GRACE satellite monitoring and driving factors analysis of groundwater storage under high-intensity coal mining conditions: a case study of Ordos, northern Shaanxi and Shanxi, China

Abstract

Coal mining in northwestern China is an important industry. For the traditional monitoring of water resources in coal-rich regions, a single monitoring well or remote-sensing image is often used to obtain the groundwater level or water body area. The process is restricted by the spatial distribution of monitoring wells and the quality of remote sensing images. The regions of Ordos, Northern Shaanxi (including Yan’an and Yulin cities), herein collectively referred to as OYY, and Shanxi (SX) were studied. Here, groundwater storage anomalies (GWSA) were derived using the gravity recovery and climate experiment (GRACE) satellite data and WaterGAP global hydrology model, and the change trend of groundwater storage (GWS) was explored. Using time series analysis and grey slope relational analysis, the potential driving factors of regional GWSA were derived and considered independent variables. In combination with GWSA, the quantitative relationship between the variables was established by partial least squares regression. Results showed that: (1) the decreasing rate of GWS in OYY and SX reached –0.65 and –1.16 cm/year, respectively, from 2003 to 2014; (2) the main driving factors leading to the reduction of GWS included coal-mining water consumption for OYY and water consumption by coal mining and agricultural irrigation for SX, and the weights of water consumption by coal mining and agricultural irrigation for SX were both 50%. Therefore, GRACE satellite data show good application in groundwater monitoring of coal-mining concentrated areas, providing an important basis for the formulation of water resource management measures.

Résumé

L’exploitation de charbon dans le Nord Ouest de la Chine est une industrie importante. Pour la surveillance habituelle des ressources en eau dans les régions riches en charbon, un simple puits de contrôle ou une image satellitaire est couramment utilisé pour connaître le niveau des eaux souterraines ou la superficie des étendues d’eau. Ce procédé est contraint par la disitribution spatiale des puits de contrôle et la qualité des images satellitaires. Les régions d’Ordos, dans le Nord Ouest du Shaanxi (où se situent les villes de Yan’an et de Yulin), désignées globalement ci-après par OYY et le Shanxi (SX) ont été étudiés. Ici, les anomalies du stockage des eaux souterraines (ASES) ont été calculées à l’aide des données du satellite Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) et le modèle d’hydrologie à grande échelle Water-GAP, et la tendance du changement affectant le stockage des eaux souterraines (SES) a été examinée. En utilisant les analyses de séries temporelles et l’analyse relationnelle de la pente du domaine gris en fonction de la connaissance de l’information (aucune information: noir; information exacte: blanc), les facteurs déterminants potentiels des ASES régionales ont été calculés et considérés comme des variables indépendantes. En la combinant avec les ASES, la relation quantitative entre variables a été établie par la régression partielle des moindres carrés. Les résultats ont montré que: (1) le taux de décroissance du SES dans OYY et au SX a atteint –0.65 et −1.16 cm/an respectivement, entre 2003 et 2014; (2) les principaux facteurs déterminants qui conduisent à une réduction du SES comprenaient la consommation d’eau par l’exploitation du charbon pour OYY et la consommation d’eau par l’exploitation du charbon et l’irrigation agricole au SX, et les poids de la consommation de l’eau par l’exploitation du charbon et l’irrigation agricole au SX totalisant 50%. Ainsi, les données du satellite GRACE constituent une bonne appplication pour l’exploration de la variation du SES dans les zones d’exploitation intensive du charbon, fournissant une base importante pour la formulation des mesures de gestion de la ressource en eau.

Resumen

La minería de carbón en el noroeste de China es una industria importante. Para el monitoreo tradicional de los recursos hídricos en las regiones ricas en carbón, a menudo se utiliza un solo pozo de monitoreo o una imagen de teledetección para obtener el nivel de agua subterránea o el área de la masa de agua. El proceso está restringido por la distribución espacial de los pozos de monitoreo y la calidad de las imágenes de teledetección. Se estudiaron las regiones de Ordos, Shaanxi del Norte (incluyendo las ciudades de Yan’an y Yulin), aquí referidas colectivamente como OYY, y Shanxi (SX). En este caso, las anomalías en el almacenamiento de aguas subterráneas (GWSA) se obtuvieron utilizando los datos de los satélites Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) y el modelo de hidrología global WaterGAP, y se exploró la tendencia al cambio en el almacenamiento de aguas subterráneas (GWS). Utilizando el análisis de series de tiempo y el análisis relacional, se derivaron los factores impulsores potenciales de la GWSA regional y se consideraron variables independientes. En combinación con GWSA, la relación cuantitativa entre las variables se estableció por regresión parcial de los mínimos cuadrados. Los resultados mostraron que: (1) la tasa decreciente de GWS en OYY y SX alcanzó −0.65 y −1.16 cm/año, respectivamente, entre 2003 y 2014; (2) los principales factores que llevaron a la reducción del GWS incluyeron el consumo de agua para la minería del carbón para OYY y el consumo de agua para la minería del carbón y el riego agrícola para SX, y las ponderaciones de este último caso que fueron del 50%. Por lo tanto, los datos del satélite GRACE muestran una buena aplicación en la exploración de los cambios del GWS en las áreas concentradas de la minería del carbón, proporcionando una base importante para la formulación de medidas de gestión de los recursos hídricos.

摘要

煤炭开采是中国西北地区重要的工业。采煤富集区传统的水资源监测常采用单个监测井点或遥感影像来获取地下水位或水体面积,其易受监测井点的空间分布和遥感影像质量的制约。本文以鄂尔多斯与陕北地区(包括延安和榆林地区)(简称为OYY)、山西地区(简称为SX)作为研究区,采用重力恢复与气候试验卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE)与全球概念分布式水文模型(WaterGAP global hydrology model, WGHM)提取地下水储量异常(Groundwater Storage Anomalies, GWSA) ,并探究其变化趋势。根据时间序列分析及灰色斜率关联度分析方法,获得影响区域GWSA的潜在驱动因素,作为自变量。结合GWSA,应用偏最小二乘回归方法,可建立变量之间的定量关系。结果显示:(1)2003~2014年, OYY地区与SX地区地下水储量分别以–0.65 cm/year、–1.16 cm/year的速度减少。(2)OYY地区地下水储量减少的主要驱动因素为采煤耗水量, SX地区地下水储量减少的主要驱动因素为采煤耗水量与农业灌溉耗水量,且SX地区两个主要驱动因素的权重分别占比50%。因此, GRACE重力卫星在采煤集中区地下水监测具有较好的应用前景,且为水资源管理机制的形成提供重要基础。

Resumo

A mineração de carvão é uma indústria de grande importância no noroeste da China. Costuma-se usar um único poço de monitoramento ou uma única imagem de sensoriamento remoto para obter o nível das águas subterrâneas ou a área do corpo d’água no monitoramento de recursos hídricos em regiões ricas em carvão. Esse processo é restrito pela distribuição espacial dos poços de monitoramento e pela qualidade das imagens de sensoriamento remoto. As regiões de Ordos, Shaanxi Setentrional (incluindo as cidades de Yan’an e Yulin), aqui referidas coletivamente como OYY e Shanxi (SX) foram estudadas. Aqui, as anomalias de armazenamento de águas subterrâneas (AAAS) foram obtidas usando dados do satélite de recuperação da gravidade e experimento climático (GRACE) e o modelo de hidrologia global WaterGAP, e a tendência de mudança do armazenamento de águas subterrâneas (AAS) foi explorada. Usando a análise de séries temporais e o método de análise relacional grey, os potenciais fatores determinantes da AAAS regional foram obtidos e considerados como variáveis independentes. Em combinação com a AAAS, a relação quantitativa entre as variáveis foi estabelecida por regressão parcial via mínimos quadrados. Os resultados mostraram que: (1) a taxa decrescente de AAS em OYY e SX atingiu −0.65 e −1.16 cm/ano, respectivamente, de 2003 a 2014; (2) os principais fatores que levaram à redução de AAS incluíram mineração de carvão, o consumo de água para o OYY e o consumo de água pela mineração de carvão e irrigação agrícola para o SX, enquanto os pesos do consumo de água pela mineração de carvão e irrigação agrícola para o SX foram ambos 50%. Portanto, os dados de satélite GRACE mostram boa aplicabilidade na avaliação de mudanças no AAS em áreas concentradas de mineração de carvão, fornecendo uma base importante para a formulação de medidas para gerenciamento de recursos hídricos.