《Sustainable Environment》：Integrating geographical information system and multivariate statistical approaches to assess land use impacts on water quality in Nzovwe river catchment in Mbeya, Tanzania
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这篇研究综述系统探讨了坦桑尼亚Nzovwe河流域土地利用与水质的关系。通过结合地理信息系统(GIS)与主成分分析(PCA)等多元统计方法，研究评估了建筑区与农业用地扩张导致的水质恶化，揭示了电导率(EC)、大肠菌群等关键污染指标与土地利用类型的关联，并指出了加强本地化监测与政策执行的紧迫性。
本研究位于坦桑尼亚姆贝亚(Mbeya)地区的Nzovwe河流域，该流域作为鲁夸(Rukwa)盆地的一个子流域，是姆贝亚市重要的水源地，为灌溉农业、生活及工业供水提供支持。然而，随着该地区城市化进程的持续发展，流域正面临严重的水质问题。历史上，该流域曾为城市提供四个水源储备，但由于人类活动增加，目前仅有一个储备处于良好状态。尽管流域面积广阔且河岸带人类活动频繁，却仅设有一个监测站，凸显了加强监测的迫切需求。
研究旨在调查Nzovwe河流域水质与相邻土地利用模式之间的关系。为此，研究综合运用了地理信息系统(GIS)与多元统计分析方法，以评估水质参数与土地利用之间的相关性。研究在雨季和旱季于15个采样点收集了水样，分析了包括电导率(EC)、pH值、总溶解固体(TDS)、浊度、色度、溶解氧(DO)、温度、盐度、硝酸盐、磷酸盐、总大肠菌群、粪大肠菌群以及大肠杆菌(E. coli)在内的13项水质参数。研究采用地理处理工具，确定了每个采样点土地利用的影响范围，并分别在500米和60米宽的河流缓冲区识别了具体的土地利用类型。
研究区域Nzovwe河流经姆贝亚市18个行政区，总人口541,603人，陆地面积250.219平方公里，水域面积0.140平方公里。该流域属于亚热带气候，雨季从10月持续到次年5月初，旱季则从5月到9月，年降水量约为885毫米。采样点(S1–S15)的选择基于斯特拉勒(Strahler)河流等级理论，将流域划分为上游、中游和下游三个部分，点位主要设置在溪流汇合处前后，以代表不同的河段和潜在的污染源（如点源排放、支流汇合处和土地利用界面）。
在数据收集与分析方面，水质参数分为现场测量和实验室分析两部分。pH、EC、TDS、浊度、色度、DO、温度和盐度使用HORIBA多参数分析仪现场测定。硝酸盐、磷酸盐、大肠杆菌、总大肠菌群和粪大肠菌群则在采样后6小时内于实验室按标准分析规程测定，其中硝酸盐和磷酸盐采用分光光度法，而细菌参数则采用膜过滤技术进行测定。
数据分析采用了多种统计方法。首先使用克鲁斯卡尔-沃利斯(Kruskal–Wallis)检验比较了水质参数的季节性（旱季与雨季）差异。随后，应用主成分分析(PCA)这一多元统计技术来识别数据中的主要模式和关系，从而推断出解释水质变化的主要潜在因素，即不同的不良土地利用方式。
土地覆盖分类则利用美国地质调查局(USGS)提供的陆地卫星(Landsat)8号影像数据，通过监督分类法生成了研究区域的LULC分类图，区分了五种主要的土地利用类型。分类精度通过总体精度和卡帕(Kappa)系数进行评估，以确保结果的可靠性。
研究结果显示，水质状况不容乐观。多项参数（浊度、色度、硝酸盐、磷酸盐、总大肠菌群、粪大肠菌群和大肠杆菌）的观测最大值超过了坦桑尼亚国家标准(TBS)和世界卫生组织(WHO)的允许限值，而溶解氧(DO)的最低读数则低于允许限值。这些极端值被认为是由流域内的人类活动所致。
季节性变化分析表明，pH值、浊度、DO和温度参数在雨季和旱季之间存在显著差异(p< 0.05)。其中，pH值在雨季略高（平均7.9），但仍符合水质标准；温度在雨季较高，平均比旱季高3.4°C；而水体的颜色在雨季的平均值比旱季高出109.3 CO/pt，这归因于农业用地地表径流增加、水体中有机物增多以及藻类水华。
主成分分析(PCA)提取了三个主要成分，共同解释了总数据方差的66.24%，成功识别了与水质变化相关的主要土地利用驱动因素。
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第一主成分(PC1)解释了总方差的29.505%，对盐度、电导率(EC)、总溶解固体(TDS)和温度具有高正因子载荷。这指示了农业径流、工业排放、生活污水排放和城市热岛效应等人类污染源，暗示了Nzovwe河流域农业和建筑用地的主导影响。
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第二主成分(PC2)解释了20.19%的方差，对粪大肠菌群、总大肠菌群和大肠杆菌具有高正因子载荷。这表明细菌污染可能来源于畜牧业（如奶牛场或饲养场）的径流、居民区不当的粪便管理、化粪池系统故障或未经处理的污水溢流，再次指向农业和建筑用地的影响。
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第三主成分(PC3)解释了16.5%的方差，对色度、DO和浊度具有高正因子载荷。这反映了水体颜色和浊度的变化可能与湿地和森林地区的溶解性有机物及营养盐负荷有关，而农业和建筑活动导致的地表径流和悬浮固体输入则是重要原因，表明农业、建筑和森林土地利用对这些水质参数的影响。
土地利用与水质指数(WQI)的关联分析进一步揭示了污染的空间格局。研究采用加拿大环境部长理事会水质指数(CCME-WQI)对水质进行评价，并通过反距离加权(IDW)插值技术将结果与LULC分类图叠加。分析发现，在500米缓冲区，主导土地利用是建筑区，占总面积的63.8%，其次是农业用地(26.04%)。而在60米缓冲区（即更靠近河岸的禁止侵入的 riparian zone），土地利用构成发生显著变化，农业用地占据主导(56.4%)，建筑区占24.6%。这反映了人类发展模式：城市化倾向于从河岸向外延伸，而农业用地则更集中在河岸地带。
水质空间分布图显示，流域上游少数区域(S4, S10, S12)水质状况为“边缘”，而大部分汇流区（中游和下游）水质为“差”。中游区域受建筑和农业用地主导，是水质恶化的主要源头；下游区域以农业活动为主，水质同样不佳。研究指出，从上游到中下游的污染物迁移在低等级溪流中非常显著，汇流处高于限值的水质参数浓度可能受到上游点源污染的影响。建筑区和农业活动向河岸缓冲区的侵占，对河岸生态系统和水质构成了严重威胁。
综上所述，本研究通过整合GIS与多元统计分析，系统评估了Nzovwe河流域土地利用对水质的影响。研究发现，雨季的降雨对pH、浊度、DO和温度等参数变化有显著影响。PCA识别出的三个主成分与建筑区和农业用地密切相关，这些土地利用通过生活污水、农业径流和工业排放贡献了主要污染。空间分析直观揭示了主要污染源及其对流域不同区域水质的具体影响。研究结果证明了在汇流区增加监测站点、利用GIS等先进技术控制点源污染的重要性，并明确指出受保护的河岸带(60米)已被农业活动和建筑区（特别是居民区）严重侵占。
这些发现将为支持联合国可持续发展目标(SDG)6（清洁饮水和卫生设施）和SDG 11（可持续城市和社区）在地方流域层面的政策和实践提供指导。研究呼吁地方政府加大执法力度，减少河岸带不良土地利用方式的影响，并应教育社区民众认识这些活动对流域的潜在危害，以促进生态系统服务的可持续性和流域的可持续管理。
