1 引言

沙坝-潟湖海岸是由沙坝、 潟湖和潮汐汊道三大地貌单元组成的一个有机整体，是沉积性海岸的主要组成部分，占全球海岸线的13％以上^{[1, 2]}，在我国主要分布于河北、 山东、 广东、 海南和台湾等省沿岸^[3]。沙坝-潟湖海岸是一类多变的、 脆弱的生态系统，自形成后处于持续动态平衡调整过程中^[4]。由于其在港口航道建设、 环境保护、 水产养殖和旅游开发等方面具有很大的应用价值^[3]，且形成发育和滩槽演变趋势与港口、 航道建设的兴衰成败密切相关^[5]，对沙坝-潟湖海岸的动力地貌过程的研究就显得尤为重要。

国内对沙坝-潟湖海岸的研究始于20世纪70年代后期，蔡爱智^[6]对芝罘连岛沙坝成因及特征进行了研究，80年代中后期，利用内海湾纳潮量（P）与口门断面面积（A）关系对潮汐汊道稳定性研究较多^{[7, 8, 9]}。众多学者对沙坝-潟湖体系的形成演化^{[10, 11, 12]}、 沉积动力条件^[13]和资源评价与开发^[14]等进行了系统的理论探讨和应用研究。近十几年来，沙坝-潟湖的动态平衡体系受到人类活动，诸如海岸建港、 养殖、 围垦滩涂等的强烈影响，发展出不同于自然演变的形态，研究的重点转向在自然驱动作用及人类影响下的稳定和平衡上^{[15, 16, 17]}。同时众多研究者也利用遥感及地理信息集成技术手段揭示沙坝-潟湖海岸体系演化^{[18, 19]}，研究了潟湖沉积物沉积状况与古环境关系^{[20, 21]}和输运状况^{[22, 23]}。前人对新村和黎安港的研究主要集中在水动力^[24]、 潮汐汊道演变^{[25, 26]}以及环境生态的保护^{[27, 28]}等方面，缺乏潟湖输运机制方面的研究。本文利用双湖悬移质含沙量、 流速流向数据，采用物质输运通量分解的方法，计算潮周期单宽悬沙输运通量及其各个分量，对新村港和黎安港双湖区域悬沙输运特征及机制进行分析和探讨。

新村港、 黎安港位于海南岛东南部海岸，面向南海（图1），地貌类型丰富、 自然景观独特，是国内乃至世界范围内不可多得的天然避风良港。

图1(Fig.1)

图1 研究区地理区位（a）及全潮观测站位（b）（底图据文献[29]） Fig.1 Geographic location of study area （a） and tidal cycle observation stations（b），the base map after reference[29]

新村港（18°23′～18°28′N，109°57′～110°02′E） 是一个近封闭的沙坝-潮汐汊道-潟湖海岸体系，水域宽阔，潟湖面积约19.43km²，湖滨边滩发育，湖中底质以砂为主； 有两条小河注入，涨落潮三角洲均比较发育，口门处北岸西侧为新村港码头堤岸，南岸分布着一系列花岗岩低山和丘陵^[25]； 港内水体较深，平均水深5.7m，最深处达10m以上。黎安港（18°24′～18°27′N，110°01′～110°04′E） 是一个典型的口小腹大的潟湖，平均水深5.5m，最大水深7.6m，面积约7.92km²，通过一条宽约60m的口门与南海相通^[30]； 湖中底质类型为沙-泥质，涨、 落潮三角洲也发育良好； 该潟湖不但发育了较好的自然海草群落系统，还有规模较大的水产养殖^[30]。

新村和黎安港无明显径流注入，影响岸段的主要动力因素是波浪、 潮汐和潮流，动力特征属混合能型^[26]，潮汐汊道及口门内以潮流作用为主。该海区风浪年出现频率为80％，常浪向是SE向和S向，次常浪SSE向，平均波高0.7m，波浪优势向为SE-S向^[26]。潮汐为不规则全日潮，根据2013年8月在新村港和黎安港验潮站的观测结果，以当地平均海平面为基面，新村港最高潮位为1.18m，最低潮位-1.15m，平均高潮位0.65m，平均低潮位-0.28m，最大潮差1.61m，平均潮差0.93m。黎安港最高潮位0.75m，最低潮位-0.47m，平均高潮位0.50m，平均低潮位-0.22m，最大潮差1.08m，平均潮差0.72m，且双湖口门与湾中潮位均相差不大。

2013年8月19～21日在海南岛新村港S1（18.410°N，109.984°E） 和S2（18.424°N，110.014°E）站位、 黎安港S3（18.408°N，110.056°E）和S4（18.430°N，110.050°E） 站位进行全潮水文观测（图1），其中S1和S3站位在口门附近，S2和S4站位在湾中。在4个水文泥沙观测站位上，分别采用ADCP和Valeport进行流速剖面测量，ADCP探头置于浮体船上，约为水下0.1m，流速分辨率0.001m/s，设定单元层厚度0.15m。每个站位的全潮测量时间为26小时。在全潮观测期间，使用YSI6920多参数水质监测仪对水体进行每小时温度、 盐度、 叶绿素和溶解氧的剖面测量。同时，同步使用采水器，每小时进行表（距离海面0.5m）、 中、 底（距离海底0.5m）三层水样采集，采水量1～2L，室内用0.45μm孔径的滤膜进行抽滤，记录水样体积、 烘干、 称重，获得剖面悬沙浓度。

悬沙通量的分解根据Dyer^[31]的物质通量计算方法而进行。对于一个固定站位的固定层位，实测流速u可以分解为:

潮周期内单宽输水量为:

公式（4）中，u _E=u₀，u_S=<u_th_t>／h₀，u_L=u_E＋u_S，h₀是潮周期平均水深，u_E、 u_S和u_L分别是一维垂向平均欧拉余流、 斯托克斯余流和拉格朗日余流，海洋环境中余流对沉积物和营养盐等物质输运具有重要作用^{[32, 33]}。

同理，悬沙浓度c可以分解为:c=c_v＋c_t＋c₀，其中c₀为悬沙浓度的潮平均项，c_t为悬沙浓度的潮偏差项，c_v是垂线偏差项。

因此，单宽悬沙通量可以分解为7个主要的通量项:

以上公式中，尖括号<>表示可积变量的潮平均值，上划线表示垂向平均值。T₁是非潮漂移输运通量，为欧拉余流贡献项； T₂是潮汐与潮流相关项，为斯托克斯漂移； T₁＋T₂为平流输运，为拉格朗日输移。T₃＋T₄＋T₅是由涨落潮过程不对称引起的潮泵效应（tidal pumping）的贡献，它是由潮相位差引起的。T₃是与物质浓度和潮位之间的相位差相关项； T₄为悬沙与潮流场变化相关项，主要是由沉积物的临界滞后和侵蚀滞后引起的，是物质的再悬浮与沉降的结果，亦称为潮汐捕捉（Tidal trapping）项； T₅是与潮位、 流速、 物质浓度之间的相位差相关项。T₆＋T₇是由流速和悬沙在垂向分布不均导致的贡献项，与剪切扩散有关。T₆是由垂向悬沙浓度分层引起的重力环流贡献项。T₇是由纵剖面上流速和物质浓度在潮波作用下的变形引起，与沉降和冲刷造成的浓度变化相对滞后有关。

新村港和黎安港潟湖均表现出涨潮历时大于落潮历时，涨潮平均流速略小于落潮平均流速的特征，但其差别不大（表1）。这些观测结果与龚文平等^[26]研究结果一致，即新村港潮流表现出时间-流速不对称性，实测口门平均涨潮历时大于平均落潮历时。

表1(Table 1)

表1 新村、 黎安站位全潮潮流特征值Table 1 Tidal characteristics of the tidal cycle measurement stations in the Xincun and Li-An lagoons 站位 涨潮历时/h 落潮历时/h 涨潮历时/落潮历时 涨潮垂线平均流速/m·s-1 落潮垂线平均流速/m·s-1 S1 14 11 1.27 0.07 0.06 S2 15 10 1.50 0.04 0.08 S3 15 10 1.50 0.41 0.43 S4 14 11 1.27 0.04 0.08

表1 新村、 黎安站位全潮潮流特征值 Table 1 Tidal characteristics of the tidal cycle measurement stations in the Xincun and Li-An lagoons

从表1可见，新村港S1和S2站位涨落潮垂线平均流速均较小； 黎安港S3站位垂线平均流速较大，湾中S4站位垂线平均流速则也较小。因为S3站位流速结果与蒋增杰等^[30]对黎安口门处流速的调查吻合，加之位置靠近，下文分析时我们用S3站位代表黎安港口门处站位。

从各站位流速等值线图（图2）可以看出: 各站位流速都较小，最大流速为黎安港口门附近S3站位0.75m/s，与龚文平等^[26]调查结果港内大部分区域最大潮流流速都小于0.1m/s一致。站位处潮流多为往复流，涨潮历时大于落潮历时（表1）； 涨急和落急时在近表层附近出现流速极大值，且有明显的垂向分层； 憩流时流速较小（一般小于0.1m/s），垂向变化变小。

图2(Fig.2)

图2 新村、 黎安潟湖各站位全潮流速（m/s）变化 Fig.2 Variations of the current speed（m/s）during the tidal cycle in the Xincun and Li-An lagoons

新村港的S1、 S2站位，涨潮流方向均为近东南向，S1站位最大垂线平均流速比S2大，最小垂线平均流速比S2小。在整个观测期间，新村港S1站位垂线流速在0～0.3m/s之间变化，涨急时刻在近表层出现最大流速，涨落潮期间均具有明显的垂向分层。S2站位落潮期间最大瞬时流速为0.23m/s，涨潮期间最大瞬时流速为0.13m/s，落潮平均流速略大于涨潮平均流速。

黎安港S3站位的涨潮流方向为SW，S4站位涨潮流方向为NNW。S3站位位于口门处，流速较大，涨落潮期间最大流速0.75m/s，出现在落急时刻。S4站位流速很小，变化也很小，只在落急时刻出现流速极大值。

在新村、 黎安港4个站位现场同步采集多层水样，经室内过滤后，得到悬沙浓度剖面时间序列（图3）。研究区悬沙浓度潮周期分布有如下特点: 新村港S1站位悬沙浓度为0～11.38mg/L，S2站位悬沙浓度为0～14.08mg/L，较S1稍大。S2所处位置更深入湾内，水深更浅，悬沙浓度更高。黎安港S3站位悬沙浓度较小，S4站位悬沙浓度较其他站位高，悬沙浓度垂向分层都比较明显。黎安港面积较小，水深较浅，落潮期间再悬浮作用更为显著，导致最大悬沙浓度较其他站位高，达17.2mg/L。

图3(Fig.3)

图3 新村、 黎安潟湖各站位悬沙浓度（mg/L）变化 Fig.3 Suspended sediment concentrations（mg/L）during the tidal cycle in the Xincun and Li-An lagoons

各站位悬沙浓度整体较小，最大值为S4站位17.2mg/L，最小值为0mg/L，属于典型的低悬沙浓度海域。总体看近水面悬沙浓度最小，自表层到底层逐渐增大； 涨落潮期间底部沉积物再悬浮显著，近底部形成悬沙浓度高值中心。多数站位的悬沙浓度最大值出现时刻与涨急、 落急的最大时刻相对应； 涨急和落急时刻具有明显的垂向分层，憩流时垂向分布较为均匀。最大悬沙浓度一般出现在流速极大值附近时刻，憩流时刻悬沙浓度较小，最小悬沙浓度出现在高平潮和低平潮后。从观测站点的位置来看，S1站位靠近岸外沙坝，故而悬沙浓度比较大； S2站位由于输运方向自湖岸向湾中，悬沙浓度也较大； S3站位最靠近口门位置，海水主要来自于外海，故悬沙浓度最小； S4站位区域海水养殖鱼排较多，有机物含量高，有机物可能形成絮凝体使得水中悬浮物不易下沉，从而使得悬沙浓度较大。

对比新村港和黎安港悬沙浓度发现，新村港口门附近（S1）的悬沙浓度大于黎安港口门处（S3），新村湾中（S2）的平均悬沙浓度小于黎安湾中站位（S4）。而对于口门及湾中的平均悬沙浓度，新村和黎安站位表现出不同特征: 新村港口门附近S1站位平均悬沙浓度大于湾中S2站位，涨潮平均悬沙浓度高，落潮平均悬沙浓度低； 而新村湾中S2站位则表现出落潮平均悬沙浓度高，涨潮平均悬沙浓度低的特征。黎安口门（S3站位）平均悬沙浓度小于湾中（S4站位）平均悬沙浓度，且口门及湾中位置均表现出落潮平均悬沙浓度大于涨潮平均悬沙浓度的特征。

各站位余流计算结果见表2，结果显示，4个站位余流值均小于或等于0.043m/s，该区域属于余流较弱区域； 同一潟湖内口门附近站位（S1、 S3站位）余流大于湾中站位（S2、 S4站位）； 欧拉余流在拉格朗日余流中占绝对主导地位，因此合成后的拉格朗日余流的流速与欧拉余流基本一致。欧拉余流表示流速垂线平均的潮平均项，斯托克斯余流表示流速垂线平均的潮偏差项，说明虽然涨急和落急时刻流速的垂向分层明显，但相对整个潮周期来看，流速的垂向分层相对较小。

表2(Table 2)

表2 站位余流计算结果*Table 2 The calculated residual currents in the Xincun and Li-An lagoons 站位 平均水深/m 拉格朗日余流/m·s-1（方向/°） 欧拉余流/m·s-1（方向/°） 斯托克斯余流/m·s-1（方向/°） S1 11.20 0.011（188） 0.011（189） 0.0001（91） S2 5.48 0.008（227） 0.009（225） 0.0007（19） S3 2.73 0.043（105） 0.030（149） 0.0300（60） S4 7.64 0.003（100） 0.004（98） 0.0005（86） *括号内数值表示以地球坐标显示的正北方向； 水深为观测潮周期内的平均水深

表2 站位余流计算结果* Table 2 The calculated residual currents in the Xincun and Li-An lagoons

近岸浅水区域底床摩擦作用较强，使得潮波在传播过程中能量逐渐耗散，潮波发生变形^[34]，所以两潟湖均表现出浅水站位余流大于深水站位的特征。

新村港S1站位拉格朗日余流为0.011m/s，方向近南向，指向岸外沙坝。S2站位拉格朗日余流为SW方向，同样指向沙坝。这两个站位欧拉余流值均比斯托克斯余流大一个量级，且二者基本成正交，所以拉格朗日余流几乎与欧拉余流分量相同。

黎安港S3站位余流值最大，拉格朗日余流达0.043m/s，方向沿口门向海，其斯托克斯余流占相当大比重，与其他站位具有明显不同，原因后文详述。S4站位拉格朗日余流为近东向，指向湖岸，余流很小。

本文对双湖海域悬沙通量按照Dyer^[31]物质通量计算公式（5）进行机制分解，并将T₁～T₇各分量矢量分解到净输运方向及其垂向两个方向。由于垂向输运所占比重较小，因而我们只考虑沿净输运方向上的分量，将其分别除以总净输运量，得到各项在净输运方向上的百分比（表3）。结果显示，T₁及T₄项在多数站位占主要地位，净输运方向上贡献百分比在68％以上； T₂、 T₃和T₅项则影响较小，T₆项仅在S4站位作用明显，T₇项几乎不起作用。S4站位与其他站位明显不同: 垂向剪切扩散作用项T₆起决定性作用，其他主要贡献项有欧拉余流项T₁和潮汐捕捉项T₄。

表3(Table 3)

表3 双湖定点站位不同输运机制对悬沙输运的贡献率（％）及单位宽度潮周期悬沙净输运率（g/s）*Table 3 Contribution to suspended sediment transport（％）made by different transport mechanisms（T1 to T7）and net transport rate（g/s）for the observed stations in the Xincun and Li-An lagoons 站位 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 输运率/g·s-1 正北方向/° S1 73.29 -2.13 -0.65 41.29 30.03 -11.50 2.04 0.62 198.4 S2 83.04 -6.63 0.98 55.47 4.06 -38.78 1.85 0.24 212.1 S3 20.70 36.35 6.46 48.01 -7.67 3.34 -1.37 0.76 88.7 S4 -18.24 1.60 -0.16 21.44 0.30 92.62 5.64 0.68 327.7 *不同输运机制对悬沙净输运的贡献率以净输运方向为＋，反之为-； 潮周期悬沙的净输运方向中

表3 双湖定点站位不同输运机制对悬沙输运的贡献率（％）及单位宽度潮周期悬沙净输运率（g/s）* Table 3 Contribution to suspended sediment transport（％）made by different transport mechanisms（T1 to T7）and net transport rate（g/s）for the observed stations in the Xincun and Li-An lagoons

在S1、 S2测站T₁量值大，说明新村港内欧拉输运是主导因素。而此处虽为不正规全日潮，但涨落潮历时和流速相差不大，携沙量也相近，所以此区T₃作用很小。T₄在大多数测站（S1、 S2和S3）量值相近，均在50％上下，所处区域潮泵输运项作用地位仅次于欧拉输运项。

新村港站位计算结果表明，S1站位悬沙净输运方向均为近西向，指向沙坝，S2站位向近西南方向输运； 两站位悬沙通量差别较大，S1站位悬沙通量大小近湾中S2站位的3倍。S1、 S2站位悬沙净输运整体态势与欧拉余流相似，反映了余流对沉积物输运的重要影响。表3中也显示新村港站位欧拉余流贡献项（T₁）均大于70％，且全部为正，即与净悬沙输运方向相同，由此可得到结论，新村港的悬沙净输运主要来自欧拉余流的贡献，潮汐捕捉项（T₄）也对悬沙输运起重要作用。S2站位单宽输运率0.24g/s相对于其余站位则小很多，一方面S2站位流速更小，另一方面分析通量分解各项发现，指向湖中的悬沙净输运主要来自T₁项的贡献。

黎安港计算结果表明，S3站位悬沙净输运方向为近东向，向海输运； S4站位为近西北向，从湾中向湖岸净输运； 口门和湾中的悬沙通量差别较小，口门悬沙通量只稍大于湾中悬沙通量，输运方向是涨潮向湾内，落潮向海，净输运向海。S3站位悬沙输运净方向由湾内向海，与上文S3站位欧拉余流计算结果是一致的。而与其他站位不同，S3站位的斯托克斯漂移项（T₂）作用突出，说明S3站较其他站位潮流作用更强。湖中站位S4悬沙浓度剖面分层较其他站位明显（图3），应是重力环流贡献项（T₆）起决定性作用的原因。

余流是指从实测海流中除去周期性流（天文潮等）后的非周期性水体流动。其量值虽然不大，但它直接指示了水体的运移和交换情况^[35]，对海水中悬浮物质和可溶性物质的长期输运、 扩散和沉积等起着重要的作用。Tee^[36]研究芬迪湾的潮汐余流时曾指出，潮汐余流是由于底形、 边界形状、 非线性摩擦效应、 连续方程中的非线性项以及动量方程中的非线性平流项等原因引起的。湾内潮汐余流的形成可能取决于湾内边界形状及底形的分布，那么余流的大小和方向不仅与潮流速度大小有密切关系^[37]，同时和地形也有密切关系^[38]。

S3站位的余流值相对于同湖区的S4站位和相似位置的S1站位偏大许多，且其拉格朗日余流与欧拉余流方向和大小均差异较大。黎安潟湖口门处等深线密集且走向曲折（见图1），地形比较复杂，陈冰^[39]研究结果表明地形复杂的地方垂线平均余流相对较大，与垂线平均余流的定义和特性是一致^[35]，所以S3站位余流偏大。同时，复杂地形下潮波变形厉害，导致斯托克斯漂移几乎与欧拉余流同量级^[40]，使得拉格朗日余流速度的分布显得比较复杂。

Yanagi^{[41, 42]}研究规则形状海湾中余流形成机制时提出，理论上应形成以湾中央为中心的逆时针余流环流系统。若新村潟湖中存在此种逆时针环余流，那么S1和S2站位的余流方向应大致位于S-E和S-W方向，本文计算结果也确实显示了这一特征，据此我们认为，Yanagi^{[41, 42]}所提出的余流环流理论对于新村潟湖是适用的，并且新村潟湖的环流中心区应存在沉积物淤积。黎安潟湖形状较为复杂，两观测站位（S3、 S4）的数据没有显示此种环流格局。

新村、 黎安潟湖海域不仅悬沙浓度低（最大值为17.2mg/L），而且悬沙浓度垂向分层比较明显（图3），垂向混合微弱。悬沙输运通量分解结果表明，因涨潮期间在底部的再悬浮作用而导致悬沙浓度潮周期不对称，潮泵效应亦成为悬沙输运的主要因素之一。

本文的研究结果显示新村港S1和S2站位悬沙净输运指向湾口一侧，似乎表明悬沙有向外海输运的趋势。黎安港口门附近的S3站位其潮周期内单位宽度悬沙输运率为0.76g/s，净输运方向近东向自口门输入南海。湾中S4站位悬沙以0.68g/s向西北方向陆地净输运。对于黎安潟湖来说，口门处悬沙向海净输运，而内侧湾中向岸净输运，其物质来源应与水产养殖有关，黎安港水产养殖高度发达，港中生物量巨大，生物体（主要是珊瑚礁破坏产物）残体以及鱼排鱼箱放置带来的有机物大量增加引起的絮凝效应使得悬沙浓度增大。正因为如此，尽管S3站位显示泥沙向海输运，但湾中仍是泥沙供给量大于损失量。

由于测站数目及测量时长有限，利用实测资料得到的悬沙输运尚不能明确说明双湖海域的整体地形冲淤演变机理。在后续工作中，可以通过补充站位观测或者利用泥沙数值模拟研究港区悬沙长期输运变化，更好地分析该区的地形冲淤演变机理。

新村、 黎安潟湖受不正规全日潮控制，涨落潮历时日不等现象较为明显，涨潮历时大于落潮历时，涨潮平均流速略小于落潮平均流速。两潟湖涨潮流均流向湾内，落潮流指向湾外； 四个观测站位流速都较小，站位极大流速出现在涨急或落急时，黎安港口门处在落急时刻出现最大流速0.75m/s。本区整体悬沙浓度低且变化不大，悬沙浓度介于0～17.2mg/L，属于落潮流略占优势的低悬沙、 弱潮流作用沙坝潟湖海岸。

研究区欧拉余流在拉格朗日余流中占绝对主导地位，口门附近余流大于湾中位置。斯托克斯余流大多比欧拉余流小一个量级，所以拉格朗日余流几乎与欧拉余流相同。余流计算结果显示此区余流值较小，整个潮周期中，流速的垂向分层较小。同时，新村港观测站位拉格朗日余流向SSW，黎安港拉格朗日余流为近东方向。

悬沙输运机制分解结果表明，欧拉余流贡献项和潮汐捕捉效应是新村、 黎安潟湖悬沙输运的主要动力因素。新村港的悬沙净输运方向指向湾口一侧，黎安港的悬沙净输运量值较新村港站位偏大，悬沙输运显示湾中有泥沙损失。然而黎安港的水产养殖造成了湾中泥沙供给量大于损失量，使得潟湖有淤积趋势。

致谢 南京大学地理与海洋科学学院徐粲、 柳润启、 陈景东、 石勇、 徐夏楠等参加了本项研究有关的沉积动力学现场观测，王丹丹参加了水样、 沉积物样品分析，陈景东、 柳润启在水动力数据处理方面给予本文作者诸多帮助，谨致谢忱。