Long-term groundwater storage changes and land subsidence development in the North China Plain (1971–2015)

Abstract

The North China Plain (NCP) has been suffering from groundwater storage (GWS) depletion and land subsidence for a long period. This paper collects data on GWS changes and land subsidence from in situ groundwater-level measurements, literature, and satellite observations to provide an overview of the evolution of the aquifer system during 1971–2015 with a focus on the sub-regional variations. It is found that the GWS showed a prolonged declining rate of −17.8 ± 0.1 mm/yr during 1971–2015, with a negative correlation to groundwater abstraction before year ~2000 and a positive correlation after ~2000. Statistical correlations between subsidence rate and the GWS anomaly (GWSA), groundwater abstraction, and annual precipitation show that the land subsidence in three sub-regions (Beijing, Tianjin, and Hebei) represents different temporal variations due to varying driver factors. Continuous drought caused intensive GWS depletion (−76.1 ± 6.5 mm/yr) and land subsidence in Beijing during 1999–2012. Negative correlations between total groundwater abstraction and land subsidence exhibited after the 1980s indicate that it may be questionable to infer subsidence from regional abstraction data. Instead, the GWSA generally provides a reliable correlation with subsidence. This study highlights the spatio-temporal variabilities of GWS depletion and land subsidence in the NCP under natural and anthropogenic impacts, and the importance of GWS changes for understanding land subsidence development.

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La Plaine de Chine du Nord (PCN) souffre d’une diminution en ressources en eaux souterraines (RES) et d’affaissement des terrains depuis longtemps. Cet article recueille des données sur les changements de stockage des eaux souterraines et les affaissements des terrains à partir de mesures in situ des niveaux piézométriques, de la littérature et d’observations satellitaires afin de fournir un aperçu de l’évolution du système aquifère au cours de la période 1971–2015 en mettant l’accent sur les variations subrégionales. On a constaté que les RES présentaient un taux de déclin prolongé de –17.8 ± 0.1 mm/an pour la période 1971–2015, avec une corrélation négative avec les volumes d’eau souterraine prélevés avant ~2000 et une corrélation positive après ~2000. Les corrélations statistiques entre le taux de subsidence et l’anomalie RES (ARES) , les prélèvements en eaux souterraines, et les précipitations annuelles indiquent que l’affaissement des terrains dans trois sous-régions (Beijing, Tianjin et Hebei) représente différentes variations temporelles dues à des facteurs variés. La sécheresse sans interruption a causé une intense diminution des RES (–76.1 ± 6.5 mm/an) et un affaissement des terraines à Beijing entre 1999 et 2012. Des corrélations négatives entre les prélèvements totaux en eaux souterraines et l’affaissement des terrains observées après les années 1980 indiquent qu’il est peut-être discutable de déduire la subsidence à partir des données régionales de prélèvements. Au lieu de cela, la ARES fournit généralement une corrélation fiable avec la subsidence. Cette étude met en évidence les variabilités spatio-temporelles de la diminution des RES et de l’affaissement des terrains dans la PNC sous contraintes naturelles et anthropiques, et l’importance des changements de RES pour la compréhension du développement de l’affaissement des terrains ou subsidence.

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La Llanura Norte de China (NCP) ha estado sufriendo un agotamiento del almacenamiento de agua subterránea (GWS) y la subsidencia del terreno durante un largo período. Este trabajo recopila datos sobre los cambios de GWS y la subsidencia del terreno a partir de mediciones in situ del nivel del agua subterránea, bibliografía y observaciones satelitales para proporcionar una visión general de la evolución del sistema acuífero durante 1971–2015 con un enfoque en las variaciones subregionales. Se encontró que el GWS mostró una tasa decreciente prolongada de −17.8 ± 0.1 mm/año durante 1971–2015, con una correlación negativa con la extracción de aguas subterráneas antes del año ~2000 y una correlación positiva después del ~2000. Las correlaciones estadísticas entre la tasa de subsidencia y la anomalía de GWS (GWSA), la extracción de agua subterránea y la precipitación anual muestran que la subsidencia del terreno en tres subregiones (Beijing, Tianjin y Hebei) representa variaciones temporales diferentes debido a factores variables de las causas. La sequía continua causó el agotamiento intensivo de GS (−76.1 ± 6.5 mm/año) y la subsidencia del terreno en Beijing durante 1999–2012. Las correlaciones negativas entre la extracción total del agua subterránea y la subsidencia exhibida después de la década de 1980 indican que puede ser cuestionable inferir la subsidencia de los datos de extracción regional. En cambio, el GWSA generalmente proporciona una correlación confiable con la subsidencia. Este estudio destaca las variabilidades espacio-temporales del agotamiento de GWS y la subsidencia del terreno en el NCP bajo impactos naturales y antropogénicos, y la importancia de los cambios de GWS para entender el desarrollo de la subsidencia del terreno.

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摘要

地下水消耗与地面沉降是困扰华北平原很长时间的问题。本文综合水井观测、文献、卫星遥感手段获取的地下水储量变化和地面沉降数据,对华北平原含水层系统的长期变化(1971–2015)进行了分析,重点关注其演化的时空特征。研究发现,华北平原1971–2015年间的地下水储量变化速率为–17.8 ± 0.1 mm/yr。总体上,地下水储量距平变化与地下水年开采量在2000年以前为负相关,在2000年以后为正相关。地面沉降速率与其影响因素(地下水储量距平变化、年开采量、年降水量)在北京、天津、河北三个子区上表现出不同的统计特征,反映了京津冀地面沉降演化机制的差异性。1999–2012年连续的干旱使得北京地下水迅速消耗(−76.1 ± 6.5 mm/yr),并伴随着快速发展的地面沉降。研究同时发现,1980年代后地面沉降量与地下水开采量之间变为负相关,而地下水储量距平变化却总体上始终与沉降量表现为正相关。此次研究再次凸显了,在气候变化与人类活动共同作用下,华北平原地下水消耗与地面沉降的时空差异性,以及地下水储量变化对于更好地认识地面沉降演化的重要性。

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A Planície do Norte da China (PNC) tem sofrido o esgotamento de armazenamento de águas subterrâneas (AAS) e a subsidência de terreno por um longo período. Este artigo coleta dados sobre as mudanças no AAS e a subsidência de terreni a partir de medições, literatura e observações de satélites no nível da água subterrânea in situ, para fornecer uma visão geral da evolução do sistema aquífero durante 1971–2015 com foco nas variações sub-regionais. Verificou-se que o AAS mostrou uma taxa de declínio prolongada de −17.8 ± 0.1 mm/ano durante 1971–2015, com uma correlação negativa com a captação de águas subterrâneas antes do ano 2000 e uma correlação positiva após ~2000. As correlações estatísticas entre a taxa de subsidência e a anomalia no ASS (AAAS), a captação de águas subterrâneas e as precipitações anuais mostram que a subsidência de terreno em três sub-regiões (Pequim, Tianjin e Hebei) representa diferentes variações temporais devido a fatores forçantes variáveis. A seca contínua causou o esgotamento intensivo de GWS (−76.1 ± 6.5 mm/ano) e a subsidência de terreno em Pequim durante 1999–2012. As correlações negativas entre a captação total de águas subterrâneas e a subsidência de terreno exibida após a década de 1980 indicam que pode ser questionável inferir subsidência a partir de dados de abstração regionais. Em vez disso, a AAAS geralmente fornece uma correlação confiável com a subsidência. Este estudo destaca as variabilidades espaço-temporais da depleção de AAS e da subsidência da terra na PNC sob impactos naturais e antropogênicos e a importância das mudanças de AAS para entender o desenvolvimento de subsidência de terreno.