Ground deformation monitoring in the UAE

Abstract

In this thesis, the past and present ground deformations in the east Abu Dhabi Emirate and the city of Abu Dhabi were investigated. The former area is a mainly agricultural region where dependence on groundwater is documented, while the expansion of Abu Dhabi city towards the inland of the UAE has recently faced several engineering problems due to subsurface cavities. For this purpose, the groundwater-related displacement phenomena as well as those caused by karstic features were assessed and monitored by means of SAR Interferometry and multi-temporal interferometric techniques, such as SBAS and PSI, in order to mitigate the strong atmospheric effects. Despite the low coherence of the sand dune background that covers most of the study areas and the sparsity of known stable points to be used as reference, the use of ENVISAT, ALOS and Sentinel-1 data revealed the existence of several subsidence and uplift patterns in the rural areas that were not previously known, while their relation to the groundwater variations was also examined. The subsidence rates appeared to have reached 18 mm/year in the area of Al Wagan, but the trends appear to be decelerating in many occasions. The results were also validated with GPS measurements. The study of the hydrogeological setting in the area of Al Ain indicated the existence of a low conductivity zone along the groundwater flow direction, which suggested that one of the causes of the ground deformations, apart from the high irrigation demands, is the low lateral recharge in the agricultural regions. In order to further map the effects of the groundwater table variations, the changes in the vegetation cover and their trends were mapped with the use of optical sensors, such as Landsat and MODIS. It was found that the trends of the Normalized Differenced Vegetation Index (NDVI) and the land use changes also exhibited a strong relation with the groundwater. The PSI and SBAS techniques were also able to detect the localized cavity-related subsidence in the city of Abu Dhabi with Sentinel-1 data, which were validated with damage assessment surveys in buildings and other infrastructure.

Σε αυτή τη διατριβή μελετήθηκαν οι παρελθούσες και οι παρούσες εδαφικές παραμορφώσεις στο ανατολικό τμήμα του Εμιράτου του Αμπου Νταμπι και στην πόλη του Αμπου Νταμπι. Η πρώτη περιοχή είναι κυρίως αγροτική όπου η εξάρτηση της από τα υπόγεια ύδατα είναι καταγεγραμμένη, ενώ η επέκταση της πόλης του Αμπου Νταμπι προς το εσωτερικό των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων αντιμετώπισε πρόσφατα αρκετά προβλήματα μηχανικής λόγω υπεδάφιων κενών. Γι’ αυτό το σκοπό, τα σχετιζόμενα με υπόγεια νερά φαινόμενα μετατοπίσεων καθώς κι εκείνα που προκλήθηκαν από καρστικά χαρακτηριστικά αξιολογήθηκαν και παρακολουθήθηκαν μέσω συμβολομετρίας SAR και πολύ-χρονικών συμβολομετρικών τεχνικών, όπως SBAS και PSI, ώστε να περιοριστούν οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Παρά τη χαμηλή συνάφεια του αμμώδους υποβάθρου που καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα των περιοχών μελέτης και την σποραδικότητα γνωστών σταθερών σημείων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως σημεία αναφοράς, η χρήση δεδομένων από ENVISAT, ALOS και Sentinel-1 αποκάλυψε την ύπαρξη αρκετών υποδειγμάτων καθίζησης και ανύψωσης στις αγροτικές περιοχές που δεν ήταν προηγουμένως γνωστές, ενώ εξετάστηκε επίσης και η σχέση τους με τις διαφοροποιήσεις των υπόγειων υδάτων. Οι ρυθμοί καθίζησης εμφανίστηκαν να φτάνουν τα 18 χιλιοστά το χρόνο στην περιοχή του Al Wagan, αλλά οι τάσεις εμφανίζονται επιβραδυνόμενες σε πολλές περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν επίσης με μετρήσεις GPS. Η μελέτη του υδρογεωλογικού καθεστώτος της περιοχής του Al Ain υπέδειξε την ύπαρξη μια ζώνης χαμηλής αγωγιμότητας κατά μήκος της κατεύθυνσης ροής των υπόγειων υδάτων, η οποία υποδηλώνει ότι μια από τις αιτίες των εδαφικών παραμορφώσεων, εκτός από τις υψηλές απαιτήσεις σε υπόγεια νερά, είναι η χαμηλή πλευρική επαναφόρτιση στις αγροτικές περιοχές. Για να καθοριστούν περαιτέρω οι συνέπειες των διαφοροποιήσεων του υπογείου υδροφόρου ορίζοντα, οι αλλαγές στην κάλυψη βλάστησης και η τάσεις τους χαρτογραφήθηκαν με τη χρήση οπτικών αισθητήρων, όπως Landsat και MODIS. Βρέθηκε ότι οι τάσεις του Κανονικοποιημένου Διαφοροποιημένου Δείκτη Βλάστησης (NDVI) και οι αλλαγές στις χρήσεις γης επέδειξαν επισης δυνατη σχεση με τα υπογεια νερα. Οι τεχνικες PSI και SBAS ηταν επισης ικανες να ανιχνεύσουν τοπικές καθιζήσεις που σχετίζονται με υπεδάφια κενά στην πόλη του Αμπου Νταμπι με δεδομένα Sentinel-1, οι οποίες επαληθευτήκαν με τοπογραφήσεις και αξιολογήσεις ζημιών σε κτίρια και άλλες υποδομές.