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为评估海上风力发电机对水体悬浮泥沙浓度（SSC）的影响，研究人员利用Sentinel-1 SAR影像监测中国北部沿海海上风电场的演变，并基于Sentinel-2高分辨率光学影像，构建悬浮泥沙尾迹标度指数（SI-SSW）来量化单台风机的悬浮泥沙影响。研究揭示了过去近十年中国近海风电场面积扩大了约15倍，单台风机可导致其尾迹区悬浮泥沙浓度平均升高超20%，影响范围可达0.3-1.5 km2。这项工作为评估海上风电场的环境影响及决策支持提供了科学依据。
在应对全球气候变化的迫切需求下，以风能、太阳能为代表的清洁能源正以前所未有的速度发展。作为海洋大国，中国拥有丰富的海上风能资源，在渤海、黄海等海域，一座座白色“风车”拔地而起，构成了一道独特的海上风景线。然而，在这些庞然大物为我们提供源源不断绿色电力的同时，一个科学问题也悄然浮现：它们对赖以生存的海洋环境，究竟会产生怎样的影响？风力发电机在运转时，其桩基周围会产生复杂的尾流涡旋，这些涡旋会强烈扰动水体，导致海底沉积物再悬浮。悬浮泥沙浓度（Suspended Sediment Concentration, SSC）是衡量水质和海洋生态环境健康状况的关键指标，其变化不仅影响水生生态系统，还可能侵蚀风机基础，威胁到风机自身的安全。那么，如何在大范围、长时间尺度上，精确评估这些“海上巨人”对周围海域悬浮泥沙的影响呢？这正是发表在《Marine Pollution Bulletin》上的一项研究所要回答的核心问题。
为了解决上述问题，研究人员开展了一项基于多源卫星遥感的综合性研究。他们巧妙地扮演了“太空侦探”的角色，利用两种来自欧洲“哨兵”系列卫星的“天眼”——Sentinel-1合成孔径雷达（SAR）和Sentinel-2多光谱成像仪，对中国北部沿海（主要是渤海和黄海）的海上风电场及其环境效应进行了一次系统性“体检”。这项研究不仅追踪了风电场在过去近十年间的“生长足迹”，更首次精细化地量化了单台风机运转时在其身后拖出的“泥沙尾迹”的范围和强度。
研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用Sentinel-1 SAR影像对微波不敏感、不受云层影响的优势，通过阈值分割和形态学处理等方法，自动化提取了2016年至2024年间中国北部沿海所有海上风力发电机的位置，并分析了其时空演变。其次，为了捕捉风机在水面引发的悬浮泥沙尾迹，研究基于Sentinel-2影像的表面反射率数据，测试了多种单波段和双波段模型，最终选取对尾迹最敏感的红光波段（R(665)）构建了“悬浮泥沙尾迹标度指数”（Scaled Index of Suspended Sediments Wake, SI-SSW），并利用滑动窗口背景平滑技术和阈值分割来提取尾迹区域。最后，为了量化尾迹内的悬浮泥沙浓度，研究应用了一个基于黄河口和珠口岸实测数据建立的、适用于大浓度范围的半经验模型（y = 7.219 * exp(26.173 * x)），将Sentinel-2的反射率数据反演为SSC值，从而直接比较尾迹区与背景水体的泥沙浓度差异。
研究结果
1. 海上风力发电机的演变
研究结果显示，从2016年到2024年，中国北部沿海的海上风电经历了爆炸式增长。风机总数从322台激增至3840台，风电场总面积从约417 km2扩大至约6277 km2，增长了约15倍。风机的分布呈现出从近岸向深海扩展的明显趋势。具体到各海域：渤海的风电开发始于曹妃甸，随后向莱州湾及渤海湾其他区域扩散；北黄海的风机主要集中在庄河附近和山东半岛北部海域；而南黄海，特别是江苏沿岸的滩涂海域，则成为风机分布最密集、面积最大的区域。到2024年，渤海、北黄海和南黄海的风机密度分别约为0.77、0.54和0.6 台/km2。
2. 海上风力发电机水面尾迹的特征
通过构建的SI-SSW[R(665)]指数，研究成功提取了渤海湾和江苏浅滩风机的悬浮泥沙水面尾迹。分析发现，单台风机尾迹的显著影响面积（通过阈值法提取）超过0.3 km2，而其视觉可辨的总影响面积更是超过1.5 km2。尾迹的延伸方向与潮流状况（涨潮或落潮）高度相关，在强涨/落潮时段，尾流方向与潮流方向一致的现象尤为明显。
3. 悬浮泥沙浓度（SSC）
对尾迹区和背景参考区SSC的定量对比揭示了风机的影响强度。在渤海湾，通过SI-SSW阈值法提取的尾迹区，其平均SSC（约11.1 mg/L）比周围水体高出约8.77%。在江苏浅滩，由于本底SSC较高，尾迹区的SSC（约109.88 mg/L）比背景水体高出约44.27%。综合来看，风机尾迹内的SSC平均比周围水体高出约22.01%。此外，研究还发现，在表面流速均匀的情况下，风机尾迹的SSC与水深呈显著负相关，水深越浅，尾迹区的SSC越高，这可能是由于在浅水区，尾流涡旋更容易将底部沉积物搅动至水面。
4. 不同海上构筑物尾迹的对比
研究还比较了风机、大型固定平台和船舶的尾迹差异。大型平台的尾迹面积平均约为0.17 km2，是风机尾迹的三倍左右，其尾迹区SSC也比背景水体平均高出约11.35%。而船舶的尾迹面积较小，SSC增幅也相对较低（约5.34%）。这种差异可能与构筑物体积有关，体积越大，对水体的扰动和沉积物再悬浮作用越强。
5. 风机安装的水深与离岸距离趋势
统计分析表明，中国北部沿海的风机主要安装在平均水深小于20米的近岸区域。但从2016年到2024年，风机安装位置的平均水深在黄海海域呈现整体增加趋势，且风机离岸距离越来越远，这反映出海上风电开发正逐步走向深海。研究指出，在更深的水域，风机尾流涡旋引发的沉积物再悬浮更难到达海面，因此对表层SSC的影响可能相对较小。
研究结论与意义
本研究通过整合Sentinel-1和Sentinel-2卫星遥感数据，系统评估了中国北部沿海海上风力发电机对悬浮泥沙浓度的影响。主要结论包括：近十年该区域海上风电规模急剧扩张，且开发走向深海；基于红光波段构建的SI-SSW指数能有效刻画风机水面悬浮泥沙尾迹；单台风机可导致其尾迹区SSC平均升高20%以上，影响范围在0.3至1.5 km2之间；尾迹特性受潮汐模式、水深及构筑物体积等因素调控，在浅水区和强潮流条件下影响更为显著。
这项研究的意义重大。在方法论上，它发展了一套基于高分辨率光学与微波遥感、不依赖现场实测数据即可大范围、长时间序列监测风机环境效应的技术框架，特别是SI-SSW指数的提出，为直接、高效提取风机悬浮泥沙尾迹提供了新工具。在实践层面，研究首次定量揭示了中国近海大规模风电场对水体悬浮泥沙的实际影响程度和空间范围，估算出截至2024年，渤海和南黄海风电场对SSC的显著影响面积已分别超过100 km2和900 km2。这些发现不仅为已建风电场的环境运营管理提供了直接的数据支持，更重要的是，为未来海上风电项目的规划选址、环境影响评价（Environmental Impact Assessment, EIA）以及决策制定提供了关键的科学依据。研究也前瞻性地指出，随着漂浮式风机技术的发展，深海风电开发将成为必然趋势，其环境效应可能不同于现有的固定式基础风机，这为后续研究指明了方向。最终，这项工作将有助于在开发蓝色清洁能源与保护海洋生态环境之间寻求更可持续的平衡。
