佘山地震台DZW重力仪与水文变化响应分析

方韬 叶青 朱国豪

摘 要：对于安置于佘山台的DZW重力仪在2016年连续观测数据，进行潮汐分析和提取重力残差处理，结合佘山台降雨量、静水位等水文观测数据，分析重力仪观测数据受水文变化的响应特征，得出降雨时重力变小，降雨后重力逐渐变大的规律。

关键词：重力观测；DZW重力仪；潮汐分析；降雨；静水位

中图分类号：P315 文献标志码：A 文章编号：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地球任何形变及密度变化均产生重力场时间变化；地震火山活动、地壳变形、地球旋转、地幔对流、GIA等。其中地下水变化与降雨是影响重力观测的重要因素之一。近年来水文影响对连续重力观测的研究已经从经验性转变为物理模型[1]。本文采用上海市佘山地震基准台DZW重力仪2016连续观测数据进行潮汐分析和提取重力残差处理。提取ZKGD3000-N型地下流体监测设备地下水位数据，RTP-II型气象三要素的2016年降雨量数据，以这三台仪器数据分析DZW连续重力观测的水文响应特征。

1 连续重力观测

佘山地震台位于西佘山南侧山脚处，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。DZW重力仪放置在山洞水平墩上，洞内温度、湿度比较稳定，连续观测数据质量符合对比分析需要。2015年6月，因数采故障，造成数据错误，错误数据做缺数处理，后重新进行标定，采用新格值后，数据潮汐因子回复正常，且数据精度有一定提高。

2 数据处理

重力仪原始数据为秒采样，利用重力学科组给定的汉宁窗的数字低通滤波器将秒采样数据滤波为分钟采样：利用中国地震前兆台网数据处理系统对数据中的尖峰、突跳、阶跃等干扰信号进行手工修正，通过已处理好的分钟值数据，得到整点小时值。通过对整点值，进行调和分析，计算其固体潮汐因子。通过对潮汐因子的分析，佘山台重力仪在仪器工作稳定的前提下，数据资料质量较好，整体性能良好，可用于之后有关水文活动对重力变化的影响的相关研究。

基于台站经纬度及高程，通过ICET推荐标准潮汐预处理软件Tsoft软件，采用Wparicet计算台站的潮汐参数，通过一阶差分和极移校正，得到理论固体潮汐值，扣除已得到的整点值的数据序列，得到重力残差。

3 数据分析

3.1 上海地区降雨情况

受亚热带季风气候影响，上海市年内降雨分配不均，夏季水量最为集中，占比为41.4%，在空间分布上，年降水量及变化趋势呈东西分布，市区多于郊区，东部沿海大于西部内陆地区，图1，松江地区年均降雨量1128-1141mm。

3.2 佘山台降雨情况

收集RTP雨量计数据，对2015-2016年数据处理，得到每个月份的总降雨量。佘山地区降雨主要集中与夏秋两季，其中6月降雨量最大，分别为277.2mm和240.9mm。秋季又因有台风等因素影响，导致大的降雨过程。年变数据与历年上海地区及松江地区的降雨情况基本符合，说明2015-2016年佘山地区降雨情况正常变化动态，未出现洪涝、干旱等极端恶劣气候。

同时根据2015、2016年的降雨数据，结合近两年的台风影响数据两年降雨数据均在6月-7月有大幅度的上升，主要是因为南方的黄梅雨季的降水所造成，同时在2016年6月及10月均出现日变幅度比较大的降雨情况，主要是因为受到多个台风的直接或间接影响，造成大量的降雨。

3.3 降雨造成的重力變化分析

利用降雨量较大的月份，对重力数据单独进行残差计算，并于降雨数据进行对应分析。通过降雨数据，一个月内降雨较大的月份有2016年6月、10月，主要对这些月份的重力数据进行残差计算，与降雨量数据进行相关性分析。

分别对上述两个月重力数据进行残差计算，所得数据与当月降雨量数据就行对比。

从图1我们可以分析出，佘山台DZW重力仪的重力残差变化和降雨有比较好的对应关系，大部分情况下，他们之间的关系满足降雨时重力变小，降雨后重力逐渐变大的规律。产生这一特征的原因，主要是因为佘山台重力观测位于西佘山南侧山脚处，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。降雨开始时，雨水覆盖到地表层，由于西佘山海拔高于观测山洞，海拔高的地方的雨水层对重力产生引力倾斜向上，与重力仪处于同海拔的雨水层对重力仪的引力相互抵消，这时重力值变小。降雨结束后，高海拔地区的雨水渐渐大量流向低海拔地区，在低于重力仪海拔的地层形成了一个更丰富的覆盖层及含水层，这时重力仪受下层含水层引力影响重力值增大。十三陵地震台使用gPhone重力仪也观测到了类似现象[2]。

3.4 重力变化与地下静水位变化的对应关系

图2是DZW重力仪观测结果的重力残差和佘山地震台静水位关系

由图2可以分析得出，地下静水位与连续重力观测残差曲线存在较好的相关性，水位上升时重力值增大，水位下降时重力值减小。通过图2分析出DZW重力观测到的重力变化与静水位存在1天左右的延迟对应关系。延迟原因可能是地下水流动造成的，由于地下结构比较复杂，地下水的活动受很多地址环境的影响，如地下水流动、断层的阻断等，都会造成重力变化对水位活动的延迟[3，4]。

4 结束语

本文对佘山地震基准台的DZW重力仪对2016年的重力连续观测数据进行潮汐因子分析和提取重力残差处理。并提取ZKGD3000-N型地下流体监测设备地下水位数据，RTP-II型气象三要素的2015、2016年降雨量数据，分别从这三台仪器2年数据中提取了2016年6月2016年10月这两月，这两个月的水文变化大，数据完整性好适合分析DZW连续重力观测的水文响应特征。结果显示：（1）佘山台降雨变化与DZW重力仪重力残差变化有着很好的对应关系，大多数情况下，它们之间的关系是降雨时重力变小，降雨后重力逐渐变大的规律。该现象可根据观测台站周围特定的地形条件定性解释。（2）连续重力观测残差曲线与地下静水位之间存在较好的相关性，水位下降時重力减小，水位上升时重力增大并分析发现DZW重力观测到的重力变化与静水位存在1天左右的延迟对应关系。

参考文献：

[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，付广裕，韦进.十三陵地震台gPhone重力仪的仪器性能与水文响应分析[J].大地测量与地球动力学，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.