海南龙栖湾海域水文泥沙环境与泥沙运动特征

蔡大昕,王小磊

(中交第一航务工程局第五工程有限公司，秦皇岛 066000)

海岸与近海海域水文环境与泥沙运动特征是海域动力环境与沉积环境的重要参数，是一个区域水动力与泥沙之间相互作用的体现，反映了区域动力、泥沙及地貌三者之间相互反馈的耦合机制，对港口航道、海岸整治与防护工程等方面研究具有重要意义[1-4]。

乐东黎族自治县是海南省自治县，位于海南岛西南部，海域面积1 726.8 km2，海岸线长84.3 km。龙栖湾位于海南乐东县西南(图1)，据国家海洋局发布的《中国海平面公报》与近一些遥感图像显示：龙栖湾岸段海岸侵蚀严重，海岸构筑物破坏、海滩生态环境恶化，岸滩侵蚀后退会对当地民众生命和财产造成一定损失，同时也导致当地旅游资源得不到充分开发。当地主管部门拟通过海岸整治与修复工程改善民生环境、保护海洋生态环境。

建设海岸整治与修复工程，首先要了解工程海域的水文环境与泥沙运动特征，分析海岸侵蚀原因，才能有的放矢科学地实施工程。有关龙栖湾海域的水文、泥沙或沉积物等方面的研究，至今不多见，王宝灿等[5]在其论著中对琼西南包括龙栖湾海域的水动力与地貌特征进行了论述，栾英妮等[6]分析了海南龙栖湾海域波浪特征，采用波浪数学模型方法计算该海域的设计波浪要素。而针对该海域水沙环境、泥沙运动特征与参数等方面的研究至今未见相关文献报道。本文以海南龙栖湾海域为研究对象，以近期的水文泥沙资料为基础，分析该海域的自然条件、动力泥沙环境特征，计算泥沙活动性参数，为海岸整治与修复工程建设提供依据与参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 实测水沙数据

2016年8月在龙栖湾海域进行了大小潮水文全潮观测(图1)，观测内容包括：流速、流向和含沙量。潮流数据采用声学多普勒流速流向仪(ADCP)、含沙量数据采用自容式温盐深浊度测量仪(COMPACT CTD)测得。测流间隔为0.5 h，每次测流历时180 s，测流分层浅水区(水深小于10 m)为0.5 m，深水区(水深大于10 m)为1.0 m；含沙量测量采用分层测量垂线水体浊度，具体测量时采用深度测量模式，将仪器匀速从水面下放至水底，仪器将自动以0.2 m的采样间隔获取垂线分层浊度。测量结束后以现场采取的水样和悬沙对所有的CTD进行室内率定分析，经过率定分析处理建立浊度和含沙量之间的函数关系。

图1 工程项目所在位置Fig. 1 Location of the project

1.2 底质数据

2010年5月和2017年5月在龙栖湾海域进行了2次底质取样。样品均采用蚌式抓斗采样器采集，采样深度为5～10 cm，每次采样前后均严格按照《海洋调查规范》[8]的规定清洗采样器，以防样品污染，样品采集后充分搅拌混合，经现场描述后装袋标识，运回实验室以备分析。所采样品经由实验室处理之后，采用英国马尔文仪器公司的MS-2000型激光粒度分析仪进行粒度分析，然后根据国家海洋调查规范计算出泥沙粒度参数(中值粒径D50、分选系数σ、偏度Sk等)，并划分粒级标准和进行沉积物命名。

1.3 遥感影像资料

为了从宏观上掌握工程海域含沙量分布特征，选取了龙栖湾海域2011年10月21日和2015年9月30日两期Landsat卫星遥感影像资料，利用ENVI软件，基于实测含沙量资料，建立水体悬浮泥沙浓度与遥感反射率之间的半定量的经验公式，反演含沙量场。

1.4 泥沙运动参数的计算与分析

采用国内外比较经典的经验公式、规范公式对泥沙在水流、波浪作用下的泥沙起动流速、临界起动水深、沿岸输沙和横向输沙参数进行计算，来分析泥沙活动性。

2 水动力特征

2.1 潮汐与潮流特征

龙栖湾附近海湾潮汐性质为不正规日潮型，平均高潮位1.91 m(国家85基面)，平均潮差1.53 m。根据实测潮流资料分析结果显示(图2)。

2-a 潮流矢量 2-b 余流矢量图2 各站垂线平均潮流与余流矢量图Fig.2 Vector diagram of average vertical current and residual current at each station

(1)潮流为不规则全日混合潮流，呈往复流，涨潮流向为NNW，落潮流向为SSE，大体上与海岸平行；涨、落潮流速相差不大，大潮期间涨潮平均流速在0.34～0.87 m/s，落潮平均流速在0.28～0.67 m/s；实测最大垂线平均涨潮流速为1.44 m/s，实测最大垂线平均落潮流速为1.13 m/s，在平面流速分布上，位于外侧海域的测站流速大于近岸浅海流速。

(2)海域余流差别较大，外海H9站余流最大，其值介于16.0～17.0 cm/s；其他站位余流流速介于2.8～16.5 cm/s。受地形等因素影响，调查海域各站位余流较复杂。大潮期H1站各层余流流向均为西南向；H2站位余流流向为南向；H3、H9余流流向为西北向；H4、H5余流流向为西、西南向； H6余流流向向岸流，为西北、东北向；H7、H8余流流向则为西北、西南向。

2.2 波浪特征

龙栖湾海域没有长期测波站，该海域西侧莺歌海岬角附近有莺歌海海洋站，可为龙栖湾工程提供较可靠的风浪基础资料。根据莺歌海海洋站和龙栖湾所在位置(图1)，可以看出两处海域岸线走向均相似，为NW～SE，影响海域的常浪向和强浪向基本一致，均为偏SW浪。因此，用莺歌海海洋站测波资料代表龙栖湾的波浪有一定合理性。

根据莺歌海海洋站多年波浪资料统计，该海域波浪以风浪为主，风浪常浪向是SE，其频率为19%，次常浪向是SSE，其频率是12%；强浪向是SE，最大波高值9.0 m，次强浪向是S和SSW，它们的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大，为1.0 m，NNE和WSW向平均波高值次之，为0.9 m。再结合工程实际位置和近期岸线情况，判断SE向浪对龙栖湾影响相对较小，偏SW向浪对工程区影响较大。

3 含沙量与表层沉积物特征

3.1 含沙量特征

根据2016年8月含沙量观测资料：海域平均含沙量介于0.012～0.026 kg/m3；大、小潮平均含沙量差别不大；在垂线分布变化上，平均含沙量总体变化不大，表、中、底含沙量相对均匀。

为了从宏观上掌握工程海域含沙量分布特征，选取了多个不同时间的Landsat卫星遥感影像资料(图3)，利用ENVI软件，基于实测含沙量资料，建立水体悬浮泥沙浓度与遥感反射率之间的半定量的经验公式，反演含沙量场。经含沙量反演分析，该海域表层含沙量低，趋于近岸含沙量稍高的趋势，含沙量最大值一般都不超过0.03 kg/m3，与实测结果基本一致。

图3 工程区海域不同时期表层含沙量分布Fig.3 Surface sediment concentration distribution in the project sea area in different periods

3.2 表层沉积物特征

龙栖湾是开敞的海湾，潮汐潮流水动力较弱，而波浪条件较强，为强波能海区。强浪条件下，在沉积环境上，沉积物类型往往表现为呈带状分布。根据2010年5月、2017年5月底质取样结果，龙栖湾海域表层沉积物中值粒径范围在0.044 2～0.742 3 mm，平均中值粒径为0.384 mm，底质类型主要有：砂、粉砂质砂、粘土质砂等三类，以中砂为主；泥沙粒径从岸向海逐渐变细。

由于表层沉积物在横向分布上具有明显的分带现象，显示泥沙运动以横向分选作用为主，同时泥沙的运动形式也有一定差异。在前海滨的海滩上，泥沙受激岸浪作用，其运动为推移形式；波浪破碎带泥沙的搬运以跳跃为主；在深水区随着泥沙粒径的变细，泥沙运动以悬移形式运动的泥沙含量逐渐增多。

4 泥沙运动参数特征

4.1 泥沙起动流速

起动流速是一个描述泥沙运动的重要参数，利用在国内应用比较广泛的窦国仁公式[7]和张瑞瑾公式[8]分别对本工程海域起动流速进行了计算。

窦国仁公式[7]

(1)

式中：εk=2.56 cm3/s2，δ=0.213×10-4cm,ks为糙率；D<0.5 mm时，取ks=0.5 mm，D>0.5 mm时，取ks=D。

张瑞瑾公式[8]

(2)

式中：h为水深，D为泥沙粒径，γs为沙粒比重，水体比重取为γ=1。式中h与D均用m。

表1 水流作用下底沙起动流速计算结果Tab.1 Starting velocity of bottom sand under the action of current

由以上计算结果，龙栖湾海域在水流作用下的泥沙起动流速在0.45 m/s左右。再结合实测上述潮流特征，在大潮流速较大时期(最大流速在0.6～0.8 m/s)，流速即可使当地的泥沙起动，从而对岸滩的冲淤作用起到一定影响作用。在实际情况下，再加上波浪作用，泥沙则更加容易起动，对岸滩的冲刷侵蚀或堆积产生更大影响。

但是一般情况下实测点水深都相对较大，没有近岸的点，根据工程区附近海南三亚海域流速空间分布特征[2]，近岸流速比远岸流速小，因此流速对泥沙起动有一定作用，但是作用非常有限，而波浪是关键性作用因素。

4.2 波浪作用下泥沙起动的临界水深

波浪是沙质海岸岸滩泥沙运动的主要动力因素。在波浪作用下，泥沙产生不同程度的运动，可将泥沙起动的临界水深分为表层移动水深和完全移动水深。波浪作用下的泥沙活动的临界水深反映在波浪作用下泥沙颗粒临界活动水深的大小，其水深愈浅，表明泥沙活动愈剧烈[2-3，11]。

在此采用佐藤昭二等[9]的公式计算泥沙的表层活动和显著活动的临界水深，如下

式中：H0、L0分别为深水波高和波长；H、L分别为计算处的波高和波长；D50为泥沙中值粒径；hc为临界作用水深；α为系数，泥沙表层动为1.35，泥沙全面动为2.40。根据工程附近海域底质沉积物分布情况，计算了该海域各级波浪情况下产生表面和全面推移临界水深，列于表2，其结果显示：0.9 m波高可以使水深1.5 m以浅水域海床泥沙完全起动，可以使水深3 m以浅水域海床泥沙表层起动；3 m左右波高的波浪，可以使水深6 m以浅水域海床泥沙完全起动，可以使水深10 m以浅水域海床泥沙表层起动；5 m以上台风浪的泥沙完全起动水深可达到12 m。由此不难看出，大浪对海域泥沙运动的强烈作用。

表2 不同波况作用下不同粒径泥沙的临界起动水深Tab.2 Critical starting depth of sediment with different particle sizes under different wave conditions m

4.3 沿岸输沙计算

根据野外现场调查、海图资料和遥感卫片所显示(图4)，工程区所在岸段存在双向沿岸输沙，根据整个海湾形态认为该海湾目前处在侵蚀型动态平衡状态，湾顶凹入度小，但由于海向泥沙供沙不足，顺向沙嘴发育不典型(图5)。现阶段净输沙方向为自湾顶向切线段输沙，即主要输沙方向为西北向。特别是康乐度假庄园工程建设以后，这种输沙趋势越加明显，亦使得岸线侵蚀明显。

图4 海图上所显示的工程区附近沿岸沙嘴情况 图5 华南弧形海岸三种平衡状态与输沙形式[10]Fig.4 Coastal spits near the engineering area Fig.5 Three equilibrium states and sediment transport forms of curved coast in south China

根据我国《港口与航道水文规范》公式[11]，依据工程区附近的波浪资料，对工程区沿岸输沙进行了计算，结果显示：SW～SE向各波浪共同作用下，该海岸岸滩净的输沙方向为西北向，净输沙能力为1.3万m3。

4.4 横向输沙特征

垂直海岸方向的泥沙横向输运也是沙质海岸泥沙运动的重要方面。就工程区海岸而言，其常浪向多与海岸方向垂直，沿岸输沙量相对较小，横向输沙也应是海岸泥沙运移的重要形式之一。根据岸滩剖面的横向输沙特征判式[5]对目前岸滩的侵蚀和堆积程度进行分析，如下

式中：θ为岸滩坡度；H0、L0、T分别为波高、波长和周期，ω为泥沙颗粒沉降速度；g为重力加速度。其中泥沙沉速采用沙玉清沉速公式[8]计算。

当K等于0.5时为中性的平衡剖面，当K大于0.5时为离岸输沙的侵蚀型剖面，当K小于0.5时为向岸输沙堆积型剖面。依据上式和龙栖湾岸段的岸滩坡度、泥沙粒径、代表波要素等条件，计算了龙栖湾典型断面横向输沙特征的K值(表3)，结果显示：在代表波浪条件下，工程所在区域的K值为0.14(小于0.5)，即具有向岸输沙的特征；2 a一遇大浪作用下K值为0.72(大于0.5)，即具有离岸输沙的特征；50 a一遇大浪作用时，K值为0.92(大于0.5)，即具有离岸输沙的特征。因此，在2 a一遇和50 a一遇大浪作用时，普遍具有自岸向海的离岸输沙特征。

表3 龙栖湾典型岸段的横向输沙判数(K值)Tab.3 Judgment number of lateral sediment transport

可见，在正常天气条件下平均代表波浪作用下，工程岸段的泥沙基本不具有离岸流失的条件；大浪作用是泥沙离岸流失的主要因素，也是海滩冲刷的主要动力原因。符合沙质岸滩剖面“小浪恢复、大浪淘刷”的特征。

5 沙滩侵蚀原因分析与讨论

海岸或沙滩侵蚀的原因，一般可分为自然因素和人为因素。

在自然因素中又可分为短期因素、中期因素和长期因素，短期因素一般指风暴潮(较短时间内对海岸产生较大影响)；中期因素一般指季节变化，主要反映在不同季节沙滩剖面形态的变化；长期因素是指海平面上升、地质构造下沉、气候变化等因素。

在人为因素中也可分为短期因素和中期因素，短期因素一般指前滨采砂、海岸天然屏障破坏，中期因素一般指河流入海泥沙量减少、海岸工程影响等因素。

对于以上不同方面的分析可以看出，长期因素可以说是普遍因素，是一个长期的影响。对龙栖湾沙滩侵蚀原因的考虑应主要从短期和中期因素上分析。

5.1 自然因素

(1)龙栖湾为向西南敞开的海湾，常年受东南向、南向以及西南向浪的作用，其中东南向浪和南向浪为常浪向，使龙栖湾海岸常年受偏南(SE、S和SW)向浪的作用而侵蚀后退。

(2)该海域流速相对较大，在实测最大流速时，根据对本地泥沙起动特征分析，在近岸水流作用下对泥沙有一定的起动作用。在实际情况下，再加上波浪作用，泥沙则更加容易起动，形成冲刷侵蚀或堆积。但是近岸流速比远岸流速小，因此流速对泥沙起动有一定作用，但是作用非常有限，而波浪是沙滩侵蚀的关键性作用因素。

(3)龙栖湾海岸以横向输沙为主，根据经验判别公式计算在2 a一遇和50 a一遇大浪作用时，普遍具有自岸向海的离岸输沙特征，即大浪作用是泥沙离岸流失的主要因素，也是海滩冲刷的主要动力原因。

而且该海域属于海南南部海域台风多发区，每年的9月份和10月份是全年海平面最高的时段，而这段时间内正值海南台风频发的季节，如果高海平面和台风暴潮以及天文大潮相迭加，则会引起更剧烈的侵蚀。

(4)近些年来，恶劣天气越加频繁，其中2013年影响海南的台风异常偏多，为历史罕见。年内影响海南(指进入东经114°以西、北纬15°以北)的热带气旋达12个，其中以2013年海燕台风影响最大。

5.2 人为因素

(1)据调查，龙栖湾海域目前没有发现有前滨采砂等现象，因此人为影响的短期因素并不存在。

(2)工程附近海域有抱套河注入，但抱套河流量极小，来沙量极小，口门具季节性淤积的特征，即不存在入海泥沙量减少的问题。

(3)除了上述因素外，其中一个最重要的因素就是人为工程导致的海岸动力的变化。由近些年来岸线变化分析可以看出，该区域实施了较大“突堤式”填海工程——康乐度假庄园工程， 2010年以来，本岸段出现的侵蚀状态，2012年与2016年对比，康乐度假庄园的下游岸段(北侧)发生了侵蚀，侵蚀幅度约30 m。其主要原因是康乐度假庄园建设后，人为构造海岸岬角，在新岬角控制下，按弧形海岸发育模式进行演变。即康乐度假庄园的建设阻碍了东面的来沙，使得本岸段来沙减少，在波浪和潮流的作用下发生侵蚀。

综上所述，龙栖湾沙滩侵蚀主要原因是康乐度假庄园工程人为构造海岸岬角，在新岬角控制下，康乐度假庄园的建设阻碍了东面的来沙，使得本岸段来沙减少，在自然波浪、潮流以及风暴潮的作用下，发生侵蚀。

5.3 沙滩防护策略

(1)制定综合管理措施。

加强对滨海沙滩资源的管理是现实的必然需求。地方政府协调各部门，建立联动机制，制定相应法规，明确权责，建立有效的沙滩管理与开发体制。科学地使用和开发沙滩旅游资源。建立必要的补偿机制，缓和人类活动和沙滩环境之间的矛盾。

(2)加强滨海沙滩侵蚀及其影响研究工作。

沙滩保护基础理论的研究，是沙滩保护技术发展的根基，内容包括滨海沙滩侵蚀特征、过程和机理，滨海沙滩岸滩演化评价和预测，侵蚀灾害发生的风险、强度和影响的预报和评估，沙滩资源的评价，沙滩资源综合管理的理论和方法等内容。通过前期的调查工作对龙栖湾沙滩侵蚀特征、过程和侵蚀原因进行了研究，但是其侵蚀机制研究尚需深化，有助于建立有效的防范策略和为科学保护方案提供理论支撑和科学依据。

(3)科学合理地建设海岸防护工程论证。

沙滩防护既要达到防止岸线后退的目的，又要满足其保沙促淤的需求，就需要科学合理的建设海岸防护工程。常见的沙滩海岸防护工程有海堤、丁坝、离岸堤、离岸潜堤等。

不同性质的沙滩，其工程适宜程度也不同。丁坝群工程适宜于建造在以沿岸输沙为主，且输沙主导方向明显的情况，对以横向泥沙运动为主的海岸防护基本无效。离岸堤主要使用于横向泥沙运动为主的海岸，对于拦截沿岸输沙也是有效；离岸堤能够消耗波能，且不阻断泥沙的输运，可在堤后波影区淤积泥沙，起到保护海岸的同时不影响沙滩的自然景观的作用。

从龙栖湾沙滩的泥沙输沙特征而言，主要是由于波浪动力变化导致的横向输沙问题的改变。由此，在无法改变目前周围工程现状情况下，实施离岸堤工程、减小沙滩区的波浪动力条件应该是较为合适和科学的，该工作需要进一步深入研究。

(4)开展沙滩养护与修复工程。

由于人为导致的动力变化和人为工程影响以及强烈风暴潮导致的沙滩侵蚀，在后期很难恢复原貌。人工修复与补沙是最为成熟和有效的恢复滨海沙滩原始地貌的措施，经过人工抛沙补充沙滩原本不足的沙量，有效地增加了干滩宽度，在加上科学有效的防护工程，从而防止海岸侵蚀和塑造良好的旅游环境。修复内容包括恢复沙滩剖面形态、沙丘及沙滩后部的盐沼湿地及其植被等。人工养滩在美国、澳大利亚、日本等地早已得到广泛应用，近些年来在我国秦皇岛、厦门、北海、威海等地开始普遍采用的人工抛沙和防护工程相互结合的养滩方案，取得了显著的成效。龙栖湾沙滩修复与养护可参考国内或国际案例采取相应的措施。

6 结语

采用实测资料对龙栖湾水文泥沙环境与泥沙运动特征进行了分析，并利用经验公式计算了泥沙起动流速、临界起动水深、沿岸输沙和横向输沙等参数。研究结果表明：

(1)潮汐性质为不规则全日潮，多年平均潮差为1.53 m；潮流性质为不规则全日混合潮，主要呈往复流运动，2016年8月实测大潮平均流速为0.28～0.89 m/s，涨落潮流速相差不大；波浪主要为风浪，影响工程区域的波浪以偏SW浪为主。

(2)海域平均含沙量在0.03 kg/m3以下；表层沉积物中值粒径在0.044 2～0.742 3 mm，平均中值粒径为0.384 0 mm，沉积物类型属中砂范畴。

(3)水流作用下的泥沙起动流速在0.45 m/s左右，一般天气下泥沙完全起动水深在1.5m以浅，表层泥沙起动水深在3 m以浅。该工程区所在岸段存在双向沿岸输沙，其净输沙方向为西北向，净输沙能力为1.3万m3。不同风浪条件，横沙输沙特征略有差别，在一般天气下，主要以向岸堆积；大浪作用时淘刷，泥沙离岸流失。

(4)龙栖湾沙滩侵蚀除了受到自然因素影响外，康乐度假庄园工程人为构造的新的海岸岬角，改变了岸线性质，在新岬角控制下，康乐度假庄园的建设阻碍了东面的来沙，使得本岸段来沙减少，在自然波浪、潮流以及风暴潮的作用下，发生侵蚀。