Numerical Analysis of Land Subsidence due to Water Withdrawal from Pumping Well in Urban Areas

Document Type : Research Paper

Authors

1 M.Sc. in Mining Engineering, Engineering Department, University of Kashan, Kashan, Iran.

2 Assistant Professor, Division of Mining Engineering, Engineering Department, University of Kashan, Kashan, Iran.

Abstract

Land subsidence is defined as equal to the vertical displacement of the ground over a specified time.  Declining water table elevation is one of the main causes of subsidence that can cause irreparable damage to surface and subsurface structures, especially in urban areas. In this research, the magnitude of subsidence due to water withdrawal from the pumping well has been estimated, and the factors affecting it have been determined. For this purpose, by collecting data from two water wells located in Kashan city, the subsidence analysis was performed based on the finite element numerical method using PLAXIS2D software. The results show that the water pumping during one year causes a decrease in the water table elevation and, as a result, the land subsidence by a few centimeters, but under a constant flow rate of water withdrawal from the well, the magnitude of subsidence in the studied wells is heterogeneous. Also, increasing the water withdrawal flow rate from wells up to 700 m3/day and the depth of wells up to 500 meters has increased subsidence, but after that, the amount of subsidence remains constant. Therefore, it can be concluded that the flow rate and depth of water withdrawal from the well are effective on the land subsidence and must be managed.

Keywords


 
اکبری، م.، جرگه، م.ر.، و مدنی سادات، ح.، (۱۳۸۸)، "بررسی افت سطح آب زیرزمینی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی"، نشریه پژوهش‌های حفاظت آب ‌و خاک، ۱۶(4)، 63-78.
آل خمیس، ر.، کریمی نسب، س.، و آریانا، ف.، (۱۳۸۵)، "بررسی تأثیر نشست حاصل از تخلیه آب زیرزمینی بر تخریب لوله جدار"، نشریه آب و فاضلاب، 17(4)، 77-88.
انصاری شاد، م.، (1395)، "گزارش آزمایشگاه مکانیک خاک کاشان"،  دانشگاه آزاد اسلامی، کاشان.
انواری، م.ع.، و نوراللهیان، ح.، (۱۳۸6)، "نگرشی نو به فرونشست دشت مشهد"، همایش ژئوماتیک، سازمان نقشه‌برداری کشور، تهران.
رحمانیان، د.، (۱۳۶۵)، "نشست زمین و ایجاد شکاف بر اثر تخلیه آب‌های زیرزمینی در کرمان"، نشریه آب، (6)، 28-35.
توسلی، ا.، کاربین، ح.، ترابی، م.، و عساکره، ع.، (1398)، "بررسی عوامل مؤثر بر فرونشست دشت جنوب شرقی تهران بر اثر برداشت بی‌رویه آب‌های زیرزمینی‎"، نشریه علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 4(2)، 58-72.
جاودانیان، ح.، و احمدی دارانی، م.، (1395)، "برداشت بی‌رویه از منابع آب زیرزمینی و نشست منطقه‎ای: مطالعه موردی شهر دامنه، اصفهان‎"، نشریه علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 1(1)، 49-60.
زارع مهرجردی، ا.ع.، (۱۳90)، "بررسی پدیده نشست زمین و شکستگی‌های موجود در منطقه رستاق جنوب میبد"، نشریه جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، ۲۲(۳)، 155-166.
شمشکی، ا.، بلورچی، م.ج.، و انتظام سلطانی، ا.، (۱۳84)، "فرونشست زمین در دشت تهران و عوامل مؤثر در شکل‌گیری آن"، بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین، تهران.
عباس‎نژاد، ا.، (۱۳۷۷)، "بررسی شرایط و مسائل زمین‌شناسی محیط‌زیست دشت رفسنجان"، دومین همایش انجمن زمین‌شناسی ایران، مشهد، ۳03-۳10.
عباس‎نژاد، ا.، و شاهی دشت، ع.، (۱۳۹۲)، "بررسی آسیب‌پذیری دشت سیرجان با توجه به برداشت بی‌رویه از سفره آب زیرزمینی منطقه"، نشریه جغرافیا و آمایش شهری-منطقه‌ای، 3(7)، 85-96.
قیومی محمدی، ح.، رامشت، م.ح.، و مرادی، ی.، (1388)، "بررسی فرآیندهای مورفوژنیک تأثیرگذار بر نشست زمین در استان اصفهان"، دومین همایش اثرات خشکسالی و راهکارهای مدیریت آن، اصفهان.
لشگری پور، غ.ر.، غفوری، م.، سویزی، ز.، و پیوندی، ز.، (۱۳۸۴)، "افت سطح آب زیرزمینی و نشست زمین در دشت مشهد"، نهمین همایش انجمن زمین‌شناسی ایران، تهران.
لشکری پور، غ.ر.، غفوری، م.، کاظمی گلیان، ر.، و دم شناس، م.، (۱۳۸۶)، "نشست زمین در اثر افت سطح آب‌های زیرزمینی در دشت نیشابور"، پنجمین همایش زمین‌شناسی مهندسی و محیط‌زیست ایران، تهران.
لشکری پور، غ.ر.، غفوری، م.، و رستمی بارانی، ح.ر.، (۱۳۸7)، "بررسی علل تشکیل شکاف‎ها و فرونشست زمین در غرب دشت کاشمر"، نشریه مطالعات زمین‌شناسی، 1(1)، 95-111.
مصلحی, ع.، و قاضی فرد، ا.، (۱۳۸۹)، "بررسی فرونشست زمین و پهنه‌بندی خطر فرونشست در دشت کاشان"، همایش ملی مهندسی عمران و توسعه پایدار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد استهبان.
مقدم فردویی، ر.، محمد احمدآبادی، ر.، و علی مددی، م.، (۱۳۹۰)، "بررسی فرونشست در دشت علی‌آباد قم"، سی‌امین گردهمایی علوم زمین، تهران.
نوروزی، غ.ر.، احمدی دستگرد، ع.، رهنما راد، ج.، و درمیانی، ع.، (۱۳۹۰)، "افت سطح آب زیرزمینی و بررسی نشست زمین در دشت درمیان"، سی‌امین گردهمایی علوم زمین، تهران.
Abidin, H.Z., Andreas, H., Gumilar, I., Wangsaatmaja, S., Fukuda, Y., and Deguchi, T., (2009), “Land subsidence and groundwater extraction in Bandung Basin, Indonesia”, IAHS Publication, 20, 145.
Aly, M.H., Zebker, H.A., Giardino, J.R., and Klein, A.G., (2009), “Permanent scatterer investigation of land subsidence in Greater Cairo, Egypt”, Geophysical Journal International, 178(3), 1238-1245.
Baldi, P., Casula, G., Cenni, N., Loddo, F., and Pesci, A., (2009), “GPS-based monitoring of land subsidence in the Po Plain (Northern Italy)”, Earth and Planetary Science Letters, 288(1-2), 204-212.
Barends, F.B., Brouwer, F.J., and Schroeder, F.H., (1995), “Land subsidence-by fluid withdrawal, by solid extraction, theory and modelling, environmental effects and remedial measures”, In proceedings of the Fifth International Symposium on Land Subsidence, 16-20, Hague.
Chatterjee, R.S., Fruneau, B., Rudant, J.P., Roy, P.S., Frison, P.L., Lakhera, R.C., Dadhwal, V.K., and Saha, R., (2006), “Subsidence of Kolkata (Calcutta) city, India during the 1990s as observed from space by differential synthetic aperture radar interferometry (D-InSAR) technique”, Remote Sensing of Environment, 102(1-2), 176-185.
Chen, C., Pei, S., and Jiao, J., (2003), “Land subsidence caused by groundwater exploitation in Suzhou city, China”, Hydrogeology Journal, 11(2), 275-287.
Chen, C.T., Hu, J.C., Lu, C.Y., Lee, J.C., and Chan, Y.C., (2007), “Thirty-year land elevation change from subsidence to uplift following the termination of groundwater pumping and its geological implications in the Metropolitan Taipei Basin, Northern Taiwan”, Engineering Geology, 95(1-2), 30-47.
Ilia, I., Loupasakis, C., and Tsangaratos, P., (2018), “Land subsidence phenomena investigated by spatiotemporal analysis of groundwater resources, remote sensing techniques, and random forest method: The case of Western Thessaly, Greece”, Environmental Monitoring and Assessment, 190(11), 1-19.
Galloway, D.L., Jones, D.R., and Ingebritsen, S.E., (1999), “Land subsidence in the United States”, Vol. 1182, US Geological Survey, United States.
Gambolati, G., (1975), “Numerical models in land subsidence control”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 5(2), 227-237.
Hou, C.S., Hu, J.C., Shen, L.C., Wang, J.S., Chen, C.L., Lai, T.C., Huang, C., Yang, Y.R., Chen, R.F., Chen, Y.G., and Angelier, J., (2005), “Estimation of subsidence using GPS measurements, and related hazard: The Pingtung Plain, Southwestern Taiwan”, Comptes Rendus Geoscience, 337(13), 1184-1193.
Hu, J.C., Chu, H.T., Hou, C.S., Lai, T.H., Chen, R.F., and Nien, P.F., (2006), “The contribution to tectonic subsidence by groundwater abstraction in the Pingtung area, southwestern Taiwan as determined by GPS measurements”, Quaternary International, 147(1), 62-69.
Larson, K.J., Başaǧaoǧlu, H., and Marino, M.A., (2001), “Prediction of optimal safe ground water yield and land subsidence in the Los Banos-Kettleman city area, California, using a calibrated numerical simulation model”, Journal of Hydrology, 242(1-2), 79-102.
Leake, S.A., (2004), “Land Subsidence from Ground-Water Pumping”, United States Geological Survey, Availabe On: https://geochange.er.usgs.gov/sw/ changes/anthropogenic/subside.
Lee, I., Choi, Y.T., Lee, M., and Yune, C.Y., (2018), “Effect of groundwater level variation on residual settlement of Korean high-speed railway on soft ground”, KSCE Journal of Civil Engineering, 22(9), 3312-3320.
Motagh, M., Djamour, Y., Walter, T.R., Wetzel, H.U., Zschau, J., and Arabi, S., (2007), “Land subsidence in Mashhad Valley, Northeast Iran: Results from InSAR, levelling and GPS”, Geophysical Journal International, 168(2), 518-526.   
Mousavi, S.M., Shamsai, A., Naggar, M.H.E., and Khamehchian, M., (2001), “A GPS-based monitoring program of land subsidence due to groundwater withdrawal in Iran”, Canadian Journal of Civil Engineering, 28(3), 452-464.
Ortega Guerrero, A., Rudolph, D.L., and Cherry, J.A., (1999), “Analysis of long-term land subsidence near Mexico City: Field investigations and predictive modeling”, Water Resources Research, 35(11), 3327-3341.
Pacheco, J., Arzate, J., Rojas, E., Arroyo, M., Yutsis, V., and Ochoa, G., (2006), “Delimitation of ground failure zones due to land subsidence using gravity data and finite element modeling in the Querétaro valley, México”, Engineering Geology, 84(3-4), 143-160.
Phien-Wej, N., Giao, P.H., and Nutalaya, P., (2006), “Land subsidence in bangkok, Thailand”, Engineering Geology, 82(4), 187-201.
Pratikso, P., Soedarsono, S., and Kurniawan, A., (2017), “Analysis of land subsidence (land subsidence) affects against water puddle in Semarang city”, International Conference on Coastal and Delta Areas, Vol. 3, 313-321.
Rahnama, M.B., and Moafi, H., (2009), “Investigation of land subsidence due to groundwater withdraws in Rafsanjan plain using GIS software”, Arabian Journal of Geosciences, 2(3), 241-246.
Rajabi, A.M., (2018), “A numerical study on land subsidence due to extensive overexploitation of groundwater in Aliabad plain, Qom-Iran”, Natural Hazards, 93(2), 1085-1103.
Sato, H.P., Abe, K., and Ootaki, O., (2003), “GPS-measured land subsidence in Ojiya city, Niigata prefecture, Japan”, Engineering Geology, 67(3-4), 379-390.
Solaimani, K., and Mortazavi, S.M., (2008), “Investigation of land subsidence and its consequences of large groundwater withdrawal in Rafsanjan, Iran”, Pakistan Journal of Biological Sciences, 11, 265-269.
Teatini, P., Ferronato, M., Gambolati, G., Bertoni, W., and Gonella, M., (2005), “A century of land subsidence in Ravenna, Italy”, Environmental Geology, 47(6), 831-846.