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全面环境科学586（2017）1316-1325

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捷克共和国和德国上游Nisa集水区土地利用对水质的影响

Matthias Kauml;ndler ^a,⁎，Katja Blechinger ^a，Christina Seidler ^a，Vileacute;mPavlů b，MartinScaron;anda ^c，Tomaacute;scaron;Dostaacute;l ^c,

Josef Kraacute;sa ^c，Tomaacute;scaron;Vitvar ^c，MartinScaron;tich ^c

a德累斯顿工业大学，Zittau国际研究所（IHI），Markt 23，0276​​3 Zittau，德国

b作物研究所，捷克共和国布拉格Drnovskaacute;507,161 06

c布拉格捷克技术大学土木工程学院Thaacute;kurova7,166 29捷克共和国布拉格

强调

• 土地利用类可以很好地指示河水的物理化学参数。
• 同时对土地利用和水质进行聚类分析。
• 森林的优势导致低浓度的营养物和重金属。
• 人口密集的地区减少水资源

尽管森林比例高，但质量仍然很高。

• 多变量数据分析对于有用

揭示水化学的关键因素。

文章 信息

文章历史：

2016年8月12日收到

以修订版2016年10月29日收到

2016年10月30日接受

2017年2月12日在线提供编辑：Jay Gan

关键词：水质土地利用集水区

统计分析

图形概要

摘 要

土地利用是影响流域水质的重要因素之一。 本研究评估捷克 - 德国 - 波兰三角地区在尼亚河上游（694公里²）的土地利用引起的水质差异。 每周从29个采样点的河流及其支流收集水样，分析总共25个参数，包括养分，主要离子，主要元素和痕量重金属。 每个采样点代表一个以8种土地利用类别为特征的子流域。 聚类分析已被用于将子流域划分为土地利用类。 当考虑所有测量参数时，这种统计方法产生了六组采样点，这些采样点的化学水成分相似，同时反映了土地利用情况，不论子流域的大小如何。 水质受到定居点和耕地部分的影响尤其严重。 主要是森林（70％以上）的亚流域显示了所有监测参数（Cd，Mn，SO₄除外）的最小浓度水平。 尽管森林比例高，但人口密集的地区降低了水质。

copy;2016 Elsevier BV保留所有权利。

• 通讯作者。

电子邮件地址： matthias.kaendler@tu-dresden.de （M.Kauml;ndler）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.10.221 0048-9697 /copy;2016 Elsevier BV保留所有权利。

M.Kauml;ndler等人 /全面环境科学586（2017）1316-1325 1317

• 1. 介绍

由于参数数量庞大以及所涉过程的复杂性，土地利用和水质之间的相互作用难以评估Selle等，2013; Carey等，2013; 贝克， 2006; 艾伦，2004年）。 尤其是，植被覆盖度，土壤属性，土地开发强度和沉降区分布显着影响径流过程和流域固体和溶质的运输（例如 Miller等人，2011; Tu，2011; Reimann等，2010; Kroll等人，2009; 谢等人，2005; Tomer和Burkart，2003; Meisinger 等人，1991）和地下水（勒纳和哈里斯，2009年).

许多研究报道了水质与土地利用之间的关系。 他们中的大多数都是在小流域内进行的，这些流域在少数站点采样时间分辨率高（例如， Miller等人，2011; Buck等人，2004）或采样次数较少的较大集水区（每月甚至季节），但在许多采样点（例如， Huang等人，2013; Xia等人，2012; Shrestha和Kazama，2007; Singh等人，2004）。 在特定的溶质中， Rothwell等人 （2010年） 指出，潮湿气候条件下的硝酸盐浓度与耕地密切相关。 对于不同气候条件的类似结果已经被例如通过 Ye等人 （2009年） 对于中国， Shrestha和Kazama（2007） 对于日本， Ahearn等人 （2005年） 为美国，和 Singh等人 （2004年） 为印度。 Kersebaum等人。 （2003年） 估计欧盟农业对地表水非点源污染的贡献率约为55％。 Herlihy等人 （1998） 发现氯化物是集水区人类活动的一个指标。 一般来说，许多研究表明居住区和农田是造成水污染的原因，而森林面积与大多数离子呈负相关（例如 Bahar等人，2008; Zhou等，2012; Xia等人，2012）。 这些关系经常在改善水质的措施方面进行调查Meals等人，2009; Volk等，2009）在较小的流域或景观尺度上。 基于地理信息系统的工具和更复杂的数据源的持续发展支持更大规模的跨界方法，通常伴随着来自分散地区或国家的分散数据集的同质化（例如 莫旺

等人，2008）。 土地利用已成为评估营养物质的重要参数（Habeck等人，2005），径流生成（Samaniego和Baacute;rdossy，2006年）或地下水补给和质量（勒纳和哈里斯，2009年）。 然而，关于异质性流域多点和弥散污染影响下的土地利用和水质之间的关系知之甚少。 这些任务最近通过集群和多变量分析得到解决（爱资哈尔 等，2015）。 例如， 周等人 （2016） 已经对139个源头集水区进行了聚类分析，发现点污染源可能会削弱水质 - 土地利用相关性。 然而，大多数研究仅聚集了一些选定的水质参数或处理土地利用 - 特定风暴事件期间的水质关系。 例如， Miller等人 （2011年） 区分基流和暴雨流量，并指出森林和城市土地主要在低流量情况下，在暴雨事件期间对耕地产生影响。 因此，需要进行更多的研究，在几个月的时间内将土地利用对水质的影响进行整合，处理源自地质背景以及扩散和点源的各种化合物。

Nisa河的中尺度集水区，从捷克共和国的Jizerskeacute;hory（Jizera山脉）到Zittau附近的德国低地（图。1），其特征在于许多分散的土地利用类型。 Nisa集水区历来遭受煤矿，燃煤电厂和工业造成的严重污染（Křeček和Hořickaacute;，2001年）。 自1989年以来的政治和社会变革以及2000年欧盟水框架指令的引入（欧洲议会和理事会，2000年）为解决跨界环境问题开创了新的可能性，重点是水质。 作为第一步，在Jablonec nN / Liberec和Zittau人口密集的地区安装了有效的污水处理厂以减轻点污染，并在农村地区安装了较小的处理设施（IKSO，2000）。 虽然这些措施在过去的二十年中导致了尼沙河水污染的显着减少，但水质仍然被评为“不好”，这意味着水质等级IV-VI中的物质如铵，在Zittau /哈托（德国）车站2009年（LfULG，2009; SMUL，

图1.具有国家边界，土地使用分布和29个采样点的Nisa流域。

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2006）。 其次，有必要评估非点源，以评估中尺度Nisa流域土地利用对水化学的影响。

选择一周采样频率来获取有关重叠过程的指导信息，从而在水文年的某个时间段内给定地点的特定水质。 因此，本研究提出了以下研究问题：（1）哪种土地利用类型对河流水质影响最大？ （二）哪些化合物是特定土地利用类别的重要指标？

• 1. 方法
     1. 研究领域

这项研究是在奥得河左岸的尼萨河上游进行的。 由于这是一个跨界流域，许多地理单位都有双语名称（捷克语/德语）。 在本出版物中，我们使用在相应地理单元的主要部分所在的国家中通用的名称。 Nisa集水区从捷克共和国Jizerskeacute;hory（Jizera山脉）的原始地区到达规范站Zittau 1（1号井 图。1） 在德国。 它包括Jeřice和Mandau等主要支流。 Jeřice在Jizerskeacute;hory 815米处发源于Poledniacute;k山的东南部，并向西南方向发展。 这个上部几乎完全是森林。 从OldřichovvHaacute;jiacute;ch河流形成一个宽阔的山谷。 在Chrastava镇下方，Jeřice在海拔约300米的19.4公里后加入尼萨。 曼陀起源于波希米亚 - 撒克逊瑞士砂岩地区北部大约515米高的东南部，横跨位于Zittauer Gebirge（齐陶山脉）以北的上卢萨蒂亚省东南部，并加入了齐陶的尼萨（229米） ）（图。1）。 重要的支流是Lausur和Landwasser。 整个Nisa集水区占地694公里²（LfULG，2012），Jizerskeacute;hory（Olivetskaacute;hora山顶）海拔高度886米，高度站高度225米。 集水

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