人为活动对梁子湖水体浊度变化影响——以武汉军运会铁人三项比赛为例

张 煦， 张 媛， 程继雄*

(湖北省生态环境监测中心站， 武汉 430072)

湖泊是全球水资源的重要组成部分，是农业灌溉、工业生产和生活用水的重要来源，是湿地生态系统的重要组成部分，是重要的动植物栖息地，具有较重要的资源环境意义[1-3].同时湖泊也是水产养殖、旅游开发的重要载体，具有重要的社会经济价值[4-6]，对人类的生活和经济发展具有重要的意义.2019年10月中旬的武汉军运会赛期10 d，共设射击、游泳、田径、篮球等27个大项、329个小项；有来自109个国家的9 308名军人报名参加，是历史上规模最大、参赛人员最多的一次军人运动会.良好的生态环境是军运会成功举办的必要条件，更是提升武汉国际形象的关键因素.营造一个良好比赛环境离不开对水质的改善与监测，期间各个湖泊的水质状况一直受到民众关注.据悉，赛前武汉市重点保障4个涉赛水域的水质状况，即梁子湖和木兰湖的水质稳定在Ⅱ类标准，东湖涉赛水域水质稳定在Ⅲ类标准，黄家湖水质达到Ⅳ类标准；力求在军运会期间，向世界展示武汉“大江大湖”的水清、岸绿、景美特色.

水体浊度(turbidity，T)，单位为NTU(nephelometric turbidity unit)，是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，主要反映了悬浮物对光的散射和吸收特性，是重要的水质监测指标，能够在一定程度上反映内陆湖泊水体中的悬浮物浓度、重金属和水华的污染状况，进而在一定程度上反映人类生活和工业生产污水对水质的影响[7-9].以往的许多研究表明，引起浊度变化的既有人为因素，也有包括风、温度等的气候因素[10]，因此有必要在后续研究中分别进行讨论，以排除其他自然因素造成的影响.国内外专家学者以遥感水体浊度数据为基础[11-12]，分析了多个城市的水环境状态变化，得出了人为扰动活动降低，水体变得清澈的相关结论，但少见利用现场数据以某个具体湖泊进行相关分析的报道.因此，利用长时序现场连续监测的水体浊度数据解析人为扰动对水环境的影响，也具有较强的创新意义.

本文以梁子湖为研究区域，利用5个站点的长时序连续监测水体浊度数据分析军运会前后湖泊水环境变化情况，依此讨论人为活动对水体浊度的影响；同时结合相应的气象与水位数据，探索和排除自然因素对水体浊度的影响，作为对人为扰动所产生影响的辅助与补充.

1 数据与方法

1.1 研究区域

梁子湖是湖北省第二大湖泊和重要的湿地生态系统，位于湖北省东南地区，横跨武汉与鄂州两市，水域面积约为370 km2，属于长江右岸湖泊[13-14]，2016年7月14日，牛山湖堤坝破垸分洪，将牛山湖及其子湖贯通梁子湖.梁子湖以梁子岛为界，分为相对独立的东梁子湖、西梁子湖和牛山湖三部分，其中东梁子湖位于鄂州市境内，西梁子湖和牛山湖位于武汉市境内，全湖区包含大小湖泊共约260个[15-16].总体来说，梁子湖全湖基本处于中营养状态[17]，水质状况较好，但存在显著的时空差异[13].季节上，春季水质较好，污染较轻，其他季节污染相对重些，其中秋季(平水期)水质以Ⅱ、Ⅲ两类为主[16]；空间上，梁子湖水体整体呈湖心水质好、入湖口附近水质差的状况，其中牛山湖西部、牛山湖与西梁子湖交界口、西梁子湖西部的水质较其他湖区要差[18].

梁子湖是2019年10月下旬军运会铁人三项及定向越野等运动的重要比赛场地，因铁人三项中的游泳于户外进行，水质环境要求稳定在II类标准，所以武汉市政府在军运会前后开展了水域环境综合治理措施，如退渔还湖、退垸还湖、沟港治理、污水处理等工程[19]，使其中大肠杆菌、肠球菌、叶绿素含量和pH值等各要素满足功能区要求，生态环境质量优良.但是，也要同时考虑到选手和大量工作人员入驻军运村，其产生的生活污水对梁子湖水域水质的不利影响.总体来说，梁子湖水质受外界人为活动影响较小，水质状态较为稳定.开展梁子湖水质的研究，有助于监管部门提升对梁子湖区域的水质状况的认知，帮助政府部门制定保护管理措施[20]，是十分有必要的.

1.2 实测数据

本研究获取了2018年8月7日—2020年6月21日位于梁子湖区域的五个水质站点数据和一个气象站点数据.根据研究内容，提取军运会期间浊度数据；同时考虑到人类活动的时间，使用水质站每日6∶00-22∶00的监测数据.水质站点分别为牛山湖湖心、七星、西梁子湖湖北、西梁子湖湖南和西梁子湖南北嘴(湖心)，其中西梁子湖南北嘴(湖心)站点距离军运会铁人三项比赛场地最近.为了便于分析，将五个站点分别简称为NSH、QX、XHB、XHN和XHZ，其分布状况如图1.本文所有站点的实测浊度数据均来自国家地表水水质自动监测站，通过光散射法[21]得到.

图1 梁子湖水质站点及气象站点分布图Fig.1 Water quality monitoring stations and meteorological station in Liangzi Lake

NSH、XHB、XHN和XHZ水质站点的监测时间间隔为1 h，共获取了64 891组水体浊度监测数据，通过平均值±3倍标准差的异常值去除方式，去除了12组异常数据.QX水质站点的监测时间间隔为4 h，共获取了4 018组水体浊度监测数据，通过平均值±3倍标准差的异常值去除方式，去除了3组异常数据.各水质站点详细的统计结果如表1所示，其中NSH水体浊度的平均值、最小值、最大值、标准差都小于其他站点，这是由于牛山湖站点与梁子湖中间有牛山湖坝间隔，虽然该堤坝于2016年7月14日爆破泄洪，但该汊湖与梁子湖主体湖泊相隔较远，水质较好.而QX水体浊度的平均值、最小值、最大值、标准差都大于其他站点，这是由于该汊湖位于东梁子湖，湖泊水质相较于其他几处水质站点较差.XHB、XHN和XHZ三个站点水体浊度的平均值、最小值、最大值和标准差相接近，这三处水质站点都位于西梁子湖，水质相近.

表1 水质监测站点数据统计

气象站点位于东梁子湖岸边的鄂州市境内，以1 h为监测时间间隔，共获取了21 553组气象监测数据，通过平均值±3倍标准差的异常值去除方式，去除了36组异常数据.气象监测指标分别为风速、温度、相对湿度、气压和降雨量，详细的气象监测统计结果如表2所示.

表2 鄂州气象站点数据统计

水位监测站点位于QX水质监测站点附近，以1 h为间隔进行监测，共获取了21 540组水位监测数据，通过平均值±3倍标准差的异常值去除方式，没有发现异常数据.水位用水深来表示，研究时段梁子湖平均水位为16.67 m，最小与最大值分别为14.72 m和18.09 m，标准差为0.58 m.

1.3 研究方法

本研究首先绘制水体浊度T(NTU)的折线图，以及归一化了的水位、风速、温度、相对湿度、气压、降雨量随时间变化的折线图，从波动趋势方面分析水体浊度与军运会铁人三项比赛、气象及水位因素的关联.其中，对于变化较为复杂的气象和水位因素，本文分别引入了相关系数和灰色关联度统计方法进行分析.

1.3.1 相关系数 相关系数(correlation coefficient)常用来分析变量之间的线性相关程度，一般用R表示.由于研究对象的不同，有多种定义方式.本文采用皮尔逊(Pearson)相关系数[22]，衡量定距变量[23]是否在一条线上，计算方法为：

(1)

1.3.2 灰色关联度 在控制论中，通常用“黑”表示信息内部不明确，用“白”表示信息完全明确，而“灰”则是介于两者之间，表示信息不完全明确，亦可称为“灰色系统”，灰色关联度则是基于灰色系统的统计分析方法，该方法是根据各影响因素之间的变化趋势的相似或相异程度作为衡量因素间关联程度的方法[24].与相关系数相比，灰色关联度更侧重于非线性相关性的分析，从变化趋势的一致性角度进行考虑.根据灰色关联度判断时，关联度处于0.35～0.65之间时为中度关联，处于0.65～0.85之间属于较高关联，处于0.85～1之间则是高度关联.

2 梁子湖水质变化分析

梁子湖水质的变化与两地居民的生产生活息息相关，作为军运会比赛场地，不论是铁人三项还是定向越野等户外运动项目，居民、选手和比赛工作人员的参与都会对水体质量产生或多或少的影响.比如游泳项目中选手引入的杂质和对水体的扰动、军运村中生产生活等人为运动产生的生活污水、大风降水引起的浊度变化等，都需要综合分析与讨论.本文从军运会的前、中、后期展开人为扰动对梁子湖水质变化的分析，并排除气象和水位因素可能带来的干扰.

1.4 军运会前、中、后期水质变化分析

军运会开始于2019年10月18日，结束于2019年10月27日，共计10 d.本文以10 d为间隔，分别选取了军运会前中后三个时期，开展了军运会前中后梁子湖的水质变化分析.其中NSH、QX、XHB、XHN和XHZ这5个水质站点各时期的平均浊度的详细结果如表3所示，即NSH、XHZ两站的浊度呈下降趋势，QX为先上升后下降，XHB和XHN为先下降后上升.但总体而言，各站点水体浊度分布情况和以往的研究与数据相符，变化没有明显规律，且除NSH站点以外，其余站点在军运会中—后期变化率都在14 %以下；除QX站点外，其余站点的水体浊度值都低于27 NTU.

表3 水质监测站点浊度详细统计结果

图2是军运会前、中、后三个阶段从梁子湖各水质监测站得到的浊度变化趋势.由图可知：1) NSH、XHB、XHZ三个站点浊度变化不大，较为稳定，说明军运会期间水质治理措施积极合理，涉赛水域对选手皮质、体液污染不敏感，水质清澈保持良好，受人为扰动影响小，能够为运动员提供一个舒适、安全的比赛环境.2) QX站点的浊度在整个阶段波动较大但较规律.考虑到站点处于东、西梁子湖交界处，且靠近梁子生态旅游度假区，水体情况较为复杂，且离军运会比赛场地较远，其波动在合理范围内.3) XHN站点的浊度在军运会中期有一个小的起伏，在军运会后期有剧烈起伏.相较于XHZ，XHN是离比赛场地第二近的，但水质变化却远比XHZ剧烈，且变化有轻微延迟.相应时间在XHN站点附近是否出现了局部降雨、大风，以及其他自然因素复杂的共同作用，引起了浊度的变化，还需要进一步的数据支持和分析；也可能是水质改善和检测的力度相比赛场附近水域有所欠缺导致了浊度上升.但就整体而言，水质保持良好，能够迅速恢复正常数值.

图2 武汉军运会前中后10 d水体浊度变化趋势图Fig.2 Water turbidity change trend before, during and after the Wuhan Military World Games

总体来说，梁子湖水体在有关部门的密切监测和科学治理下，水质情况稳定，受人为扰动影响小，有一定的调节和恢复能力.

1.5 气象和水位对军运会前、中、后期水质的影响

本节引入气象和水位数据，分析它们对军运会水体浊度的影响情况；排除我们在分析人为扰动对水体浊度影响的过程中，它们可能引入的一些变化和误差.我们将水位及各气象因素的数据归一化，分别绘制它们变化趋势如图3，其中虚线表示各因素的均值.由图3可知，水位在军运会中期明显下降，后期有所上升，但低于前期，保持在一个较为稳定的水平；降雨量在军运会中期明显减少，虽有个小的抬升，但总体保持在较低水平，这可能也是导致水位下降的一个原因.同时，它们也会对水体浊度变化产生影响，即水位下降，悬浮颗粒的相对含量变高，水体浊度升高；又因为水深变浅，行船等人类更容易搅起水底泥沙，引起浊度上升；雨水对水体的搅动也会使水体浊度变大.此外，风速、温度、湿度、气压等气象因素在军运会前、中、后期均于一定范围内呈波动变化，没有明显规律.其中风场会驱动水流和波浪的形成，搅动水体，因此风速较大时水中再悬浮颗粒物的浓度会增大，使浊度有所升高；温度、湿度、大气压则都会影响水中的溶解氧含量，如水温越高，水生物耗氧和水中有机物分解速度越快，耗氧量大，溶解氧含量降低，易导致水生动植物死亡，引起水体浊度的变化.

图3 武汉军运会前、中、后期归一化的水位及各气象因素变化情况Fig.3 Changes of normalized water level and meteorological factors before, during and after the Wuhan Military World Games

这些自然因素带来的影响不是绝对的，由于军运会期间梁子湖各气象因素与水位的变化没有普遍规律和趋势，又考虑到各因素间的相关作用，产生的影响十分复杂.鉴于此，为了进一步分析军运会前、中、后期各气象因素对梁子湖水体浊度的影响程度，本文分别引入了相关系数和灰色关联度统计分析方法，获取军运会前、中、后期各站点的水体浊度与气象因素和水位因素的相关系数和灰色关联度，结果分别如表4、表5所示.

表4 武汉军运会期间气象及水位因素与梁子湖各站点水质的相关系数

表5 武汉军运会期间气象及水位因素与 梁子湖各站点水质的灰色关联度

相关系数从线性关联程度进行分析.由表4可知，军运会前、中、后期梁子湖水体浊度与各自然因素的相关系数大多不高、差异不大，其中温度和气压与梁子湖水体浊度的相关系数分别有6个和4个超过0.7，与水体浊度呈强相关，且主要集中于离比赛场地较远的东梁子湖NSH和QX站点；相对湿度与水体浊度关联度主要呈中等程度相关，其他因素与浊度相关系数均只有1个超过0.7，因此，水位和各气象因素与水体浊度的变化基本呈中等程度相关，线性相关度一般，从军运会及人为扰动角度对几个水质站点浊度变化的分析较为可靠.

灰色关联度则表示非线性关联的程度，与相关系数的分析结果相互补充和验证.由表5可知，军运会前、中、后期梁子湖水体浊度与各项因素灰色关联度也没有明显规律，但其中降雨量与梁子湖水体浊度灰色关联度较弱；水位、相对湿度和气压与水体浊度的灰色关联度分别有5、7、5个超过了0.7，即有较高关联，在各个站点都有涉及.这些与相关系数的结果既有交叉也有不同，这说明水位和诸多气象因素对水体浊度的影响是复杂的，仅从相关分析的角度无法准确描述；不过就波动趋势和灰色关联度的数值来说，在较长的一段时间内，这种影响并不大，在一定程度上可以被抵消；当然它们与人类活动对水体浊度变化的共同作用，仍然需要我们更深入的探讨.

3 结论

本文以梁子湖5个水质监测站点长时间持续监测的水体浊度数据为基础，首先分析了5个水质监测站点在军运会前、中、后时期的水体浊度的总体状况，然后获取了位于梁子湖东岸的气象站点长时间持续监测的5个气象数据，分别是风速、温度、相对湿度、气压和降雨量，以及位于梁子岛的水位监测数据.随后以10 d为时间单位，获取了军运会前、中、后三个时期各站点水体浊度、气象因素和水位因素的变化趋势，并分别计算了水体浊度与各因素之间的相关系数和灰色关联度，来分析军运会期间人为扰动对梁子湖水质的影响.通过以上分析，本文得出如下结论.

1) 通过分析5个水质监测站点水体浊度的总体状况，分别选取它们在军运会前、中、后期三个节点的水体浊度平均值进行对比，其中NSH、XHZ站点的浊度呈下降趋势，QX站点为先上升后下降，XHB和XHN站点为先下降后上升.总体而言，除NSH站点以外，其余站点在军运会中—后期变化率都在14 %以下；除QX站点外，其余站点的水体浊度值均低于27 NTU.

2) 从5个水质监测站浊度数值在军运会前-中-后期的总体变化趋势来看，除XHN站以外，其余站点水体浊度在一个较为稳定的范围内波动，即军运会期间有关部门针对梁子湖和东湖的水质整治措施有一定成效，军运会期间梁子湖和东湖及其涉赛湖区的水质均有一定改善，受到人为扰动的影响小.

3) 通过军运会前、中、后期梁子湖水体浊度与各项因素的相关系数和灰色关联度进行分析，发现温度和气压与梁子湖水体浊度的相关系数分别有6个和4个超过0.7，水位、相对湿度和气压与梁子湖水体浊度的灰色关联度分别由5、7、5个超过了0.7.这说明水位和气象因素对梁子湖水体浊度的影响是复杂的，但在较长一段时间内对浊度的作用较为稳定，它们与人为活动对水体浊度影响的共同影响还有待进一步分析考证.

综上所述，军运会的前、中、后期，梁子湖水质没有发生显著变化.且在军运会前、中、后期，水体浊度与气象因素和水位因素没有显著的相关性，说明了自然因素对梁子湖的水质影响较小；在军运会前、中、后期，水体浊度与气象因素和水位因素的相关性没有发生根本性改变，说明自然因素对梁子湖水质的影响比较稳定.排除自然因素对梁子湖水质的影响后，更进一步地，我们通过对军运会场地周边梁子湖各站点水体浊度数据的分析，发现人为活动对梁子湖的水质影响是较小的.梁子湖水质对赛期大量选手进入引入的汗水、尿液、毛发、皮肤代谢物等污染物质不敏感，对周边军运村中人类居住产生的生活用水污染有一定的自我调节能力；有关部门对涉赛湖区的严密监测和科学治理有所成效，梁子湖水质与水环境状态依旧得到较好保持，可认为其水质状况良好且稳定.