hydraulic conductivity; 3) the sensitivity values decrease with time. The hydraulic conductivity affects not only the early period, but the later period of the breakthrough curves; 4) The influence of the hydraulic gradient on the breakthrough curves is greater at earlier stage than at later stage. The mass recovery rate is inversely proportional to the hydraulic gradient.
Fire-enhanced soil hydrophobicity often increases runoff and erosion in the mountain hillslope following severe wildfires. Estimation techniques for WEPP's parameters were studied in burnt mountain slopes. In burnt mountain slopes, the model over-predicted runoff in the small runoff and under-predicted runoff in the great runoff, and in the lower sediment runoff it had a tendency to over-predict soil loss. The effective hydraulic conductivity was most sensitive in the WEPP's runoff and its sediment runoff was mainly effected by the effective hydraulic conductivity, initial saturation, rill erodibility, and interrill erodibility. To improve the applicability of the WEPP, the adjustment coefficient of effective hydraulic conductivity was defined for runoff and the adjustment coefficient of rill erodibility and interrill erodibility was presented for sediment runoff. The adjustment coefficient of effective hydraulic conductivity in wildfire mountain slopes increased with maximum rainfall intensity of single storm and the vegetation height index. The adjustment coefficients of rill erodibility depended on soil components of size distribution curve and total rainfall depths in single storm. The adjustment coefficients of interrill erodibility decreased with increases of maximum rainfall intensity and vegetation height index. These results may be used in the application of WEPP model for wildfire mountain slopes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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