土壤水作为一种典型的水动力环境因素, 它所引起的地壳形变监测是十分重要而且必要的。GPS观测获得的地壳运动信息中通常包含了包括土壤水负荷影响在内的几种非构造形变的影响^[1-4], 对其研究往往是在大尺度空间上进行计算, 而且土壤水与积雪的负荷通常是合二为一^[5]。地面重力变化是研究重力场时空变化的重要方面, 而土壤水变化的对重力的影响范围和程度分析还存在不足。

长江中上游流域地形陡峻、地貌形态多样, 河岸地层稳定性差, 岸坡问题严重; 水库蓄水后, 库岸两侧岩石周期性浸泡水中, 两岸坡地稳定性降低; 长江中上游流域降雨充沛, 库水位涨落悬殊, 三峡库区地壳负荷变化大, 这些典型的动力环境变化易诱发各种地质灾害^[6-8]。

本文利用美国气象预报中心(Climate Prediction Center, CPC)水文模式提取了2010年1月至2015年6月长江中上游流域的月平均土壤水水含量数据, 通过负荷格林函数积分方法, 计算出长江中上游流域土壤水含量变化对该区域地面重力的影响, 并分析其时间以及空间尺度上的变化。

负荷勒夫数, 简称负荷数^[9], 用于表征重力位对负荷引力位的响应^{[10, 11]}。地球表层海洋、大气、和大陆水等负荷质量变化, 会直接引起地球外部重力场变化^[12], 产生负荷引力位, 简称负荷位, 这是负荷变化的直接影响。同时, 负荷变化导致固体地球内部的质量调整, 通过负荷数作用产生附加位, 称为负荷附加位, 这是负荷变化的间接影响。因此, 地球表层负荷变化引起的重力位变化等于负荷位与负荷附加位之和^[13]。

全球气候预测模型(CPC水文模式)是由美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的CPC提供的陆地资料同化数据集。CPC水文模型是根据全球观测到的降水分布而建立的, 采用的数据包括CPC每日和每小时的降水分析结果、太阳辐射分布、地表大气压、潮湿度、温度以及水平风速等。CPC水文模型时间间隔为1个月。该模式输出结果的空间分辨率为0.5°×0.5°, 每月一值^{[14, 15]}。具体处理过程如下:

1) 这里利用MATLAB软件提取了2010年1月至2015年6月的月平均土壤水水含量数据, 将其转换为文本格式。

2) 为体现变化, 将2010年10、11和12月3个月土壤水含量的平均值作为基准(统称为2010年11月), 其他月份土壤水含量数据统一减去这个基准, 笔者这里将其作为土壤水等效水高, 以备下一步计算。

3) 将土壤水等效水高格网进行规格化球谐展开, 得到360阶等效水高球谐系数。

4) 本文研究区域范围为104°E~114°E, 26°N~33°N, 利用球谐系数和研究区域的2分数字地面模型(digital terrain modelling, DTM)格网数据, 计算得到长江中上游流域土壤水变化对地面重力的影响。

这里的土壤水含量用等效水高表示, 等效水高是单位面积水储量, 等于每平方米的水柱高度。本文从CPC水文模型提取出2010年1月~2015年6月长江中上游流域土壤水含量变化数据, 并扣除基准值。为了说明其空间尺度和时间尺度上的变化情况, 本文绘制了2013年3月、6月、9月和12月这4个月长江中上游流域土壤水等效水高图, 如图 1所示。

图 1(Fig.1)

图 1 2013年长江中上游流域土壤水含量变化图(相对2010年11月) Fig.1 Three Gorges Area inSoil Water Content Change Map in 2013 (Relative to November 2010)

由图 1可知, 位于低纬度地区的湖南、贵州(26°N ~28°N)土壤水含量增加比较明显, 而四川、陕西土壤水含量减少的比较明显, 增加和减少的最大值约为0.25 m; 与三峡水库距离较近的重庆与湖北土壤水含量比较稳定, 变化幅度不大; 研究区域范围内, 3月份的土壤水含量变化幅度较大, 特别是贵州、四川和陕西3个省份土壤水含量减少较多, 其他月份的变化比较集中, 大范围的变化幅度较小。

通过统计长江中上游流域从2010年1月到2015年6月这六年半的土壤水含量变化的数据发现, 其土壤水等效水高年变化幅度(最大最小值)约为0.5 m。

利用负荷理论, 由360阶等效水高球谐系数计算出长江中上游流域从2010年1月到2015年6月土壤水变化对地面重力的影响。

根据土壤水含量变化情况, 同样绘制了2013年3月、6月、9月和12月这4个月长江中上游流域土壤水变化对地面重力影响情况, 如图 2所示。

图 2(Fig.2)

图 2 2013年长江中上游流域土壤水变化对地面重力的影响图(相对2010年11月) Fig.2 Soil Moisture in the Three Gorges Area on the Ground Gravity Influence Diagram in 2013 (Relative to November 2010)

由图 2可知, 从区域上来看, 受土壤水变化影响, 位于低纬度小部分区域地面重力变化较大, 其中贵州地区地面重力减小, 湖南地区地面重力增大; 长江沿线200 km范围内的大部分区域, 土壤水变化引起的地面重力变化幅度较小, 在4 μGal以内, 但在江汉平原地区地面重力减小的幅度较大, 最大达到6 μGal; 从时间上来看, 大部分区域在3月份和12月份地面重力变化较大, 而在3月份和6月份的变化幅度较小。

从2011年1月到2015年6月, 土壤水变化对地面重力变化的影响在巴东和万州两个CORS站点位置的变化情况如图 3所示。

图 3(Fig.3)

图 3 土壤水变化对巴东站和万州站地面重力变化的影响图(相对2010年11月) Fig.3 Influence of Soil Water on Ground Surface Gravity Change at Badong and Wanzhou Stations (Relative to November 2010)

由图 3可知, 土壤水变化对两个站点的地面重力影响以年周期变化, 变化幅度约为-3~6 μGal, 每年3月份地面重力增加最大, 每年9月减小最大。

通过对所有月份土壤水变化对地面重力的影响结果统计分析, 对比土壤水的含量变化结果, 我们发现, 土壤水含量增加, 地面重力增大, 在三峡大坝上游导致的地面重力变化较小, 三峡大坝下游的江汉平原附近引起的地面重力减小幅度较大; 长江中上游流域土壤水含量变化引起的地面重力变化年变化幅度约为8.12 μGal。

本文利用全球气候预测模型(CPC水文模式)提取土壤水水含量数据, 通过负荷格林函数积分方法, 计算出长江中上游流域土壤水变化对该区域地面重力的影响, 并对结果做出比较分析。研究发现:①土壤水含量增加, 引起的地面重力增大; ②长江中上游流域土壤水含量年变化幅度约为0.5 m, 其变化引起的地面重力变化年变化幅度约为8.12 μGal。本文将进一步加深土壤水含量变化对地面重力的影响的认识, 丰富了长江中上游流域重力场变化影响因素的研究, 为长江中上游流域水动力环境研究提供了一定的参考。综合其他环境负荷形变, 并对土壤水变化的影响进行更深一步的研究, 发掘其引起的重力变化与地质环境及灾害的关系是下一步的研究工作的重点。