Landssänkning, eller gradvis sedimentering och sänkning av jordens yta, är ett växande problem runt om i världen som har dokumenterats i 45 stater i Amerika såväl som i Indien, Kina och Mellanöstern. Även om man har känt att många saker orsakar markbundenhet är de antropogena effekterna av grundvattenpumpning på landskapet anmärkningsvärda. En rapport från Förenta staternas geologiska undersökning hävdar att mer än 80 procent av insjuknandet i Amerika är direkt korrelerat med grundvattenuttag [1]. Figur 1 nedan visar områdena i Förenta staterna där insjup har tillskrivits pumpning av grundvatten.

Områden med markbundenhet i USA. |

Det har uppskattats att världens törst efter grundvatten har nått en högsta tid med globala utvinningsgrader på 982 km 3 / år [2]. För många regioner i världen, inklusive delar av USA, överskrider hastigheten för utvinning av grundvatten den hastighet som vattnet fylls på via naturliga processer. Detta har resulterat i en mätbar nedgång av vattentabellen såväl som en betydande nedgång i de överliggande jordlagren. Till exempel, i öknen sydväst nära Tucson, Arizona, har pumpningen av grundvatten resulterat i vattennivånedgångar mellan 300 och 500 fot i stora delar av området. Sedan 1940-talet har så mycket som 12, 5 fot av insjup mäts [3] med några forskare som noterar att dess troliga ännu mer insjup har inträffat i området.

Landbundenhet är mer än bara en följd av grundvattenpumpning, det är en anledning till oro för ingenjörer, stadsplanerare och vattenresursförvaltare. Mångfalden av problem som är förknippade med markbundenhet är väl dokumenterad med påverkan som sträcker sig från att ändra dräneringsmönster och ökad översvämning, till förstörelse av kritisk infrastruktur och till och med skapandet av jordsprickor. Uppenbarligen kan detta påverka många aspekter av vår alltmer industrialiserade livsstil.

Men vi har nu fler verktyg än någonsin tidigare för att mäta, kvantifiera och till och med förutsäga markfördjupning som kan hjälpa oss att mildra dess effekter och planera för mer hållbar infrastruktur och ett mer hållbart samhälle. Utöver detta kan dessa verktyg hjälpa vattenresursförvaltare att kontrollera, förhindra eller till och med avhjälpa markbundenhet genom att den grundliga användningen av grundvattensförfaranden används.

Karaktärisering av markbundenhet

Förhållandet mellan en förändring i grundvattennivåer och komprimering av motsvarande akvifersystem är baserat på principen om effektiv spänning [4]. När vatten avlägsnas från marken reduceras sedan porvattentrycket. Utan vattnet för att hålla upp vikten på jorden ovanför den sjunker markytan och akviferskikten blir mer kompakta vilket resulterar i en total minskning av jordens porutrymme. Vissa akvifersystem kan "rebound" om vatten pumpas tillbaka in i det, men ofta än inte resulterar denna vertikala deformation i permanenta förändringar av akvifersystemet. Detta är särskilt sant när de komprimerade skiktens jord består av mycket finkorniga leror. I många akvifersystem runt om i landet har insidansförmåga lett till förlust av grundvattenlagringskapacitet såväl som andra förändringar av akviferens hydrauliska egenskaper [15] inklusive dess förmåga att överföra vatten. Den mest aktuella forskningen tyder på att majoriteten av vattenfärden bara upplever en liten mängd reversibel deformation, särskilt när insjup har inträffat under en lång tid.

Infrastrukturskador orsakade markbundenhet

År 1991 uppskattade National Research Council att den årliga kostnaden för skador i USA till följd av markbundenhet överskred 125 miljoner dollar [4]. Denna siffra reviderades senare av USGS till $ 400 miljoner dollar när de stod för återstående ekonomiska effekter som fastighetsdevaluering och ökade driftskostnader för jordbrukare. I dagens dollar motsvarar det mer än 685 miljoner dollar per år. En nyare siffra för årliga skador kunde inte hittas men det är mycket troligt att årliga skador har ökat.

En av de mest uppenbara konsekvenserna av markbundenhet är den potentiella skador som den kan göra för städer och deras infrastruktur. När markytan sänks kommer hela staden att sjunka med den slutligen påverka byggnadernas stabilitet och funktionaliteten för infrastrukturen som stöder den.

Landstjänst i Mexico City |

En sådan plats där betydande insyn har inträffat är Mexico City, Mexiko. Endast på 1900-talet sjönk staden nästan 30 fot (i genomsnitt 3, 6 tum per år) [10]. Med så mycket sänkning är problemen många. Från och med 1998 bodde staden nästan 6 meter under den närliggande sjön Texcoco. Många historiska byggnader har antingen kollapsat eller fördömts på grund av strukturernas instabilitet. Utöver detta spenderades 870 miljoner dollar för att bygga massiva pumpstationer och 124 mil rör för att transportera avlopp och stormvatten ut ur staden eftersom den befintliga infrastrukturen inte längre kunde fungera korrekt [11]. Även om insynen har minskat under de senaste åren sjunker fortfarande många delar av staden. Under 2014 skapade Europeiska rymdorganisationen en insidenskarta som visar vilka områden som fortfarande påverkas insjup på grund av grundvattenpumpning (figur 2 till höger).

Förenta staterna är heller inte säkra mot markbundenhetskador. I västra Phoenix, Arizona, 1992 fick tjänstemän vid Luke Air Force Base stänga basen i tre dagar för att hantera oväntade översvämningar av landningsbanor, kontor och mer än 100 hem. Forskare med Arizona Department of Water Resources samt Arizona Geological Survey drog slutsatsen att markbundenhet på grund av närliggande grundvattenpumpning var orsaken. De upptäckte att markytan (och underliggande jord) hade sänkts så mycket att stormavloppsledningarna som betjänade basen hade börjat flöda i omvänd riktning. När en stor storm dumpade flera tum regn över det baserade, transporterade stormavloppet avrinning mot basen istället för bort från den [5]. Problemet fixades i slutändan till en kostnad av mer än $ 3 miljoner dollar [6], men det behövs fortfarande en konstant övervakning av insjup i området för att säkerställa den långsiktiga funktionaliteten i det ombyggda stormavloppssystemet.

I Scottsdale, Arizona, korsar kanalen Central Arizona Project (CAP) staden i ett område med känt landssänkande. Området upplevde marknedgång i storleksordningen 1, 5 ft under en tjugoårsperiod vilket resulterade i utgifterna på $ 350 000 för att höja kanalen. I en annan del av staden spenderades ytterligare 820 000 dollar för att motverka effekterna av insjup [6] när kanalen befanns vara skadad där också.

Andra strukturer som är särskilt utsatta för marknedgång inkluderar dammar, häckar och andra funktioner ovan mark. Dessa strukturer är typiskt konstruerade för att kontrollera och rikta flödet av ytavströmning, för att förhindra översvämningar och / eller lagra vatten för framtida användning. När markytan sänks kan lagringskapaciteten (och i fallet med hissar deras fribord) bestå av. I värsta fall kan dessa strukturer till och med misslyckas, vilket leder till förlust av liv och egendom.

En orsak till att orkanen Katrina var så förödande för New Orleans var att markbundenhet (delvis tillskrivs pumpning av grundvatten) hade sänkt staden i en sådan utsträckning att den nu ligger under havsnivån [7]. Utöver detta sänktes också skyddsnivåer som skyddade staden samt minskade skyddsnivån som de kunde ge [8]. Figur 3 nedan erhållen från NASA Earth Observatory visar uppmätta insättningsnivåer för en del av New Orleans från april 2002 till juli 2005. I genomsnitt sjönk New Orleans 0, 31 tum per år i förhållande till den globala genomsnittliga havsnivån under denna period [9] upp till orkanen. Denna kombination av att omfatta händelser leder till en av de dyraste naturkatastroferna under 2000-talet.

Landdistrikt i New Orleans |

Ändra dräneringsmönster: översvämningar tillskrivas markbundenhet

En annan uppenbar betydelse av markbundenhet är dess effekt på avrinningsmönster på ytan. Sänkning av markytan kan orsaka platser för att uppleva översvämningar som annars inte kunde ha sett den. Detta har konsekvensen av att orsaka ännu större skador på en stad som redan har att göra med insyn.

Det har förekommit många dokumenterade fall av översvämningar till följd av markbundenhet, men ett anmärkningsvärt exempel är översvämningen från staden Wenden i Arizona i januari 2010. Det hade varit andra gången staden översvämmade på tio år. Forskare med Arizona Department of Water Resources samt Arizona Geological Survey fastställde att markbundenhet på grund av tillbakadragande av grundvatten i de närliggande fälten gjorde översvämningsproblemet betydligt sämre [15]. Uppsättning på upp till 2, 7 fot uppmättes för staden under tjugoårsperioden fram till 2010 års översvämning. Eftersom staden ligger an mot den närliggande Centennial Wash, orsakade denna insjutning mer avströmning att lämna kanalen och flyta in i staden än vad som hade inträffat tidigare år. Figur 4 nedan visar staden Wenden under översvämningen samt en tredimensionell insynskarta för regionen.

Staden Wenden Översvämning och Landssänkning |

På bilden ovan kan du se insjupskålen som har bildats nordväst om staden. Skålen visar tydligt hur topografin har förändrats och hur den nya markytan verkar "dra" vatten bort från Centennial Wash mot staden.

Ett annat område som har upplevt översvämningar orsakade av markförsämring är städerna bosatta i Harris, Galveston och Fort Bend County i Texas [18]. Nära kusten har markmässigheten mätt att överstiga 10 fot i vissa områden. Detta har inneburit att många hus och byggnader utsätts för översvämningar av kusten. I staden Baytown hade marken och den översvämningar som följde av översvämningen blivit så dålig att en 400 hemundersättning delvis omvandlades till ett naturcentrum bestående av öppna fält, våtmarker och massor av träd [19].

Fissurbildning på grund av subvention |

Jordsprickor: Resultatet av differentierad subvention

Om insjup inte var tillräckligt dåligt kan det i vissa fall orsaka bildning av jordsprickor. En jordspalt kännetecknas av en öppen spricka eller ravin som kan uppstå när det sjunker jordlager på en ojämn berggrund eller andra underjordiska drag. Klyftor kan också bildas vid kanterna på insjupskålar (t.ex. vid gränssnittet mellan avtagande och icke-avtagande skikt). Den ledande forskningen om ämnet tyder på att över tid orsakar skillnadsfördjupning utvecklingen av inre påfrestningar i jordlagren nära ytan. När spänningen blir tillräckligt stor bildas en spricka som manifesterar sig som en synlig spricka på markens yta. Det schematiska till höger visar hur en spricka kan bildas nära kanterna på en insjupskål där skillnadsuppställningen ofta är högst:

Jordsprickor är en annan fara som kan skada infrastruktur och till och med hota vandrande boskap, hästar och människor. I själva verket dödades en häst 2011 när den föll i sprickor som öppnades efter en regnstorm i Queen Creek, Arizona [16]. Bortsett från hästar och andra djur har jordbrott dokumenterats som orsakar betydande skador på vägbanor och annan underjordisk infrastruktur och gör mark mycket svårare att utveckla.

Mätning / övervakning av markbundenhet

Historiskt sett har det inte alltid varit en lätt uppgift att mäta markbundenhet. Med de flesta allt i ett visst område som sjönk ihop med en omöjlig hastighet, var det ofta svårt att hitta en referenspunkt för att se eller mäta markens deformation. Lyckligtvis har vi idag ett antal tekniker som kan användas för att mäta och övervaka markbundenhet exakt.

Extensometer Schematic |

extenso

En extensometer är en anordning som består av ett rör eller kabel som är förankrat på ytan under en akvifer. När marken sjunker över tid noterar maskinens inspelare förändringen i det relativa avståndet mellan hålets botten (helst vid berggrundens yta) och markytan ovanför [13]. Extensometrar är lätta att installera (om du hittar en bra plats) och kräver lite övervakning för att fungera. I likhet med traditionella mätningstekniker har extensometrar vanligtvis en noggrannhet på cirka 1/100: e foten. Fig. 6 till höger visar ett schema av en typisk utvidgningsmätare för övervakning av insidens.

Nivelleringsundersökningar

En utjämningsundersökning är en enkel metod för att mäta insidens som använder traditionella mätinstrument för att slutföra. För att noggrant genomföra undersökningen måste mätarna mäta markhöjningarna i ett avgränsande område och hänvisa dessa mätningar till områden där ingen insjutning har inträffat. Vanligtvis innebär detta att hitta ett riktmärke som är anslutet till den underliggande berggrunden för att säkerställa att den inte har sjunkit. För att förbättra noggrannheten ökar mätmätare vanligtvis densiteten för sina mätningar och försöker också binda deras undersökning till mer än ett riktmärke. Hur exakta de än är, utjämningsundersökningar är vanligtvis mycket dyra och kräver mycket tid att slutföra för ett relativt litet område.

På senare tid har tillkomsten av Global Position Systems (GPS) förstärkt undersökarnas förmåga att noggrant mäta markbundenhet. Även om det inte är lika exakt som metoder för mätning av traditionell höjd har GPS möjliggjort en snabb mätning av insjup över större skalor än vad som tidigare var möjligt. På grund av detta är GPS ett bra sätt att observera trender i höjdförändringar över tid.

Interferometric Synthetic Aperture RADAR (InSAR) mätning

InSAR är en relativt ny teknik som använder RADAR-utrustade satelliter för att mäta förändringar i jordens yta över tid. Denna fjärravkänningsteknik kan mäta förändringar inom en bråkdel av en tum och fungerar bäst för områden som vanligtvis inte störs regelbundet (som jordbruksverksamhet) eller där lite vegetation som kan sneda mätningarna finns. InSAR-mätning kan vara dyr men när man tänker på graden av noggrannhet och mängd data som kan erhållas visar det sig vanligtvis vara ett fynd. Ett helt storstadsområde kan vanligtvis mätas i ett enda satellitpass som producerar med miljoner data poäng som kan analyseras. Eftersom InSAR kan mäta så stora områden har tekniken ofta hjälpt forskare att upptäcka tidigare okända insidensfunktioner.

Omslaget till denna rapport (liksom figur 7 nedan) innehåller ett interferogram (en bild härrörande från InSAR-data) för Hawk Rock-formationen nära Apache Junction, Arizona. Bilden visar en upprepande färgskala som illustrerar relativ markförskjutning mellan den första och den andra gången som området skannades av satelliten.

Interferogram som visar Landbundenhet för Hawk Rock Feature nära Apache Junction, AZ |

Bilden visar relativ insjup under en 3, 5-årsperiod mellan 20/10/2004 och 04/02/2008. En färgcykel representerar ungefär 2, 8 cm fall. Området nära Signal Butte Rd och Guadalupe Rd upplevde de flesta insjutningar som kom in på 9 cm deformation under denna tidsperiod. I Arizona används InSAR för att övervaka mer än 25 individuella markfällningsfunktioner som täcker mer än 1100 kvadrat miles av land [15]. Andra stater, till exempel Kalifornien, har investerat mycket i denna teknik på grund av den värdefulla information den kan ge.

Förhindra och kontrollera markbundenhet

Det enda verkliga sättet att förhindra markbundenhet är att stoppa eller minimera användningen av grundvatten tillsammans. Detta är emellertid inte alltid praktiskt eftersom det ofta inte finns många alternativ för att få vatten för ett samhälle som är beroende av grundvattnet. Tyvärr i USA är jordbrukssamhället, särskilt i öknen sydväst, starkt beroende av grundvatten. Att hitta alternativa vattenkällor för att bevattna grödor har visat sig vara en betydande utmaning.

För att bekämpa markbundenhet har statliga myndigheter i hela landet skapat övervakningsprogram för markinsättning som används för att komplettera grundvattenhanteringspolitiken. I områden som påverkas av betydande fall, har de lokala myndigheterna antagit föreskrifter för att begränsa grundvattenuttag och till och med kräva användning av alternativa vattenkällor när pumpgränserna uppfylls. Till exempel skapade Texas Legislature 1975 Harris-Galveston Subsidence District 1975. Detta distrikts enda syfte är att tillhandahålla regleringen av grundvattenuttag i hela Harris- och Galveston-länen i syfte att förhindra markbundenhet [20].

1980 antog Arizona en ny grundvattenhanteringskod som skulle administreras av Arizona Department of Water Resources. Koden skapades för att bekämpa problem som är förknippade med överanvändning av grundvatten och hade tre primära mål: 1) Kontrollera allvarligt överskridande som förekommer i många delar av staten, 2) Tillhandahålla ett sätt att fördela statens begränsade grundvattenresurser för att mest effektivt uppfylla ändra statens behov; och 3) Öka Arizona grundvatten genom utveckling av vattenförsörjning. 1986 valde Ford Foundation denna kod som en av dess 10 mest innovativa regeringsregler [21]. På senare tid har andra stater, till exempel Kalifornien, följt efter att ha antagit grundvattenbestämmelser som liknar den politik som skapats i Texas och Arizona.

Forskare och myndigheter har erkänt hotet som markbundenhet har på vår infrastruktur, våra städer och vårt samhälle. Dessa bestämmelser, och andra gillar det, tjänar alla till att skydda våra grundvattenresurser för att begränsa insättning (bland annat) och för att avvänja oss från vårt beroende av denna värdefulla resurs.

Sammanfattning och slutsatser

Människans beroende av grundvatten har inte kommit utan pris. Bland de många problem som är relaterade till tillbakadragande av grundvatten är manifestationen av markbundenhet i landet såväl som i världen. Med att insjutning påverkar mer än 17 000 kvadrat miles av det kontinentala USA till följd av tillbakadragande av grundvatten, är konsekvenserna av denna till synes oskyldiga händelse långt ifrån oskadlig. Som vi har sett är markbundenhet som potentialen att förstöra infrastruktur, orsaka översvämningar och till och med leka bildandet av en ännu farligare landstörning, känd som jordsprickor.

Landbundenhet utgör en unik utmaning för ingenjörer, stadsplanerare och lokala myndigheter. Riskerna för att pumpa för mycket grundvatten är uppenbara för många men att lära sig att kontrollera vår önskan om denna ändliga resurs har visat sig vara mycket svår. I takt med att världspopulationerna ökar och torka blir mer utbredda, kommer att hitta alternativa vattenkällor bli en nödvändig utmaning om vi vill mildra effekterna av markbundenhet. Genom att genomföra grundhanteringspolitiken för att minska eller eliminera markbundenhet kan dessutom skadorna på infrastruktur, liv och egendom mildras i slutändan som hjälper till att driva samhället mot en framtid av elasticitet och långsiktigt hållbart välstånd.

referenser

[1] USA: s inrikesministerium, USA: s geologiska undersökning. (2000). Landundersättning i USA (USGS Fact Sheet-165-00). Reston, VA. Regeringens tryckkontor. Hämtad från http://water.usgs.gov/ogw/pubs/fs00165/

[2] National Grundwater Association. (2013). Fakta om global grundvattenanvändning. Westerville, OH. Hämtad från http://www.ngwa.org/Fundamentals/use/Documents/global-groundwater-use-fact-sheet.pdf

[3] USA: s inrikesministerium, USA: s geologiska undersökning. (2003). Grundvattennedbrytning över hela landet (USGS Fact Sheet-103-03). Reston, VA. Regeringens tryckkontor. Hämtad från http://pubs.usgs.gov/fs/fs-103-03/

[4] USA: s inrikesministerium, USA: s geologiska undersökning. (1999). Landunderskott i USA USGS Circular 1182. Reston, VA. Regeringens tryckkontor. Hämtad från http://pubs.usgs.gov/circ/circ1182/

[5] Arizona Land Subsidence Group. (2007). Landbundenhet och jordfissure i Arizona: Forskning och informationsbehov för effektiv riskhantering. (Arizona Geological Survey-publikation CR-07-C. Hämtad från: http://www.azgs.az.gov/Resources/CR-07-C_Dec07.pdf

[6] Arizona Department of Emergency Management. (2013). 2013 State of Arizona Hazard Mitigation Plan: Risk Assessment: Subsidence. Hämtad från http://www.dem.azdema.gov/preparedness/docs/coop/mitplan/31_subsidence.pdf

[7] University of Toronto, Washington University i St. Louis. Varför sjunker New Orleans? (Rännan till viken). Hämtad från http://www.guttertogulf.com/Why-is-New-Orleans-sinking

[8] Marshall, Bob. (2014). Sjunkande levee visar svårigheter att skydda New Orleans från översvämningar (linsen). Hämtad från http://thelensnola.org/2014/02/17/sinking-levee-shows-difficulty-of-protecting-new-orleans-from-flooding/

[9] National Aeronautics and Space Administration. (2006). Uppsättning i New Orleans. (NASA Earth Observatory). Hämtad från http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=6623

[10] Rudolph, Meg. (2001). Sinking of a Titanic City (Geotimes). Hämtad från http://www.geotimes.org/july01/sinking_titanic_city.html

[11] New York Times News Service. (1998). Mexico City sjunker när Aquifer är utmattad - Förskjutning av 30 fötter under detta århundrade (Baltimore Sun). Hämtad från http://articles.baltimoresun.com/1998-02-01/news/1998032047_1_mexico-city-city-is-sinking-city-center

[12] Hays, Brooks. (2014). Mexico City sjunker som Aquifer utmattad (United Press International). Boca Raton, FL. Hämtad från http://www.upi.com/Science_News/2014/12/11/Mexico-City-sinking-as-aquifer-exhausted/9531418321604/

[13] Fulton, Allan. (2006). Landbundenhet: Vad är det och varför är det en viktig aspekt av grundvattenhantering (Kaliforniens avdelning för vattenresurser, norra distriktet, grundvattensektionen). Hämtad från http://www.glenncountywater.org/documents/landsubsidence.pdf

[14] California Water Science Center. (2014). Land Subsidence Monitoring Network. Hämtad från http://ca.water.usgs.gov/projects/central-valley/land-subsidence-monitoring-network.html

[15] Conway, Brian D. (2011). ADWRs Land Subsidence Monitoring Program: Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). Hämtad från http://www.azwater.gov/AzDWR/Hydrology/Geophysics/documents/ADWRLandSubsidenceMonitoringPresentationt.pdf

[16] Gilger, Lauren. (2011). Häst dör i leriga sprickor efter storm (East Valley Tribune). Hämtad från http://www.eastvalleytribune.com/article_8a0198f1-49be-5108-b343-b826a4541f85.html

[17] Budhu, Muniram, University of Arizona. (2014). Landbundenhet och jordfissurer från grundvattenuttag - ett växande världsomspännande problem (AZSCE årliga statliga konferens 2014). Hämtad från http://azsce.org/downloads/Budhu-ASCE%209-11-2014-presentation.pdf

[18] Harris Galveston Subsidence District. (2005). Landfrämjande problem som är vanliga i Harris, Galveston och Fort Bend County. Hämtad från http://www.subsidence.org/FAQs/Common.html

[19] Grey, Lisa. (2013). Brownwood: The Suburb that Sank by the Ship Channel (The Houston Chronicle). Hämtas från http://www.houstonchronicle.com/news/houston-texas/houston/article/Brownwood-The-suburb-that-sank-by-the-Ship-4379765.php#/0

[20] Harris Galveston Subsidence District. (2015). Om distriktet. Hämtad från http://hgsubsidence.org/about-the-district/

[21] Arizona Department of Water Resources. Översikt över Arizona Groundwater Management Code. Hämtad från http://www.azwater.gov/AzDWR/WaterManagement/documents/Groundwater_Code.pdf