河北省设施农业的抗风能力及大风灾害风险预警

陈笑娟， 陈小雷*， 李 婷， 俞海洋， 孙玉龙， 李 丹

(1.河北省气象灾害防御中心， 河北 石家庄 050021； 2.武安市气象局， 河北 邯郸 056300)

河北省是我国设施农业生产及产品供应大省[1]，其设施蔬菜已成为农业中最具竞争力的优势产业，种植面积超过66.7万hm2。设施农业生产对于天气条件的依赖程度较高，受灾害性天气影响较大[2-6]，大风是影响河北省设施农业主要的气象灾害，具有发生频率高和经济损失重的特点[5-7]。2013年8月4—5日，迁西县的风灾造成137个大棚损毁，直接经济损失达3 816.4万元；2012年3月23日，8级大风致衡水市留仲村10个钢架大棚及540个小拱棚损毁，直接经济损失达84万元。因此，开展设施农业抗风能力研究对提前防范、规避风险和减少损失具有实际意义。

目前，针对设施农业的小气候试验及建造结构研究较多[8-10]，在大风灾害方面，李楠等[11]通过风洞试验，得到各区域日光温室发生风灾的临界风速，并由此计算得到不同地区不同等级风灾发生的风险概率。黄川容等[12]结合温室灾情数据资料，计算出不同风力对北京温室可造成灾害的概率，并确定了日光温室风灾等级划分的量化标准。已有的研究多集中于日光温室，而对其他类型农业设施的研究较少，尤其是河北省的设施农业抗风能力研究还处于空白。鉴于此，通过实地调查河北省设施农业状况，结合当地风力观测资料和风险决策ALARP准则，构建设施农业风灾灾损曲线，确定设施农业抗风等级及大风灾害风险预警等级，以期为风灾风险预警服务及风灾防御措施的制定提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 资料来源

研究资料包括1983—2015年的风观测数据和气象灾情数据，其中，风观测数据从河北省气象局的142个地面气象观测站获取；大风灾情资料，从河北省气象局获取；2015年河北省不同类型设施蔬菜种植面积，从河北省农业厅获取。设施农业及受灾资料，从实地调查走访河北省34个县(市)的69个村获取。

1.2 研究方法

1.2.1 不同类型设施农业分类 按照河北省蔬菜设施类型的地方标准(DB13/T 951—2008)[13]规定，结合实地调查及相关研究[9]，将河北省设施农业类型分为日光温室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4种(表1)，对设施蔬菜生产、遭受风灾等情况发放调查问卷462份，得到样本数据370个，其中，日光温室94个、大拱棚120个、中拱棚79个和小拱棚77个。利用ArcGIS绘制河北省不同类型设施蔬菜面积分布图。

表1 河北省设施农业分类及描述

1.2.2 大风灾损曲线的构建 灾损曲线能够较为准确地描述承灾体遭受灾害损失程度的变化规律，基于实际灾情数据，利用致灾因子与大风灾害损失一一对应关系构建灾损曲线是最常用的方法[14-17]。引入不同风速下设施农业的风灾损失率(R)。以河北实地调查数据为基础，以致灾因子强度为x轴，以棚室损失率为y轴，通过线性、指数、对数和幂函数等对曲线进行回归拟合，建立“大风风速-设施农业损失率”对应关系，即构建设施农业风灾灾损曲线，对结果进行拟合优度检验，相关系数(r2)越接近于1拟合度越好。

式中，R为不同风速下的棚室损失率(%)，L为风灾造成的直接经济损失(万元)，E为承灾体(设施农业)的重置费用(万元)。

1.2.3 风险等级、抗风能力与风险预警等级划分 根据风险决策ALARP(As Low As Reasonably Practicable，最低合理可行)准则[18-19]，将风险划分为不可容忍区、可接受区(ALARP区)和可忽略区(图1)，即拒绝不可容忍的风险，接受可忽略的风险，对于可容忍的风险，在采取安全性与经济性相统一的具体安全管理或安全技术措施的基础上，允许风险存在[20-21]。根据不同类型设施农业的抗风能力等级结合大风天气实况及预报结果，计算并划分设施农业大风灾害风险预警等级。

图1 风险决策 ALARP准则

2 结果与分析

2.1 不同类型设施农业种植分布

从图2看出，日光温室主要分布在河北省东北部地区和中部平原地区，种植面积24万hm2，其中，日光温室面积≥0.67万hm2的有唐山市乐亭县、玉田县和滦南县，邯郸市永年县，衡水市饶阳县，廊坊市的永清县和固安县，乐亭县和永年县接近1.07万hm2。大拱棚主要分布在中部至北部地区，种植面积18.67万hm2，其中，面积≥0.67万hm2的有沧州市青县和肃宁县，衡水市饶阳县，唐山市乐亭县，石家庄市藁城区和廊坊市永清县，青县最多，达1.8万hm2。中小棚主要分布在东南部地区，种植面积25.27万hm2，其中，面积≥0.67万hm2的有永年县、定州市、固安县、唐山市丰南区和乐亭县，永年县最多，达2.4万hm2。

图2 河北省不同类型设施农业种植面积的分布

2.2 设施农业风灾灾损曲线

由图3看出，在一定风速范围内，不同类型设施农业灾损损失率均随着风速增大而增加，直至损失率接近100%。其中，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光温室开始出现损失的风速，即临界风速值依次为6 m/s、8 m/s、12 m/s和18 m/s，其风灾灾损曲线分别为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日光温室=0.01x2+4.19x-88.57(R2=0.96)。

图3 不同类型设施农业的风灾灾损曲线

2.3 风险等级、抗风等级及风险预警等级划分

根据风险决策ALARP准则，在设计设施农业抗风等级调查表时考虑了以下3种情况：一是有可忽略的风险，即在此条件下设施农业棚室整体结构基本没有影响，但对棚膜略有影响；二是在可忽略线与不可容忍线之间，即在此条件下设施农业棚室的棚膜影响较严重，对骨架有较大影响；三是不可容忍风险，即在此条件下可严重损毁设施农业棚膜和骨架甚至倒塌等。对于以上3种条件，分别与棚室损失率形成列联表，由经验丰富的菜农按0/1打分，当大多数的菜农认为某类棚室损失率对应某种风险等级，则确认该条件对应的风险等级成立。

根据调查结果将设施农业大风灾害风险等级划分为低、中和高3个等级。从表2看出，不同类型设施农业在不同风险等级下的损失率、临界风速值及抗风能力均不同，同一类型设施农业风灾损失率均随着风速增大而增加，同一风险等级，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光温室的抗风能力依次增强。如，当风速低于17.0 m/s时日光温室的损失率不足1%，而当风速接近8.0 m/s时小拱棚的损失率已接近20%。按照国家标准风力等级(GB/T 28591—2012)[22]规定将风速转化为风力等级，并取对棚室影响较小的低风险的最大值作为其抗风等级，从而得到不同类型设施农业大风灾害风险等级及抗风等级，即日光温室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗风等级分别为抗8级、抗7级、抗6级和抗5级风。

根据不同类型设施农业抗风能力等级，将大风灾害风险预警等级由强至弱依次分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级4个等级，分级标准依次为风力8～9级、7～8级、6～7级和5～6级，各级含义和物理意义见表3。实际工作中进行风险预警服务时，应结合大风天气实况及预报结果，利用风险预警分级标准，计算并划分研究区内设施农业大风灾害的风险预警等级。

表2不同风险等级各设施农业的损失率、临界风速、风力及抗风等级

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

设施类型Facility type低风险 Low risk损失率/%风速/(m/s)风力/级中风险 Medium risk损失率/%风速/(m/s)风力/级高风险 High risk损失率/%风速/(m/s)风力/级抗风等级Wind resistant grade日光温室 Solar greenhouse<1<17.0<81～3017.0～24.08～9>30>24.0>98级大拱棚 Large arch shed<5<14.0<75～3114.0～21.07～8>31>21.0>87级中拱棚 Medium arch shed<16<11.0<616～3611.0～17.06～7>36>17.0>76级小拱棚 Small arch shed<20<8.0<520～378.0～14.05～6>37>14.0>65级

表3 设施农业大风灾害风险预警等级

2.4 设施农业风险预警的生产应用

根据2018年4月2日11：00河北省气象台发布大风蓝色预警信号(预计4月2日夜间，保定、廊坊及以南地区有北到东北风5～6级，阵风7级，其他地区有偏北风4～6级，沿岸海域及沿海地区有东北风6～7级，阵风8～9级)，结合上述大风灾害风险预警等级，绘制出设施农业大风灾害风险区域(图4)。可以预计4月2日20：00至4月4日8：00，全省的设施农业大风灾害风险等级均在Ⅳ级以上，其中北部的张家口和承德地区大风可能造成小棚棚膜破裂；中南部地区农业设施大风灾害风险等级在Ⅲ级以上，大风可能造成小棚棚膜破裂、棚架折断，中棚棚膜破裂；沿海地区和太行山山前平原地区的农业设施大风灾害风险等级为Ⅱ级，大风可能造成中棚棚膜破裂、棚架折断，大棚棚膜破裂。

2015—2018年河北省气象灾害风险等级产品在生产应用上共发布大风灾害风险预警信息100余期。产品已上传至河北省信息共享平台、微信平台。当预报未来24 h农业设施大风灾害气象风险等级将达到Ⅱ级及以上时，通过短信和NOTES发送至省级决策服务部门及相关业务单位，并在电视天气预报节目中发布。

注：预报时间为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.

图 4河北省设施农业的大风灾害风险区域及预警等级

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

3 结论与讨论

通过实地调查河北省设施农业状况，结合当地风力观测资料和风险决策ALARP准则，构建设施农业大风灾害灾损曲线，确定设施农业抗风等级及大风灾害风险预警等级，并在风险管理业务中得到实际应用。

1) 河北省设施农业主要分为日光温室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4种类型，其损失率均随风速的增大而增大，临界风速值分别为18 m/s、12 m/s、8 m/s和6 m/s。

2) 设施农业大风灾害划分为低、中和高风险3个等级，日光温室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗风等级分别为抗8级、7级、6级和5级风，确定设施农业大风灾害气象风险预警等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级4个等级。

3) 该研究构建的大风风速-设施农业损失率灾损曲线，能够建立致灾因子强度与承灾体损失的映射关系，为开展设施农业大风灾害风险定量评估奠定了重要基础。构建曲线考虑的是不同类型设施农业棚室的重置费用，由于河北省各种类型设施农业结构和跨度差异较大，因此，在计算每种设施农业棚室的造价时，取较普遍的几种种植类型的平均值与实际生产可能存在一定误差，今后有必要结合更多类型的棚室进行深入研究，进一步细化设施类型。