Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in the plain of Beijing city, China

Abstract

The plain of Beijing city in China suffers severe land subsidence owing to groundwater overdraft. The maximum subsidence rate could reach 6 cm/year through the 2000s. An integrated subsidence-monitoring program was designed, including levelling survey, borehole extensometers and multilayer monitoring of groundwater level, with the aim to understand both hydrological and mechanical processes and to characterize the land subsidence. From multilayer compaction monitoring, the major compression layers were identified. The major strata contributing to compression deformation are the second (64.5–82.3 m) and third (102–117 m) aquitards, which contributed around 39 % of the total subsidence. Meanwhile, irrecoverable deformations were also observed in the second (82.3–102 m) and third (117–148 m) confined aquifers; they exhibit elasto-plastic mechanical behavior, which is attributed to the thin beds of silt or silty clay. Stress–strain analysis and oedometer tests were conducted to study the aquifer-system response to pumping　and to estimate the specific storage of the major hydrogeologic units. The results reveal the creep behavior and elasto-plastic, visco-elasto-plastic mechanical behavior of the aquitards at different depths. The compressibility of the aquitards in the inelastic range is about one order of magnitude larger than for the elastic range.

Résumé

La plaine de Pékin en Chine est sujette à des affaissements de terrain importants suite aux prélèvements d’eaux souterraines. La subsidence maximale pourrait avoir atteint 6 centimètres/an durant le 2000 è siècle. Un programme de contrôle de la subsidence a été élaboré comprenant une campagne de nivellement, extensiomètries en forage et un suivi multicouche des niveaux d’eau souterraine dans le but de comprendre à la fois les processus hydrologiques et mécaniques et de caractériser la subsidence des terrains. Les couches de plus grande compression ont été identifiées par un monitoring multicouche de compaction. Les couches principales qui contribuent à la compression des formations sont les deuxième (64.5–82.3 m) et troisième aquitards (102–117 m) qui contribuent pour environ 39 % de la subsidence totale. En même temps des déformations irréversibles ont été aussi observées dans les deuxième (82.3–102 m) et troisième (117–148 m) aquifères captifs; ils montrent un comportement mécanique élasto-plastique attribué aux fins lits de silt ou d’argile silteuse. Une analyse des contraintes et un test œdométrique ont été réalisés pour étudier la réponse du système aquifère aux pompages et estimer le coefficient d’emmagasinement spécifique des principales unités hydrogéologiques. Les résultats indiquent un comportement de fluage et un comportement mécanique élasto-plastique et visco-élasto-plastique des aquitards à différentes profondeurs. La compressibilité des aquitards dans la gamme non élastique est en amplitude d’un ordre de grandeur plus important que celle de la gamme élastique.

Resumen

La planicie de la ciudad de Beijing en China sufre una severa subsidencia del terreno debido a la sobreexplotación de agua subterránea. El máximo ritmo de subsidencia puede alcanzar 6 cm/año a través de los 2000. Se diseñó un programa integrado de monitoreo de la subsidencia, incluyendo relevamiento de niveles, extensómetros en perforaciones y monitoreo multicapa de niveles de agua subterránea, con el objetivo de entender los procesos hidrológicos y mecánicos y caracterizar la subsidencia del terreno. A partir del monitoreo de la compactación multicapa, se identificaron las principales capas de compresión. Las principales deformaciones del estrato que contribuyen a la compresión son los acuitardos segundo (64.5–82.3 m) y tercero (102–117 m), los cuales contribuyen en alrededor del 39 % de la subsidencia total. Mientras tanto, deformaciones irrecuperables fueron también observadas en los acuíferos confinados segundo (82.3–102 m) y tercero (117–148 m); ellos exhiben un comportamiento mecánico elasto plástico, el cual es atribuido a las delgadas capas de limos y de arcillas limosas. Se llevaron a cabo análisis de la tensión de deformación y los tests de odómetros para estudiar la respuesta del sistema acuífero al bombeo y estimar el almacenamiento específico de las principales unidades hidrogeológicas. Los resultados revelaron que el escurrimiento y el comportamiento mecánico elasto plastico visco elasto plastico de los acuitardos a diferentes profundidades. La compresibilidad de los acuitardos en el rango inelástico es alrededor de un orden de magnitud mayor que para el rango elástico.

摘要

过量开采地下水使得北京市平原区遭受了严重的地面沉降问题。2000年以来,最大的年沉降速率可达到6厘米/年。北京平原区建立了包括水准测量、分层标、分层地下水监测在内的监测体系,用于掌握含水层系统水、力过程及沉降特征。分层监测结果表明第二弱透水层(64.5–82.3 m)和第三弱透水层(102–117 m)是主要压缩层,约占总沉降量的39%左右。与此同时,在第二(82.3–102 m)、第三承压含水层(117–148 m)中也存在着不可恢复的形变,体现出弹塑性形变特征,这主要是由于含水层中包含着薄的粉土、粉质粘土夹层。本次采用应力-应变分析方法和土工实验手段相结合,研究含水层系统响应特征,评估主要水文地质单元的贮水能力。结果揭示了不同深度的弱透水层呈现出弹性、弹塑性和黏弹塑性复杂的力学行为。同时发现,弱透水层在非弹性阶段的压缩能力比弹性压缩阶段大一个数量级左右。

Resumo

A planície da cidade de Pequim, na China, sofre de subsidência severa, devido à extração de água subterrânea. A taxa máxima de subsidência pôde atingir os 6 cm/ano durante o ano 2000. Foi criado um programa integrado de monitorização da subsidência, que incluiu pesquisa de nivelamento, extensómetros em furos e monitorização multinível dos níveis da água subterrânea, com o objetivo de entender ambos os processos hidrológicos e mecânicos e de caraterizar a subsidência dos terrenos. A partir de monitorização compacta multinível, foram identificadas as camadas mais compressíveis. Os estratos principais que contribuem para a deformação por compressão são os segundo (64.5–82.3 m) e terceiro (102–117 m) aquitardos, os quais contribuem com cerca de 39 % da subsidência total. Entretanto, deformações irrecuperáveis foram também observadas nos segundo (82.3–102 m) e terceiro (117–148 m) aquíferos confinados; estes exibem um comportamento mecânico elasto-plástico, o qual é atribuído às finas camadas de silte ou argila siltosa. Foram realizados testes de análise tensão-deformação e de edómetro para estudar a resposta do sistema aquífero e estimar o armazenamento específico das principais unidades hidrogeológicas. Os resultados mostram o comportamento de fluência e o comportamento mecânico elasto-plástico e visco-elasto-plástico dos aquitardos a diferentes profundidades. A compressibilidade dos aquitardos na gama não elástica é cerca de uma ordem de magnitude maior do que na gama elástica.