蔡志洲

(交通運(yùn)輸部環(huán)境保護(hù)中心，北京 100013)

我國(guó)高速公路里程至2019年已達(dá)14.26萬km，居世界第一。全封閉的高速公路穿過山水林田湖草原，對(duì)野生動(dòng)物棲息地造成分隔，需要依靠動(dòng)物通道減緩不利影響。近年來國(guó)內(nèi)外研究人員開展了較多的研究、觀測(cè)[1-4]，建設(shè)了多處下穿式動(dòng)物通道[5-6]，但對(duì)上跨式動(dòng)物通道橋的研究較少。本文重點(diǎn)探討了設(shè)計(jì)前期基于無人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境分析內(nèi)容和方法，論證了野生動(dòng)物橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)，為公路、鐵路等野生動(dòng)物橋設(shè)計(jì)提供了實(shí)例。

1 擬建高速公路概況

擬建梧伊高速公路位于新疆哈密市，全長(zhǎng) 187.161 km，設(shè)計(jì)為四車道平原微丘區(qū)高速公路。紅淖三鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)建成，以橋梁和涵洞等多種形式設(shè)置了野生動(dòng)物通道[7-8]。梧伊高速公路與紅淖三鐵路基本并行但有數(shù)次交叉。公路將下穿鐵路兩處立交大橋，其中鐵路1#大橋?yàn)?孔，擬建公路下穿其第4、第5孔；鐵路4#大橋?yàn)?孔，公路下穿其第2、第3孔。上述鐵路1#、4#大橋跨度大、凈空高，橋孔可供大型動(dòng)物通過，生態(tài)環(huán)境有關(guān)專家論證后，不同意公路直接占用橋孔下穿的方案。因此必須研究公路下穿又能保證原動(dòng)物通行的新的可行方案[9]。

2 環(huán)境和野生動(dòng)物調(diào)查

梧伊公路所在地區(qū)屬于西北溫帶及暖溫帶荒漠地區(qū)，自然區(qū)劃為西北干旱半干旱區(qū)，氣候?qū)儆诖箨懜珊禋夂?，冬季寒冷，夏季炎熱，日光充足，空氣干燥，晝夜溫差大，冰凍期長(zhǎng)，年降水量39.10 mm～92.00 mm，年蒸發(fā)量2260 mm～2800 mm，最大凍土深度1.19 m～2.00 m。冬、春季多風(fēng)，最大風(fēng)速約18 m/s。

2.1 常見野生動(dòng)植物種類

本地區(qū)擁有在地面廣域遷徙、活動(dòng)的野生動(dòng)物，包括數(shù)量極少但有記錄的較大型動(dòng)物蒙古野驢，中型動(dòng)物鵝喉羚、狼、赤狐，以及小型動(dòng)物蒙古兔、巨泡五趾跳鼠、五趾跳鼠、五趾心顱跳鼠、三趾跳鼠、三趾心顱跳鼠、長(zhǎng)耳跳鼠等。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)常見的荒漠植物為紅柳、梭梭、膜果麻黃和豬毛菜等。無國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物，膜果麻黃和梭梭屬于新疆維吾爾自治區(qū)一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物。

2.2 環(huán)境和野生動(dòng)物調(diào)查范圍

對(duì)項(xiàng)目區(qū)已建成鐵路對(duì)野生動(dòng)物通行的影響調(diào)查可以反映野生動(dòng)物種類、分布對(duì)道路工程的環(huán)境適應(yīng)性。野外調(diào)查研究了鐵路1#、4#大橋及鐵路兩側(cè)2000m以內(nèi)的所有可能被野生動(dòng)物所利用的大小涵洞。

>>鐵路1號(hào)橋(左)、4號(hào)橋(右)上跨擬建公路位置圖。

野生動(dòng)物的調(diào)查范圍為：(1)高速公路與鐵路交叉的1#橋、 4#橋的周邊500m以內(nèi)的范圍；(2)1#橋、4#橋2km范圍內(nèi)所有鐵路通道周圍300m～500m以內(nèi)的范圍；(3)廣泛了解本區(qū)域內(nèi)更大的野生動(dòng)物活動(dòng)區(qū)域，并收集有關(guān)的資料。

2.3 實(shí)地調(diào)查方法

在野外生態(tài)調(diào)查中，越來越多利用無人機(jī)技術(shù)。無人機(jī)技術(shù)具有即時(shí)采集和反饋圖像信息、圖像清晰度高、后續(xù)可采用攝影測(cè)量的方法建立數(shù)字化三維模型以及可以歷史回顧等諸多優(yōu)點(diǎn)。本次勘查主要利用無人機(jī)遙感技術(shù)、地面普查、樣線定量調(diào)查等“空地一體”的方法開展[10-12]。

2.3.1無人機(jī)遙感調(diào)查

微型無人機(jī)飛行高度為100m～150m，此時(shí)基本不會(huì)被地面野生動(dòng)物發(fā)現(xiàn)。利用無人機(jī)即時(shí)圖像傳輸技術(shù)，隨時(shí)勘察下方地面的活動(dòng)跡象。無人機(jī)勘察以橋區(qū)為中心，周邊各外延2000m、視野正視和旁向側(cè)視每橋區(qū)觀察面積為20 000m2～ 24 000m2。時(shí)間為早中晚 2～3次/天?？辈炱陔m然車輛人員很少，但野生動(dòng)物仍受到影響而回避，僅發(fā)現(xiàn)一次鵝喉羚小群，并記錄了野生動(dòng)物移動(dòng)的路徑。

2.3.2地面生態(tài)調(diào)查

采用普查和樣線調(diào)查方法，樣線沿已有鐵路橋涵垂向設(shè)置。調(diào)查發(fā)現(xiàn)了鵝喉羚小群、鵝喉羚、蒙古兔和狐貍等肉食性動(dòng)物糞便、跳鼠巢穴以及大量的動(dòng)物足跡和行動(dòng)路線。圍繞既有鐵路橋涵兼做動(dòng)物通道的有效性以及野生動(dòng)物分布、活動(dòng)與擬建動(dòng)物橋的關(guān)系，分別作詳細(xì)記錄分析。

>>2019年紅外相機(jī)拍攝鵝喉羚通過鐵路橋(查家宓攝)。

本研究調(diào)查鐵路1#橋、4#橋及兩側(cè)2000m以內(nèi)可能被野生動(dòng)物利用的所有大小橋涵。統(tǒng)計(jì)涵洞與動(dòng)物通行相關(guān)的指標(biāo)，包括與1#橋、4#橋的距離、孔數(shù)及跨徑、寬度、凈高、涵洞縱深凈長(zhǎng)、涵洞縱深總長(zhǎng)，并計(jì)算投影開闊率和總開闊率的指標(biāo)。

2.4 野外研究基本結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)監(jiān)測(cè)及生態(tài)學(xué)分析，確定動(dòng)物通道應(yīng)重點(diǎn)滿足蒙古野驢、鵝喉羚以及狼、赤狐等的需求。在生態(tài)監(jiān)測(cè)中，偶爾記錄到動(dòng)物影像，同時(shí)記錄到大量的動(dòng)物活動(dòng)痕跡。說明野生動(dòng)物存在較多的通行需求。

橋涵構(gòu)筑物可成為野生動(dòng)物通道。鐵路沿線以季節(jié)性水系為主，大橋較少。在沒有充分的橋梁可以利用的條件下，野生動(dòng)物不得不嘗試穿越涵洞。調(diào)查涉及的涵洞很多都存在鵝喉羚等動(dòng)物通行的痕跡。1#橋兩側(cè)各2000m以內(nèi)，共4000m 范圍內(nèi)分布有8處涵洞，其中有6處涵洞已明顯被鵝喉羚等動(dòng)物利用；4#橋兩側(cè)各2000m 以內(nèi)，共4000m 范圍內(nèi)分布有9處涵洞，其中有8處橋涵已被鵝喉羚等動(dòng)物利用。以4#橋北最近的涵洞4N5為例，寬2.0m、高2.5m、凈長(zhǎng)6.9m、總長(zhǎng)73.45m，幾乎是最低矮、狹長(zhǎng)的涵洞，現(xiàn)已經(jīng)是鵝喉羚等野生動(dòng)物的習(xí)慣性通道。實(shí)例說明，在別無他處可行的通行壓力下以及在不受到其他驚擾的條件下，較小的橋涵也可以成為野生動(dòng)物的習(xí)慣性通道。

3 野生動(dòng)物橋環(huán)境分析

在調(diào)查野生動(dòng)物種類、活動(dòng)規(guī)律及野生動(dòng)物對(duì)路橋構(gòu)筑物適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用無人機(jī)技術(shù)調(diào)查擬選野生動(dòng)物橋周圍的地形、地貌、高程、水系等主要環(huán)境參數(shù)，定量獲得數(shù)字化環(huán)境模型，為后續(xù)的野生動(dòng)物橋設(shè)計(jì)提供環(huán)境依據(jù)。

3.1 地形地貌

鐵路1#橋位于梧桐窩子泉山間盆地，橋區(qū)地勢(shì)基本平緩，以荒漠、戈壁為主。鐵路4#橋位于伊吾到下馬崖山間盆地，橋區(qū)地勢(shì)較平緩，有洪流形成的沖溝發(fā)育，局部分布小型侵蝕堆積階地，表面分布砂礫石。

3.2 無人機(jī)遙感和環(huán)境矢量模型分析

使用小微型無人機(jī)，飛行高度100m，影像軸向重疊率80%、側(cè)向重疊率70%，獲取紅淖鐵路1#橋區(qū)高清數(shù)字圖像約1100張、4#橋區(qū)高清數(shù)字圖像約900張。經(jīng)軟件處理，以4#橋?yàn)槔⒘藰騾^(qū)遙感正射影像圖。

通過對(duì)三維數(shù)字化模型進(jìn)行分析，了解橋區(qū)工程現(xiàn)狀、局部地形地貌、植被分布特點(diǎn)，并分析匯水去向。

從高清遙感照片和三維矢量化模型分析可見，4#橋區(qū)地形標(biāo)高 854m～900m，整體走勢(shì)為西南高、東北低。河道地勢(shì)略低于周圍地面0.3m～1.5m，通道均位于地表無定河位置，河道沿線植被明顯較周邊茂盛，是野生動(dòng)物逐水草遷移的生態(tài)基礎(chǔ)條件。

荒漠植物利用龐大深遠(yuǎn)的根系獲取水源而生存。沿季節(jié)水系附近，地表水和地下水條件較好，這里植物的數(shù)量、密度以及枝葉水分條件也好于其他地區(qū)。沿水系也是草食動(dòng)物取食、取水頻次較高的地區(qū)，大量的糞便、足跡證實(shí)了這一點(diǎn)。特別是在植被稀疏的環(huán)境中，糞便沿季節(jié)水系附近分布的現(xiàn)象更加明顯。

>>4#橋區(qū)三維數(shù)字化模型分析圖。

根據(jù)在3D建模基礎(chǔ)上生成的水系分析矢量化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)4#橋西南側(cè)，距離公路約1000m的低地可以解決高速公路主線下穿鐵路橋、雨洪季節(jié)排水的問題，如下圖4#橋區(qū)三維模型所示。

通過環(huán)境分析，確定了動(dòng)物現(xiàn)有和潛在的通行狀況，確定了動(dòng)物橋選址的環(huán)境合理性，以及動(dòng)物橋設(shè)計(jì)方案地形條件的可行性。

4 野生動(dòng)物通道設(shè)計(jì)指標(biāo)和方案

4.1 設(shè)計(jì)整體方案

比較了野生動(dòng)物下穿式通道、上跨式野生動(dòng)物橋兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，從光照、地形等自然環(huán)境、排水等工程條件方面確定野生動(dòng)物橋方案，開展深化設(shè)計(jì)。

為保留鐵路下方的原地平面基本不變，擬建公路采用下挖的形式，在原鐵路橋下方、擬建公路的上方，修建一座上跨公路的橋梁，供動(dòng)物通行，鐵路、野生動(dòng)物橋和下穿的公路形成立體交叉，動(dòng)物與車輛互不干擾。 新建上跨公路的橋梁順接挖方兩側(cè)坡口線，周邊安設(shè)聲屏障、排水管涵。

4.2 動(dòng)物橋工程設(shè)計(jì)因素和指標(biāo)解析

(1)公路橋梁結(jié)構(gòu)形式。公路橋梁的結(jié)構(gòu)形式主要考慮有兩種：一是鋼筋混凝土箱形橋；二是裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。兩種橋型從滿足使用功能、施工難度、工程造價(jià)等方面進(jìn)行比選，主要顧及橋梁整體性更好，以及對(duì)鐵路橋基礎(chǔ)影響較小的因素，并需要避開鐵路橋原有樁基，故采取雙孔鋼筋混凝土箱形橋方案。

>>野生動(dòng)物橋整體方案效果圖。

(2)動(dòng)物橋凈空高度。參考實(shí)地調(diào)查的鵝喉羚、蒙古野驢對(duì)動(dòng)物通道的適應(yīng)狀況，以及國(guó)內(nèi)外其他動(dòng)物通道設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定了鐵路橋下4.0m～5.0m的凈空高度。

(3)動(dòng)物橋沿路方向的長(zhǎng)度。參考國(guó)外上跨式動(dòng)物通道，其寬度多數(shù)是 30m～50m。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)動(dòng)物通道的形式及尺寸，初步確定橋梁順路線方向長(zhǎng)度為 50m。

(4)動(dòng)物橋垂直于路面的寬度。動(dòng)物橋上跨擬建公路，公路分幅路基、邊坡及中分帶整體寬度約為40m，動(dòng)物橋垂直于路面方向的寬度不小于 40m。

(5)橋梁高出地面的高度。以緩于 1∶4坡率的邊坡進(jìn)行填筑，過渡與自然地面相順接，以保證動(dòng)物自由上下。

(6)排水系統(tǒng)。排水應(yīng)充分考慮洪、風(fēng)、雨、雪等應(yīng)急狀況。出現(xiàn)這些狀況時(shí)，可利用周邊低地排水。

4.3 動(dòng)物橋生態(tài)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)內(nèi)容

增加野生動(dòng)物通道周邊生境優(yōu)化工程，為吸引野生動(dòng)物利用動(dòng)物橋創(chuàng)造條件。生境優(yōu)化措施包括：

(1)保證通道暢通。保證高速公路與1#橋、4#橋交匯前后乃至全部沿線野生動(dòng)物通道的暢通，不能形成新的阻隔。

(2)優(yōu)化地形環(huán)境。沿地表水系，適當(dāng)擴(kuò)大低洼地形面積，匯集雨水和融雪水，創(chuàng)造擋風(fēng)匯水的生態(tài)微氣候條件。

(3)優(yōu)化土壤和植被。在新建橋梁上方填筑約 50cm 厚的天然砂礫土，土壤來源于原地，需在施工前剝離、保存，動(dòng)物橋建成后回覆于橋面。種植鄉(xiāng)土植物恢復(fù)植被，推薦梭梭、紅柳等鄉(xiāng)土植物種植。

(4)設(shè)置人工水體。在通道附近利用原地表水系溝道改建防滲溝渠；設(shè)置小型防滲人工水池或塑料水箱。

(5)設(shè)置警示標(biāo)志。高速公路毗鄰穿越保護(hù)路段，設(shè)置禁鳴、減速、注意野生動(dòng)物等標(biāo)志牌，提示過往司乘人員不要驚擾野生動(dòng)物。在起初的3年～5年，適當(dāng)投放草料、鹽等物質(zhì)。

(6)設(shè)置路面減速帶。建議在1#、4#橋區(qū)前約2km路面設(shè)置彩色減速帶，過往車輛保持勻速行駛，降低交通噪聲，將對(duì)野生動(dòng)物的影響降低到最小。

(7)設(shè)置噪聲屏障。在動(dòng)物橋橋區(qū)前后各約1km，沿高速公路設(shè)置聲屏障降噪，同時(shí)降低交通流對(duì)野生動(dòng)物的視覺干擾。

(8)路側(cè)標(biāo)志牌。提示司機(jī)觀察避讓野生動(dòng)物，并簡(jiǎn)單提示科普知識(shí)。

5 結(jié)論與建議

受限于建設(shè)投資，動(dòng)物橋的沿道路軸線的長(zhǎng)度往往限于50m以內(nèi)。實(shí)際上動(dòng)物橋越長(zhǎng)，野生動(dòng)物通過區(qū)的面積就更大。應(yīng)注意，由于上跨橋的跨越，被交高速公路主線往往不得不壓低下穿，由此將會(huì)帶來公路的排水、風(fēng)積雪等問題，需要完善設(shè)計(jì)。此外，建議施工期開展專項(xiàng)環(huán)境監(jiān)理工作；運(yùn)營(yíng)期對(duì)動(dòng)物通道的效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)；通道橋周邊可增加監(jiān)控設(shè)備，開展野生動(dòng)物影響監(jiān)測(cè)和通行預(yù)警。

高速公路野生動(dòng)物通道應(yīng)被視為野生動(dòng)物、周邊環(huán)境、工程設(shè)施和輔助設(shè)施的整體。系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究應(yīng)包括工程特點(diǎn)、氣候條件、環(huán)境的地形、水系、土壤、植被分析，以及當(dāng)?shù)匾吧鷦?dòng)物生態(tài)習(xí)性的調(diào)查。設(shè)計(jì)因素，包括優(yōu)化局部生境，可通過增加植被、水源、鹽等前期條件，誘導(dǎo)野生動(dòng)物盡快熟悉和接受人工構(gòu)筑物。工程參數(shù)的選取，應(yīng)圍繞選址、形式、長(zhǎng)度、寬度和高度等關(guān)鍵因子，因地制宜進(jìn)行選擇。同時(shí)，還應(yīng)完善降噪、排水、擋雪、遮光、隔離柵、標(biāo)志牌等周邊設(shè)施。值得關(guān)注的是，無人機(jī)遙感數(shù)字化建模是環(huán)境分析和工程設(shè)計(jì)新的、有力的技術(shù)手段。