Groundwater-pumping optimization for land-subsidence control in Beijing plain, China

Abstract

Beijing, in the North China plain, is one of the few megacities that uses groundwater as its main source of water supply. Groundwater accounts for about two-thirds of the city’s water supply, and during the past 50 years the storage depletion from the unconsolidated aquifers underlying the city has been >10.4 billion m³. By 2010, groundwater pumping in the city had resulted in a cumulative subsidence of greater than 100 mm in an area of about 3,900 km², with a maximum cumulative subsidence of >1,200 mm. This subsidence has caused significant social and economic losses in Beijing, including significant damage to underground utilities. This study was undertaken to evaluate various future pumping scenarios to assist in selecting an optimal pumping scenario to minimize overall subsidence, meet the requirements of the Beijing Land Subsidence Prevention Plan (BLSPP 2013–2020), and be consistent with continued sustainable economic development. A numerical groundwater and land-subsidence model was developed for the aquifer system of the Beijing plain to evaluate land subsidence rates under the possible future pumping scenarios. The optimal pumping scenario consistent with the evaluation constraints is a reduction in groundwater pumping from three major pumping centers by 100, 50 and 20%, respectively, while maintaining an annual pumping rate of 1.9 billion m³. This scenario’s land-subsidence rates satisfy the BLSPP 2013–2020 and the pumping scenario is consistent with continued economic development. It is recommended that this pumping scenario be adopted for future land-subsidence management in Beijing.

Résumé

Beijing, dans la Plaine Nord de la Chine, est. l’une des quelques mégapoles qui utilisent l’eau souterraine comme source principale d’alimentation en eau potable. L’eau souterraine compte pour environ les deux tiers de l’alimentation en eau potable de la ville, et durant les cinquante dernières années, la diminution du stock issu des aquifères meubles qui s’étendent sous la ville a été de plus de 10.4 milliards de m³. En 2010, le pompage de l’eau souterraine dans la ville s’est. traduit par une subsidence cumulée de plus de 100 mm dans une zone d’environ 3,900 km², avec une subsidence maximale cumulée de plus de 1,200 mm. Cette subsidence a causé des pertes sociales et économiques significatives à Beijing, y compris des dommages significatifs pour les équipements souterrains. La présente étude a été entreprise en vue de tester divers scénarios de pompage futurs dans le but d’aider au choix d’un scénario de pompage optimal permettant de minimiser la subsidence totale, de satisfaire aux exigences du Plan de Prévention de la Subsidence des Terrains à Beijing (PPSTB), et être compatible avec un développement économique durable continu. Un modèle numérique hydrogéologique et de subsidence des terrains a été développé pour le système aquifère de la Plaine de Beijing afin d’évaluer les taux de subsidence des terrains pour les scénarios de pompage futurs possibles. Le scénario de pompage optimal compatible avec les contraintes de l’évaluation consiste à réduire le prélèvement de l’eau souterraine au droit de trois centers de pompage principaux, de respectivement 100, 50 et 20%, tout en maintenant un taux d’exhaure annuelle de 1.9 milliard de m³. Les taux de subsidence des terrains de ce scénario satisfont au PPSTB 2013–2020 et le scénario de pompage est. compatible avec un développement économique continu. On recommande que ce scénario de pompage soit adopté pour la gestion de la subsidence future des terrains à Beijing.

Resumen

Beijing, en la llanura del norte de China, es una de las pocas megaciudades que utiliza el agua subterránea como su fuente principal de suministro de agua. El agua subterránea representa aproximadamente dos tercios del suministro de agua de la ciudad, y durante los últimos 50 años el agotamiento en el almacenamiento de los acuíferos no consolidados subyacentes a la ciudad ha sido >10.4 billones de m³. Para 2010, el bombeo de agua subterránea en la ciudad había resultado en una subsidencia acumulativa de más de 100 mm en un área de aproximadamente 3,900 km², con una subsidencia acumulativa máxima de >1,200 mm. Esta subsidencia ha causado importantes pérdidas sociales y económicas en Beijing, incluido un daño significativo en los servicios subterráneos. Este estudio se realizó para evaluar varios escenarios futuros de bombeo para ayudar a seleccionar un escenario de bombeo óptimo a fin de minimizar la subsidencia general, cumplir con los requisitos del Plan de Prevención de Subsidencia del Terreno de Beijing (BLSPP 2013–2020) y ser consecuente con un continuo desarrollo económico sostenible. Se desarrolló un modelo numérico de agua subterránea y subsidencia del terreno en el sistema acuífero de la planicie de Beijing para evaluar las tasas de subsidencia del terreno en posibles escenarios futuros de bombeo. El escenario de bombeo óptimo consistente con las limitaciones de la evaluación es una reducción en el bombeo de agua subterránea en los tres centros principales de bombeo en un 100, 50 y 20%, respectivamente, mientras se mantiene una tasa de bombeo anual de 1.9 billones de m³. Las tasas de subsidencia del terreno en este escenario satisfacen el BLSPP 2013–2020 y el bombeo es consistente con un continuo desarrollo económico. Se recomienda que este escenario de bombeo se adopte para la futura gestión de la subsidencia del terreno en Beijing.

摘要

位于华北平原的北京是少数几个以地下水为主要水源的特大城市之一,地下水约占城市供水的三分之二。在过去的50年里,北京市城市地下未加固的含水层储量消耗已超过104亿m³。到2010年,北京市地下水开采已导致超过100 mm、面积约3,900 km²的累积地面沉降量,最大累积沉降量超过1,200 mm。这种沉降已经给北京造成了严重的社会和经济损失,包括对地下设施的严重破坏。本文旨在评估各种未来的地下水开采方案,以协助选择最佳的开采方案,最大程度地减少总体的沉降,满足北京地面沉降预防计划(2013–2020年)的要求,并与经济的可持续发展相一致。作者为北京平原地下含水层系统开发了一种地下水和地面沉降结合的数值模型,以对未来可能的开采方案下的地面沉降率进行评价。与评价约束条件相一致的最佳开采方案是从三个主要开采中心分别减少100%、50%和20%的地下水开采量,同时保持每年19亿m³的开采量。这种情况下的地面沉降率满足北京地面沉降预防计划(2013–2020年)的要求,同时开采方案与经济的可持续发展相一致。本文建议采用这种开采方案,为北京未来的地面沉降管理提供借鉴。

Resumo

Pequim, na Planície do Norte da China, é uma das poucas megacidades que utiliza águas subterrâneas como principal fonte de recursos hídricos. As águas subterrâneas representam por volta de dois terços dos recursos hídricos da cidade, e durante os últimos 50 anos a depleção do armazenamento dos aquíferos não consolidados sob a cidade foi >10.4 bilhões m³. Em 2010, o bombeamento das águas subterrâneas na cidade resultou em uma subsidência cumulativa maior que 100 mm em uma área de cerca de 3,900 km², com subsidência cumulativa máxima >1,200 mm. Essa subsidência causou perdas sociais e econômicas significantes em Pequim, incluindo danos significativos para infraestruturas subterrâneas. Esse estudo foi feito para avaliar vários cenários de bombeamentos futuros para auxiliar na seleção de um cenário de bombeamento ótimo para minimizar a subsidência geral, adequando-se os requisitos do Plano de Prevenção de Subsidência de Terreno de Pequim (PPSTP 2013–2020), e ser consistente com o desenvolvimento econômico sustentável continuado. Um modelo numérico de subsidência de terreno e águas subterrâneas foi desenvolvido para o sistema aquífero da Planície de Pequim para avaliar as taxas de subsidência de terra sob os cenários de bombeamento futuros possíveis. O cenário de bombeamento ótimo consistente com as restrições da avaliação é uma redução no bombeamento das águas subterrâneas dos três maiores centros de bombeamento em 100, 50 e 20%, respectivamente, enquanto manter a taxa anual de bombeamento de 1.9 bilhões de m³. Essas taxas de subsidência de terra do cenário satisfazem o PPSTP 2013–2020 e o cenário de bombeamento é consistente com o desenvolvimento econômico continuado. É recomendável que esse cenário de bombeamento seja adotado para o gerenciamento da subsidência de terreno futuro em Pequim.