A hydrogeomechanical numerical model is presented to evaluate rainfall impacts on groundwater flow in slopes and slope stability. This numerical model is developed based on the fully coupled poroelastic governing equations for groundwater flow in deforming variably saturated geologic media and the Galerkin finite element method. A series of numerical experiments using the model developed are then applied to an unsaturated slope under various rainfall rates. The numerical simulation results show that the overall hydromechanical slope stability deteriorates, and the potential failure nay initiate from the slope toe and propagate toward the slope crest as the rainfall rate increases. From the viewpoint of hydrogeology, the pressure head and hence the total hydraulic head increase as the rainfall rate increases. As a result, the groundwater table rises, the unsaturated zone reduces, the seepage face expands from the slope toe toward the slope crest, and the groundwater flow velocity increases along the seepage face. From the viewpoint of geomechanics, the horizontal displacement increases, and the vertical displacement decreases toward the slope toe as the rainfall rate increases. This may result from the buoyancy effect associated with the groundwater table rise as the rainfall rate increases. As a result, the overall deformation intensifies toward the slope toe, and the unstable zone, in which the factor of safety against shear failure is less than 1, becomes thicker near the slope toe and propagates from the slope toe toward the slope crest. The numerical simulation results also suggest that the potential tension failure is likely to occur within the slope between the potential shear failure surface and the ground surface.
Using a continuous injection tracer test at a multi-soil layer deposit, the difference of hydrodynamic dispersions in unsaturated and saturated zones were analyzed through breakthrough curves of Rhodamine WT, linear regression of concentration versus time, concentration variation rates versus time, and concentration ratio according to the distance from injection well. As a result of continuous injection tracer test, the difference of the maximum concentrations of Rhodamine WT in unsaturated and saturated zones were 13-15 times after 160 hours, and the increased rate of concentration versus time in unsaturated zone was about 10 times higher than in saturated zone. The fluctuation of Rhodamine WT breakthrough curve and concentration variation rate with time in saturated zone were larger than in unsaturated zone. Rhodamine WT concentration ratio with the distance from the injection well in saturation zone was linearly decreased faster than in unsaturated zone, and the elapsed time necessary for the concentration ratio less than 2 was longer in saturation zone. The differences resulted from the lower concentration and slower hydrodynamic dispersion of Rhodamine WT at the saturation zone of the multi-soil layer deposit, in which groundwater flow significantly flow and aquifer materials have high hydraulic heterogeneity. Effective porosity, longitudinal and transverse dispersivities were estimated $10.19{\sim}10.50%,\;0.80{\sim}1.98m$ and $0.02{\sim}0.04m$, respectively. The field longitudinal dispersivity is over 12 times larger than the laboratory longitudinal dispersivity by the scale-dependent effect.
The media in the undersaturated zone is defined as the uppermost layer of the water table at which the groundwater is unsaturated or saturated discontinuously. The properties of the unsaturated zone can affect the reduction of contaminants that flow from the lower part of soil to the water table. In recent, there have been problems in evaluating groundwater contaminations vulnerability because weighted value for permeability is given, regardless of anisotropy and heterogeneity in the unsaturated media. Geological media have various ranges of permeability. When applying the weighted value, representative of permeability for grain sizes standardized, to construction of contamination vulnerability, it will produce more exaggerated result than the case that considers unsaturated geological properties. In this study, we performed laboratory column tests considering two sets of the unsaturated layers in order to investigate the permeability in anisotropic unsaturated zone with anisotropy. On the basis of the tests, average permeability coefficients were calculated considering the properties of unsaturated media obtained from drill cores in the field. The final contamination vulnerability map constructed shows that the contamination vulnerability map applying the properties of geological media of the unsaturated zone coincides much better with the results measured in the field, compared to the case of contamination vulnerability considering the weighted value in the unsaturated zone.
Journal of the Korean Society of Groundwater Environment
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v.4
no.4
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pp.191-198
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1997
The Seokdae municipal waste landfill was filled from 1987 to 1993. A disk tension infiltrometer was used to estimate the saturated hydraulic conductivity of the upper part of landfill cover. The estimated saturated hydraulic conductivity ranges from 2.2$\times$$10^{-4}$~8.1$\times$$10^{-3}$ cm/sec. Net infiltration through the Seokdae municipal waste landfill is estimated from precipitation data, hydraulic conductivity and reported landfill profiles by using an unsaturated flow model, HYDRUS. Total infiltration rate is estimated to be 939 ㎥/day. Leachate level rise and leachate seepage are computed by adopting a simple model.
Sea level rise, accompanied by climate change, is expected to exacerbate seawater intrusion in the coastal groundwater system. As the salinity of saturated groundwater increases, salinity can increase even in the unsaturated soil above the groundwater surface, which may cause crop damage in the agricultural land. The other adverse impact of sea level rise is reduced unsaturated soil thicknesses. In this study, a composite model to assess impacts of sea level rise in coastal agricultural land is proposed. The composite model is based on the combined applications of a three dimensional model for simulating saltwater intrusion into the groundwater and a vertical one dimensional model for simulating unsaturated zone flow and transport. The water level and salinity distribution of groundwater are calculated using the three dimensional seawater intrusion model. At some uppermost nodes, where salinity are higher than the reference value, of the 3D mesh one dimensional unsaturated zone modeling is conducted along the soil layer between the ground water surface and the ground surface. A particular location is judged salinized when the concentration at the root-zone depth exceeds the tolerable salinity for ordinary crops. The developed model is applied to a hypothetical agricultural reclamation land. IPCC RCP 4.5 and 8.5 scenarios were used as sea level rise data. Results are presented for 2050 and 2100. As a result of the study, it is predicted that by 2100 in the climate change scenario RCP 8.5, there will be 7.8% increase in groundwater saltwater-intruded area, 6.0% increase of salinized soil area, and 1.6% in increase in water-logging area.
The spatially integrated model (SIM) which can evaluate temporal variation of groundwater quality is proposed in the stream-aquifer setting entered by nonpoint source contaminants. And the developed SIM included unsaturated soil zone and was tested against the spatially distributed model (SDM) of the coupled advection-dispersion and Richards equations for the various hydrologic and aquifer simulating conditions. The result of the comparison showed that the average concentration responses of saturated aquifer and groundwater outflow between the SIM and the SDM was in good agreement, except for the case of the large dispersivity ratio and thick aquifer system. And it is shown that for the cases of the large dispersivity ratio and thick aquifer system the performance of the nonlinear SIM is better than that of the linear SIM for evaluating the average concentration of groundwater outflow response.
The physical-based and lumped-parameter hydrologic groundwater flow model for predicting the rainfall-triggered rise of groundwater levels in hillside slopes is developed in this paper to assess the risk of landslides. The developed model consists of a vertical infiltration model for unsaturated zone linked to a linear storage reservoir model(LSRM) for saturated zone. The groundwater flow model has uncertain constants like soil depttL slope angle, saturated permeability, and potential evapotranspiration and four free model parameters like a, b, c, and K. The free model parameters could be estimated from known input-output records. The BARD algorithm is uses as the parameter estimation technique which is based on a linearization of the proposed model by Gauss -Newton method and Taylor series expansion. The application to examine the capacity of prediction shows that the developed model has a potential of use in forecast systems of predicting landslides and that the optimal estimate of potential 'a' in infiltration model is the most important in the global optimum analysis because small variation of it results in the large change of the objective function, the sum of squares of deviations of the observed and computed groundwater levels. 본 논문에서는 가파른 산사면에서 산사태의 발생을 예측하기 위한 수문학적 인 지하수 흐름 모델을 개발하였다. 이 모델은 물리적인 개념에 기본하였으며, Lumped-parameter를 이용하였다. 개발된 지하수 흐름 모델은 두 모델을 조합하여 구성되어 있으며, 비포화대 흐름을 위해서는 수정된 abcd 모델을, 포화대 흐름에 대해서는 시간 지체 효과를 고려할 수 있는 선형 저수지 모델을 이용하였다. 지하수 흐름 모델은 토층의 두께, 산사면의 경사각, 포화투수계수, 잠재 증발산 량과 같은 불확실한 상수들과 a, b, c, 그리고 K와 같은 자유모델변수들을 가진다. 자유모델변수들은 유입-유출 자료들로부터 평가할 수 있으며, 이를 위해서 본 논문에서는 Gauss-Newton 방법을 이용한 Bard 알고리즘을 사용하였다. 서울 구로구 시흥동 산사태 발생 지역의 산사면에 대하여 개발된 모델을 적용하여 예제 해석을 수행함으로써, 지하수 흐름 모델이 산사태 발생 예측을 위하여 이용할 수 있음을 입증하였다. 또한, 매개변수분석 연구를 통하여, 변수 a값은 작은 변화에 대하여 목적함수값에 큰 변화를 일으키므로 a의 값에 대한 최적값을 구하는 것이 가장 중요한 요소라는 결론을 얻었다.
Journal of Korean Society of Disaster and Security
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v.10
no.1
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pp.19-27
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2017
In recent years, ground subsidence has been frequently occurred by underground cavities due to the excessive groundwater inflow, caused by poor construction and management, during tunnel excavation and underground structure construction. In this study, a numerical model (SEEFLOW3D) was developed to estimate groundwater fluctuations for saturated-unsaturated poros media, evaluates the impact on ground excavation with open cut and non-open cut scenarios. In addition, the visual MODFLOW was applied to demonstrate the verification of the model compared with both results. Our results indicated that the RMSE and NRMSE was obtained to range over -3.95~5.7% and 0.56~4.62%, respectively. The developed model was expected to estimate groundwater discharges and apply analysis tool for optimum design of waterproof wall in future.
Song, Seo Young;Cho, AHyun;Kang, Peter K.;Nam, Myung Jin
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.26
no.6
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pp.1-17
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2021
Self-potential (SP) surveys measure naturally occurring differences in electrical potential in the absence of artificial sources and have been applied to various fields since the first application in mineral explorations. Among various causes of SP occurrences, streaming potential is generated by the flow of groundwater, and makes SP surveys suitable for the exploration of groundwater table fluctuation, fractures, sinkholes and landslide occurrences. Recently, there has been many studies that applied SP surveys to monitor water leakage through dikes and embankments. In this review paper, we first review the characteristics and theoretical backgrounds of streaming potential in saturated or unsaturated porous media to introduce it in the embankment among various application field. After the review of the background theory, we review the past cases of field SP surveys on dikes and embankments and also the characteristics of field streaming potential data in the surveys. Further, by analyzing past studies of qualitative as well as quantitative interpretation of SP survey data, we show the possibility of quantitative interpretation of streaming potential data obtained on dikes and embankments. Consequently, it is hope that this review paper helps researches on SP surveys on dikes and embankments, and provides basis for interpretation methods of the SP data to identify leaked area and further leakage rate (or permeability).
Hwang Seho;Shim Jehyun;Park Inhwa;Choi Sun Young;Park Ki Hwa;Koh Gi Won
한국지구물리탐사학회:학술대회논문집
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2005.09a
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pp.55-71
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2005
Jeju Island is mainly composed of basaltic lava flows and subordinate amounts of volcaniclastic sedimentary rocks. Jeju Province operates the monitoring wells for seawater intrusion problems around Jeju Island to evaluate of groundwater resources in coastal area. Various surveys and monitoring have been performed in boreholes, and also conventional geophysical well loggings conducted to identify basalt sequences and assess seawater intrusion problems. Various conventional geophysical well logs, including radioactive logs, electrical log, caliper log, and temperature and conductivity log and heat-pulse flowmeter log were obtained in 29 boreholes. The results of geophysical well loggings for saturated rocks are interesting and consistent. Natural gamma logs are useful in basalt sequences to sedimentary interbeds, unconsolidated U formation, and seoguipo formation with higher natural gamma log regardless of saturated or unsaturated basalts. Neutron logs are very effective to discriminate among individual lava flows, flow breaks, and sedimentary interbeds in saturated formation. In hyalocastite, porosity is high and resistivity is low, and we think that hyalocastite is a major pathway of fluid flow. In trachybasalt, porosity has a wide range and resistivity is high. In sedimentary interbeds, unconsolidated U formation and seoguipo formation, porosity is high and resistivity is low. The temperature logs in eastern area in Jeju are useful to interpret the hydrogeological unit and evaluate seawater intrusion in Suan area.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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