复垦矿区光伏电站地面变形与生态动态的遥感评估

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Remote Sensing Assessment of Ground Deformation and Ecological Dynamics at Photovoltaic Farms on Reclaimed Mining Land

　　

摘要

在采煤沉陷区建设光伏太阳能电站（PSFs）是发展可再生能源的关键策略。然而，残余地面变形带来了运行风险，同时伴随的生态变化表现出复杂的时序关联性，对可持续性构成挑战。本研究利用多源遥感数据，对中国大同光伏基地的地表变形、生态变化及其关联性进行了评估。时间序列干涉合成孔径雷达（InSAR）分析识别出六种不同的变形模式。持续沉降和阶段性加速沉降属于高风险模式，约占研究区域的10%，其定义为平均视线方向（LOS）变形速率超过20毫米/年，或六年累计位移超过300毫米。持续沉降在空间上与周边采矿活动相关，而阶段性加速沉降则发生在极端降水事件区域。光伏开发使地表温度降低了0.9°C，土壤含水量降低了3.8%，最大NDVI降低了5.8%，并将植被生长期缩短了五天。滞后期月度分析表明，变形变化与同期的植被指数呈正相关，并与次月土壤含水量变化呈正相关，反映了地表变形与生态水文条件之间的时序联系。基于上述结果，我们提出了针对沉陷区光伏电站的分区评估和差异化管理策略，为脆弱地质条件下的风险识别和生态修复提供了指导。

引言

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2023年占全球产量的51.6%（EI, 2024）。尽管煤炭仍然是主要能源之一，但其大量使用对环境造成了巨大压力并加剧了气候变化（Yang et al., 2022）。在中国，煤炭开采主要依赖地下开采，数十年的采矿活动导致了大规模的采空区和广泛的地表沉陷（Ma et al., 2023）。随着国家碳中和议程加速能源转型，采矿引起的沉陷区不仅带来环境挑战，也提供了转型机遇（Davidson, 2024）。

在全球范围内，沉陷区越来越多地被认定为发展可再生能源的潜力区域。He等（2025）对此类区域的光伏潜力进行了全面的全球评估，突出了其在绿色转型中的战略作用。在此背景下，在煤炭驱动型城市建设光伏太阳能电站（PSFs）既是实际投资，也是可持续能源战略的重要组成部分。例如，Zhang等（2023）证明，山西省阳泉市不同采矿区的光伏电站可满足该市约33%的电力需求。然而，在这些地区部署光伏电站面临双重挑战，既要确保不稳定地面上的基础设施长期运行稳定（Choi and Song, 2017; Pouran, 2018; Mao et al., 2024），又要同时应对原矿区固有的严重生态退化问题（Feng et al., 2024）。

新兴的生态光伏概念为解决这一挑战的生态维度提供了途径（Sturchio and Knapp, 2023）。野外实验和遥感观测结果表明，太阳能电池板的物理存在通过提供遮荫、减少风蚀和改善土壤水分保持而改变了局地微气候（Armstrong et al., 2016; Walston et al., 2021; Zhang et al., 2024）。这些微气候变化引发各种生态效应，如促进干旱地区植被恢复（Xia et al., 2022）以及改变关键指标，包括地表温度（LST）、植被物候，甚至更广泛的碳和水文循环（Chen et al., 2025; Wu et al., 2025; Xia et al., 2025）。尽管已有研究主要集中在未扰动或稳定地形上，但近期研究越来越关注矿区光伏电站的生态影响或地表稳定性（He et al., 2025; Zhang et al., 2025）。然而，采煤复垦地上光伏电站内生态动力学与地表变形之间时序关联的综合分析仍不够充分。为提供更全面的视角，本研究超越了孤立评估，将InSAR监测与生态评估相结合。

本研究聚焦于中国大同煤矿区——中国首个国家级光伏电站示范基地。该地区复杂的采矿历史和广泛的设施提供了揭示光伏开发对地—生态环境影响的代表性场景。我们假设，光伏相关的生态变化，特别是植被和土壤含水量的变化，可能与局地生态水文过程的时间变化相关，并可能影响采煤复垦区的地表稳定性。通过利用多源遥感数据集（包括微波和光学数据），本研究旨在：(1)通过识别不同的时间变形模式来刻画地面不稳定的时空特征，评估基础设施安全性；(2)通过评估水热和植被指标变化的幅度来量化光伏建设的生态影响；(3)通过将月位移与月平均NDVI和SMI分别进行相关性分析，探索地面稳定性与生态动力学之间的时序关联，以识别潜在的生态水文联系。这些发现为脆弱矿区地区的土地管理和可再生能源的可持续部署提供了实践指导。

章节摘要

研究区域

研究区为中国山西省黄土高原东北缘采煤密集区的太同光伏基地（图1a、1b）。大同是考察能源转型的代表性案例，它是在采煤复垦土地上建立的国家级光伏示范基地。该地区蕴藏丰富的煤炭储量，支撑了100多座在产矿井的大规模地下开采，长期开采活动诱发了

地表变形的总体时空格局

利用SBAS-InSAR技术，我们获取了2017年3月至2023年1月大同煤矿区的LOS变形速率（图4）。在变形图中，负值（以红色显示）代表地面沉降（远离卫星方向运动），正值（以蓝色显示）代表地表抬升（向卫星方向运动）。尽管大部分研究区相对稳定（-20至20毫米/年），但一些局部区域表现出较大的变形梯度，导致

采煤复垦地上光伏电站的变形模式及其诱因

矿区光伏电站需要对地面沉降进行长期监测，以确保运行安全和经济可行性。我们开发了一个结合时间序列InSAR和K-means聚类的综合监测框架，用于绘制变形速率、累计位移并分类变形模式。Mao等（2024）报告的独立全球导航卫星系统（GNSS）观测数据提供了区域参考，记录了一个持续沉降区的

结论

本研究评估了建在采煤复垦土地上的大同光伏基地的地面变形和生态响应。通过整合多源遥感数据与时间序列InSAR、聚类和相关性分析，我们识别出六种不同的变形模式。约10%的光伏区域表现出明显的不稳定性，定义为平均LOS变形速率超过20毫米/年或累计位移超过300毫米。光伏开发

CRediT作者贡献声明

江黎明（Liming Jiang）：写作—审阅与编辑，指导，概念化。张廷斌（Tingbin Zhang）：写作—审阅与编辑，指导，项目管理，概念化。刘先（Xian Liu）：写作—审阅与编辑，写作—初稿，软件，方法学，形式分析，概念化。张乐乐（Lele Zhang）：写作—审阅与编辑，软件。马祥龙（Xianglong Ma）：写作—审阅与编辑。李晶晶（Jingji Li）：写作—审阅与编辑。易桂花（Guihua Yi）：写作—审阅与编辑，形式分析。周小兵（Xiaobing Zhou）：

未引用参考文献

Chen et al., 2024; Maechler et al., 2024; Moreno-de las Heras et al., 2009; Yang et al., 2017; Zhang et al., 2022.

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

本研究的主要光伏电站多边形数据集和核心分析脚本可在以下仓库获取（https://github.com/xianliul/datong-pv-supporting-materials）。其他相关数据和脚本可向通讯作者提出合理请求后获取。

伦理声明

本研究的遥感应用符合所有伦理标准。所有卫星/地理空间数据均来源于开放获取或授权来源，未进行涉及人类或动物受试者的实地调查。作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢欧洲空间局提供Sentinel-1 SAR数据，以及Google地球引擎（Google Earth Engine）为本研究提供了MODIS和Landsat光学遥感数据的访问权限。

刘先|张廷斌|江黎明|周小兵|易桂花|李晶晶|马祥龙|张乐乐

成都理工大学地球与行星科学学院，成都 610059，中国