露天煤矿生态恢复后的水文格局重组及有限恢复：基于遥感–SWAT的多情景评估

《Ecological Engineering》：Hydrological reorganization and limited recovery after ecological restoration in an open-pit coal mine: A remote sensing–SWAT multi-scenario assessment

　　

**摘要** 露天采矿与生态恢复共同重塑了地表覆盖、地形、排水结构和局地蓄水量，使得水文恢复难以量化。本研究以中国东北部青藏高原的聚胡耿矿区为对象，构建了遥感与土壤和水评估工具（SWAT）相结合的多情景框架。在统一的随机气候背景下，模拟了三种地表配置，分别代表采矿前（2006年）、采矿后（2014年）和生态恢复后（2024年）的状态。经过两年的模型预热后，取五个完整模拟年份的平均值进行分析。研究采用了跨阶段子流域匹配、带分母筛选的恢复指数（RI）、参考和阈值敏感性测试、水体响应分类以及探索性关联分析和机器学习方法。与采矿前配置相比，采矿后情景使地表径流和径流量分别减少了5.85%和1.19%，而侧向流增加了12.63%。与采矿后配置相比，恢复后情景进一步使地表径流和径流量减少了1.29%和2.21%，而侧向流增加了7.46%。恢复指数中位数表明地表径流恢复较弱，而大多数其他指标接近零或呈负值恢复。在所有测试的重叠阈值下，采矿产生的子流域重组比恢复更为复杂，尽管恢复后的排水系统仍与采矿前的配置不同。水域面积从1.37 km2扩展到13.35 km2，但相关的水文响应在不同子流域间存在分歧，且不能仅由面积来解释。大多数随机森林和XGBoost模型显示较弱的样本外表现；因此，其变量排名仅作为探索性诊断解释。总体而言，生态恢复产生了重新组织且空间异质的水文系统，而非均匀回归到采矿前的状态。

**引言** 露天煤矿开采是对陆地景观最为密集的人为扰动形式之一（Evans等，2015）。大规模开挖、堆弃、边坡切割和排水工程可以快速改变自然地表结构，改变流域边界，并重组径流路径（Luan等，2020）。在生态脆弱的高山和干旱地区，由于水资源有限且地貌稳定性差，此类扰动可能产生尤为强烈且持久的水文后果（Manna和Maiti，2016）。生态恢复期望通过地形重塑、植被恢复、土壤重建和排水调整来缓解这些影响。然而，恢复后的景观并非简单地回到采矿前的状态，而是往往演变为具有不同地形组织、地表覆盖组成和水文连通性的新配置地表系统（Vaht等，2011）。因此，理解采矿和恢复如何共同重塑水文过程，对于评估恢复效果和改进以水为导向的复垦规划至关重要（Yang等，2023）。

遥感技术和分布式水文模型的最新进展极大地提高了监测和分析采矿引起的变化水文响应的能力（Prasetya和Tsai，2025；Redondo-Vega等，2017；Wang等，2023）。多源光学影像被广泛用于矿区土地利用和土地覆盖动态制图（Hu等，2012），而多时相数字高程模型（DEM），源自立体影像（Gu等，2020；Pandey和Kumar，2014）、无人机摄影测量（An等，2024）、LiDAR（Zhou等，2014）和干涉技术，实现了对地形重建和地貌变化的日益精细的表征（Chen等，2022；Hai等，2022；Lou等，2024）。与此同时，SWAT等水文模型为量化土地利用转化和地形变化对径流产生、水流路由和流域尺度水平衡的影响提供了有效工具（Ping等，2017；Singh等，2023）。这些进展为将地表信息动态与不同采矿阶段的水文模拟相结合创造了新机遇（McCormick和Eshleman，2011；Spletozer等，2024a）。

尽管取得了上述进展，仍存在三大局限性。首先，大多数现有研究单独考察采矿扰动或恢复效果，而露天矿区的水文演化本质上是一个跨越采矿前、采矿后和恢复后的连续过程（Barbosa-Briones等，2024）。缺乏全生命周期视角，就难以区分暂时性扰动效应与长期水文重组。其次，许多研究关注土地利用比例或地形指标的变化，但对排水系统的结构性重组，如由开挖和复垦土方引起的子流域分裂、合并和边界重排，关注不足（Zhang等，2022）。然而，此类结构变化可能从根本上影响水文连通性和径流响应。第三，尽管基于情景的水文建模日益普遍，过程归因仍往往局限于气候与人类活动之间的宽泛比较（Tang等，2021），对采矿系统内部土地利用扰动、地形改变和结构重组的分离不足（Huang等，2023）。

这些局限性在露天煤矿尤为重要，因为此类系统中的水文响应并非仅由单独的地表覆盖变化或地形改造所决定，而是由地表扰动、地貌重建和内部流域重组的耦合效应共同驱动（Spletozer等，2024a）。在这样系统中，径流演化不应简单地解释为流量的增减，而应视为在变化的结构约束下涉及径流产生、重新分配和输出的重新配置过程。因此，需要一种更综合的框架，将遥感衍生的地表信息、跨阶段流域可比性、水文模拟和面向过程的解释在统一的分析体系中联系起来（Xu等，2023）。

尽管矿区恢复水文学日益受到关注，仍存在三个方法论挑战。首先，多时相研究常常比较边界在开挖和地形重塑后已改变的流域单元的水文输出。其次，恢复通常被评估为回归到扰动前的数值，尽管工程化地貌可能形成新的水文组织而非重现原始排水系统。第三，统计或机器学习排名经常被解读为主要机制，而缺乏对分母不稳定性、空间参考敏感性和样本外预测性能的充分评估。

我们假设：（H1）在可比的气候背景下，采矿和恢复引起的地表重构对径流分配和内部再分配的影响强于对流域总径流输出的影响；（H2）恢复后状态将表现出向采矿前水文参考值有限的、空间异质的趋近，而非均匀回归；（H3）水文变化与地形、土地利用、水体和子流域结构的关联在采矿和恢复阶段之间存在差异。

据此，本研究旨在：（1）构建三种遥感衍生的地表情景，代表采矿前、采矿后和恢复后条件；（2）在显式模型预热后量化多年水文响应；（3）建立统一的跨阶段子流域单元，并使用带分母筛选的鲁棒RI评估恢复情况；（4）测试空间参考框架和重叠阈值的敏感性；（5）考察水体扩展和探索性地表-水文关联；（6）将结果转化为子流域特定的生态工程含义。该框架旨在评估受控情景下的相对水文重组，而非重建观测历史径流趋势（见图1）。

**地理概况** 研究区位于中国东北部青藏高原木里煤田的聚胡耿矿区。该区域代表典型的高海拔露天煤矿景观，具有高海拔、生态条件脆弱和水文过程对地表扰动高度敏感的特征。该流域属于木里矿区当地河系的上游地区，为考察水文提供了典型范例……

**多源遥感数据与跨尺度协调** 使用多源遥感数据集代表三个地表阶段：采矿前（2006年）、采矿后（2014年）和恢复后（2024年）。土地利用制图使用了Landsat-5 TM、ZY-3多光谱影像和GF-7多光谱影像，而地形条件分别由ALOS PALSAR衍生的DEM（12.5 m）、ZY-3立体衍生的DEM（约5 m）和GF-7立体衍生的DEM（约1 m）表示。各阶段特定DEM输入的时间组织遵循……

**遥感衍生的土地利用格局与分类可靠性** 多时相土地利用图捕获了三种情景之间显著的地表重构（图4）。2006年，制图景观以草地和未利用地为主。到2014年，采矿用地急剧扩展，草地收缩，同时未利用地也增加。在2024年恢复后配置下，采矿和建设用地减少，草地部分恢复，水域和未利用地占据了更大比例。因此，恢复后的景观并非……

**受控地表情景下的水文重组** 多年结果表明，采矿和生态恢复并未产生简单的径流增强后径流减少的序列。在统一的随机气候背景下，采矿后和恢复后的地表配置均表现出产水量、径流系数和径流量的适度下降，伴随着侧向流的持续增加。地表径流也下降，尤其是在采矿后配置下……

**结论** 本研究开发了一种遥感-SWAT多情景框架，用于评估高海拔露天煤矿生态恢复后的水文重组和相对恢复。在应用两年模型预热后，使用五个完整的随机模拟年份，在统一气候背景下比较了采矿前、采矿后和恢复后的地表配置。

主要结论如下：

1. 采矿后和恢复后的地表配置……

**作者贡献声明**

李全智：撰写-初稿，软件，方法论，资金获取，概念构思。

郭彦文：形式分析。

耿玉龙：可视化。

张帆：软件。

郭澳博：方法论。

胡震奇：监督，资金获取。

**资金支持** 本研究由中央高校基本科研业务费（中国矿业大学（北京）博士研究生顶尖创新人才基金）资助，项目编号BBJ2025037。

**利益冲突声明** 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢** 作者感谢土地复垦与生态修复研究所对本研究的帮助。

李全智 | 郭彦文 | 耿玉龙 | 张帆 | 郭澳博 | 胡震奇

中国矿业大学（北京）地质与测绘工程学院，北京 100083，中国