地下水變化對重力場觀測的影響

賀前錢

1. 東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

有效消除地下水影響是利用地面重力場觀測監(jiān)測和研究地殼運(yùn)動及地下物質(zhì)運(yùn)移的關(guān)鍵步驟之一?；诔瑢?dǎo)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(guān)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(qiáng)超導(dǎo)重力儀對地球物理學(xué)/地球動力學(xué)信號的探測能力；另一方面可以利用超導(dǎo)重力儀觀測資料長期連續(xù)地監(jiān)測與地下水質(zhì)量流動相關(guān)的各種現(xiàn)象，并用于地下水儲量變化、土壤參數(shù)估計(jì)、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(dǎo)重力臺站的高精度重力觀測數(shù)據(jù)和水文、氣象等資料，對地下水重力效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。主要內(nèi)容與結(jié)論如下：

(1) 超導(dǎo)重力儀工作原理及其數(shù)據(jù)分析與處理。簡單介紹了超導(dǎo)重力儀的主要部件和基本工作原理，并對超導(dǎo)重力儀的格值標(biāo)定、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和調(diào)和分析原理進(jìn)行了說明，以拉薩站部分超導(dǎo)重力儀觀測資料為例進(jìn)行了處理，對超導(dǎo)重力觀測中的潮汐、氣壓、極移和漂移效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算和扣除，得到主要與地下水變化相關(guān)的重力殘差值。相關(guān)性分析表明，拉薩站超導(dǎo)重力殘差和地下水位高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(dá)西定律和表征質(zhì)量守恒原理的連續(xù)性方程，詳細(xì)推導(dǎo)了非飽和狀態(tài)下的地下水滲透方程。根據(jù)有限差分法的基本原理，導(dǎo)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(chǔ)上對地下水重力效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。最后對比分析了不同解算方法對地下水模擬結(jié)果及其相應(yīng)地下水重力效應(yīng)的影響，并對其中的層間參數(shù)取值和非線性方程的線性化問題進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，在日本Isawa超導(dǎo)臺站，不同層間參數(shù)加權(quán)公式最大能夠引起約0.15×10-8μGal的重力效應(yīng)差異，影響在1.9%以內(nèi)；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(yīng)差異，影響在1.5%以內(nèi)。該結(jié)果可以為一維地下水模擬及重力效應(yīng)改正算法的選取提供參考。

(3) 拉薩與武漢九峰超導(dǎo)重力觀測站的地下水重力效應(yīng)研究。利用國家氣象局國際交換站的氣象觀測和監(jiān)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(yīng)進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，拉薩和武漢九峰站局部地下水重力效應(yīng)的峰對峰變化幅度分別達(dá)到4.88 μGal和15.94 μGal，說明對精密重力觀測進(jìn)行局部地下水改正的必要性。而地下水重力效應(yīng)的幅度差異主要與地下水位的變化幅度大小有關(guān)。無論在時域或頻域，模擬計(jì)算的地下水重力效應(yīng)均與超導(dǎo)重力殘差有著很好的一致性，這說明超導(dǎo)重力殘差的主要信號來源是局部區(qū)域地下水的變化，該一致性也驗(yàn)證了本文模擬結(jié)果的正確性。此外，超導(dǎo)重力殘差能夠很好地反映出地下水重力效應(yīng)隨時間變化的季節(jié)性和年際性特征，因此，采用超導(dǎo)重力殘差可以獲得臺站局部地區(qū)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(jì)算結(jié)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(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，并與超導(dǎo)重力殘差進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，本文地下水動力學(xué)模擬方法計(jì)算的拉薩站局部水文重力效應(yīng)與超導(dǎo)重力殘差的差異有著更小的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)拉薩站的局部地下水變化及其重力效應(yīng)。

(5) 初始條件、土壤參數(shù)及地形的影響。以拉薩站為例，討論了初始條件和土壤參數(shù)對局部地下水分布及重力效應(yīng)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(yīng)差異，但隨時間的推移，初始條件引起的地下水重力效應(yīng)差異迅速消失。而準(zhǔn)確的土壤參數(shù)(滲透系數(shù)Ks及其變化率a、擴(kuò)散系數(shù)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(yīng)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(yīng)計(jì)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(yīng)估計(jì)的影響約為0.06%，在可以忽略的范圍內(nèi)。采用精細(xì)的三維地下水滲透模型可以獲得更加精確的模擬結(jié)果。