包頭市日光溫室風(fēng)災(zāi)預(yù)警指標(biāo)研究

呂晶潔

摘要 風(fēng)災(zāi)是對日光溫室生產(chǎn)影響較大的主要氣象災(zāi)害之一。風(fēng)荷載作為溫室主要結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載，直接影響溫室結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)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(fēng)速資料，根據(jù)包頭本地日光溫室的特點，計算了包頭市各旗縣和市區(qū)不同重現(xiàn)期的風(fēng)速極值和溫室風(fēng)荷載，得出包頭市各地風(fēng)壓和風(fēng)速的臨界指標(biāo)，并以此為依據(jù)制定了包頭市日光溫室大風(fēng)災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)。

關(guān)鍵詞 日光溫室;大風(fēng)災(zāi)害;風(fēng)荷載;風(fēng)災(zāi)預(yù)警指標(biāo)

中圖分類號：S625 文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)前，包頭市正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)加快轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)門類之一的設(shè)施農(nóng)業(yè)，呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展態(tài)勢。日光溫室產(chǎn)業(yè)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體，近年來已成為農(nóng)業(yè)種植中效益最高的產(chǎn)業(yè)。為加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)步伐，推進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整及新一輪“菜籃子”工程建設(shè)，確保農(nóng)民持續(xù)穩(wěn)定增收，包頭市通過實施“蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建項目”等多項舉措，保障設(shè)施農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，設(shè)施蔬菜播種面積占全市農(nóng)業(yè)種植面積不到1%，卻創(chuàng)造了占全市農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值30%的產(chǎn)值。設(shè)施農(nóng)業(yè)成為滿足社會民生的重要高效產(chǎn)業(yè)，為包頭市農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)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(fā)生了顯著變化，極端天氣氣候事件與災(zāi)害的發(fā)生頻率和強度明顯增大。設(shè)施農(nóng)業(yè)雖然是利用工程技術(shù)和可控手段，創(chuàng)造出使作物在不受自然季節(jié)影響的最佳環(huán)境中生長發(fā)育的條件，實現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(shè)施農(nóng)業(yè)有巨大的影響[1-3]。在包頭市，大風(fēng)災(zāi)害作為影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的主要災(zāi)害類型，造成的損失十分巨大。

日光溫室風(fēng)害是指風(fēng)力達(dá)到一定強度等級，對日光溫室設(shè)施造成破壞而形成的災(zāi)害。主要表現(xiàn)為：溫室白天揭開草簾后遇大風(fēng)天氣，易卷走草簾，棚膜遇風(fēng)會出現(xiàn)上下摔打現(xiàn)象，時間長了刮飛、刮破棚膜;夜間遇到大風(fēng)，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(nèi)溫度下降，棚中作物受強風(fēng)、低溫危害嚴(yán)重，對作物安全生長影響極大。

風(fēng)荷載作為溫室的主要活荷載，計算取值直接影響溫室結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。許多學(xué)者在溫室風(fēng)荷載方面進(jìn)行了廣泛地研究。常規(guī)的研究手段有3種：現(xiàn)場實測法、計算流體力學(xué)法（CFD）和風(fēng)洞試驗法[4]。溫室結(jié)構(gòu)具有很強的地域性，同時受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的制約。目前，針對北方地區(qū)的日光溫室研究較少，特別是對內(nèi)蒙古地區(qū)日光溫室的研究更少。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范”和“溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載”，充分考慮當(dāng)?shù)厝展鉁厥业慕ㄖY(jié)構(gòu)質(zhì)量，對包頭地區(qū)日光溫室結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行計算，根據(jù)日光溫室實際大風(fēng)災(zāi)情資料，確定日光溫室遭受風(fēng)災(zāi)時的致災(zāi)指標(biāo)，以期為日光溫室生產(chǎn)科學(xué)管理和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)[5]。

1 研究的溫室結(jié)構(gòu)

由于目前溫室的種類繁多，在規(guī)模、種類、結(jié)構(gòu)、材料、耐用年限等方面存在著很大差異，缺乏統(tǒng)一性。因此，在充分調(diào)研包頭市日光溫室建造結(jié)構(gòu)、規(guī)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(chǔ)，溫室東西走向，朝向正南，采用單斜面的建筑結(jié)構(gòu)，其余三面是墻體，長42 m、寬8～11 m、坡度角為35°～40°標(biāo)準(zhǔn)的日光溫室為基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)選取數(shù)據(jù)序列較為完整的市區(qū)、土默特右旗、固陽縣、達(dá)茂旗1981—2015年的年最大10 min平均風(fēng)速。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將4個站35年的年最大10 min平均風(fēng)速按降序排列后作為樣本。

3 計算方法、結(jié)果及分析

3.1 風(fēng)速極值

風(fēng)速的統(tǒng)計樣本采用極值Ⅰ型概率分布，分布函數(shù)為：

F（x）=exp（-exp（-α·x-μ））（1）

式中：

F（x）——概率分布函數(shù);

α——分布的尺度參數(shù);

μ——分布位置參數(shù)，即其分布的眾值;

x——年最大風(fēng)速（m/s）;

其中參數(shù)α、μ依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）計算。

重現(xiàn)期為R的最大風(fēng)速XR按下式計算：

由于包頭地區(qū)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(shù)分別計算出重現(xiàn)期為5年、10年、20年、30年的最大風(fēng)速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：最大風(fēng)速達(dá)茂旗明顯偏大，其余地區(qū)差異不明顯;當(dāng)重現(xiàn)期不同時，最大風(fēng)速值是不同的，而且差距很大，從30年到5年重現(xiàn)期，各站最大風(fēng)速平均下降了4 m/s左右（表1）。

3.2 基本風(fēng)壓

利用前面計算得到的最大風(fēng)速極值，依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183）基本風(fēng)壓ω0的計算公式如下：

式中：

υ0——30年一遇的最大風(fēng)速極值（m/s）;

ρ——空氣密度，依據(jù)GB 50009計算;

γ——陣風(fēng)系數(shù)，依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183）計算。

由于日常天氣預(yù)報使用陣風(fēng)作為大風(fēng)預(yù)警，因此這里加上了陣風(fēng)系數(shù)，得到各區(qū)域10 m高度處不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：包頭市基本風(fēng)壓市區(qū)和達(dá)茂旗明顯偏大，從5年到30年重現(xiàn)期，不同站點的基本風(fēng)壓的差異也變大，尤其是市區(qū)上升最多，固陽縣最少，僅上升了0.07 kN/m2（表2）。

3.3 溫室風(fēng)荷載

依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183）溫室風(fēng)荷載的計算公式如下：

式中：

ω0——基本風(fēng)壓（kN/m2）;

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù);

μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

βZ——為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，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(guī)范中規(guī)定的B類地區(qū)，因此依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183）中的規(guī)定，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為0.81。日光溫室的風(fēng)荷載體型系數(shù)與高度、寬度、風(fēng)向、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。以包頭市使用最為廣泛的日光溫室為基礎(chǔ)，依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/T 51183）中的規(guī)定，風(fēng)荷載體型系數(shù)取0.6。得到各區(qū)域不同重現(xiàn)期溫室風(fēng)荷載值（5 m處）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與10 m高度的基本風(fēng)壓相比，30年重現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fēng)速、風(fēng)壓臨界指標(biāo)

有調(diào)研表明，包頭地區(qū)日光溫室的一般使用壽命在20年左右。因此，把20年重現(xiàn)期、5 m高度處風(fēng)荷載作為日光溫室的臨界風(fēng)壓，因日常天氣預(yù)報的是10 m高度處風(fēng)速，這里進(jìn)行風(fēng)隨高度的換算：

式中：

υ10——10 m高度風(fēng)速;

υ10——5 m高度風(fēng)速;

——地面粗糙指數(shù)，依據(jù)GB 50009計算。

確定溫室臨界風(fēng)壓和風(fēng)速指標(biāo)（表4）。

4 日光溫室大風(fēng)災(zāi)害預(yù)警

4.1 預(yù)警指標(biāo)

表4給出了包頭市各地日光溫室大風(fēng)掀棚臨界指標(biāo)，其中風(fēng)速用的是10 min平均最大風(fēng)速。由于包頭市的日光溫室大部分位于大青山以南地區(qū)，綜合考慮臨界指標(biāo)和溫室大風(fēng)災(zāi)害調(diào)查資料，制定了包頭市日光溫室預(yù)警指標(biāo)。由于在日常氣象預(yù)報中使用的是蒲福風(fēng)力，根據(jù)包頭市日光溫室分布情況和風(fēng)力分級設(shè)定日光溫室風(fēng)害預(yù)警指標(biāo)（表5）。

4.2 指標(biāo)驗證

2013年3月8日23∶00—3月10日08∶00，包頭市山北地區(qū)最大風(fēng)速達(dá)19.9～22.6 m/s，風(fēng)力達(dá)8～9級，并伴有揚沙;山南地區(qū)最大風(fēng)速達(dá)到19.6～24.1 m/s，風(fēng)力達(dá)8～10級，并伴有浮塵。此次天氣過程導(dǎo)致東河區(qū)沙爾沁鄉(xiāng)、土右旗的薩拉齊鎮(zhèn)、溝門鎮(zhèn)、將軍堯鎮(zhèn)、九峰山生態(tài)管理委員會等多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分溫室、拱棚、養(yǎng)殖暖棚等設(shè)施遭受不同程度的損壞，棚內(nèi)種植的黃瓜、西紅柿、生菜等農(nóng)作物不同程度受凍。

2013年4月8日，包頭市山南地區(qū)最大風(fēng)速達(dá)到15.7～19.4 m/s，風(fēng)力達(dá)7～8級。根據(jù)氣象部門災(zāi)情調(diào)查，由于受大風(fēng)、降溫等天氣的直接影響，導(dǎo)致九原區(qū)哈業(yè)胡同鎮(zhèn)十多個溫室、大棚等設(shè)施遭受不同程度的損壞。

以上兩次大風(fēng)災(zāi)害都出現(xiàn)了日光溫室的損害，損壞程度用指標(biāo)判定結(jié)果與實際一致。

5 結(jié)論

（1）研究采用極值Ⅰ型分布函數(shù)計算5年、10年、20年、30年一遇的10 min平均最大風(fēng)速極值。當(dāng)重現(xiàn)期不同時，最大風(fēng)速值是不同的，而且差距很大。隨著重現(xiàn)期縮短，風(fēng)速極值呈下降的趨勢，從30年重現(xiàn)期到5年重現(xiàn)期，大部地區(qū)風(fēng)速極值平均下降了4 m/s左右?；撅L(fēng)壓的分布與風(fēng)速極值的分布情況基本相同，包頭市基本風(fēng)壓市區(qū)和達(dá)茂旗明顯偏大。從30年到5年重現(xiàn)期，不同站點的基本風(fēng)壓的差異也變大，市區(qū)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(chǔ)，計算5 m處溫室的風(fēng)荷載值。經(jīng)充分調(diào)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(xiàn)期的風(fēng)壓作為日光溫室的臨界風(fēng)壓，并在指定風(fēng)速臨界指標(biāo)時將風(fēng)速指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)隨高度的換算，以滿足實際業(yè)務(wù)需要。

（2）包頭市的氣候特點之一就是多大風(fēng)，特別是春季，不僅大風(fēng)日數(shù)多，而且風(fēng)力大。從地理分布來看，大青山以南地區(qū)大風(fēng)日數(shù)比山北平均少25～66 d。但從日光溫室受到大風(fēng)災(zāi)害損失的情況看，山南由于設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，日光溫室建設(shè)數(shù)量多、規(guī)模大，因災(zāi)受損情況更為嚴(yán)重。因此，預(yù)警指標(biāo)制定時更多地考慮了山南的風(fēng)壓、風(fēng)速臨界指標(biāo)。包頭市大青山南部地區(qū)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(fā)展。從風(fēng)荷載計算值看，山南地區(qū)臨界風(fēng)速、風(fēng)壓較小，有利于日光溫室發(fā)展。

（3）日光溫室生產(chǎn)中大風(fēng)災(zāi)害經(jīng)常還伴隨降溫凍害等復(fù)合災(zāi)害，文章僅從溫室結(jié)構(gòu)方面對風(fēng)荷載和臨界風(fēng)壓、風(fēng)速做了分析，對其他災(zāi)害影響還需要進(jìn)一步深入研究。另外，文章只基于包頭市常見的日光溫室結(jié)構(gòu)類型開展了研究，未對其他參數(shù)的日光溫室進(jìn)行分析，具有一定的局限性。由日光溫室氣象災(zāi)害調(diào)查結(jié)果可知，包頭市日光溫室大風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生并不頻繁，但風(fēng)災(zāi)對溫室結(jié)構(gòu)的破壞性極大，一旦發(fā)生，對溫室生產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失很大，因此，要極為重視日光溫室大風(fēng)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 張淑杰，孫立德，馬成芝，等.東北日光溫室最大風(fēng)荷載特征及風(fēng)災(zāi)預(yù)警指標(biāo)研究[J].資源科學(xué)，2015，37（1）：211–218.

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

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

[4] 楊再強，張婷華，黃海靜，等.北方地區(qū)日光溫室氣象災(zāi)害風(fēng)險評價[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2013（3）：342–349.

[5] 烏蘭，黨志成.農(nóng)牧業(yè)氣象服務(wù)與管理[M].北京：氣象出版社，2018.

責(zé)任編輯：黃艷飛