有效消除地下水影响是利用地面重力场观测监测和研究地壳运动及地下物质运移的关键步骤之一。基于超导重力仪(SG)的高精度重力观测，可建立地下水变化与重力场变化之间的关系，一方面可以利用地下水文资料消除地下水变化的影响，增强超导重力仪对地球物理学/地球动力学信号的探测能力；另一方面可以利用超导重力仪观测资料长期连续地监测与地下水质量流动相关的各种现象，并用于地下水储量变化、土壤参数估计、水文模型约束等方面的研究。

本文利用拉萨和武汉九峰两个超导重力台站的高精度重力观测数据和水文、气象等资料，对地下水重力效应进行了详细研究。主要内容与结论如下：

(1) 超导重力仪工作原理及其数据分析与处理。简单介绍了超导重力仪的主要部件和基本工作原理，并对超导重力仪的格值标定、数据预处理方法和调和分析原理进行了说明，以拉萨站部分超导重力仪观测资料为例进行了处理，对超导重力观测中的潮汐、气压、极移和漂移效应进行了计算和扣除，得到主要与地下水变化相关的重力残差值。相关性分析表明，拉萨站超导重力残差和地下水位高度相关(相关系数0.71)。

(2) 地下水模拟及地下水变化对重力场的影响。利用地下水流动的达西定律和表征质量守恒原理的连续性方程，详细推导了非饱和状态下的地下水渗透方程。根据有限差分法的基本原理，导出了渗透方程3种差分格式的有限差分解算方法。在获得的地下水分布基础上对地下水重力效应进行了计算。最后对比分析了不同解算方法对地下水模拟结果及其相应地下水重力效应的影响，并对其中的层间参数取值和非线性方程的线性化问题进行了探讨。结果表明，在日本Isawa超导台站，不同层间参数加权公式最大能够引起约0.15×10^-8 μGal的重力效应差异，影响在1.9%以内；不同差分格式和线性化方法最大能够引起约0.12 μGal的重力效应差异，影响在1.5%以内。该结果可以为一维地下水模拟及重力效应改正算法的选取提供参考。

(3) 拉萨与武汉九峰超导重力观测站的地下水重力效应研究。利用国家气象局国际交换站的气象观测和监测水井的水位观测资料，对拉萨站和武汉九峰站的局部地下水分布及其重力效应进行了模拟。结果显示，拉萨和武汉九峰站局部地下水重力效应的峰对峰变化幅度分别达到4.88 μGal和15.94 μGal，说明对精密重力观测进行局部地下水改正的必要性。而地下水重力效应的幅度差异主要与地下水位的变化幅度大小有关。无论在时域或频域，模拟计算的地下水重力效应均与超导重力残差有着很好的一致性，这说明超导重力残差的主要信号来源是局部区域地下水的变化，该一致性也验证了本文模拟结果的正确性。此外，超导重力残差能够很好地反映出地下水重力效应随时间变化的季节性和年际性特征，因此，采用超导重力残差可以获得台站局部地区的平均地下水分布，为了解地下水的渗透过程提供重要约束。

(4) 与全球水文模型计算结果的比较。利用不同的全球水文模型对拉萨站的局部地下水重力效应进行了计算，并与超导重力残差进行了对比。结果表明，本文地下水动力学模拟方法计算的拉萨站局部水文重力效应与超导重力残差的差异有着更小的标准差，说明相比这几种全球水文模型，本文的模拟方法能够更好地估计拉萨站的局部地下水变化及其重力效应。

(5) 初始条件、土壤参数及地形的影响。以拉萨站为例，讨论了初始条件和土壤参数对局部地下水分布及重力效应的影响。虽然初始条件的差异能够引起较大的初始重力效应差异，但随时间的推移，初始条件引起的地下水重力效应差异迅速消失。而准确的土壤参数(渗透系数K_s及其变化率a、扩散系数D_s及其变化率b)，尤其是K_s和D_s的取值，对地下水分布及其重力效应的模拟非常重要。以武汉九峰站为例，讨论了地形对地下水重力效应计算的影响，在倾斜平板模型中，九峰山体坡度(约3.5%)对水文重力效应估计的影响约为0.06%，在可以忽略的范围内。采用精细的三维地下水渗透模型可以获得更加精确的模拟结果。