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Hydrogeology Journal

, Volume 24, Issue 3, pp 727–747 | Cite as

Comparison of water-level, extensometric, DInSAR and simulation data for quantification of subsidence in Murcia City (SE Spain)

  • S. Tessitore
  • J. A. Fernández-Merodo
  • G. Herrera
  • R. Tomás
  • M. Ramondini
  • M. Sanabria
  • J. Duro
  • J. Mulas
  • D. Calcaterra
Paper

Abstract

Subsidence due to groundwater overexploitation has been recognized in the metropolitan area of Murcia (25 km2) in south-eastern Spain since the early 1990s. Previous published works have focused their attention on land subsidence that occurred during the drought period between 1995 and 2008. This work first analyzes the groundwater recovery that has occurred since 2008 and then determines the kind of associated ground deformation detected by the new extensometric data. Subsequently, subsidence time series are computed on 24 geotechnical boreholes scattered throughout the study area by means of a hydro-mechanical finite element code and a linear-elastic constitutive law. A spatio-temporal interpolation of the numerically modeled surface displacements is performed over the whole domain and compared with extensometers and DInSAR-derived displacement maps in two different periods: the drought period from 2004 to 2008, and the recovery period from 2008 to 2012. In spite of the limited information on the geomechanical parameters characterizing the modelled geological formations, the proposed approach is able to discriminate areas where the soils have an elastic behavior (small differences in the comparisons) or an elasto-plastic behavior (large differences in the comparisons). This zonation enhances the understanding of the subsidence phenomenon in Murcia City and could prevent, from a quantitatively point of view, future severe subsidence due to aquifer overexploitation.

Keywords

Subsidence Numerical modeling Aquifer exploitation Geohazards Spain 

Gegenüberstellung des Wasserstands, extensometrischer Messungen, DInSAR und Simulationsdaten zur Quantifizierung der Setzung in Murcia (Südost-Spanien)

Zusammenfassung

Seit den frühen 1990er Jahren sind Bodensenkungen, hervorgerufen durch überhöhte Grundwasserentnahme, im Stadtgebiet von Murcia (25 km2) im südöstlichen Spanien bekannt. Frühere publizierte Arbeiten konzentrierten sich auf Bodensenkungen, die während der Dürreperiode zwischen 1995 und 2008 auftraten. Die vorliegende Arbeit analysiert zuerst die Grundwassererholung (Wiederanstieg), die seit 2008 stattgefunden hat, und bestimmt dann die Art der zugehörigen Bodenverformung mittels neuer extensometrischer Messungen. Anschließend werden Setzungszeitserien für 24 über das gesamte Untersuchungsgebiet verteilte geotechnische Bohrungen mittels eines hydro-mechanischen Finite Elemente Codes und mittels dem linear-elastischen Konstitutivgesetz berechnet. Eine Raum-Zeit Interpolation der numerisch modellierten Oberflächenverschiebungen wird über den gesamten Bereich durchgeführt und mit aus Extensometermessungen und DInSAR-Auswertungen abgeleiteten Verschiebungskarten für zwei verschiedene Perioden verglichen: Die Dürreperiode von 2004 bis 2008 und die Erholungsphase von 2008 bis 2012. Trotz der begrenzten Informationen über die geomechanischen Parameter, die die modellierten geologischen Formationen beschreiben, können mittels des vorgeschlagenen Ansatzes Bereiche, in denen die Böden ein elastisches Verhalten (kleine Unterschiede in den Vergleichsdaten) oder ein elasto-plastisches Verhalten zeigen (große Unterschiede in den Vergleichsdaten), unterschieden werden. Diese Zonierung erhöht das Verständnis des Phänomens der Bodensenkungen in der Stadt Murcia und könnte, aus quantitativer Sicht, zukünftige schwere Bodensenkungen durch überhöhte Grundwasserentnahme verhindern.

Comparaison entre niveaux d’eau, données d’extensiométrie, d’interférométrie radar et de simulation pour la quantification de la subsidence dans la ville de Murcia (Sud-Est de l’Espagne)

Résumé

La subsidence due à la surexploitation des eaux souterraines a été mise en évidence dans l’agglomération de Murcia (25 km2), dans le Sud-Est de l’Espagne, depuis le début des années 1990. Des travaux antérieurs publiés se sont intéressés aux affaissements des terrains, qui se sont produits pendant la période de sécheresse entre 1995 et 2008. Ce travail analyse d’abord le rétablissement des eaux souterraines qui apparaît depuis 2008, et détermine ensuite le type de déformation du sol associée, détectée par les nouvelles données extensiométriques. Par la suite, des séries temporelles de subsidence ont été calculées, au droit de 24 sondages géotechniques répartis dans le secteur d’étude, au moyen d’un code hydromécanique à éléments finis et d’une loi de comportement élastique linéaire. Une interpolation spatio-temporelle des déplacements de surfaces modélisés numériquement est réalisée pour l’ensemble du domaine et comparée aux cartes de déplacements basées sur les données des extensomètres et d’interférométrie radar, pour deux périodes différentes: la période de sécheresse de 2004 à 2008, et la période de récupération de 2008 à 2012. Malgré les données limitées pour les paramètres géo-mécaniques caractérisant les formations géologiques modélisées, l’approche proposée permet de discriminer les zones où les sols ont un comportement élastique (faibles différences dans les comparaisons) ou un comportement élasto-plastique (grandes différences dans les comparaisons). Ce zonage souligne la compréhension des phénomènes de subsidence dans la ville de Murcia et pourrait prévenir, d’un point de vue quantitatif, une subsidence sévère à venir due à la surexploitation de l’aquifère.

Comparación de datos de nivel de agua, extensométricos, de DInSAR y de simulación para la cuantificación de la subsidencia en la ciudad de Murcia (SE de España)

Resumen

Desde principios de los años 90 se conoce la existencia de subsidencia debido a la sobreexplotación de las aguas subterráneas en el área metropolitana de Murcia (25 km2) en el sureste de España. Los trabajos previos publicados han centrado su atención en la subsidencia del terreno que se produjo durante el período de sequía ocurrido entre 1995 y 2008. En este trabajo se analiza en primer lugar la recuperación del agua subterránea ocurrida desde 2008 y posteriormente se determina el tipo de deformación asociada del suelo detectada por los nuevos datos extensométricos. Posteriormente, se calculan las series de tiempo de la subsidencia en 24 sondeos geotécnicos repartidos por toda el área de estudio por medio de un código hidro-mecánico de elementos finitos y una ley lineal elástica. Se realiza una interpolación espacio-temporal de los desplazamientos superficiales numéricamente modelados sobre todo el dominio y se compara con extensómetros y mapas de desplazamiento derivados del DInSAR en dos periodos diferentes: el período de sequía 2004–2008, y el período de recuperación 2008–2012. A pesar de la escasa información sobre los parámetros geomecánicos que caracterizan las formaciones geológicas modeladas, el enfoque propuesto es capaz de discriminar las áreas donde los suelos tienen un comportamiento elástico (con pequeñas diferencias en las comparaciones) o un comportamiento elasto-plástico (con grandes diferencias en las comparaciones). Esta zonificación mejora la comprensión del fenómeno de la subsidencia en la ciudad de Murcia y podría evitar, desde un punto de vista cuantitativo, una futura subsidencia del terreno severa debido a la sobreexplotación de acuíferos.

مقارنه لبيانات منسوب المياه, مقياس التمدد, التداخلات التفاضلية للقياسات الرادارية ذات الفتحة الاصطناعية و بيانات المحاكاة لتقدير الهبوط في مدينه مورسيا (جنوب شرق أسبانيا)

الملخص

تم التعرف علي الهبوط الناتج عن الاستغلال المفرط للمياه الجوفية في المنطقة العمرانية من مدينه مورسيا (25كم2) جنوب شرق أسبانيا منذ بداية التسعينات. الدراسات المنشورة السابقة ركزت انتباهها علي الهبوط الأرضي الحادث خلال فتره الجفاف من 1995 إلي 2008. هذا العمل أولا يحلل انتعاش/تعويض المياه الجوفية الحدث منذ 2008, وبعد ذلك يقدر نوع التشوه الأرضي المصاحب والمقاس بواسطة بيانات التمدد الجديدة. وبالتالي تم حساب سلاسل الهبوط الزمنية علي عدد 24 بئر جيوتقني موزعه خلال المنطقة بواسطة كود عنصر محدود مائي-ميكانيكي و قانون تأسيسي خطي- مرن. تم الاستيفاء المكاني-الزماني للنموذج الرقمي للإزاحات السطحية علي كل المنطقة, وتم مقارنته ببيانات مقياس التمدد و خرائط الإزاحات المشتقة من التداخلات التفاضلية للقياسات الرادارية ذات الفتحة الاصطناعية في فترتين مختلفتين: فتره الجفاف من 1995 إلي 2008, وفترة انتعاش وتعويض المخزون الجوفي من 2008 إلي 2012. بالرغم من المعلومات المحدودة عن المعاملات الجيو ميكانيكيه التي تميز نموذج التكوينات الجيولوجية, فأن النهج المقترح قادر علي تحديد وتمييز المناطق المتواجد بها التربات التي تمتلك سلوك مرن (اختلافات صغيره في المقارنات) أو سلوك مرن-لدن (اختلافات كبيره في المقارنات). هذا التنطق يحسن من فهم ظاهره الهبوط في مدينه مورسيا, ويمكن أن يمنع من وجهه النظر الكميه الهبوط المستقبلي الحاد نتيجة الاستغلال المفرط لخزان المياه الجوفية.

对水位、延伸仪测量、监测地表三维形变方法和模拟资料进行对比以量化(西班牙东南部)穆尔西亚市沉降

摘要

自从20世纪90年代早期,西班牙东南部穆尔西亚都市区(25 km2)就已经出现地下水过量开采导致的沉降。过去出版的论文主要关注的是1995年至2008年干旱期间出现的沉降。本研究工作首先分析了自从2008年出现的地下水恢复情况,然后确定了根据新延伸仪测得的资料发现的相关地表有点变形。随后,通过水力学有限元编码和线性-弹性本构定律对分散在整个研究区内的24个地质技术钻孔进行了沉降时间序列计算。在整个域完成了数值模拟的表面位移时空插值,并与两个不同时期(2004年至2008年的干旱期和2008年至2012年的恢复期)延伸仪和监测地表三维形变方法得出的位移图进行了对比。尽管描述模拟的地质地层的岩土力学参数信息有限,但所提出的方法能够辨别出哪个地区的土壤具有弹性特点(对比中很小的差别)或者哪个地区的土壤具有弹性塑性特点(对比中很大的差别)。这种成带现象增强了对穆尔西亚市沉降现象的认识,从定量观点看,能够预防由于含水层过量开采导致的未来严重的沉降。

Confronto di dati piezometrici, estensimetrici, DInSAR e di simulazione per la stima quantitativa della subsidenza nella citta di Murcia (Spagna sud-orientale)

Riassunto

La subsidenza dovuta al sovrasfruttamento degli acquiferi si è manifestata nell’area metropolitana della città di Murcia (25 km2), a sud-est della Spagna, fin dai primi anni ‘90. Gli studi scientifici precedentemente pubblicati hanno focalizzato la loro attenzione sulla subsidenza monitorata durante il periodo di siccità tra il 1995 ed il 2008. Il presente lavoro prende in esame anche il periodo di risalita del livello di falda che si è manifestato a partire dal 2008, registrato da nuovi dati estensimetrici. In secondo luogo, è stato utilizzato un codice idro-meccanico alle differenze finite, basato su un modello costitutivo lineare-elastico per il calcolo delle serie temporali degli spostamenti di 24 verticali stratigrafiche, omogeneamente distribuite nell’area di studio. Le superfici ottenute dall’interpolazione spazio-temporale dei modelli di deformazione conseguiti sono state confrontate con quelle ottenute dai dati estensimetrici e DInSAR per i periodi: di siccità dal 2004 al 2008 e di risalita della falda dal 2008 al 2012. Nonostante il numero limitato di informazioni relative alla caratterizzazione geomeccanica delle verticali stratigrafiche modellate, la metodologia proposta ha consentito la distinzione di aree in cui il comportamento dei suoli è elastico (piccole differenze nei confronti) o elasto-plastico (grandi differenze nei confronti). Questa zonazione ha permesso di raggiungere una migliore comprensione del fenomeno di subsidenza della città di Murcia e ciò consente di prevenire, da un punto di vista quantitativo, le future deformazioni dovute al sovra-emungimento della falda.

Comparação do nível da água, extensometria, DInSAR e simulação dos dados para a qualificação da subsidência na cidade de Múrcia (Sudeste da Espanha)

Resumo

Subsidência devido à superexploração das águas subterrâneas tem sido verificada na área metropolitana de Múrcia (25 km2) no sudeste da Espanha desde o começo dos anos 1990. Trabalhos publicados anteriormente, tem focado suas atenções na subsidência de terreno que ocorreu durante o período da seca entre 1995 e 2008. Este trabalho, primeiro analisa a recuperação das águas subterrâneas que tem ocorrido desde 2008 e então determina o tipo de deformação do solo associada detectada por novos dados de extensometria. A seguir, séries temporais de subsidência são computadas em 24 perfurações geotécnicas dispersas ao longo da área de estudo por meio de um código de elemento finito hidromecânico e uma lei constitutiva elástico linear. Uma interpolação espaço temporal do deslocamento superficial numericamente modelado é realizado acima de todo o domínio e comparados com mapas de deslocamento derivados de extensômetros e DInSAR em dois diferentes períodos: no período da seca de 2004 a 2008, e no período de recuperação de 2008 a 2012. Apesar de informações limitadas nos parâmetros geotécnicos que caracterizam a formação geológica modelada, a abordagem proposta é capaz de distinguir áreas onde os solos têm um comportamento elástico (pequenas diferenças nas comparações) ou um comportamento elastoplástico (grande diferença nas comparações). Este zoneamento melhora o entendimento do fenômeno de subsidência na cidade de Múrcia e poderia prevenir, de um ponto de vista quantitativo, futuras subsidências severas devido à superexploração do aquífero.

Notes

Acknowledgements

R. Tomás was supported by the Ministry of Education, Culture and Sport through the project PRX14/00100. Part of this work is also supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and EU FEDER funds under projects TEC2011-28201-C02-02, TIN2014-55413-C2-2-P and ESP2013-47780-C2-2-R and by the project 15224/PI/10 from the Regional Agency of Science and Technology in Murcia. The European Space Agency (ESA) Terrafirma project funded all the SAR data processing with the SPN technique. Finally, the authors want to thank Charles Heywood, an anonymous reviewer, and the guest editor Devin L. Galloway for their helpful and constructive comments which greatly improved the final version of the manuscript.

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Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016

Authors and Affiliations

  • S. Tessitore
    • 1
    • 2
    • 3
  • J. A. Fernández-Merodo
    • 2
    • 4
    • 5
  • G. Herrera
    • 2
    • 4
    • 5
  • R. Tomás
    • 2
    • 4
    • 5
    • 6
  • M. Ramondini
    • 3
  • M. Sanabria
    • 2
    • 4
    • 5
  • J. Duro
    • 7
  • J. Mulas
    • 2
    • 4
    • 5
  • D. Calcaterra
    • 1
  1. 1.Department of Earth Sciences, Environment and ResourcesFederico II University of NaplesNaplesItaly
  2. 2.Geohazards InSAR laboratory (InSARlab). Geoscience Research DepartmentGeological Survey of Spain (IGME)MadridSpain
  3. 3.Department of Civil, Building and Environmental EngineeringFederico II University of NaplesNaplesItaly
  4. 4.Grupo español de trabajo en subsidencia del terreno (SUBTER) de la UNESCOMadridSpain
  5. 5.UNIRAD: Unidad Asociada de Interferometría Radar y Movimientos del Terreno de la Universidad de Alicante y el Instituto Geológico y Minero de EspañaMadridSpain
  6. 6.Departamento de Ingeniería Civil. Escuela Politécnica SuperiorUniversidad de AlicanteAlicanteSpain
  7. 7.Altamira InformationBarcelonaSpain

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