河北省設施農業的抗風能力及大風災害風險預警

陳笑娟， 陳小雷*， 李 婷， 俞海洋， 孫玉龍， 李 丹

(1.河北省氣象災害防御中心， 河北 石家莊 050021； 2.武安市氣象局， 河北 邯鄲 056300)

河北省是我國設施農業生產及產品供應大省[1]，其設施蔬菜已成為農業中最具競爭力的優勢產業，種植面積超過66.7萬hm2。設施農業生產對于天氣條件的依賴程度較高，受災害性天氣影響較大[2-6]，大風是影響河北省設施農業主要的氣象災害，具有發生頻率高和經濟損失重的特點[5-7]。2013年8月4—5日，遷西縣的風災造成137個大棚損毀，直接經濟損失達3 816.4萬元；2012年3月23日，8級大風致衡水市留仲村10個鋼架大棚及540個小拱棚損毀，直接經濟損失達84萬元。因此，開展設施農業抗風能力研究對提前防范、規避風險和減少損失具有實際意義。

目前，針對設施農業的小氣候試驗及建造結構研究較多[8-10]，在大風災害方面，李楠等[11]通過風洞試驗，得到各區域日光溫室發生風災的臨界風速，并由此計算得到不同地區不同等級風災發生的風險概率。黃川容等[12]結合溫室災情數據資料，計算出不同風力對北京溫室可造成災害的概率，并確定了日光溫室風災等級劃分的量化標準。已有的研究多集中于日光溫室，而對其他類型農業設施的研究較少，尤其是河北省的設施農業抗風能力研究還處于空白。鑒于此，通過實地調查河北省設施農業狀況，結合當地風力觀測資料和風險決策ALARP準則，構建設施農業風災災損曲線，確定設施農業抗風等級及大風災害風險預警等級，以期為風災風險預警服務及風災防御措施的制定提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究資料包括1983—2015年的風觀測數據和氣象災情數據，其中，風觀測數據從河北省氣象局的142個地面氣象觀測站獲??；大風災情資料，從河北省氣象局獲??；2015年河北省不同類型設施蔬菜種植面積，從河北省農業廳獲取。設施農業及受災資料，從實地調查走訪河北省34個縣(市)的69個村獲取。

1.2 研究方法

1.2.1 不同類型設施農業分類 按照河北省蔬菜設施類型的地方標準(DB13/T 951—2008)[13]規定，結合實地調查及相關研究[9]，將河北省設施農業類型分為日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4種(表1)，對設施蔬菜生產、遭受風災等情況發放調查問卷462份，得到樣本數據370個，其中，日光溫室94個、大拱棚120個、中拱棚79個和小拱棚77個。利用ArcGIS繪制河北省不同類型設施蔬菜面積分布圖。

表1 河北省設施農業分類及描述

1.2.2 大風災損曲線的構建 災損曲線能夠較為準確地描述承災體遭受災害損失程度的變化規律，基于實際災情數據，利用致災因子與大風災害損失一一對應關系構建災損曲線是最常用的方法[14-17]。引入不同風速下設施農業的風災損失率(R)。以河北實地調查數據為基礎，以致災因子強度為x軸，以棚室損失率為y軸，通過線性、指數、對數和冪函數等對曲線進行回歸擬合，建立“大風風速-設施農業損失率”對應關系，即構建設施農業風災災損曲線，對結果進行擬合優度檢驗，相關系數(r2)越接近于1擬合度越好。

式中，R為不同風速下的棚室損失率(%)，L為風災造成的直接經濟損失(萬元)，E為承災體(設施農業)的重置費用(萬元)。

1.2.3 風險等級、抗風能力與風險預警等級劃分 根據風險決策ALARP(As Low As Reasonably Practicable，最低合理可行)準則[18-19]，將風險劃分為不可容忍區、可接受區(ALARP區)和可忽略區(圖1)，即拒絕不可容忍的風險，接受可忽略的風險，對于可容忍的風險，在采取安全性與經濟性相統一的具體安全管理或安全技術措施的基礎上，允許風險存在[20-21]。根據不同類型設施農業的抗風能力等級結合大風天氣實況及預報結果，計算并劃分設施農業大風災害風險預警等級。

圖1 風險決策 ALARP準則

2 結果與分析

2.1 不同類型設施農業種植分布

從圖2看出，日光溫室主要分布在河北省東北部地區和中部平原地區，種植面積24萬hm2，其中，日光溫室面積≥0.67萬hm2的有唐山市樂亭縣、玉田縣和灤南縣，邯鄲市永年縣，衡水市饒陽縣，廊坊市的永清縣和固安縣，樂亭縣和永年縣接近1.07萬hm2。大拱棚主要分布在中部至北部地區，種植面積18.67萬hm2，其中，面積≥0.67萬hm2的有滄州市青縣和肅寧縣，衡水市饒陽縣，唐山市樂亭縣，石家莊市藁城區和廊坊市永清縣，青縣最多，達1.8萬hm2。中小棚主要分布在東南部地區，種植面積25.27萬hm2，其中，面積≥0.67萬hm2的有永年縣、定州市、固安縣、唐山市豐南區和樂亭縣，永年縣最多，達2.4萬hm2。

圖2 河北省不同類型設施農業種植面積的分布

2.2 設施農業風災災損曲線

由圖3看出，在一定風速范圍內，不同類型設施農業災損損失率均隨著風速增大而增加，直至損失率接近100%。其中，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光溫室開始出現損失的風速，即臨界風速值依次為6 m/s、8 m/s、12 m/s和18 m/s，其風災災損曲線分別為y小拱棚=-0.09x2+8.46x-51.63(R2=0.96)，y中拱棚=-0.13x2+10.13x-86.06(R2=0.98)，y大拱棚=0.04x2+1.82x-29.80(R2=0.99)，y日光溫室=0.01x2+4.19x-88.57(R2=0.96)。

圖3 不同類型設施農業的風災災損曲線

2.3 風險等級、抗風等級及風險預警等級劃分

根據風險決策ALARP準則，在設計設施農業抗風等級調查表時考慮了以下3種情況：一是有可忽略的風險，即在此條件下設施農業棚室整體結構基本沒有影響，但對棚膜略有影響；二是在可忽略線與不可容忍線之間，即在此條件下設施農業棚室的棚膜影響較嚴重，對骨架有較大影響；三是不可容忍風險，即在此條件下可嚴重損毀設施農業棚膜和骨架甚至倒塌等。對于以上3種條件，分別與棚室損失率形成列聯表，由經驗豐富的菜農按0/1打分，當大多數的菜農認為某類棚室損失率對應某種風險等級，則確認該條件對應的風險等級成立。

根據調查結果將設施農業大風災害風險等級劃分為低、中和高3個等級。從表2看出，不同類型設施農業在不同風險等級下的損失率、臨界風速值及抗風能力均不同，同一類型設施農業風災損失率均隨著風速增大而增加，同一風險等級，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光溫室的抗風能力依次增強。如，當風速低于17.0 m/s時日光溫室的損失率不足1%，而當風速接近8.0 m/s時小拱棚的損失率已接近20%。按照國家標準風力等級(GB/T 28591—2012)[22]規定將風速轉化為風力等級，并取對棚室影響較小的低風險的最大值作為其抗風等級，從而得到不同類型設施農業大風災害風險等級及抗風等級，即日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗風等級分別為抗8級、抗7級、抗6級和抗5級風。

根據不同類型設施農業抗風能力等級，將大風災害風險預警等級由強至弱依次分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級4個等級，分級標準依次為風力8～9級、7～8級、6～7級和5～6級，各級含義和物理意義見表3。實際工作中進行風險預警服務時，應結合大風天氣實況及預報結果，利用風險預警分級標準，計算并劃分研究區內設施農業大風災害的風險預警等級。

表2不同風險等級各設施農業的損失率、臨界風速、風力及抗風等級

Table 2 Loss ratio, critical wind speed，wind grade and wind resistant level of different facility agriculture types with different risk grades

設施類型Facility type低風險 Low risk損失率/%風速/(m/s)風力/級中風險 Medium risk損失率/%風速/(m/s)風力/級高風險 High risk損失率/%風速/(m/s)風力/級抗風等級Wind resistant grade日光溫室 Solar greenhouse<1<17.0<81～3017.0～24.08～9>30>24.0>98級大拱棚 Large arch shed<5<14.0<75～3114.0～21.07～8>31>21.0>87級中拱棚 Medium arch shed<16<11.0<616～3611.0～17.06～7>36>17.0>76級小拱棚 Small arch shed<20<8.0<520～378.0～14.05～6>37>14.0>65級

表3 設施農業大風災害風險預警等級

2.4 設施農業風險預警的生產應用

根據2018年4月2日11：00河北省氣象臺發布大風藍色預警信號(預計4月2日夜間，保定、廊坊及以南地區有北到東北風5～6級，陣風7級，其他地區有偏北風4～6級，沿岸海域及沿海地區有東北風6～7級，陣風8～9級)，結合上述大風災害風險預警等級，繪制出設施農業大風災害風險區域(圖4)?？梢灶A計4月2日20：00至4月4日8：00，全省的設施農業大風災害風險等級均在Ⅳ級以上，其中北部的張家口和承德地區大風可能造成小棚棚膜破裂；中南部地區農業設施大風災害風險等級在Ⅲ級以上，大風可能造成小棚棚膜破裂、棚架折斷，中棚棚膜破裂；沿海地區和太行山山前平原地區的農業設施大風災害風險等級為Ⅱ級，大風可能造成中棚棚膜破裂、棚架折斷，大棚棚膜破裂。

2015—2018年河北省氣象災害風險等級產品在生產應用上共發布大風災害風險預警信息100余期。產品已上傳至河北省信息共享平臺、微信平臺。當預報未來24 h農業設施大風災害氣象風險等級將達到Ⅱ級及以上時，通過短信和NOTES發送至省級決策服務部門及相關業務單位，并在電視天氣預報節目中發布。

注：預報時間為2018年4月2日20：00至4月4日8：00

Note: The forecast date was from at 20:00, April 2 to at 8:00, April 4, 2018.

圖 4河北省設施農業的大風災害風險區域及預警等級

Fig.4 Early warning grade of gale disaster risk of different facility agriculture type in Hebei

3 結論與討論

通過實地調查河北省設施農業狀況，結合當地風力觀測資料和風險決策ALARP準則，構建設施農業大風災害災損曲線，確定設施農業抗風等級及大風災害風險預警等級，并在風險管理業務中得到實際應用。

1) 河北省設施農業主要分為日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4種類型，其損失率均隨風速的增大而增大，臨界風速值分別為18 m/s、12 m/s、8 m/s和6 m/s。

2) 設施農業大風災害劃分為低、中和高風險3個等級，日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗風等級分別為抗8級、7級、6級和5級風，確定設施農業大風災害氣象風險預警等級分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個等級。

3) 該研究構建的大風風速-設施農業損失率災損曲線，能夠建立致災因子強度與承災體損失的映射關系，為開展設施農業大風災害風險定量評估奠定了重要基礎。構建曲線考慮的是不同類型設施農業棚室的重置費用，由于河北省各種類型設施農業結構和跨度差異較大，因此，在計算每種設施農業棚室的造價時，取較普遍的幾種種植類型的平均值與實際生產可能存在一定誤差，今后有必要結合更多類型的棚室進行深入研究，進一步細化設施類型。