高速公路野生动物桥设计实例研析

蔡志洲

(交通运输部环境保护中心，北京 100013)

我国高速公路里程至2019年已达14.26万km，居世界第一。全封闭的高速公路穿过山水林田湖草原，对野生动物栖息地造成分隔，需要依靠动物通道减缓不利影响。近年来国内外研究人员开展了较多的研究、观测[1-4]，建设了多处下穿式动物通道[5-6]，但对上跨式动物通道桥的研究较少。本文重点探讨了设计前期基于无人机遥感技术的环境分析内容和方法，论证了野生动物桥的设计要点和设计参数，为公路、铁路等野生动物桥设计提供了实例。

1 拟建高速公路概况

拟建梧伊高速公路位于新疆哈密市，全长 187.161 km，设计为四车道平原微丘区高速公路。红淖三铁路为国铁Ⅰ级标准，已经建成，以桥梁和涵洞等多种形式设置了野生动物通道[7-8]。梧伊高速公路与红淖三铁路基本并行但有数次交叉。公路将下穿铁路两处立交大桥，其中铁路1#大桥为6孔，拟建公路下穿其第4、第5孔；铁路4#大桥为4孔，公路下穿其第2、第3孔。上述铁路1#、4#大桥跨度大、净空高，桥孔可供大型动物通过，生态环境有关专家论证后，不同意公路直接占用桥孔下穿的方案。因此必须研究公路下穿又能保证原动物通行的新的可行方案[9]。

2 环境和野生动物调查

梧伊公路所在地区属于西北温带及暖温带荒漠地区，自然区划为西北干旱半干旱区，气候属于大陆干旱气候，冬季寒冷，夏季炎热，日光充足，空气干燥，昼夜温差大，冰冻期长，年降水量39.10 mm～92.00 mm，年蒸发量2260 mm～2800 mm，最大冻土深度1.19 m～2.00 m。冬、春季多风，最大风速约18 m/s。

2.1 常见野生动植物种类

本地区拥有在地面广域迁徙、活动的野生动物，包括数量极少但有记录的较大型动物蒙古野驴，中型动物鹅喉羚、狼、赤狐，以及小型动物蒙古兔、巨泡五趾跳鼠、五趾跳鼠、五趾心颅跳鼠、三趾跳鼠、三趾心颅跳鼠、长耳跳鼠等。

评价区内常见的荒漠植物为红柳、梭梭、膜果麻黄和猪毛菜等。无国家级重点保护野生植物，膜果麻黄和梭梭属于新疆维吾尔自治区一级重点保护野生植物。

2.2 环境和野生动物调查范围

对项目区已建成铁路对野生动物通行的影响调查可以反映野生动物种类、分布对道路工程的环境适应性。野外调查研究了铁路1#、4#大桥及铁路两侧2000m以内的所有可能被野生动物所利用的大小涵洞。

>>铁路1号桥(左)、4号桥(右)上跨拟建公路位置图。

野生动物的调查范围为：(1)高速公路与铁路交叉的1#桥、 4#桥的周边500m以内的范围；(2)1#桥、4#桥2km范围内所有铁路通道周围300m～500m以内的范围；(3)广泛了解本区域内更大的野生动物活动区域，并收集有关的资料。

2.3 实地调查方法

在野外生态调查中，越来越多利用无人机技术。无人机技术具有即时采集和反馈图像信息、图像清晰度高、后续可采用摄影测量的方法建立数字化三维模型以及可以历史回顾等诸多优点。本次勘查主要利用无人机遥感技术、地面普查、样线定量调查等“空地一体”的方法开展[10-12]。

2.3.1无人机遥感调查

微型无人机飞行高度为100m～150m，此时基本不会被地面野生动物发现。利用无人机即时图像传输技术，随时勘察下方地面的活动迹象。无人机勘察以桥区为中心，周边各外延2000m、视野正视和旁向侧视每桥区观察面积为20 000m2～ 24 000m2。时间为早中晚 2～3次/天。勘察期虽然车辆人员很少，但野生动物仍受到影响而回避，仅发现一次鹅喉羚小群，并记录了野生动物移动的路径。

2.3.2地面生态调查

采用普查和样线调查方法，样线沿已有铁路桥涵垂向设置。调查发现了鹅喉羚小群、鹅喉羚、蒙古兔和狐狸等肉食性动物粪便、跳鼠巢穴以及大量的动物足迹和行动路线。围绕既有铁路桥涵兼做动物通道的有效性以及野生动物分布、活动与拟建动物桥的关系，分别作详细记录分析。

>>2019年红外相机拍摄鹅喉羚通过铁路桥(查家宓摄)。

本研究调查铁路1#桥、4#桥及两侧2000m以内可能被野生动物利用的所有大小桥涵。统计涵洞与动物通行相关的指标，包括与1#桥、4#桥的距离、孔数及跨径、宽度、净高、涵洞纵深净长、涵洞纵深总长，并计算投影开阔率和总开阔率的指标。

2.4 野外研究基本结论

根据现场生态监测及生态学分析，确定动物通道应重点满足蒙古野驴、鹅喉羚以及狼、赤狐等的需求。在生态监测中，偶尔记录到动物影像，同时记录到大量的动物活动痕迹。说明野生动物存在较多的通行需求。

桥涵构筑物可成为野生动物通道。铁路沿线以季节性水系为主，大桥较少。在没有充分的桥梁可以利用的条件下，野生动物不得不尝试穿越涵洞。调查涉及的涵洞很多都存在鹅喉羚等动物通行的痕迹。1#桥两侧各2000m以内，共4000m 范围内分布有8处涵洞，其中有6处涵洞已明显被鹅喉羚等动物利用；4#桥两侧各2000m 以内，共4000m 范围内分布有9处涵洞，其中有8处桥涵已被鹅喉羚等动物利用。以4#桥北最近的涵洞4N5为例，宽2.0m、高2.5m、净长6.9m、总长73.45m，几乎是最低矮、狭长的涵洞，现已经是鹅喉羚等野生动物的习惯性通道。实例说明，在别无他处可行的通行压力下以及在不受到其他惊扰的条件下，较小的桥涵也可以成为野生动物的习惯性通道。

3 野生动物桥环境分析

在调查野生动物种类、活动规律及野生动物对路桥构筑物适应性的基础上，进一步利用无人机技术调查拟选野生动物桥周围的地形、地貌、高程、水系等主要环境参数，定量获得数字化环境模型，为后续的野生动物桥设计提供环境依据。

3.1 地形地貌

铁路1#桥位于梧桐窝子泉山间盆地，桥区地势基本平缓，以荒漠、戈壁为主。铁路4#桥位于伊吾到下马崖山间盆地，桥区地势较平缓，有洪流形成的冲沟发育，局部分布小型侵蚀堆积阶地，表面分布砂砾石。

3.2 无人机遥感和环境矢量模型分析

使用小微型无人机，飞行高度100m，影像轴向重叠率80%、侧向重叠率70%，获取红淖铁路1#桥区高清数字图像约1100张、4#桥区高清数字图像约900张。经软件处理，以4#桥为例建立了桥区遥感正射影像图。

通过对三维数字化模型进行分析，了解桥区工程现状、局部地形地貌、植被分布特点，并分析汇水去向。

从高清遥感照片和三维矢量化模型分析可见，4#桥区地形标高 854m～900m，整体走势为西南高、东北低。河道地势略低于周围地面0.3m～1.5m，通道均位于地表无定河位置，河道沿线植被明显较周边茂盛，是野生动物逐水草迁移的生态基础条件。

荒漠植物利用庞大深远的根系获取水源而生存。沿季节水系附近，地表水和地下水条件较好，这里植物的数量、密度以及枝叶水分条件也好于其他地区。沿水系也是草食动物取食、取水频次较高的地区，大量的粪便、足迹证实了这一点。特别是在植被稀疏的环境中，粪便沿季节水系附近分布的现象更加明显。

>>4#桥区三维数字化模型分析图。

根据在3D建模基础上生成的水系分析矢量化结果，发现4#桥西南侧，距离公路约1000m的低地可以解决高速公路主线下穿铁路桥、雨洪季节排水的问题，如下图4#桥区三维模型所示。

通过环境分析，确定了动物现有和潜在的通行状况，确定了动物桥选址的环境合理性，以及动物桥设计方案地形条件的可行性。

4 野生动物通道设计指标和方案

4.1 设计整体方案

比较了野生动物下穿式通道、上跨式野生动物桥两个设计方案，从光照、地形等自然环境、排水等工程条件方面确定野生动物桥方案，开展深化设计。

为保留铁路下方的原地平面基本不变，拟建公路采用下挖的形式，在原铁路桥下方、拟建公路的上方，修建一座上跨公路的桥梁，供动物通行，铁路、野生动物桥和下穿的公路形成立体交叉，动物与车辆互不干扰。 新建上跨公路的桥梁顺接挖方两侧坡口线，周边安设声屏障、排水管涵。

4.2 动物桥工程设计因素和指标解析

(1)公路桥梁结构形式。公路桥梁的结构形式主要考虑有两种：一是钢筋混凝土箱形桥；二是装配式预应力混凝土箱梁桥。两种桥型从满足使用功能、施工难度、工程造价等方面进行比选，主要顾及桥梁整体性更好，以及对铁路桥基础影响较小的因素，并需要避开铁路桥原有桩基，故采取双孔钢筋混凝土箱形桥方案。

>>野生动物桥整体方案效果图。

(2)动物桥净空高度。参考实地调查的鹅喉羚、蒙古野驴对动物通道的适应状况，以及国内外其他动物通道设计指标，确定了铁路桥下4.0m～5.0m的净空高度。

(3)动物桥沿路方向的长度。参考国外上跨式动物通道，其宽度多数是 30m～50m。结合目前国内动物通道的形式及尺寸，初步确定桥梁顺路线方向长度为 50m。

(4)动物桥垂直于路面的宽度。动物桥上跨拟建公路，公路分幅路基、边坡及中分带整体宽度约为40m，动物桥垂直于路面方向的宽度不小于 40m。

(5)桥梁高出地面的高度。以缓于 1∶4坡率的边坡进行填筑，过渡与自然地面相顺接，以保证动物自由上下。

(6)排水系统。排水应充分考虑洪、风、雨、雪等应急状况。出现这些状况时，可利用周边低地排水。

4.3 动物桥生态优化工程设计内容

增加野生动物通道周边生境优化工程，为吸引野生动物利用动物桥创造条件。生境优化措施包括：

(1)保证通道畅通。保证高速公路与1#桥、4#桥交汇前后乃至全部沿线野生动物通道的畅通，不能形成新的阻隔。

(2)优化地形环境。沿地表水系，适当扩大低洼地形面积，汇集雨水和融雪水，创造挡风汇水的生态微气候条件。

(3)优化土壤和植被。在新建桥梁上方填筑约 50cm 厚的天然砂砾土，土壤来源于原地，需在施工前剥离、保存，动物桥建成后回覆于桥面。种植乡土植物恢复植被，推荐梭梭、红柳等乡土植物种植。

(4)设置人工水体。在通道附近利用原地表水系沟道改建防渗沟渠；设置小型防渗人工水池或塑料水箱。

(5)设置警示标志。高速公路毗邻穿越保护路段，设置禁鸣、减速、注意野生动物等标志牌，提示过往司乘人员不要惊扰野生动物。在起初的3年～5年，适当投放草料、盐等物质。

(6)设置路面减速带。建议在1#、4#桥区前约2km路面设置彩色减速带，过往车辆保持匀速行驶，降低交通噪声，将对野生动物的影响降低到最小。

(7)设置噪声屏障。在动物桥桥区前后各约1km，沿高速公路设置声屏障降噪，同时降低交通流对野生动物的视觉干扰。

(8)路侧标志牌。提示司机观察避让野生动物，并简单提示科普知识。

5 结论与建议

受限于建设投资，动物桥的沿道路轴线的长度往往限于50m以内。实际上动物桥越长，野生动物通过区的面积就更大。应注意，由于上跨桥的跨越，被交高速公路主线往往不得不压低下穿，由此将会带来公路的排水、风积雪等问题，需要完善设计。此外，建议施工期开展专项环境监理工作；运营期对动物通道的效果进行跟踪监测；通道桥周边可增加监控设备，开展野生动物影响监测和通行预警。

高速公路野生动物通道应被视为野生动物、周边环境、工程设施和辅助设施的整体。系统性的基础研究应包括工程特点、气候条件、环境的地形、水系、土壤、植被分析，以及当地野生动物生态习性的调查。设计因素，包括优化局部生境，可通过增加植被、水源、盐等前期条件，诱导野生动物尽快熟悉和接受人工构筑物。工程参数的选取，应围绕选址、形式、长度、宽度和高度等关键因子，因地制宜进行选择。同时，还应完善降噪、排水、挡雪、遮光、隔离栅、标志牌等周边设施。值得关注的是，无人机遥感数字化建模是环境分析和工程设计新的、有力的技术手段。