海南溫室大棚結構設計基本風壓取值的研究

龔偉，劉建，楊小鋒，龐真真

【摘要】臺風在給海南島帶來降溫、降雨，緩解夏日氣候炎熱的同時，也帶來了暴風、海浪及暴雨等自然災害，給海南島的設施農業造成巨大經濟損失。因此對臺風登陸海南島規律的研究，不僅可以幫助了解臺風對海南島影響的分布情況，還可以為島內各地區的溫室大棚設計提供一個合理的設計依據，減少臺風對海南島設施農業造成的損害。文章對1966～2015年50年間登陸海南島的97場臺風路徑進行統計，重點分析了登陸臺風的風力等級、登陸路徑和登陸頻次；制作出了登陸路徑圖，風力分布圖等圖表；并根據海南設施農業不同的設計使用年限要求，將臺風的風力大小進行了分類，得出不同分類等級（8級及以上、10級及以上、12級及以上）條件下島內各地區的風壓分布圖，并結合設計經驗總結出了島內各地區溫室大棚結構設計的基本風壓取值。

引言

海南省地處中國南部，擁有廣闊的海洋及諸多島嶼。海南島為海南省最大的島嶼，受熱帶亞熱帶季風氣候的影響，臺風多發。島內平均海拔僅為120 m，沿海地區海拔高度更低，臺風所帶來的颶風、暴雨、巨浪等給海南省造成了巨大的經濟損失。

2011年9月29日14：30，第17號強臺風“納沙”登陸海南文昌，據海南省18個市（縣）民政部門統計，截至10月8日18：00，強臺風“納沙”造成海南全省受災人口347.84萬人，因災死亡1人，緊急轉移人口35.96萬人（其中受災人口轉移25.93萬人，緊急避險轉移人口10.03萬人），因災直接經濟損失67.64億元；強熱帶風暴“尼格”造成海南省104.17萬人受災，緊急轉移人口92116人（其中受災人口轉移64886人，緊急避險轉移人口27630人），因災直接經濟損失4.77億元[1]；2014年7月18日15：00，第9號超強臺風“威馬遜”登陸海南文昌，海南省政府發布，截至7月20日，海南省有18個市縣216個鄉鎮（街道）受災，受災人口325.8萬人，受災農作物面積162.97 khm2，倒塌房屋23163間，直接經濟損失108.28億元，其中農林牧漁業損失44.6億元、工業交通運輸業損失8.7億元、水利設施損失

3.69億元[2]。由此可見，一旦臺風登陸海南島，往往會造成巨大的經濟損失。

設施農業在海南發展較為迅速。在2014年?？谑形匍_的十二屆二次全市經濟工作會議中，擬將?？谛缕隆⒛橇ρ蟮鹊卮蛟鞛槭卟嘶?，新建設成為333.5 hm2高標準蔬菜大棚[3]；2016年海南全省蔬菜收獲面積397.57萬畝（26.5萬hm2），增長0.4%；蔬菜產量達571.88萬t[4]。因此，設施農業在海南具有廣闊的發展前景。

海南設施農業在大力發展的同時，臺風的侵襲危害也不容忽視。受2010年7月16日登陸海南三亞亞龍灣的第2號臺風“康森”影響，三亞中檔鋼架大棚有23220 m2骨架受損，其中，11808 m2出現了棚體傾斜，11412 m2出現了棚體倒塌現象。簡易蔭棚約有10000 m2出現了整體倒塌。低檔鋼架大棚有3330 m2出現了棚體倒塌，簡易鋼架棚有20010 m2 出現倒塌[5]；受2016年10月18日登陸海南萬寧的第21號臺風“莎莉嘉”影響，海南常年冬季瓜菜受災面積達14.2萬畝（9466.7 hm2），2300萬株冬季育苗瓜菜受到影響，大棚及棚內瓜菜估損8140.8萬元；海口市云龍鎮農業生產設備設施遭到破壞，其中農業大棚基地235畝（15.7 hm2）全部不同程度受災；萬寧市的農業生產造成嚴重影響，經濟損失合計2757萬元，其中常年蔬菜受災8050畝（536.7 hm2）、溫室大棚損毀32.24 畝（2.15 hm2）[6]。

在對海南島臺風研究方面，張凱榮等根據1957～2006年50年來海南島東部的臺風記錄進行了統計，并對其進行了其災害性評價，得出了登陸海南島東部的臺風年際和月際的明顯變化及登陸地點分布不均等規律，根據其災情指數的描述，顯示出海南臺風災害嚴重，93.3%的臺風造成重災[7]。

研究方法與數據來源

數據來源

臺風路徑資料來自于中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的1949～2015年熱帶氣旋最佳路徑數據。該文選取了1966～2015年50年間的臺風路徑數據，從西太平洋地區所產生的1675次熱帶氣旋資料中整理了登陸海南島的97次熱帶氣旋數據，并對其路徑、登陸時風速進行了統計，并把統計結果與中國天氣-臺風網、中央氣象臺臺風網上的臺風路徑進行了校對檢查。

研究方法

臺風發生過程伴隨著強風，通過測定臺風風力，可以判斷臺風等級。根據中國的《熱帶氣旋等級標準》（GB/T19201-2006），按近中心最大風力（速）劃分為6個等級：熱帶低壓（10.8～17.1 m/s），

熱帶風暴（17.2～24.4 m/s），強熱帶風暴（24.5～

32.6 m/s），臺風（32.7～41.4 m/s），強臺風（41.5～

50.9 m/s）和超強臺風（≥51.0 m/s）[8]。

根據熱帶氣旋強度等級劃分標準，將登陸海南島的臺風劃分為8級及以上、10級及以上、12級及以上、14級及以上4個分析段，通過作圖，對不同臺風等級分別進行風力圖表及臺風登陸路徑分析，得出海南省各地所受臺風風力的影響程度，并計算出各地風壓取值。

熱帶氣旋登陸海南島頻率分析

登陸海南島臺風全路徑

1966～2015年間登陸海南島的熱帶氣旋達97次，年平均1.94次。其中風力達到8級及以上的達67次，占比69.1%，風力達10級及以上的達53次，占比54.6%，風力達12級及以上的達25次，占比25.8%，風力達14級及以上的達6次，占比0.062%。

1966～2015年50年登陸海南島熱帶氣旋總覽

通過對50年來所有熱帶氣旋等級以上臺風資料的登陸次數和登錄月份進行分析（圖1），可以明顯看出，1966～2015年海南島臺的多發月份為7～9月，這3個月平均登陸次數多達20次，其次是10～11月份和6月份。

通過近50年登陸海南島的臺風統計，海南島設施農業適宜的種植期為12月初～次年的5月，在此期間，臺風發生不頻繁，4月及5月雖有臺風發生，但強度不高，對農業生產造成的影響有限；在6～11月期間，為發臺風較多的時期，在此期間應做好臺風的防范工作，避免臺風的突然來襲，給設施農業帶來巨大的經濟損失。

登陸海南島臺風路徑研究

1966～2015年50年各等級臺風登陸海南島路徑

強熱帶風暴

強熱帶風暴中心附近最大風力達到10～11級（24.5～32.6 m/s），此時樹木能夠被吹斷，對農業也會造成較大的影響。從50年來強熱帶風暴路徑（圖2）來看，風力在24.5 m/s以上的熱帶氣旋幾乎橫掃過整個海南島，覆蓋范圍之廣，對各個地區都有一定的影響。

臺風

臺風中心附近最大風力達到12～13級（32.7～41.4 m/s），登陸后可能摧毀莊稼、各種建筑設施等，造成人民生命、財產的巨大損失。

從近50年來臺風的路徑（圖3）來看，風力在32.7 m/s以上時，登陸海南島的臺風大都集中在海南島的東北部及南部，海南島中部地區的儋州、臨高、澄邁、屯昌和定安地區因近50年來達到此等級的臺風只有兩次，所受影響較少。

強臺風

強臺風中心附近最大風力達到14～15級（41.5～50.9 m/s）、中心附近最大風力達到16級（51.0 m/s）及以上時稱為超強臺風。因其發生頻次較少，在50年間總共發生了6次，年均0.12次，分別為1970年的15級強臺風Joan、1973年的15級強臺風Marge、1981年的14級強臺風Kelly、2005年的14級強臺風Damrey、2014年的14級強臺風Kalmaegi和2014年的17級超強臺風Rammasun，這里統一進行統計。這兩類臺風所產生的后果具有極強的災難性甚至是毀滅性。雖然登陸海南島的此類臺風僅發生過6次，但其每次所產生的影響可以達到半個甚至是整個海南島，從路徑圖（圖4）上來看，主要在海南島的東（北）部及南部登陸。

1996～2015年20年登陸海南島臺風路徑

因溫室使用年限很少有超過50年的，5年及10年的重現期因數據過少從而不具有代表性，海南島的生產型溫室又以塑料大棚、溫室為主，所以單獨選取了1996～2015年20年間登陸海南島的臺風路徑進行了統計分析。

近20年，登陸海南島熱帶氣旋中心附近最大風力等級在10級或10級以上的臺風也遍布整個海南島（圖5），影響范圍較為廣闊。其中臨高及澄邁、定安地區雖有臺風路過，但路經次數相對較少。

當風力等級在12級或12級以上時，臺風的登陸數量及登陸路徑分布（圖6）呈現出明顯的規律性，即登陸數量明顯減少（9次）、路徑集中在海南島的東北部及南部；島中部的澄邁、臨高、儋州、白沙、屯昌和定安地區沒有臺風中心經過。

當風力等級在14級或以上時，臺風登陸數量少，20年中僅有3次登陸海南島，登陸路徑沿著海南島的東北部和中部地區（圖7）。但從對海南島帶來的災害來看，影響非常的嚴重，尤其是文昌，有2次臺風都給給文昌地區帶來了災難性的后果，嚴重影響設施農業的發展。

對臺風路經區域統計分析

通過對臺風路經地區風力等級進行統計、作圖，可以得出臺風登陸海南島過程中經過的市縣，對路徑中各市縣的風速進行記錄、歸類，可以直觀地判斷臺風路徑所經過各地的風力大小及頻次（圖8），其中風力大小為登陸時風力的大小，未考慮登陸后風力降低的情況，因此該圖僅能反應臺風登陸后的途經海南各地的頻次規律。

由圖8可以看出，當臺風等級為≥10級時，各地臺風路經的頻次都較高，其中以文昌、萬寧、三亞、瓊中、樂東、東方等沿海地區的頻次較高，但當將臺風等級提升為≥12級時，各地區的途經頻次呈現明顯差距。

臺風登陸海南島后風速變化

根據對臺風登陸路徑各點風速的統計，可以了解到大部分臺風登陸海南島后其風速開始下降，對此本文將臺風登陸后的路徑點及各點的風速做了簡化處理，并應用插值法進行插值，制作出臺風登陸后風力大小分區域的分布圖。

（1）1966～2015年以來登陸海南島所有臺風登陸后風力大小分區域的分布圖（圖9）。可以看出，登陸海南島的臺風風力大都在12級以下，風力值較高的地區分布在文昌及樂東地區。但由于插值法在統計學上面有一定的缺陷，即對少數存在的極值點無法進行準確的顯示，登陸海南島的臺風時常出現，所以本文按風力達到8級、10級、12級等不同等級以上的風力數據單獨列出，并繪制了不同等級下風力值區域分布圖。

（2）1966～2015年以來登陸海南島臺風等級達到8級以上的臺風登陸后風力大小分區域的分布圖（圖10）。可以看出，在風力值達到8級（17.2 m/s）后，文昌、海口、定安、瓊海北部、三亞東部、陵水東部、萬寧東部及樂東等東部沿海一帶受到臺風的影響更為明顯。

（3）1966～2015年以來登陸海南島臺風等級達到10級以上的臺風登陸后風力大小分區域的分布圖（圖11）。在風力值達到10級（24.5 m/s）時，海南島東北部地區及瓊海北部地區所受到臺風的影響更為劇烈，而海南島中西部地區，即儋州、臨高及澄邁地區則呈現出風力值偏低的現象。

（4）1966～2015年以來登陸海南島臺風等級達到12級以上的臺風登陸后風力大小分區域的分布圖（圖12）?？梢钥闯?，登陸臺風等級達到12級（32.7 m/s）時，臺風的風力分布呈現東北部，中部和南部三個區域，文昌及瓊海地區所受到的強臺風影響較為嚴重。

海南地區設施農業基本風壓的確定

基本風壓確定

基本風壓計算公式

W0 =I2 V2/1600

式中，W0 ——基本風壓；I——結構重要性系數；V——基本設計風速，m/s。

運用基本風壓計算公式，對登陸海南島臺風基本風力值進行計算，其中結構重要性系數I暫按1.0取值，得到基本風壓值，再對其進行插值，制作出登陸海南島臺風基本風壓圖。根據基本風壓圖能夠在確定海南島各地溫室大棚結構設計風壓取值起到一定的參考作用。

1966～2015年全部臺風基本風壓分布情況

圖13為由1966～2015年間全部臺風計算插值得到的基本風壓圖。當風力等級小于8級時對海南的設施農業的參考意義不大。全部登陸臺風中有較大部分的風壓是小于8級的，導致平均后使得某些區域的平均風壓值較小，如圖中的瓊海地區。為了更加準確的反應對設施農業有明顯影響的8級以上臺風在海南島的基本風壓分布情況。需要進一步對8級以上、10級以上、12級以上的臺風進行插值計算，分別得到其基本風壓分布圖。

1966～2015年間臺風風力大于8級基本風壓分布情況

圖14是8級（17.2 m/s）以上臺風為插值計算后得到的基本風壓分布圖。如前所述，8級以上臺風登陸路徑遍布海南島。因此設計使用年限在3年以下的簡易大棚設施建議可采用此基本風壓分布圖。

1966～2015年間臺風風力大于10級基本風壓分布情況

圖15是10級（24.5 m/s）以上臺風插值計算后得到的基本風壓分布圖。根據統計50年來10級以上臺風發生的總次數為53次，平均到海南島的每個市縣，發生的頻次為4.04年/次。因此在設計使用年限8年以下的普通溫室大棚設施建議可采用此基本風壓分布圖。

1966～2015年間臺風風力大于12級基本風壓分布情況

圖16是12級（32.7 m/s）以上臺風插值計算后得到的基本風壓分布圖。根據統計50年來12級以上的臺風發生的總次數為25次，平均到每個市縣，發生的頻次為10.23年/次。因此在設計使用年限10年以上的高檔溫室、育苗溫室、常年（永久）蔬菜大棚設施建議可采用此基本風壓分布圖。

海南溫室大棚結構設計基本風壓取值建議

表1是根據前述分析（8級及以上基本風壓分布圖）得到海南島各市縣設施農業基本風壓的建議取值。表中重現期R=10的情況主要指用于西瓜、哈密瓜或其它短期使用的簡易大棚、網室，其使用周期一般5年以下；重現期R=15的情況主要指用于普通蔬菜、苗木等生產的一般性大棚、蔭棚等，其使用周期為一般為10年以下；重現期R=20的情況主要指育苗、觀光的溫室或保障性常年蔬菜大棚等，其使用周期為一般為10年以上（一般情況下，優先建議選用該值）。

由于表1取值均為登陸臺風的中心風力（即過境時的最大風力），因此在使用時候建議參考《農業溫室結構荷載規范》GB/T51183-2016的相關規定，進行荷載組合時，風荷載的分項系數取1，結構重要性系數可取0.9或0.95。

總結建議

（1）《農業溫室結構荷載規范》GB/T51183-2016中根據農業溫室的特點給出了海南主要地區的10、15、20年一遇的風壓值，風荷載的組合分項系數為1。將規范中的風壓值與本文的分析結果比較，除三亞外，其它地區的風壓取值均較小。特別是儋州、瓊海20年一遇的取值分別為0.48、0.58 kN/m2，按照分項系數為1的情況考慮，與設計實踐差距較大，近年來在該地區按照接近該風壓值設計的溫室大棚發生損毀的情況時有發生。

（2）《建筑結構荷載規范》GB/T50009-2012中也給出了海南主要地區10、50、100年一遇的風壓值，其中風荷載的組合分項系數為1.4。結合分項系數和風壓值，本文的分析結果中“R=10”和“R=20”的風壓值與該規范中“10年一遇”和“50年一遇”的風壓值比較接近。如《建筑結構荷載規范》中海口地區50年一遇的風壓值為0.75 kN/m2，乘以分項系數1.4后為1.05 kN/m2，而本文R=20的風壓取值是1.10 kN/m2。

（3）《農業溫室結構荷載規范》《建筑結構荷載規范》均只給出了海南典型地區的風壓值，而對于島內大部分地區的風壓取值不明確，只能按就近原則近似取得。本文結果明確給出了各個市縣的取值參考，具有操作性；同時也針對海南本地的設施類型分別來確定不同的取值大小，具有實用性；本文根據近50年來登陸臺風分析得到的數據，其取值與現有的規范相近或略高，同時也根據本地區設計經驗修正，具有可靠性。

（4）風荷載是海南地區溫室大棚的主要荷載、也是起決定作用的關鍵荷載，其取值的科學性直接影響到設施農業的投資大小和生產成敗的關鍵。大量的經驗教訓顯示，一定要根據實際情況合理確定溫室大棚類型和對應的風荷載取值，不能有僥幸心理和麻痹大意，否則帶來的損失只會更大。

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項目支持：海南省自然科學基金項目資助（20153058、317049）。

作者簡介：龔偉（1990-），男，本科生，研究方向：設施農業科學與工程。

通信作者：劉建（1982-），男，四川綿陽人，副教授，研究方向：農業設施結構工程與規劃、設計。

[引用信息]龔偉，劉建，楊小鋒，等.海南溫室大棚結構設計基本風壓取值的研究[J].農業工程技術，2017，37（34）：44-51.