三峡地区因库区蓄水形成巨大的水体负荷，并激发该地区的地壳形变，而地壳负荷变化和地下水位起伏及其次生地质效应直接导致重力场的改变^[1-3]。随着高精度重力仪的研制，对这些敏感变化的观测已经成为可能^[4-5]，但如何把它们从原始重力信号中准确分离出来，一直是时变重力信号分析研究的难点。

研究三峡大坝蓄水过程中的重力响应有助于建立适合当地水文特点的物理模型，为研究蓄水过程对重力观测的影响提供基础。本文通过对三峡大坝库首区gPhone101^#台站2 a多连续重力观测数据的处理，研究重力残差与库区水位变化之间的对应关系，并利用观测期间库区地震统计数据，分析库区蓄水与三峡地区地震之间的关联性，探讨在库区水负荷卸载过程中，是否伴随着更加复杂的地质效应。

1 数据与处理

gPhone是一种便携式固体潮重力仪，具有较高的精度和分辨率，可以灵敏地检测到地球重力场在最小1 s时间尺度上的微小变化，主要用于观测频率较低的固体潮和地震噪声^[6-7]。陆地水的流动循环会导致质量迁移，引起地区重力值的微弱变化，这种变化通常呈季节性，利用高精度gPhone重力资料研究这种微弱变化是完全可行的^[8-9]。

gPhone101^#重力仪于2012-04安置在秭归GNSS台站室内(图 1)，距离三峡大坝仅4 km，对三峡大坝蓄水变化所引起的重力扰动十分敏感。为了研究库区水位变化所引起的重力响应，需要对重力观测数据进行预处理，包括潮汐改正、极移效应、大气负荷效应和仪器漂移等校正。

1.1 数据预处理

本文基于Tsoft软件，以月为单位处理了2012-06-01~2014-08-05秭归gPhone101^#台站的连续重力资料(图 2(a))。首先重采样为分钟数据(cutoff=720 cpd)，利用最小二乘低通滤波滤除2 min(含)以上的高频信号；然后减去理论固体潮，获得原始残差；人工剔除并改正仪器掉格、尖峰信号、大地震干扰、突跳信号等；最后再重采样为小时数据(cutoff=12 cpd)，仍采用最小二乘低通滤波。

1.2 理论改正

台站重力观测值包含了固体地球潮汐和海洋负荷潮汐，潮汐改正就是从重力观测值中扣除这两部分产生的影响。理论固体潮改正(图 2(b))采用Dehant等^[10]提出的分层、自转、微椭、非弹性地球模型和非流体静力平衡的地球模型(WDD模型)。海潮改正(图 2(d))采用的是Schwiderski模型，量级约为固体潮的百分之几。

极移是由地球自转变化所引起的，对重力的影响主要表现在地表离心力位的变化。通过观测点地理极坐标变化可以计算极移引起的重力变化。本文极移改正采用IERS(ftp://hpiers.obspm.fr/iers/eop/eopc04/)提供的地球自转参数，根据式(1)计算：

(1)

式中，λ、φ为观测台站经度、纬度，ω为地球自转速度，a为地球半径，x_p、y_p为地球自转参数。结果表明，秭归gPhone台站极移重力效应改正项(图 2(e))幅值约1.2 μGal。

1.3 气压效应改正

地表大气负荷对重力变化的影响仅次于日月固体潮汐^[11]。大气负荷效应改正采用的是大气重力导纳值法，采用线性模型扣除大气负荷的影响。由于局部气压变化对台站重力观测的影响比重最大，若精度要求在μGa量级，采用大气^[12-13]重力导纳进行气压改正即可获得较高的改正精度。台站环境不同，基于台站数据得到的气压导纳值也会有所差异，但一般都在-0.3 μGal/hPa左右。

气压改正的公式如下：

(2)

式中，α为气压导纳值，p为台站实测气压值，p_n为台站实测的平均气压。

1.4 零点漂移的模拟

gPhone是金属弹簧相对重力仪，弹簧漂移、仪器摆位、温度变化以及停电、雷击等不可预知的因素都会影响记录的重力值。预处理后的数据(图 2(f))存在较大的漂移，且在不同时期，gPhone漂移存在线性和非线性变化^[14]，简单的线性拟合往往不能反映gPhone的真实漂移情况，而过高阶的拟合容易同时去除重力残差中水位变化所引起的趋势性重力变化。

本文根据图 2(f)中不同时段的漂移特征，统一采用三次多项式分段曲线拟合的方法来去除仪器漂移的影响。漂移去除后的最终结果如图 3所示，重力残差在-50 ~30 μGal之间波动。

2012-06~2014-08 gPhone101^#有2次断电，断电后弹簧失温影响了仪器漂移率的稳定，对真实重力响应的求取有一定影响。重启加热初期1个月之内，弹簧漂移呈明显的非线性变化。

此外，据中国地震台测定，2014-03-27观测台站所在的秭归县发生4.5级地震，震源深度7 km，震中距离台站仅19 km，3 d之后附近再次发生4.7级地震。修正仪器掉格之后发现，秭归地震不仅使gPhone101^#台站产生大的“缓慢式”阶跃，而且地震前后台站重力值发生明显变化，重力幅值有约100 μGal的下降，有可能是仪器摆位出现松动。通过分段多项式拟合，最终消除了这一影响。

2 结果分析 2.1 重力残差与水位对比分析

去除漂移之后，最终残差的主要成分即为库区水位变化所引起的重力响应。三峡集团公司网站(http://www.ctgpc.com.cn/sxjt/sqqk/index.html)每6 h更新一次三峡大坝库区水位。由图 4看到，经过25点平均圆滑，重力残差中滤掉了1 d以下周期的噪声。

蓄水变化所引起的重力响应与库区水位(采样率为d)变化有较好的对应关系，但不是完全的正相关变化。库区水位随季节性改变在145~175 m之间变化，引起的重力响应幅值为-50 μGal~30 μGal。蓄水所导致的重力异常是多种地质过程的综合反映^[15]，蓄水本身引起的直接引力变化是主要的重力效应。此外，也包括观测台周边一定区域内因降雨导致的陆地水变化、更为复杂的地质信息以及观测台周边各种幅值较小的噪声等。

在试验性蓄水175 m水位平稳期间，重力残差也相对平稳，基本在±10 μGal之间波动；而水位较低时期(6~9月)，重力残差幅值与水位变化不是简单的线性关系。当水位由低水位开始持续上升时，重力响应值随之增大，与水位变化趋势正相关，其蓄水水位相差30 m的水位波动能引起大约70 μGal的重力响应。水位由175 m最高水位持续下降时，重力响应机制则比较复杂。重力残差首先与水位正相关，当水位降到一定程度，二者甚至呈现负相关。

查看原始重力数据得知，水位下降期间台站噪声幅值更大，说明库区水负荷卸载过程更容易引发地质灾害。通过查询三峡库区天然地震活动发现，研究区地震主要发生在仙女山断裂北端及其沿岸，容易受库水荷载影响而产生浅表构造活动，而重力与水位的不相关部分恰好发生在这期间，可能是地震引发的区域断裂渗透^[16]对重力观测产生影响，从而引起区域重力场的异常变化。

2.2 其他水文因素的重力效应

gPhone101^#重力残差除三峡库区蓄水引起的主要重力效应以外，也包括周边一定区域陆地水变化所带来的影响。本文采用GLDAS水文模型^[17]进一步分析重力响应，选用地表 4层土壤水(0~200 cm)、雪水当量、冠层蓄水数据。

对比GLDAS水文模型土壤表层水等效水柱高计算得到的水文重力效应(图 5)发现，其与gPhone101^#重力残差有一定的相关性，两者都能够对应研究区大部分的降水时段；GLDAS水文重力效应受降雨量变化影响明显，幅值较小；重力响应同时受库区水位快速变化的控制，幅值较大，影响因素更加复杂。

对比秭归台站及周边地区的降水量信息也发现，地表重力观测对区域或局部的陆地水效应十分敏感，对大降雨事件表现性较好，在监测库区蓄水影响时是一个不可忽视的因素。Harnisch等^[18]分析了12个超导重力观测站的连续重力数据与水文数据后认为，地下水和降雨量对台站局部重力变化的影响可达10 μGal以上。因此，利用时变重力对三峡库区蓄水重力效应进行监测，除蓄水产生的直接重力效应外，局部及周边地区降水等水文效应也是重力响应观测结果的主要贡献之一。

3 结语

1) 经过各项校正后的重力残差与库区水位变化相关性较好，但不是完全的正相关关系，在不同的水位变化阶段，重力响应的机制也不同。库区蓄水变化本身产生的重力效应对台站重力变化的贡献最大，其高差30 m的水位波动能够引起约70 μGal的重力响应。

2) GLDAS水文模型土壤表层水产生的重力效应与重力残差具有一定的相关性，地表重力观测对区域或局部陆地水效应十分敏感。这说明除蓄水产生的直接重力效应外，局部及周边地区降水等水文效应也是重力响应观测结果的主要贡献之一，在监测库区蓄水影响时不可忽视。

3) 由于仪器断电、台站地震干扰等因素，导致真实的仪器漂移率难以拟合，消除仪器漂移的同时也容易扣除水位长期性变化的重力响应信号。如何更为精确地拟合仪器自身的漂移变化，是后期需要进一步开展的工作之一。

致谢: 感谢NASA提供GLDAS水文资料，感谢中国地震台网中心提供天然地震数据，感谢中国气象局国家气象信息中心提供秭归台站降水资料。