On temporal and spatial variations of coastal topography and sediment transport process in Sanya Bay
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摘要:
海岸侵蚀作为全球性的地质灾害，往往给沿海地区带来巨大经济损失。受人类活动与气候变化的双重影响，近年来海岸侵蚀呈加剧态势；其中，砂质海岸的侵蚀尤为严重。本文通过开展多期海滩剖面地形监测，结合经验正交分解、数值模拟和沿岸输沙计算，摸清了三亚湾海岸地形的时空变化特征。研究结果显示，三亚湾海岸线侵蚀严重，年平均后退距离近2 m。岸线上4个岸段呈现出不同的海滩剖面形态与侵蚀淤积特征。其中，西段海岸由于供砂不足，侵蚀现象长期存在；地形主要受风暴浪控制，随着西岛码头东拦沙堤的建设，西一段由侵蚀转为淤积，西二段接受的沿岸输沙量也随之减少，侵蚀加剧。东部海滩为养护区，其中海月广场以西以侵蚀为主，以东以淤积为主；该段地形受季节性常浪和风暴浪共同作用。三亚湾沿岸输沙量自肖旗港至团结路逐渐降低，净输沙方向为自西向东；中段较长范围的海岸为堆积型海岸，但是其岸线表现为侵蚀后退，这是由于凸堤效应导致西侧沿岸供砂减少，同时该段横向输沙特征为离岸输沙。三亚湾的侵蚀主要发生在破波带内，除岛屿周边外，其他海域基本不冲不淤。该研究结果可为海岸侵蚀防护与治理提供科学依据。
Abstract:As a global natural disaster, coastal erosion brings huge losses to the coastal economy. Affected by the human activities and natural agents, coastal erosion is intensified, especially in sandy coast. By multi-stage beach terrain monitoring during 2016-2021, the temporal and spatial variations of the coastal topography in Sanya Bay, Hainan Island, were investigated via empirical orthogonal decomposition, numerical simulation, and coastal sediment transport calculation. Results show that the coastline of Sanya Bay was eroded obviously, and the average annual retreat distance reached nearly 2 m. The four coastline segments presents different beach erosion and siltation characteristics. In the western segment of the coast, erosion has long existed due to deficient sand supply, and the terrain is mainly controlled by storm waves. With the construction of the east sand barrier at the Xidao wharf, the erosion of the first segment in the west turned into siltation, and the amount of coastal sediment transport received by the second segment in the west also decreased, thereby erosion in this area was intensified. The eastern segment is a maintenance area. The western side of Haiyue Square was eroded, while the eastern side was silted. The topography of the eastern segment was affected by both seasonal waves and storm waves. The coastal sediment transport was gradually reduced from Xiaoqi Port to Tuanjie Road, and the net sediment transport was from west to east. Although the alongshore sediment transport type on the middle segment of the coast is accumulation type, monitoring showed that its coastline was receding due to the convex embankment effect, which decreased sand supply to the western coast and resulted in offshore sediment transport. Therefore, erosion took place in mainly the surf zone, and the outer area had largely no scouring nor silting except for near-island places. The results provide a scientific basis for coastal erosion protection and management.
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世界上约20%的人口居住在距海岸线25 km范围内，40%的人口居住在距海岸线100 km范围以内[1]。海岸侵蚀已成为全球性的海洋环境问题，严重威胁着人类生命财产安全、居住条件以及社会经济发展建设。在全球变化背景下，海岸侵蚀受自然因素和日益增多的人类活动共同影响，是多种因素复合影响的产物。海岸侵蚀呈现出弱侵蚀与局部区域严重侵蚀变化共存、年际变化与年内季节变化共存、长期缓变与短期突变并存的整体格局[2]。中长期变化主要受海平面变化、全球气候变化、河流输沙、海岸工程等诸多因素影响[3-5]，短期变化则与波浪和风暴等动力过程有关[6]。
砂质海岸侵蚀原因和影响因素研究多是基于动力地貌，由早期的定性分析逐渐向半定量分析与数值模拟计算预测相结合方向发展[7]。天然海滩总是向海滩平衡剖面发展，即海滩为适应特定入射波或泥沙特征而改变自己的形态达到某种平衡或定常形态，最终横向净输沙量为零[8-11]。通过海滩剖面变化分析、输沙率计算、岸线分形等可探究砂质海岸这一平衡被破坏或者重建的过程，从而分析海滩稳定性[12-15]。海岸剖面地形监测是掌握岸滩地形与侵蚀淤积变化过程的有效手段之一，能够一定程度反映海岸物质和能量对自然过程与人类活动的响应，如风暴作用与海滩养护[16-17]。海滩剖面的统计分析可以揭示海滩的演变[18]，其中经验正交函数（EOF）可作为砂质海滩剖面时空变化分析的有效手段，有助于了解海岸动力与沉积物迁移转化模式[19-21]。随着计算机技术的进步，波浪和潮流作用下的砂质海岸演变模型、基于一线理论和 CERC 公式的岸线演变模型在中国部分砂质海岸的研究中也得以应用[22-25]。
据统计，海南砂质海岸中约有50%以上的岸段发生蚀退，海岸侵蚀较为严重的区域主要集中在文昌、三亚、洋浦、澄迈、海口等岸段[26]。三亚市地处海南岛的最南端，海岸侵蚀现象较为普遍，其中三亚湾部分岸段尤为严重。2005年，三亚市政府就曾委托国家海洋局海口海洋环境监测中心站进行了包括海岸侵蚀在内的三亚湾海岸环境变化专题调查研究，并于2006、2007 年连续两年对三亚湾海岸侵蚀情况进行了跟踪监测，发现三亚湾西部肖旗河口至海航度假酒店约2.5 km的岸段受到侵蚀，砂坝被侵蚀后形成陡坎，从西向东趋缓；东部红太阳酒楼前的高护坡板在 0320 号台风暴浪作用下发生坍塌，向西至团结路口，约 400 m 人行便道被冲坏[27]。三亚湾东部临近三亚市中心，是三亚市民和旅客休闲活动的重要场所，为了应对东部海滩侵蚀问题，三亚市政府于2014年5—11月实施了海滩养护工程，并于2019年进行了补沙。旅游资源开发、海岸工程建设以及保护修复等工程使得三亚湾岸线始终处于动态调整，需要持续监测岸线变化及对应的沉积动力，才能够适时调整海岸管理措施。2016—2018年，广州海洋地质调查局在海南三亚市三亚湾至红塘湾海岸的东部、中部及西部分别部署了3条海陆联合监测剖面，发现三亚湾水下地形变化极小，东部海滩地形表现为冬淤夏蚀的变化特征，西部海滩监测前期呈弱侵蚀，后转为前滨快速侵蚀[28]。本文在此基础上通过开展持续海滩地形剖面监测，确定了整个三亚湾海滩近年来的海岸地形变化与侵蚀强度，结合数值模拟等手段，计算了沿岸输沙率与海底冲淤量。本文的研究结果有助于相关部门制定科学有效的海岸侵蚀防护对策。
1. 研究区概况
三亚湾为岬湾砂坝潟湖海岸，海湾岸线呈近似对数螺线形，东起鹿回头半岛，西至马岭-天涯海角，素有“椰梦长廊”美誉。三亚湾为典型的热带季风气候区，受东北季风和西南季风的交替影响，每年的7—10月常受台风影响，台风频率高且持续时间长。其气候湿热，一年无四季之分，年均气温为25.4 ℃，年均降水量为
1279.3 mm，年最大、最小降雨量分别为1870.5 mm和746.5 mm[29]。研究区潮汐属不正规混合潮型，以日潮为主，多年平均潮差0.79 m，最大潮差2.26 m，系弱潮海区[29]。三亚湾海域无长期实测波浪资料，其波浪特征引用《中国海湾志（海南省海湾）》榆林湾的统计资料，波浪主要为SW向，波向的变化范围为SE-WSW，该方位的发生频率为81%，年平均波高仅为0.5 m[30]。根据三亚湾的地理位置与湾口朝向，该湾的强浪向应为SSW向，次强浪向为WS向。三亚河是流入三亚湾最主要的河流，其流域面积352.8 km2，平均河床比降0.65%，多年平均径流量2.11×108 m3，50年一遇的洪峰流量约2375 m3/s，其他季节河水流量仅5～6 m3/s[31]。2. 数据与方法
2.1 数据来源
广州海洋地质调查局于2016年在三亚湾东部凤凰岛附近以及三亚湾路最西侧布设了两条岸线变迁监测剖面，至2018年期间共进行了8次重复监测[28]，其中海滩部分由后滨和前滨两部分组成，水下地形则包括了内滨和外滨的一部分；此外，在三亚湾布设了24条海滩地形测线（图1），于2019年8月、9月，2020年3月，2021年3月和7月开展了5次地形测量，其中2019年8月与2021年7月对应夏季，2020年3月与2021年3月对应冬季，2019年9月为台风“杨柳”过境后的加密监测。
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图 1 岸线监测断面与沉积动力观测位置Figure 1. Locations of shoreline monitoring and sedimentary dynamics observation监测剖面沿垂直海岸线方向布设，起点位于高潮线向陆一侧。监测剖面低潮线以上岸滩部分采用实时动态载波相位差分技术（RTK）进行测量；低潮线以下部分采用单音频测深仪联合RTK进行测量，平面定位精度和低潮线以上的岸滩高程测量精度可达到毫米级，水深测量精度可达到分米级。海滩高程基准面为1985国家高程。
此外，2019年7月在三亚湾及其周边海域开展了2个站位的海流和悬沙观测，凤凰岛临近海域开展了1个站位潮位观测，为波流耦合下的泥沙输运模型提供验证数据。
2.2 研究方法
2.2.1 砂质海岸侵蚀强度
砂质海岸线根据平均高潮位与海滩的交线来确定，平均高潮线根据长期潮汐观测资料获取，在本海区相对1985国家高程基准为0.85 m[32]，为避免海滩地形受季节性浪流变化的干扰，利用两期冬季剖面监测数据计算海岸线的变化距离，监测时间分别为2020年3月与2021年3月。采用线性插值方法构建相同的海滩剖面长度，与上个年份的剖面求单宽体积差，得到海滩的单宽侵蚀量。
2.2.2 EOF分析
EOF分析是时空数据常用的一种统计分析方法，将一个三维场分解为空间模态和时间序列，可应用于海岸地貌研究中。根据夏非等[33]，观测资料在m个空间点上取值，这m个点按一定规则排列，数学上可以把这个场看作是一个m维随机向量X，它具有容量为n的样本X1, X2, …, Xn，每个样品都是m维列向量，记为Xt，t=1, 2, …, n。把Xt看作m维空间中的n个向量，可采用正交基向量的线性组合来表示Xt ：
$$ {X}_{t}=\mathop\sum\nolimits _{k=1}^{K}{\alpha }_{k}\left(t\right){V}_{k}+{\varepsilon }_{t} $$ 式中，αk(t)是第k个空间型Vk在表示Xt中的权重，也称作时间特征函数；Vk一般称为空间特征函数，也称模态，Vk是m维向量；εt也是m维的误差向量。
2.2.3 沿岸输沙计算
波浪是砂质海岸泥沙运动的主要动力，其影响主要集中在近岸浅水区，当水深为波高的1.3倍时[34]，波浪发生变形，驱动海底沉积物再搬运、再沉积。当波浪的传播方向与海岸线斜交时，波浪破碎后产生的沿岸流将使泥沙顺岸移动形成沿岸流输沙[35]。沿岸输沙率是指单位时间内通过垂直于岸线的横断面的总泥沙量。本文利用美国海岸工程研究中心（CERC）公式计算沿岸输沙率[36]。CERC公式如下：
$$ Q=\frac{I}{{(\rho }_{s}-\rho \left)\mathrm{g}\right(1-n)} \text{，} $$ $$ I=0.77{P}_{l} \text{，} $$ $$ P\mathrm{_{\mathit{l}}}=\frac{\rho\mathrm{g}}{16}H_{\mathrm{b}-rms}^2c\mathrm{_g}\mathit{\mathrm{sin}}2\alpha_{\mathrm{b}}\text{，} $$ $$ c_{\mathrm{g}}=\frac{1}{2}\left(1+\dfrac{\frac{4\mathrm{\pi}d_{\mathrm{b}}}{L_{\mathrm{b}}}}{\mathrm{sinh}\left(\dfrac{4\mathrm{\pi}d_{\mathrm{b}}}{L_{\mathrm{b}}}\right)}\right)c_{\mathrm{b}}\text{，} $$ 式中，Q为体积输沙率(m3/s)，$ \rho_s $和$ \rho $分别为泥沙颗粒密度和海水密度；$ \mathrm{g} $为重力加速度；$ n $为现场泥沙的孔隙率，$ n $取值为0.4；$ H_{\mathrm{b}-\mathrm{rms}}=1.13H_{\mathrm{b}} $，为破波均方根波高，$ H\mathrm{_b} $为破波波高，$ \alpha_{\mathrm{b}} $为破碎波角，定义为破波点处波浪破碎前波向线与岸线法线方向夹角，可由波浪折射图确定。$ d_{\mathrm{b}} $为破波水深，$ L_{\mathrm{b}} $为破波波长，$ c_{\mathrm{b}} $为破波波速：
$$ c_b=\frac{\mathrm{g}T}{2\mathrm{\pi}}\mathrm{tanh}\frac{2\mathrm{\pi}d\mathrm{_b}}{L_{\mathrm{b}}}\text{，} $$ 式中，T为平均波周期。
三亚湾波浪方向的变化范围为SE-WSW，以该波向范围的波浪作为入射波浪，利用MIKE21 SW模型计算波浪场，当波高和水深之比等于 0.78 时波浪破碎[37]，从而确定破波参数，计算三亚湾的沿岸输沙量。MIKE21 SW波浪模型是由丹麦水力研究所研发，基于波作用守恒方程，采用波作用密度N(σ,θ)作为控制变量来描述波浪。模型的自变量为相对波频率σ(Hz)和波向θ(°)。波作用密度与波能谱密度E(σ,θ)的关系为：
$$ N(\sigma,\theta)=E(\sigma,\theta)/\mathrm{\sigma} $$ MIKE21 SW模型基于非结构三角形网格，可更好地贴和实际岸线，模型自开发以来吸取了世界范围内大量实际工程的应用经验，在国际河口、海岸及海洋工程设计中得到广泛应用。
2.2.4 波流耦合下的输沙模拟
三亚湾海岸为典型的波控型砂质海岸，水体中悬浮泥沙浓度较小，推移质对海床地形变化影响显著，故宜采用全沙模型计算海域冲淤变化。利用DHI MIKE21，建立波流耦合作用下的全沙输沙模型。波浪主要出现在SE-WSW方向，优势浪向中SSW向浪对河口影响最大。以SSW向浪作为入射波向，入射波高为0.6 m，波周期为4 s。
悬移质输运模型的外海开边界浓度设置为0，上游三亚河边界取多年平均含沙量0.04 kg/m3，根据实测表层沉积物类型将区域分为泥质带与砂质带[38]，靠近岸边的砂质沉积带泥沙难以被海流起动悬浮，主要以推移方式运动，故设置较大侵蚀临界切应力3 N/m3与沉降临界切应力0.07 N/m3，防止泥沙大量悬浮加大模型误差。利用实测悬浮物浓度对悬移质输运模型参数进行率定，泥质带侵蚀临界切应力为0.5 N/m3，沉降临界切应力为0.01 N/m3。推移质输运模型的开边界条件取平衡输沙，给定泥沙平均粒径为0.12 mm。
模型率定结果如图2所示，实测潮位与模拟潮位基本一致，两者在小潮期较大潮与中潮期差异略大，但总体误差不超过10%（图2a）；潮流流速模拟与实测值量值相近，仅在局部时刻差异增大，一般不超过0.2 m/s，且实测流向与模拟流向验证吻合，潮流相位基本无差异(图2b-e)。一般情况下，泥沙较水动力模拟精度低，因此相对潮位和潮流，模拟与实测的含沙量差异更大些，尤其在SY01站，模拟的含沙量在急流时刻要低于实测值，但是两者总体上量值相当，且SY02站含沙量无论是时间变化规律还是数值均与实测值吻合（图2f-g），以上结果表明波流耦合下的输沙模型可以较好地模拟研究区域的水动力与泥沙输运情况。
3. 结果
3.1 三亚湾岸滩侵蚀淤积特征
3.1.1 海滩剖面监测结果
根据测线位置、剖面形态特征，结合测线蚀淤变化特征，可将三亚湾RTK海滩测量剖面划分为三亚湾西一段、三亚湾西二段、三亚湾中段和三亚湾东段4个岸段。
（1）三亚湾西一段岸线（SYCT01—SYCT05）：该岸段位于三亚湾最西侧西岛码头东岸至皇冠假日酒店，西岛码头堤坝对波浪和潮流的阻挡作用使海水中的悬浮泥沙沉降下来堆积在堤坝边缘（图3a），造成该岸段在较长的时间内处于持续淤积状态。以SYCT01与SYCT04断面为例，如图4a和4b所示，海滩后滨地形几乎不变，对同一监测季节而言，前滨均有一定程度的淤积，SYCT01断面冬季最大淤积速率0.75 m/a，夏季最大淤积速率0.88 m/a；SYCT04断面冬季最大淤积速率0.91 m/a，夏季最大淤积速率0.49 m/a。台风过后，该岸段的海滩前滨下部淤积，其中SYCT01断面滩面淤积厚度为0.02～0.54 m，SYCT04断面淤积厚度为0.03～0.50 m。
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图 4 2019—2021年三亚湾海滩监测高程Figure 4. Changes in the beach elevation observed in Sanya Bay during 2019 to 2021（2）三亚湾西二段岸线（SYCT07—SYCT15）：该岸段位于海航度假酒店至阳光海岸一带，靠近西侧的断面后滨普遍建有人工护坡，滩面窄且陡，前滨坡度为5°～10°，可见明显的侵蚀痕迹（图3b），后滨护坡因侵蚀造成多处垮塌，为严重侵蚀区段，靠近东侧的断面后滨较多植被，滩面逐渐变得宽缓。以SYCT09与SYCT15断面为例（图4c和4d），高潮线以上的海滩地形变化较小，2019年8月—2020年3月，靠近西部的SYCT09断面前滨为侵蚀状态，靠近东部的SYCT15断面前滨为淤积状态，但是对同一监测季节而言，前滨均有一定程度的侵蚀。其中，SYCT09断面夏季的最大侵蚀速率为0.4 m/a；SYCT15断面夏季的最大侵蚀速率为0.28 m/a，侵蚀速率由西至东减少，相对西一段岸线淤积速率更低。台风过后，该岸段的海滩总体上为前滨淤积，其中SYCT09断面高潮线附近淤积厚度为0.09～0.47 m，SYCT15断面淤积厚度为0.01～0.43 m。
（3）三亚湾中间岸段（SYCT17—SYCT36）：该岸段位于阳光海岸至金鸡岭路一带，高滩植被完整，椰树林外侧多有草本植物生长，受岛礁保护，其滩面宽缓，滩面坡度一般为2°～3°（图3c），波浪消能空间充足，海滩岩性为粉细砂，地形的季节变化显著。以SYCT19与SYCT35断面为例（图4e和4f），海滩地形均表现为冬季（2020年3月）相对夏季（2019年8月）中潮带淤积，滩肩发育，且低潮线附近海滩遭受侵蚀，从而导致海滩坡度增大。其中SYCT19断面最大淤积高度为0.81 m，最大侵蚀高度为0.43 m；SYCT35断面最大淤积高度为0.76 m，最大侵蚀高度为0.33 m。与之相反，夏季（2021年7月）的海滩地形相对冬季（2021年3月）中潮带侵蚀，低潮线附近淤积，海滩坡度变缓。这是由于冬季风为离岸风，对海滩影响较小，而夏季浪更大，加上频繁的台风作用，趋向于发育风暴剖面。SYCT19断面最大侵蚀高度为0.80 m，最大淤积高度为0.50 m；SYCT35断面最大侵蚀高度为0.56 m，最大淤积高度为0.27 m。对同一监测季节而言，SYCT19断面地形总体表现为侵蚀，冬季最大侵蚀速率为0.51 m/a，夏季最大侵蚀速率为0.21 m/a；SYCT35断面地形表现为“上部淤积，下部侵蚀”，即后滨与滩肩附近出现淤积，前滨发生侵蚀，冬季上部最大淤积速率为0.75 m/a，下部最大侵蚀速率为0.45 m/a；夏季上部最大淤积速率为0.85 m/a，下部最大侵蚀速率为0.33 m/a。
台风过境后，滩面低潮线以上有一定幅度的抬高，低潮线附近及下部滩面少量侵蚀。其中，SYCT19断面淤积厚度为0.04～0.49 m，平均淤积厚度0.22 m，开始发育滩肩，低潮线以下呈微弱侵蚀，平均侵蚀厚度0.09 m；SYCT35断面淤积厚度为0.03～0.68 m，平均淤积厚度0.30 m，开始发育滩肩。低潮线附近滩面整体处于侵蚀状态，平均侵蚀厚度0.12 m。
（4）三亚湾东段岸线（SYCT37—SYCT40）：该段岸线位于金鸡岭路至团结街一带，2014年6月第一次人工填砂量超20万m3，至2019年初泥沙流失约5万m3，2019年6月三亚市政府再次在三亚湾东段的海月广场至凤凰岛岸段实施人工补砂作业，前两次测量仍处于施工期（图3d），东段海滩剖面变化受人为影响较大，岸线不稳定，处于人工补砂初期的自然调整状态。以SYCT38与SYCT40断面为例（图4g和4h），SYCT38断面因人工补砂而具有陡峭的滩肩，随着浪流作用，滩肩趋于平滑且向陆后退，最大后退距离为约15.8 m。与SYCT35断面相类似地，对同一监测季节而言，海滩地形表现为“上部淤积，下部侵蚀”，冬季上部最大淤积速率为0.48 m/a，下部最大侵蚀速率为0.84 m/a；夏季上部最大淤积速率为0.69 m/a，下部最大侵蚀速率为1.56 m/a。2021年7月的监测地形显示SYCT40断面的滩面相对2019年8月时出现明显侵蚀，最大侵蚀速率为0.40 m/a，滩肩后退约6.5 m。
3.1.2 海滩侵蚀强度
海岸线（本文指海滩剖面与平均高潮位的交线）与单宽体积变化量随距沙滩最西侧的距离逐渐变化（图5）。三亚湾海岸线侵蚀严重，整个监测岸段平均后退距离为1.91 m，平均单宽侵蚀量为7.10 m3/m，侵蚀最严重的区域集中在阳光海岸至友谊路之间。西侧靠近肖旗港的岸线淤积，最大前进距离为2.06 m，单宽淤积量最大为19.08 m3/m。皇冠假日酒店至阳光海岸之间岸线由淤积逐渐转为侵蚀，淤积与侵蚀幅度总体较小，该段位于西二段，岸线后退距离与单宽侵蚀量相对中段更小，但是现场监测时发现后滨的人工护岸与树木根系都有严重侵蚀痕迹。三亚湾中段较长距离的海滩均为侵蚀状态，虽然地形具有“上部淤积，下部侵蚀”的年际变化，但是下部侵蚀的量要显著大于上部淤积的量，该段岸线最大后退距离6.33 m，最大单宽侵蚀量27.81 m3/m，平均后退距离2.93 m，平均单宽侵蚀量14.20 m3/m。三亚湾东段为海滩养护区，2019年6月末启动第二轮填砂，观测期间海滩地形处于调整期，海月广场以西养护段以侵蚀为主，友谊路附近岸线后退距离约4.96 m，单宽侵蚀量7.97 m3/m；海月广场以东养护段以淤积为主，岸线淤积前进距离约0.16 m，单宽淤积量1.84 m3/m。这与未开展海滩养护前的调查结果基本一致，即2005年台风达维影响期间，由于观海台向海突出，出现东侧淤积、西侧侵蚀的现象，两侧岸线错开约15 m [27]。
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图 5 三亚湾海岸线与单宽体积变化量负值表示侵蚀，正值表示淤积。Figure 5. The shoreline change in Sanya Bay+: siltation, −: erosion.3.1.3 海滩地形EOF分析
广州海洋地质调查局在2016—2018年对三亚湾SYPM01与SYPM02两条断面进行了多次地形监测，其中SYPM01与SYCT40断面在同一位置，位于海湾最东部，临近团结路；SYPM02与SYCT01断面在同一位置，位于海湾最西部，临近肖旗港。刘文涛等对监测数据进行了初步分析[28]，监测地形如图6所示，水下岸坡地形变化很小，最大不超过0.30 m，地形变化主要出现在岸滩部分，由于监测数据包含复杂的时空信息，因此本文进一步开展两条剖面岸滩地形的EOF分析，以提取时间和空间特征函数，从而确定三亚湾东西两端垂向上变化的地形单元及其对应的沉积动力过程，结果见表1。
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图 6 2016—2018年SYPM01和SYPM02剖面的岸滩与水下监测地形Figure 6. The beach and underwater topography observed in the profiles SYPM01 and SYPM02 during 2016 to 2018表 1 三亚湾海滩剖面高程EOF分析结果统计Table 1. Statistics of EOF analysis of beach profile elevation in Sanya Bay主因子 特征值λ 贡献率/% 累计贡献率/% F1 F2 F1 F2 SYPM01 0.50 0.21 65.66 27.19 92.85 SYPM02 4.63 0.27 88.62 5.16 93.78 以上结果表明，靠近凤凰岛的东部监测断面SYPM01的高程变化可由第一、二主成分代表，两者累积贡献率达90%以上；肖旗港附近的西部监测断面SYPM02的高程变化主要由第一主成分代表，其贡献率高达88%。为了更直观地反映各主因子载荷对海滩剖面的影响，把主因子分别转换成和海滩平均剖面的关系图（图7），可清晰地再现海滩剖面中主因子变化对应的地貌部位及其代表的动力过程。东部SYPM01断面第一主因子主要在平均剖面滩肩缘附近发生变化，对应高潮带至上冲流作用区，代表了滩肩形成和向上增长的堆积过程或其逆过程，反映长期作用的波浪能相对强弱及其能量耗散过程。西部SYPM02断面第一主因子在平均剖面滩肩缘两侧出现相反方向的地形震荡，监测数据显示断面高潮线以下前滨强烈侵蚀后退，后滨堆积，该过程多与大浪和大潮动力有关，大风暴浪的上冲流将底部侵蚀泥沙加积于海滩顶部，出现漫顶冲越；东部SYPM01断面第二主因子变化位置与其一致，同样反映大浪和大潮动力对海滩剖面的塑造。
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图 7 主因子载荷与平均剖面关系Figure 7. Relationship between the principal factor loadings and the mean profiles各剖面主因子空间与时间特征函数如图8所示，由图可知东部SYPM01断面EOF第一主因子反映常浪的相对强弱，除2017年6月测次外，第一时间特征函数整体上表现为冬夏季节性交替，即反映季风对近岸海滩地形的影响；第二主因子反映大浪和大潮动力对海滩剖面的塑造，对应时间特征函数显示冬季或台风作用下漫顶冲越显著，夏季则呈现相反规律，即后滨侵蚀，前滨淤积，地形变化幅度相对第一主因子更小。西部SYPM02断面第一主因子时间特征函数显示，大浪作用下漫顶冲越过程自2016年12月测次后逐渐增强，说明海滩侵蚀加剧，这与2019至2021年监测结果不同，后者呈现明显的淤积趋势。
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图 8 剖面主因子空间与时间特征函数Figure 8. The spatial and temporal eigen-function of the principal factors3.2 三亚湾海岸输沙过程
3.2.1 波浪驱动下的沿岸输沙
根据岸线走向将研究区域岸段分为8段，从西至东分别为M1—M8段，各方向波浪入射后的有效波高分布如图9所示，其中海湾西侧M1—M2段具有较强的波能，大部分时候海岸均直接遭受波浪作用，尤其在SW强浪向的作用下，有效波高可达到0.5 m以上。海湾中段在不同入射波向的作用下波浪变化较大，波影区位置随入射角改变东西移动，由于主浪向集中在SE-WSW向，整体上该区都不同程度受到东西岛礁的遮浪作用，相对西段波浪强度有所减弱，其中，东侧W5—W6段在偏东向浪入射时还同时受到鹿回头半岛的掩蔽。M7段在SW与WSW向浪的作用下，波浪经由东岛与鹿回头半岛间传入内湾，较M6段增强，M8段由于还受到凤凰岛影响，波浪非常弱，在偏东向入射波浪状况下，东段岸线始终处于鹿回头半岛的遮蔽当中，SE入射浪下有效波高甚至小于0.01 m。
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图 9 SE-WSW向波浪入射下的三亚湾波浪场Figure 9. Wave field in Sanya Bay under SE to WSW wave incidence运用CERC公式计算各方向入射波浪对应的沿岸输沙率，对各方向输沙率进行平均后作为该岸段波浪输沙率，最后计算在一定周期内各岸段输沙量（表2，图10）。
表 2 沿岸年输沙量Table 2. Annual coastal sediment discharge分段 岸线走向/(°) 输沙量 总输沙量 净输沙量 SE SSE S SSW SW WSW M1 −7.6 −0.93 −4.54 −1.62 7.89 33.71 6.13 54.82 40.64 M2 +1.0 −0.49 −1.99 0.28 7.05 25.88 4.82 40.52 35.55 M3 −1.8 −0.27 −1.76 −0.17 4.79 14.25 2.88 24.11 19.72 M4 −11.6 −0.09 −0.99 −0.85 1.81 10.51 2.62 16.88 13.01 M5 −22.9 −0.03 −0.72 −1.62 −0.37 7.25 2.10 12.10 6.60 M6 −34.3 −0.01 −0.32 −1.27 −1.76 2.32 1.94 7.61 0.90 M7 −42.1 0 −0.07 −0.52 −1.05 3.85 3.07 8.57 5.27 M8 −54.3 0 0.00 −0.06 −0.28 0.38 0.99 1.71 1.03 * 输沙量正值为自西向东，负值为自东向西；输沙量单位：104 m3/a。 ![]()
图 10 三亚湾沿岸年输沙量（104m3/a）分布Figure 10. Distribution of sediment discharge along the coast of Sanya Bay波浪沿岸输沙计算结果显示，在平均波浪条件下，计算区域海岸年总输沙量与净输沙量总体为自肖旗港至团结路逐渐降低，净输沙方向均为自西向东，在砂源充足的情况下，泥沙通过三亚湾大桥将对三亚港港池与航道造成严重淤积。为减小三亚湾海滩尤其东段人工补沙后向东南方向的泥沙流失，目前在海滩东端已建设了长约120 m的拦沙堤。
M1—M2段位于三亚湾西侧，其中M1段靠近肖旗河口，临近三亚湾西侧控制岬角，波浪能量辐聚，尤其受区域强浪向SW的直接作用，沿岸输沙量较大，岸段接受来自肖旗河的泥沙供应，肖旗河是一条小河，河长仅十几千米，集水面积也仅几十平方千米，该部分泥沙总量有限，沿岸净输沙没有足够的泥沙补给，呈现强烈侵蚀状态。M2段净输沙量稍小于M1段，接受M1段的泥沙补给量与流出的泥沙量相当，整体的侵蚀速率应较小。数模计算结果是在未采取任何防护措施的情况下得出的，实际受西岛码头堤坝与人工护坡等硬质海岸工程影响，M1段泥沙侵蚀情况得到较大改善，M2段后滨护坡与树木遭受更严重的侵蚀。
M3—M6段位于三亚湾中部，受东西岛礁的掩蔽，海湾稳定性和掩护条件较好，波浪消能空间充足，整体输沙量不大，净沿岸输沙由西至东大幅减小，至M6段自西向东与自东向西的输沙量基本平衡，总输沙量为7.61×104 m3/a，净沿岸输沙量仅为0.9×104 m3/a，东侧接受西侧侵蚀岸段的泥沙补给，砂源较为充足，该岸段横向输沙表现为堆积岸段。
M7—M8段位于三亚湾东部，2014年在该段实施人工补沙工程后，金鸡岭路口以南普遍形成宽度在30 m以上的滩肩，在补沙段南端形成宽度约100 m的宽滩肩，滩肩整体高程约2.4 m [36]。因团结街口以南岸段在补沙前基本没有滩肩分布，团结街口以南岸段补沙量较大，约占补沙量的一半。其中M7段位于海月广场西侧金鸡岭路至友谊路一带，净沿岸输沙量为5.27×104 m3/a，在西侧来沙基本堆积于M6段基础上，由于缺乏持续物质供应，侵蚀较M6段显著增强；M8段位于海月广场东侧，波浪较弱，接受M7段输运的泥沙，呈现淤积状态。该计算结果与填砂后岸滩实测地形结果一致，人工补沙实施后的近5年间，补沙岸段冲淤分布并不均一，其中冲刷较为明显的区段主要集中在新风街口以南长约400 m的岸段以及吉祥街口以北至金鸡岭路口附近。
波浪输沙计算是建立在均衡剖面基础上对波浪输沙能力的估算，实际输沙量还受到沿岸沙量的供应、颗粒大小、水流条件等多种因素制约。
3.2.2 三亚湾海域冲淤特征
只有海流作用下，泥沙难以起动，潮流对岸滩的冲淤作用十分有限。但同时考虑波浪的作用，泥沙更易起动，波浪主要作用在近岸泥沙临界活动水深以浅区域，掀起的泥沙被海流经平流作用输送至周边海域。全沙模型计算的海床冲淤结果如图11所示，三亚湾湾内基本处于不冲不淤的状态，冲淤速率小于1 cm/a；自肖旗河河口至椰蓝湾度假酒店岸段海底出现较强侵蚀，尤以海航度假酒店至阳光海岸段为甚，与东、西岛透射强浪有关，最大侵蚀强度为25 cm/a，侵蚀的泥沙离岸运动堆积在水下形成水下沙坝，故侵蚀段向海一侧存在速率相当的淤积带；中部金海岸段附近则呈现相反趋势，海底淤积速率约为5 cm/a。模型计算结果与沿岸输沙计算结果基本一致。此外，东、西岛由于直接接受海浪作用，迎浪面受到强烈侵蚀，尤其岛尖等凸体部位，波浪掏蚀作用强，但搬运距离有限，一般在周围海域淤积，岛屿另一侧的波影区由于波浪能快速衰减，泥沙淤积。
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图 11 三亚湾海底冲淤速率分布Figure 11. Distribution of seabed erosion and siltation rate in Sanya Bay4. 讨论
4.1 人为活动对海滩地形的影响
三亚湾西段大兵河口至海航度假酒店附近岸段早期侵蚀加剧的根本原因是河流、海岸泥沙供应减少及波浪能增强。早期冲会河上游岭渣水库等水利设施的建设，使得河流入海径流量明显减少，同时水库蓄洪减弱了暴雨期河口射流，从而相对增强了波浪作用，加剧海岸侵蚀。肖旗河口内外自20世纪90年代中期至2003年也曾进行过无序的较大规模的海底采沙，河口以北河道无序大量采沙造成陆源物质来源减少，破坏海水、河水间的动态平衡，陆源物来源不足，造成早期肖旗河口东、西两侧海岸侵蚀作用增强。国家海洋局海口海洋环境监测中心站2005年的岸线侵蚀研究中发现，肖旗河口至海航度假酒店一带侵蚀剧烈，砂坝被侵蚀后形成陡坎，从西向东趋缓，修筑在砂坝上的碉堡中最西端的两个也已经跌落海滩后滨之上[27]。三亚湾西段海滩侵蚀长期存在，根据本文2016—2018年SYPM02断面的海滩地形监测结果，滩面在此期间受大浪或风暴潮作用持续侵蚀后退。随着西岛码头东拦沙堤的建设（图12），西一段海滩才由侵蚀转为淤积。拦沙堤的建设阻挡主入射波，使波浪在堤头发生绕射，逐渐向波影区耗散，波影区内动力减弱，泥沙逐渐淤积，引起沿岸输沙的改变。拦沙堤阻挡SSW-W向浪，自西向东沿岸输沙量减少，自东向西沿岸输沙占据主导，在堤坝的拦截下淤积。据报道，三亚西岛旅游开发有限公司于2019年9月下旬将肖旗港东堤淤积沙
5000 m3转运至三亚湾海坡十六横路岸滩侵蚀段，形成补沙段面255 m，也印证了西岛码头东拦沙堤的建设使得西一段由持续侵蚀转为淤积的这一结论。但是，西岛码头东拦沙堤的建设同时导致了较为严重的“凸堤效应”，堤坝上游西一段的泥沙堆积，导致下游西二段和中段接受的沿岸输沙量显著减小，造成西二段后滨护坡与树木根系遭受严重侵蚀，以及中段海岸线内缩。![]()
图 12 西岛码头东拦沙堤建设前后卫星影像Figure 12. Satellite images before and after the construction of the east sand barrier at Xidao Wharf三亚湾东段临近三亚市中心，海岸开发程度较高，植被损毁与人为修建的绿地草坪带和水泥碎砖石小径等工程措施束狭了激浪带的自由作用宽度，减小了波浪消能范围，阻断了沙坝向海滩供沙[29]。该岸段临近2002年始建的凤凰岛，工程实施后对三亚湾岸滩的不利影响主要为偏西向大浪作用阶段因岛壁反射和波浪顺堤传播产生的局部波高增大，影响范围集中在海月广场向东南侧的人工岛附近岸段。如2003 年 11 月 0320 号热带风暴尼伯特与2005 年 9 月 0518 号台风达维影响期间产生的风暴潮及风暴巨浪造成滨海人行便道被破坏、海滩高潮线以上的植被冲毁。2014年三亚市原海洋与渔业局在友谊路以南岸段实施了人工补沙工程，补沙岸段长2.6 km，补沙量约为22.53×104 m3，补充砂源在动力的再分配作用下将造成新的冲淤平衡。以海滩养护柔性防护措施，补充足够维持海岸侵蚀且更能适应现有动力环境的较粗颗粒泥沙，是在海岸泥沙已大量流失、海滩环境已严重恶化的情况下的有效选择，但是不能从根本上改变海滩侵蚀的格局，本文监测结果显示海月广场西侧海滩侵蚀目前仍然存在。
4.2 横向输沙对海滩地形的影响
根据沿岸输沙计算结果，三亚湾中部岸段流入的沿岸输沙大于流出的沿岸输沙，为堆积型海岸，但是实际监测的地形显示虽然岸线具有“上部淤积，下部侵蚀”的年际变化，侵蚀量大于淤积量，岸线平均后退2.93 m，平均单宽侵蚀量为14.20 m3/m。除前述的“凸堤效应”导致西侧沿岸供砂减少外，还有一个重要的因素是泥沙的离岸运动。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式。可根据岸滩剖面的横向输沙特征值K [39]对该段岸滩的侵蚀和堆积程度进行分析：
$$ K = \frac{{{H_0}/{L_0}\tan \theta }}{{\omega /({\text{g}}T)}} \text{，} $$ 式中，θ为岸滩坡度；H0、L0分别为波高和波长，ω为泥沙颗粒沉降速度，采用武汉水利电力学院的静水泥沙沉速公式计算。当K等于0.5时海滩为中性的平衡剖面，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。
依据上式和三亚湾中段的平均岸滩坡度、泥沙粒径、波要素等条件，计算得到该段横向输沙特征值K为2.99，在平均波浪条件下，海滩为离岸输沙的侵蚀型剖面。图10中M3—M6段各段的平均长度为2.2 km，按照年平均单宽侵蚀量14.2 m3/m估算，离岸泥沙的总量约为3.12×104 m3/a，沿岸输沙堆积量（流入与流出之差）约为6.35 m3/a，两者量级相当，横向输沙在三亚湾海滩中段不可忽视。
5. 结论
（1）三亚湾侵蚀严重，岸线平均后退距离为1.91 m。根据三亚湾海滩剖面形态与蚀淤特征，可大致将岸线分为西一段、西二段、中段和东段4个岸段。西一段位于西岛码头东岸至皇冠假日酒店，2016—2018年受大浪或风暴潮作用侵蚀加剧，2019年后由于西岛码头东堤对浪流和泥沙的阻挡作用，转为淤积；西二段位于海航度假酒店至阳光海岸一带，滩面窄且陡，后滨的人工护坡与树木根系遭受严重侵蚀；中段位于阳光海岸至金鸡岭路一带，高滩植被完整，受东西岛礁保护，滩面宽缓，海滩地形具有明显的季节性变化，由于夏季风浪更大，加上频繁的台风作用，趋向于发育风暴剖面，年际上呈现“上部淤积，下部侵蚀”的变化特征；东段位于金鸡岭路至团结街一带，受人为影响较大，处于人工补砂初期的自然调整阶段，海滩地形具有明显的季节性交替，常浪的相对强弱和大浪对海滩剖面的塑造是海滩地形变化的主要因素。
（2）三亚湾沿岸输沙量自肖旗港至团结路逐渐降低，净输沙方向为自西向东，最西端沿岸输沙量最大，为40.64 m3/a，肖旗河来沙不足导致早期西部岸线持续侵蚀，随着西岛码头东拦沙堤的建设，西一段海滩才由侵蚀转为淤积。但是，拦沙堤的建设同时导致了较为严重的“凸堤效应”，即上游泥沙堆积，下游接受的沿岸输沙量显著减小。“凸堤效应”造成西二段后滨护坡与树木根系遭受严重侵蚀，中段海岸线内缩。三亚湾中段流入的沿岸输沙量大于流出量，为堆积型岸段，但是地形监测结果显示该岸线年平均后退2.93 m，除西侧沿岸供砂减少之外，还有一个重要的因素是泥沙的离岸运动，其横向输沙特征值K为2.99，对应离岸输沙的侵蚀型剖面。三亚湾海域基本处于不冲不淤的状态，靠近海航度假酒店至阳光海岸段海底具有最大侵蚀强度，为25 cm/a，此外东、西岛尖等凸体部位，波浪掏蚀作用较强，但搬运距离有限，一般在周边淤积。
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图 1 岸线监测断面与沉积动力观测位置
Figure 1. Locations of shoreline monitoring and sedimentary dynamics observation
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图 4 2019—2021年三亚湾海滩监测高程
Figure 4. Changes in the beach elevation observed in Sanya Bay during 2019 to 2021
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图 5 三亚湾海岸线与单宽体积变化量
负值表示侵蚀，正值表示淤积。
Figure 5. The shoreline change in Sanya Bay
+: siltation, −: erosion.
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图 6 2016—2018年SYPM01和SYPM02剖面的岸滩与水下监测地形
Figure 6. The beach and underwater topography observed in the profiles SYPM01 and SYPM02 during 2016 to 2018
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图 7 主因子载荷与平均剖面关系
Figure 7. Relationship between the principal factor loadings and the mean profiles
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图 8 剖面主因子空间与时间特征函数
Figure 8. The spatial and temporal eigen-function of the principal factors
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图 9 SE-WSW向波浪入射下的三亚湾波浪场
Figure 9. Wave field in Sanya Bay under SE to WSW wave incidence
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图 10 三亚湾沿岸年输沙量（104m3/a）分布
Figure 10. Distribution of sediment discharge along the coast of Sanya Bay
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图 11 三亚湾海底冲淤速率分布
Figure 11. Distribution of seabed erosion and siltation rate in Sanya Bay
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图 12 西岛码头东拦沙堤建设前后卫星影像
Figure 12. Satellite images before and after the construction of the east sand barrier at Xidao Wharf
表 1 三亚湾海滩剖面高程EOF分析结果统计
Table 1 Statistics of EOF analysis of beach profile elevation in Sanya Bay
主因子 特征值λ 贡献率/% 累计贡献率/% F1 F2 F1 F2 SYPM01 0.50 0.21 65.66 27.19 92.85 SYPM02 4.63 0.27 88.62 5.16 93.78 
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表 2 沿岸年输沙量
Table 2 Annual coastal sediment discharge
分段 岸线走向/(°) 输沙量 总输沙量 净输沙量 SE SSE S SSW SW WSW M1 −7.6 −0.93 −4.54 −1.62 7.89 33.71 6.13 54.82 40.64 M2 +1.0 −0.49 −1.99 0.28 7.05 25.88 4.82 40.52 35.55 M3 −1.8 −0.27 −1.76 −0.17 4.79 14.25 2.88 24.11 19.72 M4 −11.6 −0.09 −0.99 −0.85 1.81 10.51 2.62 16.88 13.01 M5 −22.9 −0.03 −0.72 −1.62 −0.37 7.25 2.10 12.10 6.60 M6 −34.3 −0.01 −0.32 −1.27 −1.76 2.32 1.94 7.61 0.90 M7 −42.1 0 −0.07 −0.52 −1.05 3.85 3.07 8.57 5.27 M8 −54.3 0 0.00 −0.06 −0.28 0.38 0.99 1.71 1.03 * 输沙量正值为自西向东，负值为自东向西；输沙量单位：104 m3/a。
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