《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Monitoring Tailings Remobilization After the VALE S.A. Dam Failure in Brumadinho: Impacts of Extreme Floods Assessed Through Remote Sensing
雨果·恩里克·卡多索·德·萨利斯 | 亚历山大·德·利马·丘姆比尼奥 | 伊尔拉·保拉·斯托帕 | 玛丽莉亚·安德拉德·丰特斯
修复管理部，大坝影响社区支持中心（Núcleo de Assessoria às Comunidades Atingidas por Barragens – NACAB）。巴西米纳斯吉拉斯州贝洛奥里藏特市圣特雷莎区布埃诺布兰当街351号
摘要
2019年，巴西米纳斯吉拉斯州布鲁马迪尼奥的Vale S.A. B1大坝失事，影响了沿帕劳佩巴河300公里范围内的多个社区和生态系统。然而，这一事件的长期影响，尤其是极端水文事件期间河床沉积物重新移动到洪泛区的现象，仍知之甚少。本研究通过开发一种全面的遥感方法来探讨帕劳佩巴河流域的沉积物重新移动情况。研究分析了14,274公顷的区域，使用了1997年至2022年的Landsat图像序列，通过NDVI、粘土指数和氧化铁指数以及修正Z分数进行光谱异常检测。结果显示，大约50%的洪泛区在2022年洪水后出现了至少两种同时发生的光谱异常现象。光谱收敛性分析表明，从2018年到2022年，异常区域与沉积物源区之间的差异减少了82.5%，并且在洪水后的收敛速度增加了15倍。这种现象被称为“持续后续损害”，尽管2022年的流量仅比2020年高出32%，但导致出现类似沉积物光谱特征的区域面积增加了119.1%。使用20个实地验证点确认了所有沉积点的最大损害（即四种异常现象同时发生）。这项研究定量证明了极端水文事件会显著加剧采矿灾难的影响。
引言
采矿尾矿坝的失事是一种严重的环境灾难，其社会生态后果可能持续数十年（Rico等人，2008年；Santamarina等人，2019年）。在巴西，2015年的马里亚纳和2019年的布鲁马迪尼奥灾难凸显了大规模监测的迫切需求（Freitas等人，2016年；Carmo等人，2017年；Rotta等人，2020年）。2019年Vale S.A. B1大坝的失事向帕劳佩巴河流域释放了约1200万立方米的尾矿（Robertson等人，2019年），这些尾矿最初沉积在河床和河岸上，严重改变了当地生态系统。监测此类人为灾难的范围和演变需要高精度的测绘技术，以便在复杂环境中识别细微的地貌变化（Han等人，2025年）。
尽管最近取得了进展，但监测此类灾难后污染物的长期动态仍然是一个重大挑战。大多数遥感研究主要集中在绘制初始损害范围上，提供灾后情况的静态评估（Fernandes等人，2017年；Garcia等人，2017年）。然而，这种方法对于后续极端水文事件如何重新移动沉积物并将其输送到洪泛区仍存在关键的知识空白（Hatje等人，2017年；Rotta等人，2020年）。这种由沉积物与河流自然洪水周期相互作用引起的次级影响，形成了一个常被标准风险评估忽视的“持续后续损害”循环。
为了解决这些复杂性，地理空间技术的最新进展彻底改变了环境监测方式。虽然灾后评估已成功利用基于GIS的多标准分析进行易感性分区（例如Thomas等人2021年在喀拉拉邦极端洪水后的研究），但目前的方法正越来越多地转向基于云的计算来处理大规模多时相数据集。在这种情况下，Google Earth Engine（GEE）已成为一个关键工具。例如，Dey等人（2024年）将随机森林等机器学习算法与GEE结合，以增强复杂环境中的洪水风险分析，而多传感器数据融合已被证明对高精度绘制敏感沿海区域非常有效（Han等人，2025年）。
在沉积物动态方面，将RUSLE等侵蚀模型与遥感数据相结合，有助于在数据稀缺的流域中精确评估土壤侵蚀（Fahd等人，2025年）。此外，多指数方法已成为监测极端气候事件的标准方法，包括农业干旱评估（Zubair等人，2025年；Zhao等人，2025年）以及极端天气对基础设施的影响（Zafar等人，2024年）。这些研究共同强调了基于GEE的多指数方法在跟踪动态环境扰动方面的稳健性。
本研究采用了这些先进方法来调查2019年Vale S.A. B1大坝失事及其后续极端水文事件的综合环境影响。我们开发了一种全面的遥感方法，通过分析1997年至2022年期间的Landsat图像来识别帕劳佩巴河洪泛区的光谱异常。分析在GEE平台（Gorelick等人，2017年）上进行，利用光谱指数进行矿物检测和植被评估（NDVI、粘土指数和氧化铁指数）。
本研究借鉴了动态灾害监测的原则，如火灾后变化（Chuvieco等人，2019年；Zhang等人，2025年）或石油泄漏扩散（Hu等人，2021年）的研究方法，将其应用于河流环境，从而动态评估洪水引起的沉积物重新沉积情况。因此，本研究的具体目标是：(1) 使用Landsat图像（1997–2022年）和Google Earth Engine进行多时相光谱分析，以识别与灾害相关的异常；(2) 识别并量化帕劳佩巴河洪泛区沉积物重新移动和再沉积的光谱证据；(3) 测试极端水文事件后长期社会环境后果是否显著加剧的假设，这种现象称为“持续后续损害”。
研究区域和实验设计
研究区域包括巴西米纳斯吉拉斯州Ferro-Carv?o溪流交汇点下游的帕劳佩巴河中游洪泛区（图1）。该地区位于“铁三角区”（Drummond等人，2005年）附近，是一个重要的生态走廊，具有明显的能量梯度特征。高能量的崎岖源区（平均海拔931米）逐渐过渡到低能量的蜿蜒洪泛区（平均海拔670米），有利于沉积物的快速输送和随后沉积。
结果
数据分析提供了明确的空间和时间证据，支持本研究的核心假设：Vale S.A. B1大坝失事导致的尾矿在整个帕劳佩巴河流域的重新移动和重新分布。研究结果表明，每次后续的极端水文事件都会引发新的损害循环，持续并扩大对受影响生态系统和社区的影响。
讨论
结果为帕劳佩巴河流域内采矿尾矿颗粒部分的重新移动和重新分布提供了有力证据，这一过程是由极端水文事件驱动的。解读这些发现对于理解2019年Vale S.A. B1大坝失事的长期影响以及制定有效的监测策略至关重要。
结论
本研究验证了一种全面的遥感框架，用于监测2019年Vale S.A. B1大坝失事的长期影响。通过在Google Earth Engine平台上进行多指数光谱分析，我们量化了受影响洪泛区与沉积物源区之间82.5%的光谱差异减少。这些发现为灾后极端水文事件驱动的沉积物重新移动和再沉积提供了坚实的客观证据。
批准和原创性
我们声明这项工作是原创的，此前未发表过，也未考虑在其他期刊上发表。所有作者都已审阅并批准了手稿的最终版本及其提交给《Remote Sensing Applications: Society and Environment》。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
伦理合规声明
本研究遵循科学研究的伦理原则和环境监测规范，符合所有适用的伦理指南和机构政策。
卫星数据
本研究使用了通过Google Earth Engine平台获取的Landsat计划（Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI）的公开可用卫星图像。所有使用的卫星数据均属于公共领域，无需为科学研究目的获得特殊伦理批准。现场验证数据
现场验证点由大坝影响社区支持中心（Núcleo de Assessoria às Comunidades Atingidas por Barragens - NACAB）在其持续进行的机构监测活动中提供。这些数据是在常规环境评估活动中收集的，并经适当机构授权后用于科学研究。无人类受试者研究
本研究未涉及直接的人类受试者研究、访谈或个人数据收集。没有为这项研究专门招募或参与数据收集的人类参与者。
环境数据
本研究使用的所有环境和地理空间数据均来自公开来源或通过与NACAB的机构合作获得。未经适当授权，未访问任何受保护或限制区域。社区影响
本研究的目的是为了解帕劳佩巴河流域当地社区所受的环境影响做出科学贡献。研究旨在提供客观、基于证据的信息，以支持环境监测和决策过程，造福受影响的人群。
机构隶属关系
所有作者均隶属于NACAB，该机构致力于支持受大坝失事影响的社区。本研究符合该机构提供技术和科学支持的任务。CRediT作者贡献声明
雨果·恩里克·卡多索·德·萨利斯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。亚历山大·德·利马·丘姆比尼奥：项目管理。伊尔拉·保拉·斯托帕：项目管理。玛丽莉亚·安德拉德·丰特斯：项目管理未引用参考文献
Zhang等人，2025年。伦理合规性
本研究遵循科学研究的伦理原则进行，由于不涉及人类受试者或动物实验，因此无需正式的伦理批准，仅依赖于公开可用的卫星数据和机构环境监测数据。数据透明度
所有方法论和数据来源在手稿中均得到充分披露，以确保研究的透明度和可重复性。伦理批准
由于本研究不涉及人类受试者研究、动物实验或访问机密或敏感个人数据，因此无需机构审查委员会（IRB）或伦理委员会的正式批准。
声明
所有作者声明本研究遵循最高的伦理标准，方法论、数据收集或分析过程中不存在任何伦理问题。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
资金来源
本研究在
大坝影响社区支持中心（Núcleo de Assessoria às Comunidades Atingidas por Barragens – NACAB）的活动中进行，使用了该机构的资源和基础设施。本研究未接受任何外部资助。
致谢
作者感谢
大坝影响社区支持中心（Núcleo de Assessoria às Comunidades Atingidas por Barragens – NACAB）在机构和后勤方面的支持。特别感谢Daniel Fernandes、Ramon Neto和Erna Holzinger对本研究的宝贵贡献。
