佘山地震臺DZW重力儀與水文變化響應分析

方韜 葉青 朱國豪

摘 要：對于安置于佘山臺的DZW重力儀在2016年連續觀測數據，進行潮汐分析和提取重力殘差處理，結合佘山臺降雨量、靜水位等水文觀測數據，分析重力儀觀測數據受水文變化的響應特征，得出降雨時重力變小，降雨后重力逐漸變大的規律。

關鍵詞：重力觀測；DZW重力儀；潮汐分析；降雨；靜水位

中圖分類號：P315 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0065-02

Abstract： For the continuous observation data of DZW gravimeter installed at Sheshan Seismostation in 2016， tidal analysis and gravity residual processing are carried out. Combined with hydrological observation data such as rainfall and static water level of Sheshan Seismostation， the response characteristics of gravimeter observation data to hydrologic changes are analyzed， and the law that gravity becomes smaller during rainfall and becomes larger gradually after rainfall is obtained.

Keywords： gravity observation； DZW gravimeter； tidal analysis； rainfall； still water level地球任何形變及密度變化均產生重力場時間變化；地震火山活動、地殼變形、地球旋轉、地幔對流、GIA等。其中地下水變化與降雨是影響重力觀測的重要因素之一。近年來水文影響對連續重力觀測的研究已經從經驗性轉變為物理模型[1]。本文采用上海市佘山地震基準臺DZW重力儀2016連續觀測數據進行潮汐分析和提取重力殘差處理。提取ZKGD3000-N型地下流體監測設備地下水位數據，RTP-II型氣象三要素的2016年降雨量數據，以這三臺儀器數據分析DZW連續重力觀測的水文響應特征。

1 連續重力觀測

佘山地震臺位于西佘山南側山腳處，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。DZW重力儀放置在山洞水平墩上，洞內溫度、濕度比較穩定，連續觀測數據質量符合對比分析需要。2015年6月，因數采故障，造成數據錯誤，錯誤數據做缺數處理，后重新進行標定，采用新格值后，數據潮汐因子回復正常，且數據精度有一定提高。

2 數據處理

重力儀原始數據為秒采樣，利用重力學科組給定的漢寧窗的數字低通濾波器將秒采樣數據濾波為分鐘采樣：利用中國地震前兆臺網數據處理系統對數據中的尖峰、突跳、階躍等干擾信號進行手工修正，通過已處理好的分鐘值數據，得到整點小時值。通過對整點值，進行調和分析，計算其固體潮汐因子。通過對潮汐因子的分析，佘山臺重力儀在儀器工作穩定的前提下，數據資料質量較好，整體性能良好，可用于之后有關水文活動對重力變化的影響的相關研究。

基于臺站經緯度及高程，通過ICET推薦標準潮汐預處理軟件Tsoft軟件，采用Wparicet計算臺站的潮汐參數，通過一階差分和極移校正，得到理論固體潮汐值，扣除已得到的整點值的數據序列，得到重力殘差。

3 數據分析

3.1 上海地區降雨情況

受亞熱帶季風氣候影響，上海市年內降雨分配不均，夏季水量最為集中，占比為41.4%，在空間分布上，年降水量及變化趨勢呈東西分布，市區多于郊區，東部沿海大于西部內陸地區，圖1，松江地區年均降雨量1128-1141mm。

3.2 佘山臺降雨情況

收集RTP雨量計數據，對2015-2016年數據處理，得到每個月份的總降雨量。佘山地區降雨主要集中與夏秋兩季，其中6月降雨量最大，分別為277.2mm和240.9mm。秋季又因有臺風等因素影響，導致大的降雨過程。年變數據與歷年上海地區及松江地區的降雨情況基本符合，說明2015-2016年佘山地區降雨情況正常變化動態，未出現洪澇、干旱等極端惡劣氣候。

同時根據2015、2016年的降雨數據，結合近兩年的臺風影響數據兩年降雨數據均在6月-7月有大幅度的上升，主要是因為南方的黃梅雨季的降水所造成，同時在2016年6月及10月均出現日變幅度比較大的降雨情況，主要是因為受到多個臺風的直接或間接影響，造成大量的降雨。

3.3 降雨造成的重力變化分析

利用降雨量較大的月份，對重力數據單獨進行殘差計算，并于降雨數據進行對應分析。通過降雨數據，一個月內降雨較大的月份有2016年6月、10月，主要對這些月份的重力數據進行殘差計算，與降雨量數據進行相關性分析。

分別對上述兩個月重力數據進行殘差計算，所得數據與當月降雨量數據就行對比。

從圖1我們可以分析出，佘山臺DZW重力儀的重力殘差變化和降雨有比較好的對應關系，大部分情況下，他們之間的關系滿足降雨時重力變小，降雨后重力逐漸變大的規律。產生這一特征的原因，主要是因為佘山臺重力觀測位于西佘山南側山腳處，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。降雨開始時，雨水覆蓋到地表層，由于西佘山海拔高于觀測山洞，海拔高的地方的雨水層對重力產生引力傾斜向上，與重力儀處于同海拔的雨水層對重力儀的引力相互抵消，這時重力值變小。降雨結束后，高海拔地區的雨水漸漸大量流向低海拔地區，在低于重力儀海拔的地層形成了一個更豐富的覆蓋層及含水層，這時重力儀受下層含水層引力影響重力值增大。十三陵地震臺使用gPhone重力儀也觀測到了類似現象[2]。

3.4 重力變化與地下靜水位變化的對應關系

圖2是DZW重力儀觀測結果的重力殘差和佘山地震臺靜水位關系

由圖2可以分析得出，地下靜水位與連續重力觀測殘差曲線存在較好的相關性，水位上升時重力值增大，水位下降時重力值減小。通過圖2分析出DZW重力觀測到的重力變化與靜水位存在1天左右的延遲對應關系。延遲原因可能是地下水流動造成的，由于地下結構比較復雜，地下水的活動受很多地址環境的影響，如地下水流動、斷層的阻斷等，都會造成重力變化對水位活動的延遲[3，4]。

4 結束語

本文對佘山地震基準臺的DZW重力儀對2016年的重力連續觀測數據進行潮汐因子分析和提取重力殘差處理。并提取ZKGD3000-N型地下流體監測設備地下水位數據，RTP-II型氣象三要素的2015、2016年降雨量數據，分別從這三臺儀器2年數據中提取了2016年6月2016年10月這兩月，這兩個月的水文變化大，數據完整性好適合分析DZW連續重力觀測的水文響應特征。結果顯示：（1）佘山臺降雨變化與DZW重力儀重力殘差變化有著很好的對應關系，大多數情況下，它們之間的關系是降雨時重力變小，降雨后重力逐漸變大的規律。該現象可根據觀測臺站周圍特定的地形條件定性解釋。（2）連續重力觀測殘差曲線與地下靜水位之間存在較好的相關性，水位下降時重力減小，水位上升時重力增大并分析發現DZW重力觀測到的重力變化與靜水位存在1天左右的延遲對應關系。

參考文獻：

[1]Tanaka T，Miyajima R，Asai H，et al.Hydrological Gravity Response Detection Using a gPhone Below-and Aboveground[J].Earth，Planets and Space，2013，65（2）：59-66.

[2]余雅文，付廣裕，韋進.十三陵地震臺gPhone重力儀的儀器性能與水文響應分析[J].大地測量與地球動力學，2015（10）.

[3]Naujoks M，Kroner C，Weise A，et al.Evaluating Local Hydrological Modelling by Temporal Gravity Observations and a Gravimetric Three-Dimensional Model[J].Geophysical Journal International，2010，182（1）：233-249.

[4]Pool D R，Schmidt W.Measurement of Ground-Water Storage Change and Specific Yield Using the Temporal-Gravity Method near Rillito Creek，Tucson，Arizona[R].Tucson：US Geological Survey，1997.