摘要：作者对海口湾东部表层沉积物的粒径用EOF方法进行了分析，得出了海口湾东部浅滩区的泥沙来源与控制泥沙运动的主要动力因素，为对海口湾东部浅滩区的科学整治提供了依据。

关键词：海口湾东部；EOF分析；泥沙来源；泥沙运动

1 海口湾东部浅滩概述

海口湾是一个位于琼州海峡南岸中部的海湾，其东侧岬角为南渡江三角洲堆积体，西侧为新海岬角，它们分别呈圆弧形向海伸突于琼州海峡，从而使海口湾成为一个向陆凹进的弧形海湾。

海口湾东部浅滩区位于海口湾东部，是南渡江支汊海甸溪的入海口门区。它位处波影区，水深在0～2m之间，低潮时出露，高潮时淹没。该浅滩0m、-1m等深线(秀英基面，下同)以上面积分别为1.69km2、2.22km2。

根据1984年至1985年一年的白沙门波浪实测资料，海口湾的波浪以风浪为主，常风向和常浪向为ENE-NE向，一年之中，除5～8月份外，其它月份均以N向浪为主。各向波浪平均波高为0.6m，平均周期为2.9s。全年波浪以冬半年的NE向风浪占主导，夏半年的S向浪较为次要。但夏半年常有台风大浪出现，实测的台风大浪最大波高达3.5m。海口湾的多年平均潮差为1.21m，为弱潮环境，潮性系数为3.86，为不正规日潮，以日潮为主。

海口湾的潮流，在湾口附近流速为1m／s左右，流向大至为E-W向，在湾顶附近流速减小，仅0.1～0.25m／s，而在此之间的海域流速在0.25～1m／s之间，海口湾东部实测流向为NE-SW，且有与等深线和海岸线平行的趋势，余流为逆时针环流，量值在0.1m／s以下。在浅滩上实测的周日潮流基本为NE-SW的往复流，流速在0.2m／s以下，最大流速出现在高潮前2小时左右，为SW向，余流值小于5cm／s，指向SW。

海口湾东部浅滩区的地层主要为全新世浅海相沉积、前三角洲沉积及现代海湾相沉积。

海口湾东北侧美丽沙咀延伸至现今海口新港航道区并没入海中，成为水下沙咀，一股向西沿5m等深线进入海口湾东部，一股向西南方向折入新港航道的东北侧。海口湾东部浅滩即位于水下沙咀与海口市陆地岸线之间。据我们对1994、1998、2002年实测地形图进行的对比分析表明，由于南渡江河道内大量取沙及海甸岛岸段一定程度的海岸防护，海口湾的泥沙来源减少，浅滩西侧1～3m等深线的区域以侵蚀为主，波浪与潮流掀起的泥沙在波成流与潮流的共同作用下，一部分沿SW向输运，一部分沿SE向输运至浅滩上，且向浅滩上输运的主要为较粗颗粒的泥沙，这显然更多地与波浪作用有关。一般认为，海口湾东部由于受岬角的隐蔽作用，波浪作用较小，主要为潮流作用，但据我们的计算分析，盛行的NE、N向浪传播至海口湾东部浅滩时，仍有一定强度，再加上NW向波浪的正面袭击，浅滩上的泥沙仍以受波浪作用为主，这从浅滩上沉积物基本为中粗砂即可看出。由于泥沙的搬运沉积，浅滩的西侧堆积分选良好的粗颗粒泥沙，高程不断增大，在寻常潮高潮时都可出露水面。

因为表层沉积物的分布代表着一个相对较长时间尺度(至少为一个季节)的动力、泥沙运动过程，对其的分析可以了解一个相对长时间的泥沙输移规律。

2 对表层沉积物的粒径进行EOF分析及其所揭示的泥沙输移规律

2.1 表层沉积物的采取及其粒径分布

本次研究，我们共采取了52个表层沉积物样，各样点的位置见图2(其中样50位于海甸溪河道边滩上)。再结合以前所做的工作，基本上可以了解海口湾东部、海甸溪及海甸岛北侧岸段的沉积物分布状况。海口湾东部的表层沉积物取样点位与粒径分布如图2。

2.2 EOF分析基本原理

表层沉积物的粒径分布中，各样点的不同粒级的百分含量，实际上为多变量数据，可用EOF(经验特征函数)方法进行分析。这一方法将相互有关的空间数据转换到一个新的坐标系统中，新坐标系中的坐标轴为原始数据的线性组合，且相互之间是独立的(即正交性)并具有一定的物理意义。该方法已广泛用于气象学、海洋学、地理学等中，它有以下特征：(1)将相互有关联的数据分解为相互无关的模式，各模式可单独地分析；(2)最大的无关变量可按其大小进行排序，即对特征值及特征向量进行排序，这种排序反映出不同模式的相对重要程度；(3)可以为相应的特征模式提供物理机制上的解释。

本研究中，经验特征分析将原始数据转换到相互独立的特征模式中，每一模式都代表着不同的粒径分布特征及相应的物理意义。我们主要关注按特征值大小排序的前三个模式，因为它们代表着数据的大部分成份。

原始数据矩阵为52×12，即共有52个样品，每个样品分成12个粒级。

假设海口湾东部浅滩的表层沉积物有三个泥沙来源：(1)来自于美丽沙(以样品点48、49、51为代表)；(2)来自于浅滩西部的浅海区(以样品2、3、6、7、8、9、11、12、13、14、15、16、17为代表)；(3)来自于海甸溪河道边滩(以样品50代表)。它们的粒级分布如下图：

从上图可以看出，三个不同来源的泥沙具有不同的粒径特征。浅滩西侧以细颗粒为主，美丽沙与海甸溪河道边滩的泥沙以粗颗粒为主。而所有样品的粒级组成平均值为：

根据文献〔1〕〔2〕，将原始矩阵的数据减去上述三种来源泥沙的各粒级百分含量的平均值以及这三种来源的各粒级百分含量之和，得到四个余量矩阵，简称为A、B、C、D矩阵，其中A为原始矩阵中各列各粒级百分含量减去美丽沙样品相应各粒级平均百分含量后所得，B为原始矩阵中各列各粒级百分含量减去浅滩西侧样品相应各粒级平均百分含量后所得，C为原始矩阵中各列各粒级百分含量减去海甸溪河道边滩样品相应各粒级百分含量后所得，而D为原始矩阵中各列各粒级百分含量减去三个来源样品各粒级平均百分含量之和后所得。在每一个余量矩阵中，原始数据减去相应影响因素的粒级分布特征后，剩下的数据对其它因素的影响表现得更为敏感。余量矩阵前三个特征值的累积百分含量大小反映了被减去因素的相对影响程度，例如，假设B矩阵前三个特征值的累积百分含量大于A矩阵前三个特征值的累积百分含量，则表明B中被减去的因素比A中被减去的因素对整个空间数据具有更大的影响。而余量矩阵中各样品在特征矢量上权重值的空间分布表示着未被减去因素对数据的影响程度。

2.3 分析结果

将各矩阵的特征值按从大到小的顺序排列，求出前三个特征值占特征值总和的百分含量及累积百分含量。

从表2看，由于A、C余量矩阵前三个特征模量的累积百分含量甚至小于原始矩阵的对应值，可见从美丽沙与海甸溪河道边滩来的泥沙对海口湾东部区域的沉积物分布影响相对最小，因此下面的分析中将忽略对A、C余量矩阵的分析。这种情况的出现是由于如上所述，美丽沙岸段的泥沙主要为砂粒，在波浪的作用下，一方面向海口湾东部的5m线附近进积，另一方面沿着SW方向在新港航道的东北侧岸滩上堆积，而对海口湾东部浅滩附近区域的影响较小，而海甸溪河道边滩上粗颗粒泥沙主要为洪水期南渡江来沙及人工建筑砂石堆积而成，海甸溪下游为新港航道，流速小，粗颗粒泥沙不可能通过新港航道进入海口湾。对海口湾东部浅滩区域沉积物分布影响较大的因素应主要为：(1)从浅滩西侧浅海中来的泥沙；(2)去掉三种沙源影响因素后的动力作用。

特征矢量为与特征值对应的矢量，代表着根据其符号所确定的沉积物粒径的分组情况，其物理意义将在下面分述，而相应的特征权重(权重值为样品各粒级百分含量构成的矢量与该特征矢量相乘后所得)，表示着具有不同粒级特征的泥沙的空间联系，被称为空间函数。下面分析B、D矩阵的情况。

2.3.1 减去浅滩西侧浅海区泥沙后的余矩阵(B)

2.3.1.1 第一模量 其特征矢量为：

可见该特征矢量正值部分为粗颗粒，反映着海甸溪河道边滩来沙与美丽沙来沙及浅滩上的泥沙特征，负值部分为细颗粒，为开挖槽的泥沙特征。该特征矢量的空间分布函数为：

可以看出，各样品点这一特征矢量的权重值中浅滩上的样点及海甸溪河道边滩与美丽沙附近的样点为较大的正值，开挖槽内为负值，表明各处的沉积物更多地受到局地的影响。而浅滩西侧浅海区权重值的绝对值较小，说明浅滩西侧浅海区的沉积物受美丽沙与海甸溪河道边滩上的泥沙影响小。

2.3.1.2 第三模量　其特征矢量为：

可见这一模量的正值部分主要为极细砂粒级，代表着浅滩上的泥沙特征，负值部分为粗于或细于极细砂粒级的部分。该特征矢量的空间分布函数为：

可以看出，各样品点这一特征矢量的权重值中正值大的为浅滩上的极细砂点，负值大的集中在开挖槽内，表明主要受局地因素的影响。而浅滩西侧浅海区的权重值绝对值小，表明美丽沙与海甸溪河道边滩上的泥沙对其影响小。

2.3.2 减去三种泥沙来源后的余矩阵(D)

2.3.2.1 第一模量其特征矢量为：

这一特征矢量代表着波浪作用为主的动力类型。

该特征矢量的空间分布函数为：

可以看出，各样品点这一特征矢量的权重值以美丽沙的样点49及东部浅滩上的中砂样品较高，表明这些样点受到的波浪作用强。

2.3.2.2 第三模量　其特征矢量为：

可见这一模量的正值部分主要为粗颗粒部分，代表着波浪作用的动力类型，负值部分为细颗粒，代表着潮流作用为主的波浪潮流混合作用动力类型。

该特征矢量各样品点的权重值为：

可以看出，各样品点该特征矢量的权重值中正值大的位于浅滩上和美丽沙上，表明该区域波浪作用为主，负值大的集中在浅滩上的细砂点。而浅滩西侧浅海区与开挖槽则介于两者之间 。

3 结论

从上面的分析中可以看出，海口湾东部浅滩的泥沙运动主要以受波浪作用为主，因为海口湾东部区域为弱流区，潮流的作用表现在对细颗粒(粒径在细砂以下)泥沙的影响。浅滩上的泥沙既有来自于浅滩西侧浅海区的细颗粒，更主要地为原有泥沙在波浪作用下的再悬浮与再沉积作用形成。据我们做的波浪、潮流的动力与输沙的数值模拟分析表明，浅滩西侧浅海区明显地出现向浅滩区方向(SE方向)及SW方向的输沙，这与本研究结果是一致的。然后这些泥沙在波浪与潮流作用下经过再悬浮、搬运与沉降等，重新分选，形成目前的格局。而浅滩西侧浅海区与开挖槽内的泥沙运动主要受潮流作用的影响，泥沙来自于外海。

参考文献：

〔1〕James T.Liu, and Gary A.Zarillo,1990.Shoreface Dynamics:Evidence from bathymetr y and surficial sediments.Marine Geology,94:37-53.

〔2〕James T.Liu,and Aihua Hou,1997.Sediment trapping and bypassin g characteristics of a stable tidal inlet at Kaohsiung Harbor,Taiwan.Marine Geol ogy,140:367-390.

作者简介：龚文平(1968-)，男，湖北省天门市人，海南省海洋开发规划设 计研究院，博士，高级工程师，主要从事海岸工程与海岸动力地貌与沉积学研究。