賀前錢(qián)，羅少聰，孫和平，徐建橋，陳曉東

1 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430077 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

?

武漢九峰站地下水變化對(duì)重力場(chǎng)觀測(cè)的影響

賀前錢(qián)1,2，羅少聰1，孫和平1，徐建橋1，陳曉東1

1 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430077 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

本文從地下水滲透過(guò)程的物理機(jī)制出發(fā)，采用一維水動(dòng)力學(xué)模擬，利用井水位和降雨數(shù)據(jù)模擬計(jì)算了武漢九峰站附近的土壤含水率變化，在此基礎(chǔ)上估計(jì)了地下水變化導(dǎo)致的重力效應(yīng).其峰對(duì)峰變化幅度達(dá)到15.94 μGal，說(shuō)明當(dāng)利用精密重力觀測(cè)研究長(zhǎng)周期效應(yīng)時(shí)實(shí)施臺(tái)站地下水改正的必要性；頻域分析表明，地下水重力效應(yīng)在周年頻段上的振幅最大，說(shuō)明地下水變化對(duì)重力的最大影響來(lái)自季節(jié)性變化.對(duì)比模擬計(jì)算的地下水重力效應(yīng)和經(jīng)過(guò)潮汐、大氣、極移等改正后的高精度超導(dǎo)重力殘差(峰對(duì)峰變化幅度為12.73 μGal)，發(fā)現(xiàn)兩者在時(shí)域和頻域均具有良好的一致性，說(shuō)明超導(dǎo)重力殘差信號(hào)主要來(lái)源于局部地區(qū)地下水的變化，同時(shí)也驗(yàn)證了本文使用的水動(dòng)力學(xué)模擬方法的正確性.

地下水變化；水動(dòng)力學(xué)模擬方法；超導(dǎo)重力儀觀測(cè)信號(hào)

1　引言

長(zhǎng)期而穩(wěn)定的高精度重力潮汐觀測(cè)作為探測(cè)各種地球物理信號(hào)的有力工具，已經(jīng)有效應(yīng)用于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Hinderer and Crossley,2000)、板塊構(gòu)造(Francis et al.,2004;Sato et al.,2012)、冰后期回彈(Lambert et al.,2001;Sato et al.,2006;Steffen et al.,2009)、地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)(徐建橋等,2001;孫和平等,2004;Shiomi,2008)等研究中.而超導(dǎo)重力儀(Superconducting Gravimeter，SG)是目前精度最高、連續(xù)性和穩(wěn)定性最好的重力觀測(cè)設(shè)備，觀測(cè)精度可達(dá)0.01 μGal(1 μGal=1×10-8m·s-2).1997年全球地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃(Global Geodynamics Project,GGP)的組織實(shí)施(Crossley et al.,1999)，其目的之一就是研究與重力變化相關(guān)的各種地球物理現(xiàn)象.

然而，超導(dǎo)重力儀觀測(cè)的重力信號(hào)除了包含地球物理和地球動(dòng)力學(xué)信息之外，也會(huì)受到海洋潮汐、氣壓變化與地下水變化等環(huán)境因素的影響.因此，在重力觀測(cè)的處理中進(jìn)行環(huán)境因素的改正顯得越來(lái)越重要.對(duì)于最主要的海洋與大氣負(fù)荷效應(yīng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究(Farrell,1972;Agnew,1997;孫和平,1997;Boy et al.,2002;羅少聰?shù)?2005;Zhou et al.,2013)，改正的方法和流程都趨于成熟.但是，地下水變化對(duì)重力場(chǎng)觀測(cè)的影響研究還不夠成熟.一些學(xué)者曾研究了地下水變化對(duì)重力觀測(cè)的影響(Pool,2008;Leiri?o et al.,2009)，簡(jiǎn)單的理論研究表明，在布格平板模型中，1 m厚的水層質(zhì)量變化約能導(dǎo)致42 μGal的重力擾動(dòng)(Crossley et al.,1998;Knudsen and Andersen,2002).而實(shí)際上影響地下水文運(yùn)動(dòng)的因素有很多，包括降雨、降雪、蒸發(fā)、土壤滲透、地表徑流等自然因素，也包括地下水抽取、農(nóng)作物灌溉、水庫(kù)蓄水等人為因素(張人權(quán)等,2011).如果只針對(duì)其中的單個(gè)因素著手研究，往往不能準(zhǔn)確估計(jì)該因素對(duì)重力變化的影響.如Harnisch和Harnisch(2006)在研究中用到了降雨、地下水位和土壤濕度數(shù)據(jù)，但只簡(jiǎn)單分析了各個(gè)影響因素與重力觀測(cè)變化的相關(guān)性，沒(méi)能將這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)描述地下水的流動(dòng)，因而缺乏物理基礎(chǔ).而Kazama等(2012)從基本的地下水滲流方程(Richards方程)出發(fā)，解決了這樣的問(wèn)題，利用降雨和地下水位數(shù)據(jù)從物理上模擬出地下水的垂直分布情況，進(jìn)而估計(jì)地下水變化導(dǎo)致的重力效應(yīng).

1997年11月，經(jīng)廠家更新?lián)Q代后的SG C032成功安裝在位于武漢市郊九峰的大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱(chēng)九峰站)，其高質(zhì)量的連續(xù)重力觀測(cè)資料為研究該區(qū)域重力潮汐和非潮汐變化特征以及地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題奠定了良好的資料基礎(chǔ)(許厚澤等，2000；孫和平等，2005；徐建橋等，2014).同時(shí)，九峰站是中國(guó)大陸唯一的國(guó)際重力潮汐基準(zhǔn)站，是正在實(shí)施的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的基準(zhǔn)站之一，是不同類(lèi)型重力儀對(duì)比觀測(cè)以及檢驗(yàn)中國(guó)大陸的固體潮和海潮模型的重要實(shí)驗(yàn)和研究基地.張為民和王勇(2007)曾利用絕對(duì)重力儀研究了武漢九峰站的測(cè)點(diǎn)環(huán)境噪聲干擾水平和重力變化速率，指出地下水變化對(duì)該站的重力觀測(cè)影響不容忽視.徐建橋等(2008)也曾利用全球陸地水同化模型LaD和GLDAS研究了全球陸地水循環(huán)在武漢九峰站導(dǎo)致的重力變化，同時(shí)也指出由于沒(méi)有考慮臺(tái)站局部地區(qū)的地下水實(shí)際分布，超導(dǎo)重力儀觀測(cè)的重力季節(jié)變化與全球陸地水循環(huán)導(dǎo)致的重力變化之間存在著較大的差異和大約55天的時(shí)間延遲.

本文目的是研究九峰站局部地區(qū)地下水變化對(duì)超導(dǎo)重力觀測(cè)的影響，根據(jù)武漢國(guó)際氣象交換站降雨量與九峰站地下水位記錄，利用水動(dòng)力學(xué)法從物理上模擬計(jì)算了地下水的滲透，得出臺(tái)站附近區(qū)域土壤含水率隨深度的分布，進(jìn)而獲得地下水變化對(duì)重力觀測(cè)的影響.利用高精度的超導(dǎo)重力儀觀測(cè)殘差與模擬的地下水重力效應(yīng)對(duì)比，可以檢驗(yàn)?zāi)M計(jì)算的實(shí)際效果；也可以對(duì)超導(dǎo)重力殘差進(jìn)行地下水重力效應(yīng)的改正，去掉與降雨和季節(jié)性水循環(huán)有關(guān)的短周期信號(hào)，提高我們檢測(cè)與地殼運(yùn)動(dòng)有關(guān)的長(zhǎng)期重力變化的能力.

2　觀測(cè)環(huán)境

九峰站位于武漢市洪山區(qū)石門(mén)峰北面的山脊上，山體相對(duì)高度差35 m左右.上覆地層為中更新世殘積、沖洪積物，下伏基巖由南向北分別為二疊系棲霞組(P1q)灰?guī)r、二疊系孤峰組(P2g)硅質(zhì)巖、三疊系(T)灰?guī)r，地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定.該站始建于20世紀(jì)80年代末，在重力觀測(cè)室建造時(shí)，為了減小環(huán)境溫度變化對(duì)儀器的影響，將山體靠北一面挖開(kāi)，采用整體框架結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行回填的方式建造，保證觀測(cè)資料的可靠性和高精度要求(張為民和王勇,2007;徐建橋等,2008).

九峰站所在武漢市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，總體氣候環(huán)境良好.雨量充沛，近30年來(lái)，年均降雨量1269 mm，且多集中在6—8月.日照充足，年均氣溫16.7 ℃(據(jù)中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心1971—2000年資料統(tǒng)計(jì)).

3　數(shù)據(jù)及分析處理

3.1水文與氣象數(shù)據(jù)

為了研究地下水變化對(duì)九峰站重力變化觀測(cè)的影響，臺(tái)站鉆取了一口水井，井內(nèi)安裝一臺(tái)地下水位監(jiān)測(cè)儀，用以記錄地下水位的變化.水井距超導(dǎo)重力儀大約130 m，由于研究區(qū)域的水文環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，因此水井的水位可以近似看作臺(tái)站局部區(qū)域的地下水位.圖1的黑色曲線(xiàn)表示水井的水位觀測(cè)記錄，起始面選在地面以下10 m的位置.觀測(cè)從2008年5月開(kāi)始至2012年11月結(jié)束，原始采樣間隔為10 min，重采樣間隔為1 h.由圖可以清楚看到，4年多的數(shù)據(jù)足以反映出地下水位的季節(jié)性和年際變化特征.

日降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的《中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集》，該數(shù)據(jù)集包含了中國(guó)194個(gè)地面氣象站1951年以來(lái)的氣象資料，包括日平均氣壓、平均氣溫、蒸發(fā)和降水量等8個(gè)要素的觀測(cè)值.圖1的灰色柱條表示武漢氣象國(guó)際交換站的日降雨量時(shí)間分布，如圖所示其降雨量季節(jié)性變化明顯，多集中在6—8月.

3.2超導(dǎo)重力數(shù)據(jù)及分析處理

九峰站SG C032從1997年11月開(kāi)始，連續(xù)觀測(cè)至2012年7月，考慮到與地下水位數(shù)據(jù)之間的時(shí)間一致性，本研究選取了2008年5月至2012年7月的超導(dǎo)重力儀觀測(cè)記錄，包括重力和氣壓數(shù)據(jù).重力觀測(cè)以1 s的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀測(cè)精度達(dá)到0.01 μGal，儀器的漂移量為2.28 μGal/a(陳曉東,2003).超導(dǎo)重力儀的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格值標(biāo)定、修正尖峰間隔跳躍、重采樣、扣除潮汐信號(hào)、氣壓改正、極移改正和去漂移項(xiàng)的處理過(guò)程之后，剩余的重力殘差中主要包含的就是地下水重力效應(yīng).

SG數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用國(guó)際地球潮汐中心推薦的重力固體潮觀測(cè)資料預(yù)處理軟件Tsoft(Van Camp and Vauterin,2005)，通過(guò)移去-恢復(fù)的人機(jī)對(duì)話(huà)方式，直觀剔除并改正觀測(cè)資料中的干擾信號(hào)(如尖峰、間隔、跳躍、大地震干擾等)，并采用低通數(shù)字濾波器將原始每秒采樣資料變換為每小時(shí)采樣.然后，利用Eterna3.30標(biāo)準(zhǔn)分析軟件(Wenzel,1996)對(duì)其進(jìn)行調(diào)和分析，精密確定九峰站的重力潮汐參數(shù)和大氣重力導(dǎo)納值(-0.36 μGal/hPa)，進(jìn)而在SG觀測(cè)中精密剔除重力潮汐信號(hào)和局部大氣負(fù)荷效應(yīng).極移改正用到的極坐標(biāo)來(lái)自國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(International Earth Rotation Service,IERS)網(wǎng)站(http://www.iers.org).儀器漂移的去除采取了線(xiàn)性擬合的方法，因?yàn)榘惭b一段時(shí)間(4至6個(gè)月)之后儀器的漂移基本上會(huì)變成時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù)(Van Camp and Francis,2007).

格值轉(zhuǎn)換后的原始超導(dǎo)重力儀的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2a所示，其中2012年5月1日出現(xiàn)一處46.79 μGal的跳躍，可能是由儀器掉格所致，采用Tsoft的跳躍修正器加以修正.圖2b的實(shí)線(xiàn)所示是經(jīng)過(guò)尖峰間隔跳躍修正、扣除潮汐信號(hào)、氣壓改正、極移改正之后的重力殘差曲線(xiàn)，虛線(xiàn)所示是漂移線(xiàn)性擬合項(xiàng).去掉漂移項(xiàng)之后，得到的最終殘差曲線(xiàn)如圖2c所示，為方便起見(jiàn)，未作特殊說(shuō)明的情況下，后文出現(xiàn)的超導(dǎo)重力殘差均指圖2c所示的殘差.

圖1　臺(tái)站觀測(cè)的地下水位和日降雨量Fig.1　Groundwater level measured at station and daily precipitation

圖2　超導(dǎo)重力殘差(a)超導(dǎo)重力儀重力觀測(cè)值；(b)未經(jīng)漂移改正的重力殘差值(實(shí)線(xiàn))和線(xiàn)性漂移項(xiàng)(虛線(xiàn))；(c)最終的重力殘差值.Fig.2　Superconductivity gravity (SG)residuals(a)SG observations；(b)SG residuals without drift correction (solid)and linear drift (dash)；(c)Final SG residuals.

4　理論模擬方法

研究表明，重力儀的觀測(cè)對(duì)近區(qū)的地下水運(yùn)動(dòng)尤為敏感(Abe et al.,2006;Hasan et al.,2006;Kazama and Okubo,2009;Hector et al.,2013).Kazama和Okubo(2009)的研究指出，Asama火山觀測(cè)站重力儀觀測(cè)到的地下水重力效應(yīng)能被70 m左右范圍內(nèi)的地下水質(zhì)量變化較好地解釋?zhuān)绱诵〉闹饕绊懛秶c臺(tái)站所處的地形和地下水的埋深較淺有關(guān).因此，本文在不考慮地形的水平起伏和地下水的水平流動(dòng)的情況下，以監(jiān)測(cè)水井的水位代表重力儀局部地區(qū)的地下水位，并模擬了非飽和層(地面至地下水位)的滲透過(guò)程，以便更精確地確定局部地區(qū)地下水流動(dòng)對(duì)重力觀測(cè)的影響.

假設(shè)土壤性質(zhì)是均勻的，在非飽和區(qū)域內(nèi)取一邊長(zhǎng)分別為Δx、Δy和Δz的均衡單元體，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，地下水滲透滿(mǎn)足如下的連續(xù)性方程(薛禹群，1986；薛禹群和謝春紅，2007；Bear，1979)：

(1)

式中：ρw為土壤水密度；vx、vy和vz為三個(gè)方向上的滲流速度分量；θ為單元體的含水率.

不考慮土壤的彈性形變和水的密度變化，Δx、Δy、Δz和ρw為常數(shù)，且不考慮水平方向上的流動(dòng)，則有垂向一維運(yùn)動(dòng)的非線(xiàn)性擴(kuò)散方程，即Richards方程：

(2)

式中：D和K分別為垂向滲透系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，均是含水率θ的函數(shù).

將降雨量數(shù)據(jù)和地下水位數(shù)據(jù)分別作為上、下邊界條件，利用有限差分法求解上述Richards方程，便可以得到各個(gè)時(shí)刻的地下水分布.而地下水變化對(duì)重力觀測(cè)的影響則由如下的公式給出 (Van Camp et al.,2006;Kazama et al.,2012)：

(3)

式中：gw(t)為總的地下水重力效應(yīng)，Δz是水平含水層的厚度.在實(shí)際計(jì)算中我們?nèi)∪f(wàn)有引力常數(shù)G=6.67×10-11m3·kg-1·s-2，水的密度ρw=1000 kg·m-3.

注意到上述地下水滲透的模擬過(guò)程和地下水重力效應(yīng)的計(jì)算完全沒(méi)有用到重力觀測(cè)值來(lái)作為任何程度上的約束條件，因此這里所采用的計(jì)算可以說(shuō)是不依賴(lài)于重力觀測(cè)的.

5　結(jié)果與討論

我們將地表至地下10 m的土壤劃分為100個(gè)厚度Δz=0.1 m的等厚水平層，模擬了各層含水率隨時(shí)間的變化，時(shí)間間隔Δt=3600 s.其中，根據(jù)常見(jiàn)的土壤類(lèi)型和常見(jiàn)松散巖土孔隙度參考值(張人權(quán)等,2011)，并參考張為民等(2001)在武漢地區(qū)的土壤樣品試驗(yàn)結(jié)果，取土壤的孔隙度為n=0.24.圖3顯示了幾個(gè)典型深度(地面以下1～9 m處)的含水率時(shí)間變化，9 m以下的土壤一直處于飽和含水狀態(tài)，因此不作繪制.各深度處的含水率變化趨勢(shì)一致，都是在冬季達(dá)到最低峰值(2011年除外)，在夏季達(dá)到最高峰值，這與圖1中的降雨量時(shí)間分布和監(jiān)測(cè)水井水位的變化相吻合.而2011年的土壤含水率時(shí)間變化的最低峰值和水井最低水位出現(xiàn)在夏季，這主要是因?yàn)?011年武漢遭遇冬春連旱，1—5月降雨總量與歷年同期比較偏少60%，一度達(dá)到嚴(yán)重干旱標(biāo)準(zhǔn).6月發(fā)生強(qiáng)降雨，單月平均降雨量與歷年同期比較偏多80%，形成旱澇急轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)(2011年武漢市水資源公報(bào)).

對(duì)比圖1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大降雨發(fā)生時(shí)，各層的含水率隨即顯著增加，之后一段時(shí)間內(nèi)，各層的含水率先后出現(xiàn)指數(shù)下降.但是各處含水率的變化并不是同步進(jìn)行的，相對(duì)淺層而言，深層的含水率變化存在著一定的時(shí)間延后，這很可能是跟地下水的滲透有關(guān).

圖4顯示了三個(gè)典型時(shí)刻土壤含水率隨深度的變化.其中圖4a和圖4c處于水位相對(duì)較低的枯水期，水位埋深分別為8.15 m和7.23 m，圖4b處于圖4a和圖4c之間的豐水期，水位埋深為1.36 m.

圖3　模擬計(jì)算的地下1～9 m處含水率變化Fig.3　Simulated soil water content variations at 1～9 m depth

圖4　含水率隨深度的變化Fig.4　Variation of soil water content with depth

圖5　模型估計(jì)的地下水重力效應(yīng)(藍(lán))和SG重力殘差時(shí)間序列(黑)Fig.5　Simulated groundwater hydrological effects on gravity (blue)and the time series of SG residuals (black)

圖6　模型估計(jì)的地下水重力效應(yīng)(藍(lán))和SG重力殘差(黑)振幅譜及相位譜Fig.6　Amplitude spectrum and phase spectrum of the simulated groundwater hydrological effects on gravity (blue)and the SG residuals (black)

圖5比較了模擬計(jì)算的地下水重力效應(yīng)和超導(dǎo)重力殘差，黑線(xiàn)顯示的是2008年5月至2012年7月的超導(dǎo)重力殘差，藍(lán)線(xiàn)顯示的是模擬計(jì)算的2008年5月至2012年11月的地下水重力效應(yīng).對(duì)比兩者的變化趨勢(shì)即可發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算可以很好地重現(xiàn)出觀測(cè)重力殘差的季節(jié)和年際變化，在降雨較少的冬季達(dá)到最低峰值，在降雨較多的夏季達(dá)到最高峰值(2011年除外).經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換計(jì)算兩者的年際變化振幅譜和相位譜(圖6)，圖6的振幅譜結(jié)果表明兩者有著非常相似的頻率-振幅分布.兩者在時(shí)域和頻域上趨勢(shì)的一致性說(shuō)明經(jīng)過(guò)文中各項(xiàng)改正之后的重力殘差的主要信號(hào)來(lái)源是局部區(qū)域地下水的變化，同時(shí)也驗(yàn)證了本文模擬結(jié)果的正確性.

模擬計(jì)算的結(jié)果表明武漢九峰站局部區(qū)域地下水變化最大可以引起15.94 μGal的重力變化，在冬夏降雨量差別較大的兩季之間，地下水重力效應(yīng)的變化通常會(huì)達(dá)到10 μGal以上.因此，在進(jìn)行精度較高的重力觀測(cè)時(shí)，特別是在時(shí)間跨度超過(guò)幾個(gè)月或者幾個(gè)季度的情況下，必須將局部區(qū)域地下水的影響考慮進(jìn)去.

雖然，模擬計(jì)算的地下水重力效應(yīng)在時(shí)域和頻域上都表現(xiàn)出了與超導(dǎo)重力殘差一致的變化趨勢(shì)，但是，兩者的振幅和相位也存在一定差異.如整個(gè)時(shí)段內(nèi)，超導(dǎo)重力殘差的變化幅度為12.73 μGal，而模擬的地下水重力效應(yīng)的變化幅度為15.94 μGal，兩者相差3.21 μGal.在兩者振幅最大的周年頻段上，超導(dǎo)重力殘差的振幅和相位分別為：2.96 μGal和-69.0°；模擬的地下水重力效應(yīng)振幅和相位分別為：4.18 μGal和-46.5°.模擬的年際變化振幅比觀測(cè)到的大1.22 μGal，相位上提前22.5°.

能夠引起兩者差異出現(xiàn)的可能原因有許多，如超導(dǎo)重力殘差中可能含有非環(huán)境因素的地球物理信號(hào)；超導(dǎo)重力資料的處理過(guò)程中也可能帶入不確定因素.這都是與模擬計(jì)算無(wú)關(guān)的影響因素.與模擬計(jì)算相關(guān)的影響因素包括：(1)地形起伏的影響.由于缺少臺(tái)站區(qū)域的地形資料，我們對(duì)地下水滲透模型作了地形的簡(jiǎn)化處理，即不考慮臺(tái)站附近區(qū)域的地形起伏，將其作為平坦地區(qū)進(jìn)行研究.(2)模型簡(jiǎn)化的影響.文中采用模型只考慮了垂直方向上的一維地下水滲透，忽略了地下水在橫向上的流動(dòng)，且不考慮土壤的不均勻性，即假設(shè)不同深度的土壤性質(zhì)相同，這顯然與實(shí)際的情況有所差異.(3)水文資料的不足.地下水的分布和流動(dòng)對(duì)時(shí)間和空間都有很強(qiáng)的依賴(lài)性，比如地形的起伏、植被的繁茂程度和地表建筑物的遮擋等，都會(huì)對(duì)地下水的分布產(chǎn)生影響，僅憑一口水井的觀測(cè)資料難以反映出臺(tái)站附近區(qū)域的地下水詳細(xì)分布.(4)與鄰近區(qū)域的地下水交換.地下水系統(tǒng)中土壤含水層除了受到來(lái)自降雨的補(bǔ)給和源于蒸發(fā)作用的消耗之外，還會(huì)與鄰近區(qū)域的含水層發(fā)生地下水交換.

6　結(jié)論

本文基于一維地下水滲透模型，以地面降雨量和地下水位等觀測(cè)資料為約束條件，模擬獲得了武漢九峰臺(tái)站局部區(qū)域土壤含水率隨深度變化的分布特征，并進(jìn)一步估計(jì)了其導(dǎo)致的重力變化.從結(jié)果來(lái)看，局部區(qū)域地下水變化最大可以引起15.94 μGal的重力變化，因此，在進(jìn)行時(shí)間跨度較長(zhǎng)的精密重力觀測(cè)時(shí)，必須對(duì)其作相應(yīng)的地下水改正.

在時(shí)域和頻域分別對(duì)模擬計(jì)算的地下水重力效應(yīng)和超導(dǎo)重力殘差進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢(shì)上均有很好的一致性，這說(shuō)明超導(dǎo)重力殘差的主要信號(hào)來(lái)源是局部區(qū)域地下水的變化，同時(shí)這種一致性也驗(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(shí)間變化的季節(jié)性和年際特征，因此，采用超導(dǎo)重力殘差可以獲得臺(tái)站局部地區(qū)的平均地下水分布，可以為了解地下水的滲透過(guò)程提供重要約束.

然而，模擬值和觀測(cè)值之間依然存在著振幅和相位上的偏差，這需要加入地形和更加詳細(xì)的水文觀測(cè)資料來(lái)提高模擬結(jié)果的精度.

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站和中國(guó)氣象局的數(shù)據(jù)支持，以及兩位審稿人給文章初稿提出寶貴的評(píng)論意見(jiàn)和修改建議.

References

Abe M,Takemoto S,Fukuda Y,et al.2006.Hydrological effects on the superconducting gravimeter observation in Bandung.J.Geodyn.,41(1-3):288-295.

Agnew D C.1997.NLOADF:A program for computing ocean-tide loading.J.Geophys.Res.,102(B3):5109-5110.

Bear J.1979.Hydraulics of Groundwater.New York:McGraw-Hill International Book Co.

Boy J-P,Gegout P,Hinderer J.2002.Reduction of surface gravity data from global atmospheric pressure loading.Geophys.J.Int.,149(2):534-545.

Chen X D.2003.Preprocessing and Analytical Results of the Tidal Gravity Observations Recorded with a Superconducting Gravimeter at Jiufeng Station,Wuhan [Master′s thesis] (in Chinese).Wuhan:Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences.Crossley D J,Xu S,van Dam T.1998.Comprehensive analysis of 2 years of SG Data from Table Mountain,Colorado.//Proc.13th Int.Symp.Earth Tides.Obs.Royal Belgique,Brussels,659-668.

Crossley D,Hinderer J,Casula G,et al.1999.Network of superconducting gravimeters benefits a number of disciplines.EOS,Transactions American Geophysical Union,80(11):121-126.

Farrell W E.1972.Deformation of the Earth by surface loads.Rev.Geophys.,10(3):761-797.

Francis O,Van Camp M,van Dam T,et al.2004.Indication of the uplift of the Ardenne in long-term gravity variations in Membach (Belgium).Geophys.J.Int.,158(1):346-352.

Harnisch G,Harnisch M.2006.Hydrological influences in long gravimetric data series.J.Geodyn.,41(1-3):276-287.

Hasan S,Troch P A,Boll J,et al.2006.Modeling the hydrological effect on local gravity at Moxa,Germany.J.Hydrometeorol.,7(3):346-354,doi:10.1175/jhm488.1.

Hector B,Séguis L,Hinderer J,et al.2013.Gravity effect of water storage changes in a weathered hard-rock aquifer in West Africa:results from joint absolute gravity,hydrological monitoring and geophysical prospection.Geophys.J.Int.,194(2):737-750,doi:10.1093/gji/ggt146.Hinderer J,Crossley D.2000.Time variations in gravity and inferences on the earth′s structure and dynamics.Surv.Geophys.,21(1):1-45,doi:10.1023/A:1006782528443.Kazama T,Okubo S.2009.Hydrological modeling of groundwater disturbances to observed gravity:Theory and application to Asama Volcano,Central Japan.J.Geophys.Res.,114(B8),doi:10.1029/2009jb006391.

Kazama T,Tamura Y,Asari K,et al.2012.Gravity changes associated with variations in local land-water distributions:Observations and hydrological modeling at Isawa Fan,northern Japan.Earth Planets Space,64(4):309-331,doi:10.5047/eps.2011.11.003.

Knudsen P,Andersen O.2002.Correcting GRACE gravity fields for ocean tide effects.Geophys.Res.Lett.,29(8):19-1-19-4,doi:10.1029/2001gl014005.

Lambert A,Courtier N,Sasagawa G S,et al.2001.New constraints on laurentide postglacial rebound from absolute gravity measurements.Geophys.Res.Lett.,28(10):2109-2112.

Leiri?o S,He X,Christiansen L,et al.2009.Calculation of the temporal gravity variation from spatially variable water storage change in soils and aquifers.J.Hydrol.,365(3-4):302-309,doi:10.1016/j.jhydrol.2008.11.040.

Luo S C,Sun H P,Xu J Q.2005.Theoretical computation of the barometric pressure effects on deformation,gravity and tilt.Chinese J.Geophys.(in Chinese),48(6):1288-1294.

Pool D R.2008.The utility of gravity and water-level monitoring at alluvial aquifer wells in southern Arizona.Geophysics,73(6):WA49-WA59,doi:10.1190/1.2980395.

Sato T,Boy J P,Tamura Y,et al.2006.Gravity tide and seasonal gravity variation at Ny-?lesund,Svalbard in Arctic.J.Geodyn.,41(1-3):234-241.

Sato T,Miura S,Sun W K,et al.2012.Gravity and uplift rates observed in southeast Alaska and their comparison with GIA model predictions.J.Geophys.Res.,117(B1):B01401.

Shiomi S.2008.Proposal for a geophysical search for dilatonic waves.Phys.Rev.D,78(4):042001.

Steffen H,Gitlein O,Denker H,et al.2009.Present rate of uplift in Fennoscandia from GRACE and absolute gravimetry.Tectonophysics,474(1-2):69-77.

Sun H P.1997.The atmospheric gravity Green′s functions.Chinese Science Bulletin,42(20):1712-1719.

Sun H P,Xu J Q,Ducarme B.2004.Detection of the translational oscillations of the Earth′s solid Inner core based on the international superconducting gravimeter observations.Chinese Sci.Bull.(in Chinese),49(11):1650-1676.

Sun H P,Hsu H Z,Zhou J C,et a1.2005.Latest observation results from superconducting gravimeter at station Wuhan and investigation of the ocean tide models.Chinese J.Geophys.(in Chinese),48(2):299-307.

Van Camp M,Vauterin P.2005.Tsoft:graphical and interactive software for the analysis of time series and Earth tides.Comput.Geosci.,31(5):631-640.

Van Camp M,Vanclooster M,Crommen O,et al.2006.Hydrogeological investigations at the Membach station,Belgium,and application to correct long periodic gravity variations.J.Geophys.Res.,111(B10):B10403,doi:10.1029/2006jb004405.

Van Camp M,Francis O.2007.Is the instrumental drift of superconducting gravimeters a linear or exponential function of time? J.Geodesy,81(5):337-344.

Wenzel H G.1996.The nanogal software:earth tide data processing pakage ETERNA 3.30.Bull.Inf.Marées Terrestres,124:9425-9439.Wuhan water resources bulletin of 2011.(2012 August 15).Retrieved November 23,2015,from:http://www.whwater.gov.cn/water/szyt/651.jhtml.

Xu H Z,Sun H P,Xu J Q,et al.2000.International tidal gravity reference values at Wuhan station.Science in China Series D:Earth Sciences,43(1):77-83.

Xu J Q,Sun H P,Luo S C.2002.Study of the Earth′s free core nutation by tidal gravity data recorded with international superconducting gravimeters.Science in China Series D:Earth Sciences,45(4):337-347.

Xu J Q,Zhou J C,Luo S C,et al.2008.Study on characteristics of long-term gravity changes at Wuhan station.Chinese Sci.Bull.,53(13):2033-2040.

Xu J Q,Zhou J C,Chen X D,et al.2014.Long-term observations of gravity tides from a superconducting gravimeter at Wuhan.Chinese J.Geophys.(in Chinese),57(10):3091-3102,doi:10.6038/cjg20141001.

Xue Y Q.1986.Principles of Groundwater Hydraulics (in Chinese).Beijing:Geological Publishing House.

Xue Y Q,Xie C H.2007.Numerical Simulation for Groundwater (in Chinese).Beijing:Science Press.

Zhang R Q,Liang X,Jin M G,et al.2011.Fundamentals of Hydrogeology.6th ed.(in Chinese).Beijing:Geological Publishing House.Zhang W M,Wang Y,Zhang C J.2001.The preliminary analysis of the effects of the soil moisture on gravity observations.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica (in Chinese),30(2):108-111.

Zhang W M,Wang Y.2007.Absolute gravity measurement at Jiufeng dynamic geodesy central experiment station.J.Geodesy Geodyn.(in Chinese),27(4):44-46.

Zhou J C,Hwang C,Sun H P,et al.2013.Precise determination of ocean tide loading gravity effect for absolute gravity stations in coastal area of China:Effects of land-sea boundary and station coordinate.J.Geodyn.,68:29-36,doi:10.1016/j.jog.2013.03.003.

附中文參考文獻(xiàn)

陳曉東.2003.武漢九峰臺(tái)超導(dǎo)重力儀固體潮觀測(cè)資料的預(yù)處理和分析結(jié)果[碩士論文].武漢:中國(guó)科學(xué)院研究生院(測(cè)量與地球物理研究所).

羅少聰,孫和平,徐建橋.2005.大氣變化對(duì)位移、重力和傾斜觀測(cè)影響的理論計(jì)算.地球物理學(xué)報(bào),48(6):1288-1294.

孫和平.1997.大氣重力格林函數(shù).科學(xué)通報(bào),42(15):1640-1646.

孫和平,徐建橋,Ducarme B.2004.基于國(guó)際超導(dǎo)重力儀觀測(cè)資料檢測(cè)地球固態(tài)內(nèi)核的平動(dòng)振蕩.科學(xué)通報(bào),49(8):803-813.

孫和平,許厚澤,周江存等.2005.武漢超導(dǎo)重力儀觀測(cè)最新結(jié)果和海潮模型研究.地球物理學(xué)報(bào),48(2):299-307.

2011年武漢市水資源公報(bào).http://www.whwater.gov.cn/water/szyt/651.jhtml.

許厚澤,孫和平,徐建橋等.2000.武漢國(guó)際重力潮汐基準(zhǔn)研究.中國(guó)科學(xué)(D輯),30(5):549-553.

徐建橋,孫和平,羅少聰.2001.利用國(guó)際超導(dǎo)重力儀觀測(cè)資料研究地球自由核章動(dòng).中國(guó)科學(xué)(D輯),31(9):719-726.

徐建橋,周江存,羅少聰?shù)?2008.武漢臺(tái)重力長(zhǎng)期變化特征研究.科學(xué)通報(bào),53(5):583-588.

徐建橋,周江存,陳曉東等.2014.武漢臺(tái)重力潮汐長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果.地球物理學(xué)報(bào),57(10):3091-3102,doi:10.6038/cjg20141001.薛禹群.1986.地下水動(dòng)力學(xué)原理.北京:地質(zhì)出版社.

薛禹群,謝春紅.2007.地下水?dāng)?shù)值模擬.北京:科學(xué)出版社.

張人權(quán),梁杏,靳孟貴等.2011.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)(第6版).北京:地質(zhì)出版社.

張為民,王勇,張赤軍.2001.土壤浸濕對(duì)重力觀測(cè)影響的初步分析.測(cè)繪學(xué)報(bào),30(2):108-111.

張為民,王勇.2007.九峰動(dòng)力大地測(cè)量中心實(shí)驗(yàn)站絕對(duì)重力測(cè)量.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),27(4):44-46.

(本文編輯何燕)

The influence of groundwater changes on gravity observations at Jiufeng station in Wuhan

HE Qian-Qian1,2,LUO Shao-Cong1,SUN He-Ping1,XU Jian-Qiao1,CHEN Xiao-Dong1

1 State Key Laboratory of Geodesy and Earth′s Dynamics,Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China 2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

In this paper,following the physical mechanism of groundwater infiltration,water level of a monitoring well and precipitation data were combined to simulate the water content variations of the soil surrounding the Jiufeng superconductivity gravity (SG)station in Wuhan by using an one-dimensional hydrodynamic simulating method.Then,based on the variations of soil water content,the hydrological effects on gravity induced by groundwater changes were estimated.Its peak-to-peak variation reaches up to 15.94 μGal,which implies the necessity of correction for local groundwater changes when precise gravity observations are used to study long-periodic effects.The analysis in the frequency domain shows that the largest influence of groundwater changes on gravity appears in the annual band.Good agreements are yielded between the estimated groundwater hydrological effects on gravity and the SG residuals (with a peak-to-peak variation of 12.73 μGal)after correction for earth tides,atmospheric pressure,polar motion,etc.,both in the time and frequency domains.This demonstrates that signal of the SG residuals is mainly from the local groundwater changes,and also validates the applicability of the hydrodynamic simulating method used in this paper.

Groundwater changes；Hydrodynamic simulating method；Superconducting gravimetric observations

賀前錢(qián)，羅少聰，孫和平等.2016.武漢九峰站地下水變化對(duì)重力場(chǎng)觀測(cè)的影響.地球物理學(xué)報(bào)，59(8):2765-2772,

10.6038/cjg20160804.

He Q Q,Luo S C,Sun H P,et al.2016.The influence of groundwater changes on gravity observations at Jiufeng station in Wuhan.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(8):2765-2772,doi:10.6038/cjg20160804.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB845902)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41321063，41274085，41374084，41574072)聯(lián)合資助.

賀前錢(qián)，1988年生，博士研究生，主要從事地下水重力效應(yīng)、地球重力場(chǎng)資料分析及應(yīng)用研究.E-mail：hqq@asch.whigg.ac.cn

10.6038/cjg20160804

P312

2015-11-23，2016-05-27收修定稿