Automatic large scale soil model generation is very critical stage for earthquake hazard simulation of urban areas. Manual model development may cause some data losses and may not be effective when there are too many data from different soil observations in a wide area. Geographic information systems (GIS) for storing and analyzing spatial data help scientists to generate better models automatically. Although the original soil observations were limited to soil profile data, the recent developments in mapping technology, interpolation methods, and remote sensing have provided advanced soil model developments. Together with advanced computational technology, it is possible to handle much larger volumes of data. The scientists may solve difficult problems of describing the spatial variation of soil. In this study, an algorithm is proposed for automatic three dimensional soil and velocity model development of southern part of the European side of Istanbul next to Sea of Marmara based on GIS data. In the proposed algorithm, firstly bedrock surface is generated from integration of geological and geophysical measurements. Then, layer surface contacts are integrated with data gathered in vertical borings, and interpolations are interpreted on sections between the borings automatically. Three dimensional underground geology model is prepared using boring data, geologic cross sections and formation base contours drawn in the light of these data. During the preparation of the model, classification studies are made based on formation models. Then, 3D velocity models are developed by using geophysical measurements such as refraction-microtremor, array microtremor and PS logging. The soil and velocity models are integrated and final soil model is obtained. All stages of this algorithm are carried out automatically in the selected urban area. The system directly reads the GIS soil data in the selected part of urban area and 3D soil model is automatically developed for large scale earthquake hazard simulation studies.
It is well known that the properties of the soil deposits, especially the damping, depend on both frequency and strain amplitude. Therefore it is important to consider both dependencies to calculate the soil response against earthquakes in order to estimate input motions to buildings. However, it has been difficult to calculate the seismic response of the soil considering both dependencies directly. The author has studied the time domain evaluation of the frequency dependent dynamic stiffness, and proposed a simple hysteretic damping model that satisfies the causality condition. In this paper, this model was applied to nonlinear analyses considering the effects of the strain amplitude dependency of the soil. The basic characteristics of the proposed method were studied using a two layered soil model. The response behavior was compared with the conventional model e.g. the Ramberg-Osgood model and the SHAKE model. The characteristics of the proposed model were studied with regard to the effects of element divisions and the frequency dependency that is a key feature of the model. The efficiency of the model was confirmed by these studies.
Park, Seong-Jin;Lee, Chul-Woo;Kim, Seong-Heon;Oh, Taek-Keun
농업과학연구
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제47권4호
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pp.1097-1107
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2020
Assessment of soil carbon stock is essential for climate change mitigation and soil fertility. The digital soil mapping (DSM) is well known as a general technique to estimate the soil carbon stocks and upgrade previous soil maps. The aim of this study is to calculate the soil carbon stock in the top soil layer (0 to 30 cm) in Jeolla Province of South Korea using the DSM technique. To predict spatial carbon stock, we used Cubist, which a data-mining algorithm model base on tree regression. Soil samples (130 in total) were collected from three depths (0 to 10 cm, 10 to 20 cm, 20 to 30 cm) considering spatial distribution in Jeolla Province. These data were randomly divided into two sets for model calibration (70%) and validation (30%). The results showed that clay content, topographic wetness index (TWI), and digital elevation model (DEM) were the most important environmental covariate predictors of soil carbon stock. The predicted average soil carbon density was 3.88 kg·m-2. The R2 value representing the model's performance was 0.6, which was relatively high compared to a previous study. The total soil carbon stocks at a depth of 0 to 30 cm in Jeolla Province were estimated to be about 81 megatons.
In consideration of the mesoscopic structure of soil-rock mixtures in which the rock aggregates are wrapped by soil at normal temperatures, a two-layer embedded model of single-inclusion composite material was built to calculate the shear modulus of soil-rock mixtures. At a freezing temperature, an interface ice interlayer was placed between the soil and rock interface in the mesoscopic structure of the soil-rock mixtures. Considering that, a three-layer embedded model of double-inclusion composite materials and a multi-step multiphase micromechanics model were then built to calculate the shear modulus of the frozen soil-rock mixtures. Given the effect of pore structure of soil-rock mixtures at normal temperatures, its shear modulus was also calculated by using of the three-layer embedded model. Experimental comparison showed that compared with the two-layer embedded model, the effect predicted by the three-layer embedded model of the soil-rock mixtures was better. The shear modulus of the soil-rock mixtures gradually increased with the increase in rock regardless of temperature, and the increment rate of the shear modulus increased rapidly particularly when the rock content ranged from 50% to 70%. The shear modulus of the frozen soil-rock mixtures was nearly 3.7 times higher than that of the soil-rock mixtures at a normal temperature.
Soil moisture, through its dominance in the exchange of energy and moisture between the land and atmosphere, plays a crucial role in influencing atmospheric circulation. To identify the crucial role, it is a common agreement that knowledge of land surface processes and development of remote sensing techniques are of great important scientific issues. This research uses TRMM satellite C band (10.65 GHz) data to retrieve soil moisture on the Tibetan Plateau in Mainland China. Two retrieval schemes that are implemented include the t-(J) model and the R model. The latter one is developed based on a land surface process and radiobrightness (R) model for bare soil and vegetated terrain. Compared with the in situ ground measurements, the soil moisture retrieved from the R model and the t-(J) model with vegetation information obviously appear more accurate than that derived from bare soil model. Retrieved soil moisture contents from the two inversion models, R model and t-(J) model, have a similar trend, but the former appears to be superior in terms of correlation coefficient and bias compared with in situ data. In the future, we will apply the R model with the TRMM 10.65 GHz brightness temperature to monitor long-term soil moisture variation over Tibet Plateau.
With globally increasing interests in climate-soil-vegetation system, a new stochastic model of soil water and plant water stress is derived for better understanding of the soil water and plant water stress dynamics and their role in water-controlled ecosystem. The steady-state assumption is used for simplifying the equations. The derived model is simple yet realistic that it can account for the essential features of the system. The model represents the general characteristics of rainfall, soil, and vegetation; i.e. the soil moisture constitutes the decrease form of the steady-state and the plant water stress becomes increasing with the steady state when the rainfall is decreased. With this model, further deep study for the effects of soil water and plant water stress on the system will be accomplished.
Harmonized World Soil Database (HWSD) including the global soil information has been implemented to the runoff analysis in many watersheds of the world. However, its accuracy can be a critical issue in the modeling because of the limitation the low resolution reflecting the physical properties of soil in a watershed. Accordingly, this study attempted to assess the effect of HWSD in modeling by comparing parameters of the rainfall-runoff model using HWSD with the detailed soil map. For this, Grid based Rainfall-runoff Model (GRM) was employed in the Hyangseok watershed. The results showed that both of two soil maps in the rainfall-runoff model are able to well capture the observed runoff. However, compared with the detailed soil map, HWSD produced more uncertainty in the GRM parameters related to soil depth and hydraulic conductivity during the calibrations than the detailed soil map. Therefore, the uncertainty from the limited information on soil texture in HWSD should be considered for better calibration of a rainfall-runoff model.
Yeon, Min Ho;Kim, Seong Won;Jung, Sung Ho;Lee, Gi Ha
한국수자원학회:학술대회논문집
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한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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pp.172-172
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2020
In recent years, soil erosion has come to be regarded as an essential environmental problem in human life. Soil erosion causes various on- and off-site problems such as ecosystem destruction, decreased agricultural productivity, increased riverbed deposition, and deterioration of water quality in streams. To solve these problems caused by soil erosion, it is necessary to quantify where, when, how much soil erosion occurs. Empirical erosion models such as the Universal Soil Loss Equation (USLE) family models have been widely used to make spatially distributed soil erosion vulnerability maps. Even if the models detect vulnerable sites relatively well by utilizing big data related to climate, geography, geology, land use, etc. within study domains, they do not adequately describe the physical process of soil erosion on the ground surface caused by rainfall or overland flow. In other words, such models remain powerful tools to distinguish erosion-prone areas at the macro scale but physics-based models are necessary to better analyze soil erosion and deposition and eroded particle transport. In this study, the physics-based Surface Soil Erosion Model (SSEM) was upgraded based on field survey information to produce sediment yield at the watershed scale. The modified model (hereafter MoSE) adopted new algorithms on rainfall kinematic energy and surface flow transport capacity to simulate soil erosion more reliably. For model validation, we applied the model to the Doam dam watershed in Gangwon-do and compared the simulation results with the USLE outputs. The results showed that the revised physics-based soil erosion model provided more improved and reliable simulation results than the USLE in terms of the spatial distribution of soil erosion and deposition.
To derive easily the coefficient of permeability from several other soil properties, the estimation model of coefficient of permeability was proposed using linear regression analysis. The coefficient of permeability is one of the major factors to evaluate the soil characteristics. The study area is located in Kangwon-do Pyeongchang-gun Jinbu-Myeon. Soil samples of 45 spots were taken from the study area and various soil tests were carried out in laboratory. After selecting the soil factor influenced by the coefficient of permeability through the correlation analysis, the estimation model of coefficient of permeability was developed using the linear regression analysis between the selected soil factor and the coefficient of permeability from permeability test. Also, the estimation model of coefficient of permeability was compared with the results from permeability test and empirical equation, and the suitability of proposed model was proved. As the result of correlation analysis between various soil factors and the coefficient of permeability using SPSS(statistical package for the social sciences), the largest influence factor of coefficient of permeability were the effective grain size, porosity and dry unit weight. The coefficient of permeability calculated from the proposed model was similar to that resulted from permeability test. Therefore, the proposed model can be used in case of estimating the coefficient of permeability at the same soil condition like study area.
Various centrifuge model tests on the pile foundations were performed to investigate fundamental characteristics of a pile-soil-foundation system recently, but it is hard to find numerical analysis results of a pile foundation system considering the nonlinear behavior of soil layers due to the dynamic excitations. Numerical analyses for a pile-soil system were carried out to verify the experimental results of centrifuge model tests. Centrifuge model tests were performed at the laboratory applying 1.5 Hz sinusoidal base input motions, and nonlinear numerical analyses were performed utilizing a finite element program of P3DASS in the frequency domain and applying the same input motions with the intensities of 0.05 g~0.38 g. Nonlinear soil properties of soil elements were defined by Ramberg-Osgood soil model for the nonlinear dynamic analyses. Nonlinear numerical analyses with the P3DASS program were helpful to predict the trend of experimental responses of a centrifuge model efficiently, even though there were some difficulties in processing analytical results and to find out unintended deficits in measured experimental data. Also nonlinear soil properties of elements in the system can be estimated adequately using an analytical program to compare them with experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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