Simulation of present and future land subsidence in the Rafsanjan plain, Iran, due to groundwater overexploitation using numerical modeling and InSAR data analysis.

In the Rafsanjan plain, Iran, the excessive use of groundwater for pistachio irrigation since the 1960s has led to a severe water level decline as well as land subsidence. In this study, the advantages of InSAR analyses and groundwater flow modeling are combined to improve the understanding of the subsurface processes causing groundwater-related land subsidence in several areas of the region. For this purpose, a calibration scheme for the numerical groundwater model was developed, which simultaneously accounts for hydraulic aquifer parameters and sediment mechanical properties of land subsidence and thus considers the impact of water release from aquifer compaction. Simulation results of past subsidence are calibrated with satellite-based InSAR data and further compared with leveling measurements. Modeling results show that land subsidence in this area occurs predominantly in areas with fine-grained sediments and is therefore only partly dependent on groundwater level decline. During the modeling period from 1960 to 2020, subsidence rates of up to 21 cm year−1 are simulated. Due to the almost solely inelastic compaction of the aquifer, this has already led to an irreversible aquifer storage capacity loss of 8.8 km3. Simulation results of future development scenarios indicate that although further land subsidence cannot be avoided, subsidence rates and the associated aquifer storage capacity loss can be reduced by up to 50 and 36%, respectively, by 2050 through the implementation of improved irrigation management for the pistachio orchards. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Resumen: En la llanura de Rafsanjan (Irán), el uso excesivo de aguas subterráneas para el riego del pistacho desde la década de 1960 ha provocado un grave descenso del nivel del agua, así como la subsidencia del terreno. En este estudio se combinan las ventajas de los análisis InSAR y la modelización del flujo de aguas subterráneas para mejorar la comprensión de los procesos subsuperficiales que causan la subsidencia del terreno relacionada con las aguas subterráneas en varias zonas de la región. Para ello, se ha desarrollado un esquema de calibración para el modelo numérico de aguas subterráneas, que tiene en cuenta simultáneamente los parámetros hidráulicos del acuífero y las propiedades mecánicas de los sedimentos de la subsidencia del terreno y, por tanto, considera el impacto de la liberación de agua por la compactación del acuífero. Los resultados de la simulación de la subsidencia en el pasado se calibran con datos InSAR obtenidos por satélite y se comparan con mediciones de nivelación. Los resultados de la modelización muestran que el hundimiento del terreno en esta zona se produce predominantemente en áreas con sedimentos de grano fino y, por tanto, sólo depende en parte del descenso del nivel de las aguas subterráneas. Durante el periodo de modelización comprendido entre 1960 y 2020, se simulan tasas de subsidencia de hasta 21 cm año−1. Debido a la compactación casi exclusivamente inelástica del acuífero, esto ya ha provocado una pérdida irreversible de capacidad de almacenamiento del acuífero de 8.8 km3. Los resultados de la simulación de futuros escenarios de desarrollo indican que, aunque no puede evitarse el cese total de la subsidencia del terreno, las tasas de subsidencia y la pérdida de capacidad de almacenamiento del acuífero asociada pueden reducirse hasta en un 50 y un 36%, respectivamente, para 2050 mediante la aplicación de una mejor gestión del riego de los cultivos de pistacho. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Résumé: Dans la plaine de Rafsanjan, en Iran, l'utilisation excessive des eaux souterraines pour l'irrigation des pistaches depuis les années 1960 a entraîné une forte baisse du niveau de l'eau ainsi qu'un affaissement des terrains. Dans cette étude, les résultats des analyses InSAR et de la modélisation de l'écoulement des eaux souterraines sont combinés afin d'améliorer la compréhension des processus souterrains à l'origine de l'affaissement des terrains lié aux eaux souterraines dans plusieurs zones de la région. À cette fin, un schéma de calibration du modèle numérique hydrogéologique prenant en compte simultanément les paramètres hydrauliques de l'aquifère et les propriétés mécaniques des sédiments de l'affaissement du sol, et ainsi de l'impact de la libération d'eau due à la compaction de l'aquifère, a été mis au point. Les résultats de la simulation de l'affaissement passé sont calibrés avec des données satellitaires InSAR et comparés à des mesures de nivellement. Les résultats de la modélisation montrent que l'affaissement des terrains dans cette région se produit principalement dans les zones à sédiments à grains fins et ne dépend donc que partiellement de la baisse du niveau des eaux souterraines. Au cours de la période de modélisation allant de 1960 à 2020, des taux d'affaissement allant jusqu'à 21 cm an−1 ont été simulés. En raison du tassement presque exclusivement inélastique de l'aquifère, ce phénomène a déjà entraîné une perte irréversible de la capacité de stockage de l'aquifère de 8,8 km3. Les résultats de la simulation des scénarios d'exploitation future indiquent que, bien que la poursuite de l'affaissement des terrains ne puisse être évitée, les taux d'affaissement et la perte de capacité de stockage de l'aquifère qui y est associée peuvent être réduits de 50 et 36%, respectivement, d'ici à 2050, grâce à la mise en œuvre d'une meilleure gestion de l'irrigation pour les vergers de pistachiers. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Zusammenfassung: In der Rafsanjan-Ebene im Iran hat die übermäßige Nutzung von Grundwasser zur Bewässerung von Pistazien seit den 1960er Jahren zu einem erheblichen Rückgang des Grundwasserspiegels sowie zu Landabsenkungen geführt. In dieser Studie werden Vorteile von InSAR-Analysen und der Modellierung von Grundwasserströmungen kombiniert, um unterirdische Prozesse besser zu verstehen, die zur grundwasserbedingten Landabsenkung in mehreren Gebieten der Region führen. Hierfür wurde ein Kalibrierschema für das numerische Grundwassermodell entwickelt, welches gleichzeitig hydraulische Parameter des Aquifers sowie die mechanischen Eigenschaften der vorkommenden Sedimente in Bezug auf Landabsenkung berücksichtigt und somit die Auswirkungen der Wasserfreisetzung durch die Kompaktion des Aquifers berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse vergangener Landabsenkungen werden mit Ergebnissen von satellitenbasierten InSAR-Analysen kalibriert und mit Nivellierungskampagnen verglichen. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass die Landabsenkung in diesem Gebiet überwiegend in Bereichen mit feinkörnigen Sedimenten auftritt und daher nur teilweise vom Absinken des Grundwasserspiegels abhängt. Während des Modellierungszeitraums von 1960 bis 2020 werden Absenkungsraten von bis zu 21 cm Jahr−1 simuliert. Aufgrund der fast ausschließlich inelastischen Kompaktion des Aquifers hat dies bereits zu einem irreversiblen Verlust der Speicherkapazität des Aquifers von 8.8 km3 geführt. Simulationsergebnisse zukünftiger Szenarien mit unterschiedlichen Entwicklungsprozessen zeigen, dass eine fortschreitende Landabsenkung nicht vermieden werden kann. Die Absenkungsraten und der damit verbundene Verlust der Aquiferspeicherkapazität können allerdings bis 2050 um bis zu 50 bzw. 36% durch die Implementierung eines verbesserten Bewässerungsmanagements für die Pistazienplantagen reduziert werden. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

Resumo: Na planície de Rafsanjan, no Irã, o uso excessivo de água subterrânea para irrigação de pistache desde a década de 1960 levou a um declínio severo do nível da água, bem como a subsidência do terreno. Neste estudo, as vantagens das análises InSAR e modelagem de fluxo de águas subterrâneas são combinadas para melhorar a compreensão dos processos de subsuperfície que causam subsidência de terreno relacionada com águas subterrâneas em várias áreas da região. Para este propósito, foi desenvolvido um esquema de calibração para o modelo numérico de águas subterrâneas, que considera simultaneamente os parâmetros hidráulicos do aquífero e as propriedades mecânicas do sedimento da subsidência do solo e, portanto, considera o impacto da liberação de água da compactação do aquífero. Os resultados da simulação de subsidência passada são calibrados com dados InSAR baseados em satélite e posteriormente comparados com medições de nivelamento. Os resultados da modelagem mostram que a subsidência do terreno nesta área ocorre predominantemente em áreas com sedimentos de granulação fina e, portanto, depende apenas parcialmente do declínio do nível do lençol freático. Durante o período de modelagem de 1960 a 2020, são simuladas taxas de subsidência de até 21 cm ano−1. Devido à compactação quase exclusivamente inelástica do aquífero, isso já levou a uma perda irreversível da capacidade de armazenamento do aquífero de 8.8 km3. Os resultados da simulação de cenários de desenvolvimento futuro indicam que, embora não seja possível evitar mais subsidência de terreno, as taxas de subsidência e a perda de capacidade de armazenamento do aquífero associada podem ser reduzidas em até 50 e 36%, respectivamente, até 2050, por meio da implementação de uma melhor gestão da irrigação para os pomares de pistache. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

摘要: 在伊朗的Rafsanjan平原，自20世纪60年代以来过度使用地下水灌溉开心果导致了严重的水位下降和地面沉降。本研究将InSAR分析和地下水流模拟的优势相结合，以改善对该地区多个区域引起地下水相关地面沉降的地下过程的理解。为此，开发了一个数字地下水模型的校准方案，同时考虑含水层的水力参数和沉降的沉积物力学性质，因此考虑了含水层压密释水对地面沉降的影响。过去的沉降模拟结果使用卫星InSAR数据进行了校准，并进一步与水准测量进行了比较。建模结果表明，该区域的地面沉降主要发生在细粒沉积物区域，因此只在一定程度上依赖于地下水位的下降。在1960年到2020年的建模期间，模拟出了高达21 cm year−11的沉降速率。由于含水层几乎完全是由于不弹性压缩而导致的，这已经导致了8.8 km3的不可逆含水层储存能力损失。未来发展情景的模拟结果表明，尽管未来地面沉降无法避免，但通过对开心果果园进行改进的灌溉管理，到2050年，沉降率和相关的含水层储存能力损失可分别减少50和36%。 [ABSTRACT FROM AUTHOR]