长沙湾所在的红海湾位于南海北部粤东沿岸中段，三面环山，地势北高南低，东有遮浪角，西有大星山角，南部开敞且占该湾大部分面积，北部河口区与黄江河、大液河、龙津河相通，是一个大湾套小湾的半封闭型海湾。长沙湾位于红海湾北部湾顶，所在区域为河流冲积和海相沉积作用形成的冲积平原区，地势平坦，北侧近岸滩涂宽广，水下高程普遍大于−5 m（1985国家高程基准），见图1。据遮浪海洋站长期波浪资料统计，遮浪站所在的红海湾海域全年以风浪为主，年均出现频率为84.4%。10月至翌年4月东北季风盛行期间，波浪以E、ESE为主，平均波高为1.5 m，平均周期为4.2 s；6月至8月西南季风盛行期间，波向分布较分散，主要以SWS为主，平均波高为1.2 m，平均周期为4.0 s。

图  1  长沙湾水下地形

Figure 1.  Underwater topography of Changsha bay

本研究所采用的地形资料包括2001年、2013年、2017年实测水下高程图，地形资料详细情况见表1。地形资料处理方法如下：（1） 将海图、地形测图数字化，得到水下地形高程数据，统一高程基面和坐标系，高程基准面采用1985国家高程基准； （2）以Arcgis软件为平台，采用Kriging内插方法将水下地形高程数据插值生成数字高程模型（DEM）；（3）通过不同年份DEM数据提取等高线并叠加对比，分析滩槽格局变化；将DEM数据进行高程叠合分析，分区计算各单元容积及冲淤变化量，并生成不同时段的冲淤变化图^[1]。

本研究所采用的遥感影像资料主要有长沙湾及其附近海域的2016－2017年Landsat 8卫星影像，分辨率为16 m，遥感影像资料详细情况见表1。遥感影像处理方法如下：（1）对原始卫星影像进行几何校正、影像配准、图像增强等预处理，突出显示水体流态、流路等信息；（2）根据潮汐、上游径流等情况，选取典型水文组合条件下的遥感影像，结合水文观测资料，以表层悬沙为示踪剂，对潮流流向、流势强弱等流场特征进行人工目视解译，定性绘制流速箭头，分析不同径、潮组合条件下长沙湾宏观水沙输移特征^[1]。

本研究还收集了2016年长沙湾冬、夏两季大、小潮的全潮水文观测资料，共设16个站点，位置见图2。观测内容包括潮流、悬沙、风等。冬季，小潮和大潮观测时间分别为2016年1月16日11时－17日12时和1月25日11时－26日12时；夏季，小潮和大潮观测时间分别为2016年6月14日10时－15日11时和 6月22日10时－23日11时。观测期间还进行了表层沉积物的取样，采样仪器为蚌式采泥器，采集深度为10 cm以浅的表层沉积物，站点分布如图2所示，采样点间距平均为1 km左右。

图  2  水文观测站点及表层沉积物站点

Figure 2.  Hydrological observation station and surface sediment sampling points

表层沉积物处理方法如下：（1）对于粒径大于0.063 mm的样品采用筛析法，小于0.063 mm的样品采用Mastersize 2000型激光粒度仪进行粒级测定，最后把两者的分析结果进行综合；（2）沉积物粒级采用尤登—温德华氏等比Φ制标准，沉积物粒度参数（平均粒径、分选系数和偏态）采用福克和沃德公式计算。

粒度参数在沉积物搬运过程中由于物理化学作用，常发生沿程变化，因此，通过粒径空间分布趋势信息的提取和分析，可反演沉积物的净输运趋势^[9]。Gao 和Collins基于已有研究，改进并提出了二维粒径趋势模型^[10-11]，该模型在海湾、海滩、河口、陆架等多种海洋沉积环境中有广泛的应用^[12-17]。本研究根据长沙湾湾内表层沉积物主要粒度参数，利用Gao-Collins粒径趋势模型分析表层沉积物的输运特征，特征长度根据采样点间距取1.5 km。

图3a为长沙湾夏季小潮涨急时刻遥感流势。 夏季涨潮阶段，在西南向季风作用下，长沙湾湾外存在自西向东的沿岸流，因此，涨潮时刻湾外江牡岛附近涨潮主流仍自西向东，在向北近湾口水域出现东偏北向涨潮流；湾口处受两侧岸线束缚，流向转为正北向，流势显著增强，中东侧流势强于西侧。进入长沙湾后，涨潮流由正北向逐渐向东北向转变，主流偏向湾中东部，至口门附近，涨潮流受黄江河下泄径流压制，主流不明显。

图  3  夏季涨、落急时刻遥感流势

Figure 3.  Remote sensing of the flood and ebb current in summer

图3b为长沙湾夏季小潮落急时刻遥感流势。夏季落潮阶段，上游黄江河落潮流流向西南，经口门后受左岸边界凸出点的挑流作用流向近西向，至马宫港附近后转南向湾外输移，湾内落潮主流偏向东侧。出湾口后，在东向沿岸流带动下，落潮流流向东南。夏季，无论涨潮还是落潮，高含沙水体位于湾内北侧和西侧近岸浅滩水域，主要由波浪作用下的泥沙再悬浮所致。

图4为夏季小潮实测垂向平均流速和余流分布。由图4a可以看出，无论涨潮还是落潮，湾外水域主要以受自西向东的沿岸流作用为主，湾口潮流近似南北向，中东侧涨、落潮流速大于西侧，上游口门深槽段潮流出现最大值，最大涨、落潮流速分别为0.5 m/s、1.0 m/s左右，流向与口门段深槽走向基本一致。中层潮余流分布显示，湾外余流整体向东，大小为0.1 m/s左右，湾口段余流较小，中东侧以正北向的涨潮流作用为主，西侧余流则向西偏转。湾中部潮余流流向发生转换，表明此处是淤积较为旺盛的区域。上游口门段余流流速相对较大，最大潮余流流速0.2 m/s，以落潮流占优。上述实测潮流流速分布特征与遥感解译流势基本一致。

图  4  2016年6月小潮期垂向平均潮流和余流分布

Figure 4.  Distribution of the vertical average tidal current and residual current during neap tide in June 2016

图5a为长沙湾冬季中潮涨急时刻遥感流势。冬季涨潮阶段，在东北向季风作用下，长沙湾湾外存在自东向西的沿岸流，因此，涨潮时刻湾外江牡岛附近涨潮主流仍自东向西，在长沙湾湾口南侧涨潮流偏西北向湾口上溯，至湾口附近，流向由西北向转为北向，进入湾内后转为东北向，主流偏向于中东侧，湾西部涨潮流相对较弱。在口门段，由于枯季上游径流量小，涨潮流受下泄径流顶托作用减小，河道内涨潮流流势强于洪季。

图  5  冬季涨、落急时刻遥感流势

Figure 5.  Remote sensing of the flood and ebb current in summer

图5b为长沙湾冬季大潮落急时刻遥感流势。冬季落潮阶段，黄江河落潮流流向西南，经口门后，受左岸盐屿排附近岸线凸出点的挑流作用流向近西向，至马宫港附近后转南向湾外输移，湾内落潮主流偏向东侧。湾内落潮流在中部与黄江河落潮流汇合，偏于西侧流出。出湾口后，在西向沿岸流带动下，落潮流流向东南。较高含沙水体位于湾内北侧和西侧近岸浅滩水域，但范围和浓度均比洪季小。

图6为冬季大潮实测垂向平均流速和余流分布。由图6a可以看出，无论涨潮还是落潮，湾外水域主要以受自东向西的沿岸流作用为主，湾口潮流近似南北向，中东侧涨、落潮流速均大于西侧，上游口门深槽段潮流出现最大值，最大涨、落潮流速分别约为0.7 m/s、0.9 m/s，流向与口门段深槽走向基本一致。中层潮余流分布显示，湾外余流流向整体向西，大小为0.1 m/s左右，湾口段余流较小，中东侧以正北向的涨潮流占优，西侧则以落潮流为主。湾中部潮余流达到最小，表明此处是淤积较为旺盛的区域。上游口门段余流流速比洪季显著减小，但仍以落潮流占优。上述冬季实测潮流流速分布特征与遥感解译流势基本一致。

图  6  2016年1月大潮期垂向平均潮流和余流分布

Figure 6.  Distribution of the vertical average tidal current and residual current during spring tide in January 2016

长沙湾表层沉积物输运趋势如图7所示。湾内存在两处表层沉积物输运方向的转换区：一处位于黄江河出口右岸近岸区域；另一处位于湾中部。这两处水域是床沙输运的汇聚区，以淤积为主，与湾内冲淤空间分布特征基本一致。湾口东侧床沙以S向输运，表明以净向海输运为主。湾外东西两侧以W向输运为主，表明主要受沿岸流作用，湾口正对水域床沙运动较为复杂。

图  7  长沙湾水域表层沉积物输运趋势分布

Figure 7.  Distribution trend of surface sediment transport in Changsha bay

2001－2017年，长沙湾0 m、2 m、5 m等深线对比如图8所示。滩槽平面变化主要有如下特征：

图  8  2001－2017年长沙湾附近海域等深线变化对比

Figure 8.  Comparison of the contour in Changsha bay during 2001－2017

（1）黄江河出口段2 m以深深槽向海延伸拓宽显著，5 m以深深槽范围扩大，但仍不连续。2001－2013年，出口段2 m深槽以西偏南向海延伸，延伸距离达1955 m，深槽向左岸有一定拓宽，平均拓宽约80 m，5 m以深深槽范围有所扩大。2013年以后，2 m深槽前端向上游后退约500 m，深槽位置和宽度保持基本不变，口门段5 m以深深槽区向上游延伸约550 m。

（2）黄江河出口右岸0 m以浅浅滩向东、南推进，以淤积为主，迫使深槽偏向左岸。自2001年以来，黄江河出口右岸0 m等深线向海推进显著：2001－2013年，右岸河道段向河道侧推进约160 m，西侧湾顶段向海推进约90 m；2013年以后，口门段0 m等深线保持基本稳定，西侧湾顶段向海推进约140 m。右岸浅滩的淤积与波浪作用导致的沿岸输沙密切相关，湾顶段正对湾口，湾外波浪可直射进入，浅滩泥沙在波浪作用下再悬浮发生向东沿岸输沙的情况，在湾口右岸堆积，前述表层沉积物输运趋势分析结果也证明了湾顶东向沿岸输沙的存在。

（3）2 m、5 m等深线在湾内中东部整体向海推进，以淤积为主，湾西部保持基本稳定。由图8a和图8b可以看出，2001－2013年，湾内中东部2 m等深线平均向海推进约130 m，2013年以后又向海推进约100 m，西部2 m等深线基本保持稳定。湾口东侧5 m等深线2001－2013年向海推进约230 m，2013年以后向陆回退150 m，整体仍以向海推进为主，西侧5 m等深线基本保持稳定。湾内中东部的淤积主要与黄江河下泄径流和湾外涨潮流的相互顶托有关，由前述水沙输运过程可知，长沙湾涨、落潮主流偏向东侧，洪水期黄江河径流作用较强，涨潮阶段上游下泄径流水沙在湾中部受到外海涨潮流顶托，泥沙更容易在此处落淤，因此湾内中东部以淤积为主。

（4）广东省东部沿海分布多个有径流入注的海湾，如本研究区域所在的红海湾以及碣石湾、柘林湾等，由于其开敞程度不同，海湾内动力沉积地貌过程并不相同，但在河流注入海湾的口门段与本研究区域具有一致性，如位于红海湾湾顶西侧的赤石河口，中枯水期河口演变主要受控于波流作用及其导致的沿岸输沙，在河口一侧发育浅滩或沙坝，洪水期主要以受上游洪水作用为主，河口浅滩或沙坝发生冲决，深槽易发生摆动。

2001－2017年，长沙湾附近水域冲淤速率分布及主要断面变化如图9和图10所示。滩槽冲淤主要呈现如下特征：

图  9  2001－2017年长沙湾附近海域冲淤速率分布

Figure 9.  The speed of scour and silting of the Changsha bay during 2001－2017

图  10  2001－2017年长沙湾附近主要断面变化对比

Figure 10.  Changes of dm1, dm2 and dm3 during 2001－2017

（1）出口段河道呈现滩淤槽冲的特征，深槽平均下切2 m左右，远超自然条件下的冲淤幅度，可能与航道疏浚或挖沙等活动相关。由图9a可知，出口段河道浅滩2001－2013年淤积速率为0.1 m/a，2013－2017年仍以淤积为主，速率较前期变化不大。深槽以冲刷下切为主，2001－2013年冲刷速率为0.1～0.2 m/a，2013年以后冲刷范围有所增加，且局部区域冲刷强度增大。从断面变化情况来看，自2001年以来口门段断面（dm1）深槽下切约2.3 m。

（2）湾中部东侧水域以轻微淤积为主，淤积速率为0.05 m/a，中部断面东侧淤积显著，西侧变化不大；湾口断面基本保持稳定。2001－2013年，湾中部水域淤积强度在0.025 m/a以内，之后淤积强度有所增加，速率为0.05 m/a；从断面变化情况来看，自2001年以来湾中部断面 （dm2）东侧平均淤浅约0.3 m，西侧变化不大。湾口断面（dm3）形态变化不大，保持基本稳定（图10）。

（3）2013年以前长沙湾湾内总体保持冲淤平衡的态势，之后转为轻微淤积。自2001年以来长沙湾（断面dm1－dm3）冲淤情况统计见表2。由表2可知，2001－2013年，湾内冲刷总量为81.9万 m³，平均冲刷速率不足0.01 m/a，呈现冲淤平衡状态。2013－2017年，长沙湾淤积总量为132.8万 m³，平均淤厚为0.04 m，淤积速率为0.01 m/a，整体呈轻微淤积状态。

（1）夏季长沙湾湾外水域沿岸流流向自西向东，冬季则自东向西；湾口中东侧涨潮流作用占优，西侧落潮流占优。上游口门段潮流流速较大，落潮流占优。湾中部是涨潮流优势与落潮流优势发生转变的区域，余流流速较小。

（2） 黄江河口门段河道呈现滩淤槽冲的特征，深槽平均下切约为2 m。口门右岸浅滩向东南推进，迫使深槽偏向左岸。长沙湾中东部以淤积为主，西部保持基本稳定。湾内存在两处泥沙输运的汇聚区，分别位于口门右岸近岸区域和长沙湾中部，与地形资料显示的冲淤空间分布特征基本吻合。

（3）湾顶中段在南向浪作用下，浅滩泥沙发生再悬浮并向东、西两侧搬运，导致黄江河出口右岸出现显著淤积。湾中部径潮顶托作用强，余流流速较小，泥沙易在此区域淤积。上述两处水域发生淤积的原因与湾内表层沉积物指示的床沙输运路径基本一致。