地下水變化對重力場觀測的影響

賀前錢

1. 東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013； 2. 中國科學院大學，北京 100049

有效消除地下水影響是利用地面重力場觀測監測和研究地殼運動及地下物質運移的關鍵步驟之一。基于超導重力儀(SG)的高精度重力觀測，可建立地下水變化與重力場變化之間的關系，一方面可以利用地下水文資料消除地下水變化的影響，增強超導重力儀對地球物理學/地球動力學信號的探測能力；另一方面可以利用超導重力儀觀測資料長期連續地監測與地下水質量流動相關的各種現象，并用于地下水儲量變化、土壤參數估計、水文模型約束等方面的研究。

本文利用拉薩和武漢九峰兩個超導重力臺站的高精度重力觀測數據和水文、氣象等資料，對地下水重力效應進行了詳細研究。主要內容與結論如下：

(1) 超導重力儀工作原理及其數據分析與處理。簡單介紹了超導重力儀的主要部件和基本工作原理，并對超導重力儀的格值標定、數據預處理方法和調和分析原理進行了說明，以拉薩站部分超導重力儀觀測資料為例進行了處理，對超導重力觀測中的潮汐、氣壓、極移和漂移效應進行了計算和扣除，得到主要與地下水變化相關的重力殘差值。相關性分析表明，拉薩站超導重力殘差和地下水位高度相關(相關系數0.71)。

(2) 地下水模擬及地下水變化對重力場的影響。利用地下水流動的達西定律和表征質量守恒原理的連續性方程，詳細推導了非飽和狀態下的地下水滲透方程。根據有限差分法的基本原理，導出了滲透方程3種差分格式的有限差分解算方法。在獲得的地下水分布基礎上對地下水重力效應進行了計算。最后對比分析了不同解算方法對地下水模擬結果及其相應地下水重力效應的影響，并對其中的層間參數取值和非線性方程的線性化問題進行了探討。結果表明，在日本Isawa超導臺站，不同層間參數加權公式最大能夠引起約0.15×10-8μGal的重力效應差異，影響在1.9%以內；不同差分格式和線性化方法最大能夠引起約0.12 μGal的重力效應差異，影響在1.5%以內。該結果可以為一維地下水模擬及重力效應改正算法的選取提供參考。

(3) 拉薩與武漢九峰超導重力觀測站的地下水重力效應研究。利用國家氣象局國際交換站的氣象觀測和監測水井的水位觀測資料，對拉薩站和武漢九峰站的局部地下水分布及其重力效應進行了模擬。結果顯示，拉薩和武漢九峰站局部地下水重力效應的峰對峰變化幅度分別達到4.88 μGal和15.94 μGal，說明對精密重力觀測進行局部地下水改正的必要性。而地下水重力效應的幅度差異主要與地下水位的變化幅度大小有關。無論在時域或頻域，模擬計算的地下水重力效應均與超導重力殘差有著很好的一致性，這說明超導重力殘差的主要信號來源是局部區域地下水的變化，該一致性也驗證了本文模擬結果的正確性。此外，超導重力殘差能夠很好地反映出地下水重力效應隨時間變化的季節性和年際性特征，因此，采用超導重力殘差可以獲得臺站局部地區的平均地下水分布，為了解地下水的滲透過程提供重要約束。

(4) 與全球水文模型計算結果的比較。利用不同的全球水文模型對拉薩站的局部地下水重力效應進行了計算，并與超導重力殘差進行了對比。結果表明，本文地下水動力學模擬方法計算的拉薩站局部水文重力效應與超導重力殘差的差異有著更小的標準差，說明相比這幾種全球水文模型，本文的模擬方法能夠更好地估計拉薩站的局部地下水變化及其重力效應。

(5) 初始條件、土壤參數及地形的影響。以拉薩站為例，討論了初始條件和土壤參數對局部地下水分布及重力效應的影響。雖然初始條件的差異能夠引起較大的初始重力效應差異，但隨時間的推移，初始條件引起的地下水重力效應差異迅速消失。而準確的土壤參數(滲透系數Ks及其變化率a、擴散系數Ds及其變化率b)，尤其是Ks和Ds的取值，對地下水分布及其重力效應的模擬非常重要。以武漢九峰站為例，討論了地形對地下水重力效應計算的影響，在傾斜平板模型中，九峰山體坡度(約3.5%)對水文重力效應估計的影響約為0.06%，在可以忽略的范圍內。采用精細的三維地下水滲透模型可以獲得更加精確的模擬結果。