Estudio de la subsidencia del terreno producida por la explotación de acuíferos mediante datos de Interferometría Radar Satélite

Resumen

En esta investigación se propone una metodología de análisis de la subsidencia por extracción de agua subterránea que mejora el conocimiento de este peligro geológico, mejora la caracterización de acuíferos y sirve evaluar el posible impacto de la subsidencia en estructuras e infraestructuras urbanas. El trabajo está estructurado en tres bloques: (i) la descripción de la metodología propuesta; (ii) los resultados obtenidos en cuatro zonas de estudio; (iii) y una última parte con las conclusiones extraídas. La metodología consta de cuatro partes: (i) sistema de monitorización de acuíferos afectados por subsidencia que integra técnicas de teledetección con técnicas de instrumentación in situ; (ii) métodos de análisis y modelización empírica de los datos de monitorización para mejorar el conocimiento de la subsidencia y caracterizar el sistema acuífero; (iii) modelos numéricos (hidrogeológicos y geotécnicos) para predecir el comportamiento del flujo de agua subterránea del sistema acuífero y la subsidencia asociada a su variación; (iv) métodos para evaluar el impacto potencial de la subsidencia en estructuras e infraestructuras urbanas. El segundo bloque presenta los resultados de la aplicación de la metodología en cuatro casos de estudio seleccionados para cubrir una amplia variabilidad de condicionantes donde comprobar la aplicabilidad de los diferentes análisis y modelos. En el acuífero terciario detrítico de Madrid (i) se demuestra que el comportamiento del acuífero es fundamentalmente elástico, y que se puede predecir la evolución espaciotemporal del nivel del agua subterránea a partir de los datos de desplazamiento de la superficie del terreno. En el acuífero del Alto Guadalentín (ii) se ha desplegado un sistema de monitorización multi-sensor que ha permitido demostrar que en esta zona de estudio se produce una de las mayores tasas de subsidencia (11 cm/año) por extracción de agua de Europa. Estos datos han sido útiles para calibrar modelos numéricos que han permitido estimar el estado del acuífero y la subsidencia del acuífero desde el inicio de la explotación de este en la década de los 60 hasta la actualidad, pudiendo incluso pronosticar su posible evolución en las próximas décadas. En la vega Media y Baja del Segura (iii) se ha demostrado la utilidad del sistema de monitorización integrado propuesto para conseguir una gestión sostenible del acuífero. De esta manera se ha podido demostrar que una extracción controlada de agua subterránea puede producir deformaciones de baja magnitud. Finalmente, en la ciudad de Pistoia (iv) se ha demostrado que el análisis espacial de los datos de monitorización junto con criterios geotécnicos sirve para identificar zonas urbanas vulnerables, donde la subsidencia puede producir daños a estructuras e infraestructuras urbanas. Estos resultados han servido para demostrar que la metodología propuesta sirve para mejorar el conocimiento de los sistemas acuíferos afectados por la extracción de agua subterránea, así como para conseguir una explotación sostenible de los acuíferos en cuencas afectadas por periodos de sequía con una demanda de agua superior a la recarga. ----------ABSTRACT---------- This thesis proposes a methodology to analyze subsidence due to groundwater extraction, improving the current knowledge and the characterization of aquifer-systems, also allowing to evaluate the impact of subsidence over urban structures and infrastructures. This thesis is divided in three parts: (i) description of the methodology; (ii) results obtained in four study areas; (iii) and conclusions. The methodology consists of four sections: (i) an integrated system to monitor aquifer-systems; (ii) methods of data analysis and empirical modelling; (iii) hydrogeological and geotechnical modelling; (iv) evaluation of the potential impact of subsidence over buildings and infrastructures. The second part presents the results of this methodology applied to four case studies, selected to test the methodology in a wide range of geographical and geological settings. In the tertiary detrital aquifer-system of Madrid results demonstrate (i) the quasi-elastic behavior of the aquifer-system, which allows to implement an empirical model that predicts the spatiotemporal evolution of groundwater level using measured surface displacement. In the aquifer-system of Alto Guadalentín (ii) the deployed multi-sensor monitoring system has allowed to map and monitor one of the highest subsidence rates due to groundwater extraction in Europe (11 cm/year). This data was useful to calibrate empirical and numerical models that estimate groundwater evolution and subsidence from the beginning of the water pumping in the 1960s to the current situation and its future evolution. In the aquifer-system of Vega Media y Baja del Segura (iii) the integrated monitoring system has been useful to promote a sustainable management of the groundwater resources. It has also been demonstrated that controlled groundwater pumping mitigates subsidence phenomena, generating small surficial displacements. Finally, in Pistoia city case study (iv) results show that the joint analysis of monitoring data with geotechnical data permits to identify vulnerable urban areas where subsidence could generate damages over structures and infrastructures. Overall, these results demonstrate that the proposed methodology improves the knowledge of aquifer-systems affected by groundwater over-pumping and helps to achieve a sustainable management of groundwater resources in over stressed basins.