呂晶潔

摘要 風災是對日光溫室生產(chǎn)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(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(jù)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(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)加快轉變的關鍵時期。作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)門類之一的設施農(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)建設步伐，推進農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟結構戰(zhàn)略性調(diào)整及新一輪“菜籃子”工程建設，確保農(nóng)民持續(xù)穩(wěn)定增收，包頭市通過實施“蔬菜標準化創(chuàng)建項目”等多項舉措，保障設施農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，設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害的發(fā)生頻率和強度明顯增大。設施農(nóng)業(yè)雖然是利用工程技術和可控手段，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施農(nóng)業(yè)有巨大的影響[1-3]。在包頭市，大風災害作為影響設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)上下摔打現(xiàn)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(nèi)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(jīng)濟性。許多學者在溫室風荷載方面進行了廣泛地研究。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?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)國家標準“建筑結構荷載規(guī)范”和“溫室結構設計荷載”，充分考慮當?shù)厝展鉁厥业慕ㄖY構質(zhì)量，對包頭地區(qū)日光溫室結構的風荷載進行計算，根據(jù)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(chǎn)科學管理和防災減災提供科學依據(jù)[5]。

1 研究的溫室結構

由于目前溫室的種類繁多，在規(guī)模、種類、結構、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構、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，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(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、達茂旗1981—2015年的年最大10 min平均風速。

2.2 數(shù)據(jù)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(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——年最大風速（m/s）;

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

重現(xiàn)期為R的最大風速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年的最大風速。結果發(fā)現(xiàn)：最大風速達茂旗明顯偏大，其余地區(qū)差異不明顯;當重現(xiàn)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(xiàn)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(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)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(jù)GB 50009計算;

γ——陣風系數(shù)，依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)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(shù)，得到各區(qū)域10 m高度處不同重現(xiàn)期的基本風壓值。結果發(fā)現(xiàn)：包頭市基本風壓市區(qū)和達茂旗明顯偏大，從5年到30年重現(xiàn)期，不同站點的基本風壓的差異也變大，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 溫室風荷載

依據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)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(shù);

μZ——風壓高度變化系數(shù);

βZ——為高度z處的風振系數(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)溫室結構荷載規(guī)范》（GB/T 51183）中的規(guī)定，風壓高度變化系數(shù)為0.81。日光溫室的風荷載體型系數(shù)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(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》（GB/T 51183）中的規(guī)定，風荷載體型系數(shù)取0.6。得到各區(qū)域不同重現(xiàn)期溫室風荷載值（5 m處）。結果發(fā)現(xiàn)：與10 m高度的基本風壓相比，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 日光溫室掀棚風速、風壓臨界指標

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(shù)，依據(jù)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(qū)，綜合考慮臨界指標和溫室大風災害調(diào)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(jù)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(qū)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(qū)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(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)最大風速達到15.7～19.4 m/s，風力達7～8級。根據(jù)氣象部門災情調(diào)查，由于受大風、降溫等天氣的直接影響，導致九原區(qū)哈業(yè)胡同鎮(zhèn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)期不同時，最大風速值是不同的，而且差距很大。隨著重現(xiàn)期縮短，風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(qū)和達茂旗明顯偏大。從30年到5年重現(xiàn)期，不同站點的基本風壓的差異也變大，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，計算5 m處溫室的風荷載值。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(yè)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(shù)多，而且風力大。從地理分布來看，大青山以南地區(qū)大風日數(shù)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，日光溫室建設數(shù)量多、規(guī)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(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。從風荷載計算值看，山南地區(qū)臨界風速、風壓較小，有利于日光溫室發(fā)展。

（3）日光溫室生產(chǎn)中大風災害經(jīng)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(shù)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(diào)查結果可知，包頭市日光溫室大風災害的發(fā)生并不頻繁，但風災對溫室結構的破壞性極大，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災害的預警預報工作。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛