A modified inverse procedure for calibrating parameters in a land subsidence model and its field application in Shanghai, China

Abstract

Land-subsidence prediction depends on an appropriate subsidence model and the calibration of its parameter values. A modified inverse procedure is developed and applied to calibrate five parameters in a compacting confined aquifer system using records of field data from vertical extensometers and corresponding hydrographs. The inverse procedure of COMPAC (InvCOMPAC) has been used in the past for calibrating vertical hydraulic conductivity of the aquitards, nonrecoverable and recoverable skeletal specific storages of the aquitards, skeletal specific storage of the aquifers, and initial preconsolidation stress within the aquitards. InvCOMPAC is modified to increase robustness in this study. There are two main differences in the modified InvCOMPAC model (MInvCOMPAC). One is that field data are smoothed before diagram analysis to reduce local oscillation of data and remove abnormal data points. A robust locally weighted regression method is applied to smooth the field data. The other difference is that the Newton-Raphson method, with a variable scale factor, is used to conduct the computer-based inverse adjustment procedure. MInvCOMPAC is then applied to calibrate parameters in a land subsidence model of Shanghai, China. Five parameters of aquifers and aquitards at 15 multiple-extensometer sites are calibrated. Vertical deformation of sedimentary layers can be predicted by the one-dimensional COMPAC model with these calibrated parameters at extensometer sites. These calibrated parameters could also serve as good initial values for parameters of three-dimensional regional land subsidence models of Shanghai.

Résumé

A modified inverse procedure is developed and applied to calibrate five parameters in a compacting confined aquifer system using records of field data from vertical extensometers and corresponding hydrographs. La prévision de l’affaissement des terrains dépend d’un modèle de subsidence approprié et de la calibration des valeurs de ses paramètres. Une procédure inverse modifiée est développée et appliquée pour calibrer cinq paramètres dans un système aquifère compacté captif en utilisant des enregistrements de données de terrain d’extensomètres verticaux et des hydrographes correspondants. La procédure inverse de COMPAC (InvCOMPAC) a été utilisée dans le passé pour calibrer la conductivité hydraulique verticale des aquitards, les coefficients d’emmagasinement spécifique squelettique non récupérables et récupérables des aquitards, le coefficient d’emmagasinement spécifique squelettique des aquifères, et la contrainte initiale de pré-consolidation dans les aquitards. InvCOMPAC est modifié afin d’accroître la robustesse dans cette étude. Le modèle InvCOMPAC modifié (MInvCOMPAC) est caractérisé par deux principales différences. La première est que les données de terrain sont lissées avant l’analyse du diagramme afin de réduire l’oscillation locale des données et pour supprimer des points anormaux. Une méthode robuste de régression pondérée localement est appliquée pour lisser les données de terrain. La deuxième différence est que la méthode Newton-Raphson, avec un facteur d’échelle variable, est utilisée pour effectuer la procédure numérique inverse d’ajustement. MInvCOMPAC est ensuite appliquée pour calibrer les paramètres du modèle d’affaissement de terrain de Shanghai, Chine. Cinq paramètres d’aquifères et aquitards au niveau de 15 sites équipés d’extensomètres multiples sont calibrés. La déformation verticale des couches sédimentaires peut être prédite à l’aide du modèle unidimensionnel COMPAC pour les paramètres calibrés sur les sites d’extensomètres. Ces paramètres calibrés pourraient également servir de bonnes valeurs initiales pour les paramètres des modèles d’affaissement de terrain tridimensionnels de Shanghai.

Resumen

La predicción de la subsidencia del terreno depende de un adecuado modelo de subsidencia y de la calibración de los valores paramétricos. Se desarrolló y aplicó un procedimiento inverso modificado para calibrar cinco parámetros en un sistema de un acuífero confinado compacto utilizando los datos de registros de campo a partir de extensómetros verticales y de los hidrogramas correspondientes. Se utilizó el procedimiento inverso de COMPAC (InvCOMPAC) en el pasado para la calibración de conductividad hidráulica vertical de los acuitardos, almacenamientos específicos del esqueleto no recuperable y recuperable de los acuitardos, almacenamientos específicos del esqueleto de los acuíferos, y la tensión inicial de preconsolidación dentro de los acuitardos. InvCOMPAC está modificado para aumentar la robustez en este estudio. Hay dos principales diferencias en el modelo InvCOMPAC modificado (MInvCOMPAC). Una es que los datos de campo se suavizan antes del análisis del diagrama para reducir la oscilación local de los datos y eliminar puntos de datos anormales. Se aplica un método de regresión robusto localmente ponderado para suavizar los datos de campo. La otra diferencia es que se utiliza el método de Newton-Raphson, con un factor de escala variable para llevar a cabo el procedimiento computacional de ajuste inverso. MInvCOMPAC se aplica luego para calibrar los parámetros en un modelo de subsidencia del terreno en Shanghai, China. Se calibran cinco parámetros de los acuíferos y acuitardos en 15 sitios con extensómetros múltiples. La deformación vertical de las capas sedimentarias puede ser predicha por un modelo unidimensional COMPAC con estos parámetros calibrados en los sitios con extensómetros. Estos parámetros calibrados podrían también servir como buenos valores iniciales para los parámetros de modelos tridimensionales regionales de subsidencia del terreno en Shanghai.

摘要

地面沉降预测依赖于适当的沉降模型及其参数值的校正。开发了改进的反演方法并应用此程序根据垂直伸缩仪和相应的水位图野外数据记录校正压实承压含水层系统中的五个参数。过去利用COMPAC (InvCOMPAC) 反演方法校正弱透水层的垂直导水率、弱透水层不可恢复及可恢复的骨架单位储水量、含水层的骨架单位储水量及弱透水层内初始固结前的应力。在本研究中,改进了InvCOMPAC以增加稳健性。在改进的InvCOMPAC模型 (MInvCOMPAC) 中,有两个主要差别。一个差别是野外数据在图解分析前被弄平滑以降低数据的局部振荡并除去异常数据点。应用稳健的局部加权回归法平滑野外数据。另一个差别就是利用具有变量比例因子的牛顿—拉夫逊方法运行基于计算机的反演调整方法。然后应用MInvCOMPAC校正中国上海地面沉降模型参数。校正了15个多种伸缩仪布置点含水层和弱透水层的五个参数。根据伸缩仪布置点的这些校正参数通过一维COMPAC模型可以预测沉积层的垂直变形。这些校正的参数还可以充当上海三维区域地面沉降模型参数的很好初始值。

Resumo

A previsão da subsidência de terrenos depende de modelo apropriado e da calibração dos valores dos parâmetros. Um procedimento inverso foi desenvolvido e aplicado na calibração de cinco parâmetros de um sistema aquífero confinado compactado, utilizando dados de campo provenientes de extensômetros verticais e de hidrogramas correspondentes. O procedimento inverso COMPAC (InvCOMPAC) tem sido aplicado para a calibração da condutividade hidráulica vertical de aquitardes com arcabouço de armazenamento específico drenante e não-drenante, do armazenamento específico de aquíferos e do esforço inicial de deformação de aquitardes. InvCOMPAC foi modificado neste estudo para aumentar a eficácia. Há duas diferenças principais no modelo modificado InvCOMPAC (MInvCOMPAC). Uma é a suavização dos dados de campo previamente à análise do diagrama para reduzir as variações pontuais e remover dados anormais. Um método robusto de regressão é localmente aplicado para suavizar os dados de campo. A outra diferença é o método Newton-Raphson com fator de escala variável, aplicado no processo computacional do ajuste inverso. Desse modo, MInvCOMPAC foi aplicado para a calibração de parâmetros no modelo de subsidência de terrenos em Shanghai, China. Foram calibrados cinco parâmetros de aquíferos e aquitardes de 15 extensômetros múltiplos de campo. O modelo unidimensional COMPAC permite prever a deformação vertical de camadas sedimentares com esses parâmetros calibrados de extensômetros de campo. Esses parâmetros calibrados também podem ser utilizados como dados preliminares em modelos regionais tridimensionais de subsidência de terrenos em Shangai.