包頭市日光溫室風災預警指標研究

呂晶潔

摘要 風災是對日光溫室生產影響較大的主要氣象災害之一。風荷載作為溫室主要結構設計荷載，直接影響溫室結構的安全性和經濟性。文章利用包頭市4個國家站1981—2015年的10 min平均最大風速資料，根據包頭本地日光溫室的特點，計算了包頭市各旗縣和市區不同重現期的風速極值和溫室風荷載，得出包頭市各地風壓和風速的臨界指標，并以此為依據制定了包頭市日光溫室大風災害預警指標。

關鍵詞 日光溫室;大風災害;風荷載;風災預警指標

中圖分類號：S625 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2020）07–0–03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.021

Study on Early Warning Index of Wind Disaster in Baotou Solar Greenhouse

LV Jing-jie （Inner Mongolia Baotou Meteorological Bureau Baotou， Baotou， Inner Mongolia 014030）

Abstract Wind disaster is one of the major meteorological disasters that have a great impact on solar greenhouse production.As the main structural design load of greenhouse，wind load directly affects the safety and economy of greenhouse structure.Based on the 10-minute average maximum wind speed data from 1981 to 2015 from four national stations in Baotou and the characteristics of local solar greenhouse in Baotou，this paper calculates the extreme wind speed values and greenhouse wind load in different reoccurrence periods in each county and urban area of Baotou，and obtains the critical indexes of wind pressure and wind speed in all parts of Baotou. Based on this，the early warning index of wind disaster in baotou solar greenhouse was developed.

Key words Solar greenhouse; Disaster of high winds; Wind load; Storm warning indicators

當前，包頭市正處在由傳統農業向高產、優質、高效、生態、安全的現代化農業加快轉變的關鍵時期。作為現代農業門類之一的設施農業，呈現出強勁的發展態勢。日光溫室產業作為設施農業產業中的主體，近年來已成為農業種植中效益最高的產業。為加快現代農業建設步伐，推進農業和農村經濟結構戰略性調整及新一輪“菜籃子”工程建設，確保農民持續穩定增收，包頭市通過實施“蔬菜標準化創建項目”等多項舉措，保障設施農業持續穩定發展，設施蔬菜播種面積占全市農業種植面積不到1%，卻創造了占全市農業總產值30%的產值。設施農業成為滿足社會民生的重要高效產業，為包頭市農業發展和農民增收提供了強大的助力。

受全球氣候變化影響，近50年我國氣候發生了顯著變化，極端天氣氣候事件與災害的發生頻率和強度明顯增大。設施農業雖然是利用工程技術和可控手段，創造出使作物在不受自然季節影響的最佳環境中生長發育的條件，實現集約、高效、可持續發展的農業生產方式，但仍然受到自然氣候資源的約束，而且不利的氣象條件仍對設施農業有巨大的影響[1-3]。在包頭市，大風災害作為影響設施農業生產安全的主要災害類型，造成的損失十分巨大。

日光溫室風害是指風力達到一定強度等級，對日光溫室設施造成破壞而形成的災害。主要表現為：溫室白天揭開草簾后遇大風天氣，易卷走草簾，棚膜遇風會出現上下摔打現象，時間長了刮飛、刮破棚膜;夜間遇到大風，容易把草簾吹得七零八落，屋面暴露，降低或破壞大棚的保溫性能，散熱量加快，室內溫度下降，棚中作物受強風、低溫危害嚴重，對作物安全生長影響極大。

風荷載作為溫室的主要活荷載，計算取值直接影響溫室結構的安全性和經濟性。許多學者在溫室風荷載方面進行了廣泛地研究。常規的研究手段有3種：現場實測法、計算流體力學法（CFD）和風洞試驗法[4]。溫室結構具有很強的地域性，同時受當地氣候條件的制約。目前，針對北方地區的日光溫室研究較少，特別是對內蒙古地區日光溫室的研究更少。依據國家標準“建筑結構荷載規范”和“溫室結構設計荷載”，充分考慮當地日光溫室的建筑結構質量，對包頭地區日光溫室結構的風荷載進行計算，根據日光溫室實際大風災情資料，確定日光溫室遭受風災時的致災指標，以期為日光溫室生產科學管理和防災減災提供科學依據[5]。

1 研究的溫室結構

由于目前溫室的種類繁多，在規模、種類、結構、材料、耐用年限等方面存在著很大差異，缺乏統一性。因此，在充分調研包頭市日光溫室建造結構、規模、使用年限的前提下，以包頭市使用最多的日光溫室為基礎，溫室東西走向，朝向正南，采用單斜面的建筑結構，其余三面是墻體，長42 m、寬8～11 m、坡度角為35°～40°標準的日光溫室為基礎。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

數據選取數據序列較為完整的市區、土默特右旗、固陽縣、達茂旗1981—2015年的年最大10 min平均風速。

2.2 數據處理

將4個站35年的年最大10 min平均風速按降序排列后作為樣本。

3 計算方法、結果及分析

3.1 風速極值

風速的統計樣本采用極值Ⅰ型概率分布，分布函數為：

F（x）=exp（-exp（-α·x-μ））（1）

式中：

F（x）——概率分布函數;

α——分布的尺度參數;

μ——分布位置參數，即其分布的眾值;

x——年最大風速（m/s）;

其中參數α、μ依據《建筑結構荷載規范》（GB 50009）計算。

重現期為R的最大風速XR按下式計算：

由于包頭地區溫室一般使用期限不超過30年左右的時間，因此，利用極值Ⅰ型分布函數分別計算出重現期為5年、10年、20年、30年的最大風速。結果發現：最大風速達茂旗明顯偏大，其余地區差異不明顯;當重現期不同時，最大風速值是不同的，而且差距很大，從30年到5年重現期，各站最大風速平均下降了4 m/s左右（表1）。

3.2 基本風壓

利用前面計算得到的最大風速極值，依據《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183）基本風壓ω0的計算公式如下：

式中：

υ0——30年一遇的最大風速極值（m/s）;

ρ——空氣密度，依據GB 50009計算;

γ——陣風系數，依據《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183）計算。

由于日常天氣預報使用陣風作為大風預警，因此這里加上了陣風系數，得到各區域10 m高度處不同重現期的基本風壓值。結果發現：包頭市基本風壓市區和達茂旗明顯偏大，從5年到30年重現期，不同站點的基本風壓的差異也變大，尤其是市區上升最多，固陽縣最少，僅上升了0.07 kN/m2（表2）。

3.3 溫室風荷載

依據《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183）溫室風荷載的計算公式如下：

式中：

ω0——基本風壓（kN/m2）;

μs——風荷載體型系數;

μZ——風壓高度變化系數;

βZ——為高度z處的風振系數，溫室高度低于30 m，因此取1.0;

由于包頭市日光溫室高度一般都在5 m以下，且都建造在地勢平坦，四周空曠的地方，符合規范中規定的B類地區，因此依據《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183）中的規定，風壓高度變化系數為0.81。日光溫室的風荷載體型系數與高度、寬度、風向、結構等有關。以包頭市使用最為廣泛的日光溫室為基礎，依據《農業溫室結構荷載規范》（GB/T 51183）中的規定，風荷載體型系數取0.6。得到各區域不同重現期溫室風荷載值（5 m處）。結果發現：與10 m高度的基本風壓相比，30年重現期由10 m高度的0.25 kN/m2以上降到0.25 kN/m2以下;20年重現期由10 m高度的0.22 kN/m2以上降到0.22 kN/m2以下;10年重現期由10 m高度的0.20 kN/m2以上降到0.20 kN/m2以下（表3）。

3.4 日光溫室掀棚風速、風壓臨界指標

有調研表明，包頭地區日光溫室的一般使用壽命在20年左右。因此，把20年重現期、5 m高度處風荷載作為日光溫室的臨界風壓，因日常天氣預報的是10 m高度處風速，這里進行風隨高度的換算：

式中：

υ10——10 m高度風速;

υ10——5 m高度風速;

——地面粗糙指數，依據GB 50009計算。

確定溫室臨界風壓和風速指標（表4）。

4 日光溫室大風災害預警

4.1 預警指標

表4給出了包頭市各地日光溫室大風掀棚臨界指標，其中風速用的是10 min平均最大風速。由于包頭市的日光溫室大部分位于大青山以南地區，綜合考慮臨界指標和溫室大風災害調查資料，制定了包頭市日光溫室預警指標。由于在日常氣象預報中使用的是蒲福風力，根據包頭市日光溫室分布情況和風力分級設定日光溫室風害預警指標（表5）。

4.2 指標驗證

2013年3月8日23∶00—3月10日08∶00，包頭市山北地區最大風速達19.9～22.6 m/s，風力達8～9級，并伴有揚沙;山南地區最大風速達到19.6～24.1 m/s，風力達8～10級，并伴有浮塵。此次天氣過程導致東河區沙爾沁鄉、土右旗的薩拉齊鎮、溝門鎮、將軍堯鎮、九峰山生態管理委員會等多個鄉鎮的部分溫室、拱棚、養殖暖棚等設施遭受不同程度的損壞，棚內種植的黃瓜、西紅柿、生菜等農作物不同程度受凍。

2013年4月8日，包頭市山南地區最大風速達到15.7～19.4 m/s，風力達7～8級。根據氣象部門災情調查，由于受大風、降溫等天氣的直接影響，導致九原區哈業胡同鎮十多個溫室、大棚等設施遭受不同程度的損壞。

以上兩次大風災害都出現了日光溫室的損害，損壞程度用指標判定結果與實際一致。

5 結論

（1）研究采用極值Ⅰ型分布函數計算5年、10年、20年、30年一遇的10 min平均最大風速極值。當重現期不同時，最大風速值是不同的，而且差距很大。隨著重現期縮短，風速極值呈下降的趨勢，從30年重現期到5年重現期，大部地區風速極值平均下降了4 m/s左右。基本風壓的分布與風速極值的分布情況基本相同，包頭市基本風壓市區和達茂旗明顯偏大。從30年到5年重現期，不同站點的基本風壓的差異也變大，市區上升最多，固陽縣最少。由于包頭市日光溫室高度一般都在5 m以下，且都建造在地勢平坦，四周空曠的地方。以包頭市使用最為廣泛的日光溫室為基礎，計算5 m處溫室的風荷載值。經充分調研，包頭市日光溫室一般使用年限為20年左右，把5 m高度處20年重現期的風壓作為日光溫室的臨界風壓，并在指定風速臨界指標時將風速指標進行風隨高度的換算，以滿足實際業務需要。

（2）包頭市的氣候特點之一就是多大風，特別是春季，不僅大風日數多，而且風力大。從地理分布來看，大青山以南地區大風日數比山北平均少25～66 d。但從日光溫室受到大風災害損失的情況看，山南由于設施農業產業發展迅速，日光溫室建設數量多、規模大，因災受損情況更為嚴重。因此，預警指標制定時更多地考慮了山南的風壓、風速臨界指標。包頭市大青山南部地區光熱資源豐富，冬季溫度較高，有效生長積溫多，更適合日光溫室發展。從風荷載計算值看，山南地區臨界風速、風壓較小，有利于日光溫室發展。

（3）日光溫室生產中大風災害經常還伴隨降溫凍害等復合災害，文章僅從溫室結構方面對風荷載和臨界風壓、風速做了分析，對其他災害影響還需要進一步深入研究。另外，文章只基于包頭市常見的日光溫室結構類型開展了研究，未對其他參數的日光溫室進行分析，具有一定的局限性。由日光溫室氣象災害調查結果可知，包頭市日光溫室大風災害的發生并不頻繁，但風災對溫室結構的破壞性極大，一旦發生，對溫室生產造成的經濟損失很大，因此，要極為重視日光溫室大風災害的預警預報工作。

參考文獻

[1] 張淑杰，孫立德，馬成芝，等.東北日光溫室最大風荷載特征及風災預警指標研究[J].資源科學，2015，37（1）：211–218.

[2] 張延年，王元清，張勇，等.Gumbel分布的基本風壓計算與分析[J].土木建筑與環境工程，2012，34（2）：27–31.

[3] 王曉光.氣象要素重現期的計算方法與比較[J].內蒙古氣象，2015，22（5）：29–32.

[4] 楊再強，張婷華，黃海靜，等.北方地區日光溫室氣象災害風險評價[J].中國農業氣象，2013（3）：342–349.

[5] 烏蘭，黨志成.農牧業氣象服務與管理[M].北京：氣象出版社，2018.

責任編輯：黃艷飛