胡安華，韓繼公，李 陽

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023)

1 概述

自1999年修建秦沈客運(yùn)專線以來，我國高速鐵路的建設(shè)迎來了黃金10年，在京滬高速鐵路先導(dǎo)段國產(chǎn)和諧號(hào)380A動(dòng)車創(chuàng)造了時(shí)速486.1 km的世界高速鐵路最高試驗(yàn)運(yùn)營新紀(jì)錄，輪軌高速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。然而，在取得輝煌成績的同時(shí)，也引出了一些新課題，高速鐵路鳥擊防范問題便是其中之一。

鳥擊又稱鳥撞，是指鳥類與飛行中的人造飛行器、高速運(yùn)行的列車、汽車等發(fā)生碰撞，造成傷害的事件。以前鳥擊多指鳥與飛行的飛機(jī)相撞，隨著高速鐵路的發(fā)展、列車運(yùn)行速度的飛速提高，鳥與火車的碰撞也應(yīng)被列為需要防范的事故之一。

飛機(jī)防鳥擊研究已有幾十年的歷史[1]，但高速鐵路鳥擊防范研究在國內(nèi)外尚無先例，隨著世界高速鐵路快速發(fā)展，深入開展高速鐵路鳥擊防范研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 高速鐵路列車鳥擊危害及特點(diǎn)

列車鳥擊的危害可分為直接危害和間接危害兩種。雖然鳥擊至今尚未造成高速鐵路運(yùn)營重大安全事故，但其造成的負(fù)面影響卻會(huì)很大，高速鐵路鳥擊所造成的間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直接經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 列車鳥擊的直接危害

列車鳥擊產(chǎn)生的直接危害主要表現(xiàn)為對牽引機(jī)車的損害，主要有:

(1)損傷機(jī)車表面。根據(jù)物理動(dòng)力學(xué)定律，鳥擊的危害表現(xiàn)為由于飛鳥與列車高速相對運(yùn)動(dòng)，飛鳥與機(jī)車迎風(fēng)面相撞，從而對機(jī)車風(fēng)擋面造成物理損害;

(2)飛鳥尸體有可能使機(jī)車擋風(fēng)玻璃污損、阻擋視線而發(fā)生不可預(yù)見的臨時(shí)停車清理，或?qū)е铝熊嚱邓龠\(yùn)行，打亂列車正常運(yùn)行圖;

(3)為避免鳥擊危害，列車經(jīng)行飛鳥多的地段需限速行駛、導(dǎo)致列車延誤;

(4)機(jī)車破損增加修復(fù)作業(yè)，降低機(jī)車運(yùn)用效率。

例如，武廣高速鐵路運(yùn)營初期，頻頻發(fā)生鳥擊，鳥擊常導(dǎo)致列車停車檢查、限速行駛、列車晚點(diǎn)等不良后果。而臨時(shí)停車檢查不僅延誤旅行時(shí)間，更可能會(huì)在調(diào)度出現(xiàn)紕漏時(shí)釀成重大安全事故。鳥擊后的機(jī)車風(fēng)擋表面見圖1。

圖1 鳥擊后的機(jī)車風(fēng)擋表面

2.2 列車鳥擊的間接危害

鳥擊產(chǎn)生的間接危害主要有:

(1)引發(fā)社會(huì)對高速鐵路運(yùn)營安全的擔(dān)憂，不利高速鐵路的發(fā)展;

(2)撞死大量飛鳥，不利生態(tài)和環(huán)保，從而有可能引發(fā)愛鳥人士的抵觸，不利高速鐵路的發(fā)展;

綜上，鳥擊的間接危害更應(yīng)值得重視，因此高速鐵路鳥擊防范研究是必要的，也是緊迫的。

2.3 高速鐵路列車鳥擊的特點(diǎn)

2.3.1 列車穩(wěn)定性高于飛機(jī)

列車附著軌道并受約束行駛，飛機(jī)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力及相對風(fēng)速提供的升力飛行，列車車頭流線形設(shè)計(jì)與飛機(jī)截然不同;且列車質(zhì)量大、比飛機(jī)更牢固，故遭遇鳥擊時(shí)列車的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于飛機(jī)。

2.3.2 鳥擊作用點(diǎn)不同

飛機(jī)鳥擊多發(fā)生在低于1 000 m的低空空域，鳥擊部位可能為飛機(jī)前端導(dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)翼、尾舵、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部或其余部位表面[1，2];而高速鐵路鳥擊多發(fā)生于機(jī)車車頭迎風(fēng)面下方3/4位置，鳥擊撞點(diǎn)較為集中，且在列車運(yùn)行期間同一點(diǎn)附近可能會(huì)遭受多次高頻率撞擊，即相當(dāng)于疲勞荷載作用(圖2)。對于飛機(jī)，因鳥擊部位多為關(guān)鍵零部件，鳥擊造成的傷害多數(shù)會(huì)危及其正常飛行甚至導(dǎo)致空難事故;但對于列車，鳥擊尚未造成重大安全事故。

圖2 遭遇鳥擊后的機(jī)車車頭

綜上，列車鳥擊直接損害較小，但間接危害面廣;同時(shí)，列車鳥擊的危害程度遠(yuǎn)小于飛機(jī)，列車的安全性遠(yuǎn)高于飛機(jī)。

日本新干線自運(yùn)營以來，從未發(fā)生過列車顛覆和旅客傷亡事故，法國高速鐵路10多年來也始終保持安全運(yùn)營的良好紀(jì)錄。但溫州“7.23”動(dòng)車追尾事件表明，因任何原因?qū)е碌牧熊囃＼嚮蚴鹿示赡茚劤芍卮蟀踩鹿?，故列車鳥擊也應(yīng)同樣被高度重視，必須防范，未雨綢繆，尋求有效解決方法。

3 鳥擊成因分析

根據(jù)相關(guān)鳥擊記錄和實(shí)地觀察，列車鳥擊多數(shù)是因鐵路線路附近人為活動(dòng)少導(dǎo)致飛鳥聚集、列車高速運(yùn)行飛鳥來不及躲避而造成的。概括起來，導(dǎo)致鳥擊的主要原因有:(1)高速鐵路經(jīng)行區(qū)域;(2)高速鐵路工程類別;(3)高速鐵路沿線綠化、防護(hù)措施;(4)垃圾吸引飛鳥;(5)列車運(yùn)行速度。

具體分析如下。

(1)高速鐵路線路長，若經(jīng)行大型鳥類棲息、繁殖場所多，如大面積的樹林、水域，將大大增加鳥擊概率。

(2)除鳥類棲息繁殖區(qū)域外，鳥擊也多發(fā)生在高速鐵路路基地段。路塹段路基因局部空間小，如排水不暢，或低路堤段有積水坑、水塘等，將會(huì)吸引附近飛鳥覓食、休息，增加鳥擊事件。高速鐵路路塹段路基見圖3。

圖3 高速鐵路路塹段路基

(3)目前，高速鐵路路基地段邊坡常采用噴播植草，栽種喬木、灌木等方式護(hù)坡、綠化，大多的草皮及喬木會(huì)結(jié)草籽和果實(shí)，加之吸引的昆蟲，成為鳥類食物，吸引飛鳥聚集而造成鳥擊。

(4)高速鐵路列車運(yùn)行速度高，飛鳥往往來不及逃避即被撞擊致死。

(5)在車站、樞紐附近或高速鐵路列車與普通列車、貨車并行地段，鐵路軌道常附有食物垃圾和直排穢物，這常常是吸引飛鳥，導(dǎo)致鳥擊的重要原因。

4 鳥擊碰撞計(jì)算

根據(jù)動(dòng)量守恒定理，如列車與飛鳥視為一個(gè)系統(tǒng)，碰撞瞬間該系統(tǒng)動(dòng)量守恒。列車與飛鳥質(zhì)量相比，飛鳥質(zhì)量可不計(jì)，則在鳥擊過程中，列車速度可視為不變，撞擊中飛鳥與列車最終相對速度變?yōu)?。對飛鳥進(jìn)行動(dòng)量分析，經(jīng)計(jì)算可得列車遭受鳥擊時(shí)受到的沖擊力，從而對危害程度進(jìn)行評估。

4.1 碰撞模型

鳥擊為完全非彈性碰撞。由于鳥擊過程時(shí)間極短(毫秒級)，為簡化鳥擊撞擊力的計(jì)算形式，假設(shè)鳥擊過程中飛鳥受碰撞先做減速運(yùn)動(dòng)(第一階段)，而后受列車推動(dòng)做加速運(yùn)動(dòng)加速至車速(第二階段)，與列車一起運(yùn)動(dòng)直至飛鳥殘?bào)w被風(fēng)刮走。據(jù)此可計(jì)算列車遭受鳥擊時(shí)受到的平均碰撞力。

大多數(shù)陸地遷徙鳥類的飛翔時(shí)速在30～100 km(最快的尖尾雨燕時(shí)速可達(dá)170 km，海洋上信天翁瞬時(shí)急速可達(dá)時(shí)速350 km)，假設(shè)鳥擊時(shí)飛鳥速度v為100 km/h;以中型鳥進(jìn)行檢算，假設(shè)其質(zhì)量m為1.0 kg、撞擊過程中飛鳥質(zhì)心與列車碰撞面相對運(yùn)動(dòng)距離L為10 cm(大致為中型鳥一半身長);同時(shí)，假設(shè)列車時(shí)速350 km、鳥擊不影響其速度，按最不利情況(相向運(yùn)動(dòng))撞擊考慮。

假設(shè)第一階段飛鳥與列車相對運(yùn)動(dòng)距離為βL(β為相對位移系數(shù))。

4.2 碰撞力計(jì)算

鳥擊碰撞過程中，動(dòng)量守恒，動(dòng)能不守恒，故本文采用動(dòng)量分析計(jì)算碰撞力較為準(zhǔn)確。

(1)第一階段(飛鳥減速運(yùn)動(dòng))

在第一階段，飛鳥做減速運(yùn)動(dòng)，飛鳥與列車相向運(yùn)動(dòng)。設(shè)碰撞力平均值為F、作用時(shí)間t、飛鳥平均加速度為a，設(shè)飛鳥在撞擊開始和減速運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)速度分別為v0(=100 km/h)、v'(=0)。鳥的翅膀、腿部、頭頸及羽毛能起到較好的緩沖作用，故第一階段相對運(yùn)動(dòng)距離較第二階段大，則令 β=0.6，則可建立以下方程組

求解得:t=5.4×10－4s

根據(jù)動(dòng)量定理，飛鳥受外力的沖量等于其動(dòng)量的改變量，據(jù)力的相互作用原理，機(jī)車在飛鳥減速運(yùn)動(dòng)過程中受到的碰撞力平均值F為

求解得:F≈51 440.3 N

如碰撞面積A按30 cm2考慮，則列車遭遇鳥擊時(shí)局部平均壓強(qiáng)

(約合169倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)

(2)第二階段(飛鳥加速運(yùn)動(dòng))

在第二階段，飛鳥做加速運(yùn)動(dòng)。同樣，設(shè)碰撞力平均值為F、作用時(shí)間t、飛鳥平均加速度為a，飛鳥在鳥擊開始和加速運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)速度分別為v0(=0)、v'(=V車=350 km/h)，β=0.6。則可建立以下方程組

求解得:t=8.228 57×10－4s

第二階段列車受到的碰撞力平均值F為

求解得:F≈118 152.0 N

因第一階段飛鳥已產(chǎn)生部分變形，第二階段碰撞面積按第一階段的1.2倍即36 cm2考慮，則列車遭遇鳥擊時(shí)局部平均壓強(qiáng)如下

由此可見，鳥擊撞擊力是極大的，鋼化玻璃抗壓強(qiáng)度在125 MPa以上，理論上講，鳥擊不能造成其結(jié)構(gòu)損壞，但鳥擊的反復(fù)作用可能造成機(jī)車鋁合金表面、風(fēng)擋玻璃表面損傷和儀器損壞;同時(shí)，列車在鳥擊導(dǎo)致的疲勞荷載作用下可能產(chǎn)生局部拉應(yīng)力從而破壞風(fēng)擋玻璃(抗拉強(qiáng)度30～60 MPa)。

上述β取值為估算取值，僅能對撞擊力粗略估算、對風(fēng)擋玻璃損傷程度做簡單分析。列車鳥擊應(yīng)參照飛機(jī)鳥撞研究方法，建立荷載模型[3]、動(dòng)響應(yīng)分析方法、鳥體模型及風(fēng)擋玻璃破壞準(zhǔn)則等[4～6]，建議有關(guān)部門應(yīng)積極介入，系統(tǒng)地深入研究。

4.3 撞擊力計(jì)算公式推導(dǎo)

由式(1)、(2)及式(4)、(5)，列車遭受鳥擊時(shí)受到的平均撞擊力簡化計(jì)算公式為

式中F——鳥擊時(shí)機(jī)車受到的平均沖擊力，N;

V車——鳥擊時(shí)列車運(yùn)行速度，m/s;

v0——鳥擊時(shí)飛鳥初始速度在列車運(yùn)行方向上的分量，m/s;

m——鳥擊發(fā)生時(shí)飛鳥的質(zhì)量，kg;

L——鳥擊過程中，飛鳥與列車相對運(yùn)動(dòng)距離

在列車運(yùn)行方向的分量，m;

β——鳥擊系數(shù)(與碰撞形式及變形相關(guān)的系數(shù))，0＜β＜1。

分析式(7)，鳥擊時(shí)列車受到的撞擊力有以下規(guī)律:列車受到的沖擊力與飛鳥質(zhì)量成正比，與撞擊過程中相對運(yùn)行距離成反比。在第一階段，沖擊力與飛鳥初始速度呈二次函數(shù)關(guān)系、與列車運(yùn)行速度線性相關(guān);在第二階段，相當(dāng)于列車與變形后靜止的飛鳥相撞，沖擊力與列車速度的二次方成正比。

飛鳥質(zhì)量一般較小，因而鳥擊的破壞主要取決于列車和飛鳥的速度而非鳥類本身的質(zhì)量，速度的提高將導(dǎo)致撞擊力呈幾何級數(shù)地增加。

經(jīng)分析，當(dāng)車速為0時(shí)，撞擊力主要是由飛鳥動(dòng)能瞬間損失導(dǎo)致;當(dāng)車速大于0，但車速仍較小時(shí)，鳥擊時(shí)第一階段列車受到的撞擊力較第二階段受力大;當(dāng)車速較大時(shí)，即v0時(shí)，第二階段撞擊力將大于第一階段撞擊力。

上述計(jì)算過程中β取值將作進(jìn)一步研究，以便式(7)在實(shí)際工程中的應(yīng)用推廣。鳥擊屬完全非彈性碰撞，各階段的平均碰撞力及相對運(yùn)行距離不僅取決于飛鳥本身(大小、質(zhì)量、類型等)，同時(shí)也取決于鳥擊時(shí)撞擊面法線與列車、飛鳥速度方向的關(guān)系。

5 鳥擊的防范方法

我國一直高度重視鐵路特別是高速鐵路的運(yùn)營安全。到2012年，我國高速鐵路將初步成網(wǎng)，確保高速鐵路安全成為全國鐵路工作首要任務(wù)。

我國大陸高速鐵路運(yùn)行速度較日本及中國臺(tái)灣高、線路覆蓋范圍更廣，鳥擊概率和危害更大。隨著環(huán)保力度的加強(qiáng)，鐵路建設(shè)加強(qiáng)了綠化、減少對植被的破壞，鐵路沿線鳥類增多，防范鳥擊又不能傷害鳥類，防范鳥擊成為一個(gè)世界性難題。

日本和中國臺(tái)灣的高速鐵路一直受鳥擊的困擾，雖未造成重大運(yùn)營安全事故，但引發(fā)了社會(huì)和環(huán)保人士的高度關(guān)注，除持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測外，目前還暫無其他有效解決方法。在日本，高速鐵路鳥擊被認(rèn)定為自然現(xiàn)象，沒有被特別防范;在中國臺(tái)灣，對有大群候鳥活動(dòng)地段設(shè)置穿越通道，但目前并無根本的防范方法。

5.1 機(jī)場鳥擊防范方法

機(jī)場防范鳥擊主要是通過驅(qū)鳥和破壞周邊鳥類生存環(huán)境來減少鳥擊。主要有聽覺威懾法、視覺威懾法、化學(xué)試劑和捕捉等，如制作風(fēng)車、旗幟、猛禽模型、稻草人，或使用空氣炮，超聲波等方法防范鳥擊[1，2，7，8]。

但是，除超聲波外，鳥類往往會(huì)在經(jīng)歷一段時(shí)間后，便適應(yīng)了環(huán)境，對上述方法變得熟視無睹，故都不能徹底解決問題。而超聲波驅(qū)鳥器主要是通過惡化鳥類生存環(huán)境起到長久驅(qū)鳥作用，見效慢，且對鳥類危害大，對于高速鐵路有立即實(shí)時(shí)驅(qū)鳥的場合，并非十分適用。本文根據(jù)鳥擊的成因及規(guī)律，提出列車鳥擊防范方法如下。

5.2 高速鐵路鳥擊防范方法

目前，國內(nèi)外尚無高速鐵路鳥擊防范研究成果資料，高速鐵路線路長，覆蓋范圍廣，沿線生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，飛鳥種類多、數(shù)量多，鳥擊防范不能完全借鑒機(jī)場的方法。結(jié)合生態(tài)和環(huán)保，本文從減少吸引飛鳥的因素和探索驅(qū)鳥方法出發(fā)，探討性地提出以下防范鳥擊的方法。

5.2.1 工程繞避法

在高速鐵路項(xiàng)目立項(xiàng)可研之初，需要對所經(jīng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境作出評估，線路應(yīng)盡量避免穿行大型鳥類棲息地和遷徙補(bǔ)給地，從源頭上減少鳥擊的概率。

5.2.2 環(huán)境饑餓法

即利用不利于鳥類生息的環(huán)境因素。

(1)減少高速鐵路沿線不必要的水池、水塘等;同時(shí)，完善鐵路沿線的排水工程設(shè)施，保持排水通暢，避免積水，減少對飛鳥的吸引。

(2)破壞鐵路沿線昆蟲、蚯蚓等鳥類喜歡捕食生物的生存環(huán)境，不僅能減少蟲害對鐵路運(yùn)輸安全的影響，且能有效減少鳥類活動(dòng)和覓食的幾率從而減少鳥擊;同時(shí)，鐵路邊坡防護(hù)植草應(yīng)采用不結(jié)草籽的草皮，采用不結(jié)果實(shí)的喬木、灌木等，減少對飛鳥的吸引。

(3)清除沿線垃圾，保持鐵路軌道清潔，減少對飛鳥的吸引。

5.2.3 物理驅(qū)趕法

(1)外觀設(shè)計(jì)防范鳥擊

鳥類具有敏銳的視力(高出人類6倍)和畏懼天敵的天性?？稍跈C(jī)車正面、機(jī)車車頂、側(cè)面繪制猛禽圖案，驅(qū)離鳥群，這是最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保和最具操作性的物理措施。

類似的思路如澳大利亞一家航空公司曾在飛機(jī)前方畫上一個(gè)大嘴，兩側(cè)畫上兩只大眼，讓飛機(jī)也變成一只大鳥嚇跑飛鳥，從而有效減少了鳥擊。高速鐵路列車也可參照飛機(jī)的作法，進(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)踐。

(2)車載驅(qū)鳥系統(tǒng)

將驅(qū)鳥電子炮結(jié)合雷達(dá)、電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)，裝置于列車車頭，在雷達(dá)檢測到有飛鳥路段，即自動(dòng)激發(fā)電子炮，驅(qū)趕飛鳥。大型驅(qū)鳥電子炮有效作用半徑50 m或更大，飛鳥神經(jīng)長度比人短，無論是電子炮爆炸聲或是閃光，飛鳥都有足夠時(shí)間反應(yīng)并逃離現(xiàn)場，避免鳥擊，即使經(jīng)過反復(fù)長時(shí)間也不會(huì)適應(yīng)。

驅(qū)鳥電子炮利用電子激發(fā)空氣爆炸，高功率爆炸聲響的頻率設(shè)計(jì)在鳥類的最敏感頻段，閃光也會(huì)刺激鳥的眼睛，使鳥迅速逃離現(xiàn)場，達(dá)到驅(qū)鳥效果，但該方法存在擾民缺點(diǎn)。

5.2.4 其他綜合防治法

(1)高速鐵路正式運(yùn)營前，應(yīng)進(jìn)行“行車鳥擊觀察作業(yè)”;同時(shí)，制定列車出現(xiàn)鳥擊現(xiàn)象后的對應(yīng)措施，減少事故停車頻率。

根據(jù)中國臺(tái)灣高速鐵路運(yùn)營記錄:通車前，平均每天每列車有5次鳥擊;通車初期每天38對，每天每列車鳥擊次數(shù)增到10次;但列車數(shù)量增到每天62對后，每天每列車鳥擊次數(shù)降為5次;增至每天91對后，再降到每天每列車1.5次。

以上經(jīng)驗(yàn)表明，物種會(huì)通過自己的經(jīng)歷而學(xué)習(xí)，從而自行調(diào)整，鳥類也不例外。在高速鐵路正式運(yùn)營前，可參照以上運(yùn)營記錄并結(jié)合季候做“行車鳥擊觀察作業(yè)”，讓鳥類自行調(diào)整飛行、活動(dòng)習(xí)慣，正式運(yùn)營后，可有效減少鳥擊。

同時(shí)，為保證運(yùn)營秩序，應(yīng)根據(jù)“行車鳥擊觀察作業(yè)”記錄的鳥擊頻率規(guī)律，制定鳥擊事故等級判別及對應(yīng)措施，并納入日常運(yùn)營程序。

(2)參照機(jī)場的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)高速鐵路沿線飛鳥種類、飛鳥生活規(guī)律監(jiān)測，開展沿線生態(tài)調(diào)查。結(jié)合鳥類學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)、鐵路行車及鳥擊規(guī)律，建立一個(gè)綜合性跨學(xué)科預(yù)警防范系統(tǒng)[1，8～10]。

(3)加強(qiáng)高速鐵路沿線安全巡視和檢查。

6 結(jié)語

隨著我國高速鐵路運(yùn)營里程的不斷增長，列車鳥擊的危害隨著列車速度的提高而急劇增加，對列車鳥擊進(jìn)行深入研究和防范是必需的也是緊迫的。從現(xiàn)狀看，我國尚未系統(tǒng)開展此類研究，本文提出的觀點(diǎn)需在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證，對于已開通運(yùn)營或待建、在建的高速鐵路，建議相關(guān)部門應(yīng)積極介入、綜合防治，制定防范鳥擊相關(guān)規(guī)定并及時(shí)采取有效措施，消除高速鐵路列車鳥擊安全隱患，為我國高速鐵路的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造必要條件。

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