Brackish-water desalination plant modulates ground deformation in the city of Cape Coral, Florida

Abstract

Le cycle de captage et d'injection des eaux souterraines dans les systèmes aquifères côtiers peut modifier localement la charge piézométrique dans le système aquifère, entraînant un tassement différentiel sur le sol qui peut compromettre la sécurité des infrastructures. En outre, l'extraction extensive et à long terme des eaux souterraines peut causer des dommages importants aux ressources en eau. Ironiquement, la Floride, un État connu pour ses ressources en eau abondantes, a connu des problèmes majeurs d'approvisionnement en eau dans certaines régions qui ont commencé à s'intensifier avec la croissance rapide de la population au cours des cinq dernières décennies. Alors que la demande d'eau potable en Floride continue d'augmenter, les autorités locales se sont tournées vers l'utilisation de sources d'eau saumâtre et saline. En 2022, plus de 80 % des usines de dessalement aux États-Unis sont concentrées dans les zones côtières du centre et du sud de la Floride. En utilisant l'interférométrie radar par satellite, nous avons étudié l'évolution spatio-temporelle de l'affaissement de surface entraîné par le pompage des eaux souterraines pour les installations de dessalement par osmose inverse en eau saumâtre (BWRO) dans la ville de Cape Coral, en Floride. Nous avons utilisé l'interférométrie à dispersion persistante (PSI) pour traiter toutes les scènes Sentinel 1A et 1B disponibles dans la région le long de deux orbites ascendantes. Les séries temporelles de déformation obtenues à partir d'ensembles de données SAR indépendants sont comparées spatio-temporellement au niveau des eaux souterraines qui fournissent de l'eau d'alimentation aux installations BWRO. Le schéma de déformation montre un lobe principal d'affaissement avec des taux allant jusqu'à 25 mm/an centré autour des puits en exploitation dans le champ de forage nord BWRO que nous interprétons comme un compactage induit par l'homme. La corrélation spatiale entre la zone d'affaissement et les puits de production actifs plaide en faveur de la déformation de surface induite par les opérations BWRO. Sur la base du champ de déplacement dérivé d'InSAR et des données de puits, nous proposons un modèle pour expliquer l'hétérogénéité spatiale du processus d'affaissement. La déformation du sol est reproduite par un modèle élastique imitant le compactage du réservoir à l'aide de dislocations de fermeture négatives planes. La modélisation de l'affaissement montre ∼ 0,67 Mm3 an−1 perte en vol due au compactage de l'aquifère. La déformation de l'affaissement a également été utilisée pour calculer la surface de drainage cumulée des puits producteurs.El ciclo de extracción e inyección de agua subterránea en los sistemas acuíferos costeros puede cambiar localmente la carga piezométrica en el sistema acuífero, lo que lleva a un asentamiento diferencial en el suelo que puede comprometer la seguridad de la infraestructura. Además, la extracción extensiva de agua subterránea a largo plazo puede causar daños significativos a los recursos hídricos. Irónicamente, Florida, un estado conocido por sus abundantes recursos hídricos, ha estado experimentando importantes problemas de suministro de agua en algunas áreas que comenzaron a intensificarse con el rápido crecimiento de la población en las últimas cinco décadas. A medida que la demanda de agua potable en Florida continúa aumentando, las autoridades locales han recurrido al uso de fuentes de agua salobre y salina. A partir de 2022, más del 80% de las plantas desalinizadoras en los Estados Unidos se concentran en las zonas costeras del centro y sur de Florida. Utilizando interferometría de radar satelital, hemos investigado la evolución espaciotemporal de la subsidencia superficial impulsada por el bombeo de agua subterránea para las instalaciones de desalinización por ósmosis inversa de agua salobre (BWRO) en la ciudad de Cape Coral, Florida. Empleamos interferometría dispersora persistente (PSI) para procesar todas las escenas Sentinel 1A y 1B disponibles en la región a lo largo de dos órbitas ascendentes. Las series temporales de deformación obtenidas a partir de conjuntos de datos SAR independientes se comparan espaciotemporalmente con el nivel de agua subterránea que proporciona agua de alimentación a las instalaciones de BWRO. El patrón de deformación muestra un lóbulo principal de hundimiento con tasas de hasta 25 mm/año centrado alrededor de los pozos de operación en el campo de pozos BWRO norte que interpretamos como compactación inducida por el hombre. La correlación espacial entre el área de hundimiento y los pozos de producción activos argumenta a favor de la deformación superficial inducida por las operaciones de BWRO. A partir del campo de desplazamiento derivado de InSAR y los datos del pozo, proponemos un modelo para explicar la heterogeneidad espacial del proceso de subsidencia. La deformación del suelo se reproduce mediante un modelo elástico que imita la compactación del depósito utilizando dislocaciones de cierre negativas planas. El modelado de la subsidencia muestra una pérdida de volumen de ∼ 0.67 Mm3 año−1 debido a la compactación del acuífero. La deformación por hundimiento también se utilizó para calcular el área de drenaje acumulativo de los pozos productores.The groundwater abstraction and injection cycle in coastal aquifer systems can locally change the piezometric head in aquifer system, leading to differential settlement on the ground that may compromise infrastructure safety. Furthermore, long-term, extensive groundwater extraction may cause significant damage to water resources. Ironically, Florida, a state known for its abundant water resources, has been experiencing major water supply issues in some areas that began to intensify with rapid population growth over the last five decades. As the demand for drinking water in Florida continues to rise, local authorities have turned to using brackish and saline water sources. As of 2022, more than 80% of the desalination plants in the United States are concentrated in the coastal areas of central and south Florida. Using satellite radar interferometry, we have investigated the spatiotemporal evolution of surface subsidence driven by groundwater pumping for brackish-water reverse osmosis (BWRO) desalination facilities in the City of Cape Coral, Florida. We employed Persistent Scatterer Interferometry (PSI) to process all available Sentinel 1A and 1B scenes over the region along two ascending orbits. The deformation time-series obtained from independent SAR data sets are compared spatiotemporally with the groundwater level that provides feed water to the BWRO facilities. The deformation pattern shows one main lobe of subsidence with rates of up to 25 mm/year centred around the operating wells in the north BWRO wellfield that we interpret as human-induced compaction. The spatial correlation between the subsiding area and the active production wells argues in favour of surface deformation induced by the BWRO operations. Based on the InSAR-derived displacement field and well data, we propose a model to explain the spatial heterogeneity of the subsidence process. The ground deformation is reproduced by an elastic model mimicking the reservoir compaction using planar negative closing dislocations. Modelling of the subsidence shows ∼ 0.67 Mm3 yr−1 vol loss due to compaction of the aquifer. The subsidence deformation was also used to compute the cumulative drainage area of the producing wells.يمكن أن تؤدي دورة استخراج المياه الجوفية وحقنها في أنظمة طبقات المياه الجوفية الساحلية إلى تغيير الرأس البيزومتري محليًا في نظام طبقات المياه الجوفية، مما يؤدي إلى تسوية تفاضلية على الأرض قد تعرض سلامة البنية التحتية للخطر. علاوة على ذلك، قد يتسبب استخراج المياه الجوفية على المدى الطويل وعلى نطاق واسع في أضرار كبيرة لموارد المياه. ومن المفارقات أن فلوريدا، وهي ولاية معروفة بمواردها المائية الوفيرة، تعاني من مشاكل كبيرة في إمدادات المياه في بعض المناطق التي بدأت تتكثف مع النمو السكاني السريع على مدى العقود الخمسة الماضية. مع استمرار ارتفاع الطلب على مياه الشرب في فلوريدا، لجأت السلطات المحلية إلى استخدام مصادر المياه المالحة والمالحة. اعتبارًا من عام 2022، تتركز أكثر من 80 ٪ من محطات تحلية المياه في الولايات المتحدة في المناطق الساحلية في وسط وجنوب فلوريدا. باستخدام قياس التداخل بالرادار الساتلي، قمنا بالتحقيق في التطور الزماني المكاني للهبوط السطحي المدفوع بضخ المياه الجوفية لمرافق تحلية المياه العكسية المالحة (BWRO) في مدينة كيب كورال، فلوريدا. استخدمنا قياس التداخل المستمر (PSI) لمعالجة جميع مشاهد Sentinel 1A و 1B المتاحة على المنطقة على طول مدارين صاعدين. تتم مقارنة السلاسل الزمنية للتشوه التي تم الحصول عليها من مجموعات بيانات البحث والإنقاذ المستقلة مكانيًا وزمنياً بمستوى المياه الجوفية الذي يوفر مياه التغذية لمرافق المياه والصرف الصحي. يُظهر نمط التشوه فصًا رئيسيًا واحدًا من الهبوط بمعدلات تصل إلى 25 مم/سنة تتمحور حول آبار التشغيل في حقل بئر BWRO الشمالي الذي نفسره على أنه ضغط من صنع الإنسان. ويؤيد الارتباط المكاني بين المنطقة الراكدة وآبار الإنتاج النشطة التشوه السطحي الناجم عن عمليات BWRO. بناءً على حقل النزوح المشتق من InSAR وبيانات البئر، نقترح نموذجًا لشرح عدم التجانس المكاني لعملية الهبوط. يتم إعادة إنتاج تشوه الأرض من خلال نموذج مرن يحاكي ضغط الخزان باستخدام خلوع الإغلاق السلبية المستوية. تُظهر نمذجة الهبوط خسارة 0.67 مم 3 في السنة-1 في الحجم بسبب ضغط طبقة المياه الجوفية. كما تم استخدام تشوه الهبوط لحساب مساحة التصريف التراكمية للآبار المنتجة.