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Impacts of fast water infiltration in fault zones and water extraction on land subsidence
Martinez Noguez, Abraham Isaac
Land subsidence is a complex phenomenon which occurs all around the world. The study and understanding of the phenomenon, its causes and effects, the processes, such as flow, deformation and fracturing are very important in a spectrum of approaches for predicting the consequences and future damages. Meanwhile, numerical simulation is an important and powerful tool to analyse land subsidence and predict the impact of changing conditions. It also serves to understand new processes if the conditions will change. The economical damages caused by land subsidence have brought large monetary losses to cities all around the world.
In modern times cities have grown rapidly and likewise have the agricultural and industrial activities. In order to satisfy the new demands for the vital liquid, for which the surface water bodies have not been sufficient, subterranean water has had to be exploited to such an extent that its extraction has outreached groundwater recharge.
The main objective of this research is to deeply analyse the principal conditions, associated hazards, parameters and processes that play an important role in the land subsidence phenomenon using numerical simulation. The present work contains several innovations dealing with advances in model concepts in order to investigate land subsidence processes, fracture formation as well as flow and deformation through fractured soils.
The present work analysed the flow and soil deformation behaviour due to fast water infiltration and water extraction in faulted aquifers through numerical modeling. For the flow a two-phase flow model and for the deformation elasto-plastic models, the Mohr-Coulomb model and the Hardening Soil model, were applied and weakly coupled.
Three examples of numerical modeling of two-phase flow as well as soil deformation are presented.
The first application is a model of infiltration through a single-layer system. Here the influence of the inclination of the fracture and the inclination of the surface were investigated as well as the soil’s deformation.
The second application examined a two-layered system consisting of a stratum with low permeability on its surface and a fracture that allows rapid water flow through the impermeable stratum to the lower stratum with higher permeability. A model concept for fracturing mechanism was also proposed.
The third application describes a model concept for fracturing mechanism after groundwater extraction through a well near a highly permeable pre-existing fault.
An important finding was to show that not only an inclined fault zone with low permeability could act as a hydrological barrier for the water flow in an aquifer but also an inclined fault zone with high permeability. Also the results show that this barrier effect could be a factor for triggering land subsidence.
Another important result of this research was the development of a conceptual model of a mechanism for the generation of fracturing and triggering of land subsidence: fast rain water infiltration through fault zones.
Bodensenkung ist ein komplexes weltweit auftretendes Phänomen. Die Untersuchung und das Verständnis des Phänomens, dessen Ursachen, Auswirkungen und zugehörige Prozesse wie Wasserströmung in der ungesättigter Bodenzone, Verformung und Rissbildung sind für ein breites Spektrum von Ansätzen zur Vorhersage von Auswirkungen und potentiellen Schäden von besonderer Bedeutung. Hierbei ist die numerische Simulation ein sehr mächtiges Instrument zur Untersuchung von Bodensenkung und zur Vorhersage des Einflusses von sich ändernden Bedingungen. Auch neuartige Prozesse können mithilfe der numerischen Simulation besser verstanden werden.
In den letzten Jahren haben die Urbanisierung sowie auch Landwirtschaft- und Industrieflächen stetig zugenommen. Um der wachsenden Nachfrage nach dem lebenswichtigen Element Wasser nachzukommen, sind die Oberflächengewässer oft nicht ausreichend und es muss Grundwasser gepumpt werden. Dabei wird oft mehr Grundwasser gefördert, als sich wieder neu bilden kann.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine auf numerischer Simulation basierende Analyse der Bedingungen, die zu Bodensenkung führen. Dies umfasst auch die damit verbundenen Gefahren, die Parameter und die Vorgänge, die mit dem Phänomen im Zusammenhang stehen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet innovative Ansätze zur Weiterentwicklung bestehender Modellkonzepte, die Bodensenkung, Ausbildung von Störungszonen sowie Strömung und Deformation in geklüfteten Böden beschreiben.
Strömung und Bodenverformung während Wasserextraktion und schnelle Wasserfiltration in Störungszonen wurden numerisch modelliert. Es wurde ein Zwei-Phasen-Strömungsmodell mit elasto-plastischen Bodenverformungs-modellen, dem Mohr-Coloumb Modell und dem Hardening Soil Modell, schwach gekoppelt.
In der Arbeit werden drei Fallbeispiele präsentiert:
Das erste Fallbeispiel modelliert Infiltration durch ein einschichtiges System. Dabei wurden der Einfluss der Neigung der Störungszone und der Oberfläche sowie die Bodenverformung untersucht.
Im zweiten Fallbeispiel wurde ein zweischichtiges Modell untersucht. Das Modell besteht aus einer Schicht mit geringer Durchlässigkeit an der Oberfläche und einer Störungszone, die einen schnellen Wasserdurchfluss von der gering durchlässigen Schicht zu der unteren Schicht mit höherer Durchlässigkeit ermöglicht. Es wurde ein Modellkonzept für die Ausbildung von Störungszonen vorgeschlagen.
Das dritte Fallbeispiel beschreibt ein Modellkonzept für die Ausbildung von Störungszonen nach Grundwasserextraktion durch einen Brunnen in der Nähe einer bereits bestehenden Störungszone. Hier war eine wichtige Erkenntnis, dass neben einer geneigten schrägen Störungszone mit geringer Durchlässigkeit auch eine geneigte Störungszone mit hoher Durchlässigkeit als Strömungsbarriere in einem Aquifer wirken kann. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass diese Barrierenwirkung Bodensenkung hervorrufen kann.
Eine weitere wichtige Erkenntnis dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines konzeptionellen Modells, welches den Mechanismus der Ausbildung von Störungszonen und Bodensenkungen aufgrund schneller Regenwasserinfiltration durch Störungszonen beschreibt.
