包头市日光温室风灾预警指标研究

吕晶洁

摘要 风灾是对日光温室生产影响较大的主要气象灾害之一。风荷载作为温室主要结构设计荷载，直接影响温室结构的安全性和经济性。文章利用包头市4个国家站1981—2015年的10 min平均最大风速资料，根据包头本地日光温室的特点，计算了包头市各旗县和市区不同重现期的风速极值和温室风荷载，得出包头市各地风压和风速的临界指标，并以此为依据制定了包头市日光温室大风灾害预警指标。

关键词 日光温室;大风灾害;风荷载;风灾预警指标

中图分类号：S625 文献标识码：A 文章编号：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

当前，包头市正处在由传统农业向高产、优质、高效、生态、安全的现代化农业加快转变的关键时期。作为现代农业门类之一的设施农业，呈现出强劲的发展态势。日光温室产业作为设施农业产业中的主体，近年来已成为农业种植中效益最高的产业。为加快现代农业建设步伐，推进农业和农村经济结构战略性调整及新一轮“菜篮子”工程建设，确保农民持续稳定增收，包头市通过实施“蔬菜标准化创建项目”等多项举措，保障设施农业持续稳定发展，设施蔬菜播种面积占全市农业种植面积不到1%，却创造了占全市农业总产值30%的产值。设施农业成为满足社会民生的重要高效产业，为包头市农业发展和农民增收提供了强大的助力。

受全球气候变化影响，近50年我国气候发生了显著变化，极端天气气候事件与灾害的发生频率和强度明显增大。设施农业虽然是利用工程技术和可控手段，创造出使作物在不受自然季节影响的最佳环境中生长发育的条件，实现集约、高效、可持续发展的农业生产方式，但仍然受到自然气候资源的约束，而且不利的气象条件仍对设施农业有巨大的影响[1-3]。在包头市，大风灾害作为影响设施农业生产安全的主要灾害类型，造成的损失十分巨大。

日光温室风害是指风力达到一定强度等级，对日光温室设施造成破坏而形成的灾害。主要表现为：温室白天揭开草帘后遇大风天气，易卷走草帘，棚膜遇风会出现上下摔打现象，时间长了刮飞、刮破棚膜;夜间遇到大风，容易把草帘吹得七零八落，屋面暴露，降低或破坏大棚的保温性能，散热量加快，室内温度下降，棚中作物受强风、低温危害严重，对作物安全生长影响极大。

风荷载作为温室的主要活荷载，计算取值直接影响温室结构的安全性和经济性。许多学者在温室风荷载方面进行了广泛地研究。常规的研究手段有3种：现场实测法、计算流体力学法（CFD）和风洞试验法[4]。温室结构具有很强的地域性，同时受当地气候条件的制约。目前，针对北方地区的日光温室研究较少，特別是对内蒙古地区日光温室的研究更少。依据国家标准“建筑结构荷载规范”和“温室结构设计荷载”，充分考虑当地日光温室的建筑结构质量，对包头地区日光温室结构的风荷载进行计算，根据日光温室实际大风灾情资料，确定日光温室遭受风灾时的致灾指标，以期为日光温室生产科学管理和防灾减灾提供科学依据[5]。

1 研究的温室结构

由于目前温室的种类繁多，在规模、种类、结构、材料、耐用年限等方面存在着很大差异，缺乏统一性。因此，在充分调研包头市日光温室建造结构、规模、使用年限的前提下，以包头市使用最多的日光温室为基础，温室东西走向，朝向正南，采用单斜面的建筑结构，其余三面是墙体，长42 m、宽8～11 m、坡度角为35°～40°标准的日光温室为基础。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

数据选取数据序列较为完整的市区、土默特右旗、固阳县、达茂旗1981—2015年的年最大10 min平均风速。

2.2 数据处理

将4个站35年的年最大10 min平均风速按降序排列后作为样本。

3 计算方法、结果及分析

3.1 风速极值

风速的统计样本采用极值Ⅰ型概率分布，分布函数为：

F（x）=exp（-exp（-α·x-μ））（1）

式中：

F（x）——概率分布函数;

α——分布的尺度参数;

μ——分布位置参数，即其分布的众值;

x——年最大风速（m/s）;

其中参数α、μ依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009）计算。

重现期为R的最大风速XR按下式计算：

由于包头地区温室一般使用期限不超过30年左右的时间，因此，利用极值Ⅰ型分布函数分别计算出重现期为5年、10年、20年、30年的最大风速。结果发现：最大风速达茂旗明显偏大，其余地区差异不明显;当重现期不同时，最大风速值是不同的，而且差距很大，从30年到5年重现期，各站最大风速平均下降了4 m/s左右（表1）。

3.2 基本风压

利用前面计算得到的最大风速极值，依据《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183）基本风压ω0的计算公式如下：

式中：

υ0——30年一遇的最大风速极值（m/s）;

ρ——空气密度，依据GB 50009计算;

γ——阵风系数，依据《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183）计算。

由于日常天气预报使用阵风作为大风预警，因此这里加上了阵风系数，得到各区域10 m高度处不同重现期的基本风压值。结果发现：包头市基本风压市区和达茂旗明显偏大，从5年到30年重现期，不同站点的基本风压的差异也变大，尤其是市区上升最多，固阳县最少，仅上升了0.07 kN/m2（表2）。

3.3 温室风荷载

依据《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183）温室风荷载的计算公式如下：

式中：

ω0——基本风压（kN/m2）;

μs——风荷载体型系数;

μZ——风压高度变化系数;

βZ——为高度z处的风振系数，温室高度低于30 m，因此取1.0;

由于包头市日光温室高度一般都在5 m以下，且都建造在地势平坦，四周空旷的地方，符合规范中规定的B类地区，因此依据《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183）中的规定，风压高度变化系数为0.81。日光温室的风荷载体型系数与高度、宽度、风向、结构等有关。以包头市使用最为广泛的日光温室为基础，依据《农业温室结构荷载规范》（GB/T 51183）中的规定，风荷载体型系数取0.6。得到各区域不同重现期温室风荷载值（5 m处）。结果发现：与10 m高度的基本风压相比，30年重现期由10 m高度的0.25 kN/m2以上降到0.25 kN/m2以下;20年重现期由10 m高度的0.22 kN/m2以上降到0.22 kN/m2以下;10年重现期由10 m高度的0.20 kN/m2以上降到0.20 kN/m2以下（表3）。

3.4 日光温室掀棚风速、风压临界指标

有调研表明，包头地区日光温室的一般使用寿命在20年左右。因此，把20年重现期、5 m高度处风荷载作为日光温室的临界风压，因日常天气预报的是10 m高度处风速，这里进行风随高度的换算：

式中：

υ10——10 m高度风速;

υ10——5 m高度风速;

——地面粗糙指数，依据GB 50009计算。

确定温室临界风压和风速指标（表4）。

4 日光温室大风灾害预警

4.1 预警指标

表4给出了包头市各地日光温室大风掀棚临界指标，其中风速用的是10 min平均最大风速。由于包头市的日光温室大部分位于大青山以南地区，综合考虑临界指标和温室大风灾害调查资料，制定了包头市日光温室预警指标。由于在日常气象预报中使用的是蒲福风力，根据包头市日光温室分布情况和风力分级设定日光温室风害预警指标（表5）。

4.2 指标验证

2013年3月8日23∶00—3月10日08∶00，包头市山北地区最大风速达19.9～22.6 m/s，风力达8～9级，并伴有扬沙;山南地区最大风速达到19.6～24.1 m/s，风力达8～10级，并伴有浮尘。此次天气过程导致东河区沙尔沁乡、土右旗的萨拉齐镇、沟门镇、将军尧镇、九峰山生态管理委员会等多个乡镇的部分温室、拱棚、养殖暖棚等设施遭受不同程度的损坏，棚内种植的黄瓜、西红柿、生菜等农作物不同程度受冻。

2013年4月8日，包头市山南地区最大风速达到15.7～19.4 m/s，风力达7～8级。根据气象部门灾情调查，由于受大风、降温等天气的直接影响，导致九原区哈业胡同镇十多个温室、大棚等设施遭受不同程度的损坏。

以上两次大风灾害都出现了日光温室的损害，损坏程度用指标判定结果与实际一致。

5 结论

（1）研究采用极值Ⅰ型分布函数计算5年、10年、20年、30年一遇的10 min平均最大风速极值。当重现期不同时，最大风速值是不同的，而且差距很大。随着重现期缩短，风速极值呈下降的趋势，从30年重现期到5年重现期，大部地区风速极值平均下降了4 m/s左右。基本风压的分布与风速极值的分布情况基本相同，包头市基本风压市区和达茂旗明显偏大。从30年到5年重现期，不同站点的基本风压的差异也变大，市区上升最多，固阳县最少。由于包头市日光温室高度一般都在5 m以下，且都建造在地势平坦，四周空旷的地方。以包头市使用最为广泛的日光温室为基础，计算5 m处温室的风荷载值。经充分调研，包头市日光温室一般使用年限为20年左右，把5 m高度处20年重现期的风压作为日光温室的临界风压，并在指定风速临界指标时将风速指标进行风随高度的换算，以满足实际业务需要。

（2）包头市的气候特点之一就是多大风，特别是春季，不仅大风日数多，而且风力大。从地理分布来看，大青山以南地区大风日数比山北平均少25～66 d。但从日光温室受到大风灾害损失的情况看，山南由于设施农业产业发展迅速，日光温室建设数量多、规模大，因灾受损情况更为严重。因此，预警指标制定时更多地考虑了山南的风压、风速临界指标。包头市大青山南部地区光热资源丰富，冬季温度较高，有效生长积温多，更适合日光温室发展。从风荷载计算值看，山南地区临界风速、风压较小，有利于日光温室发展。

（3）日光温室生产中大风灾害经常还伴随降温冻害等复合灾害，文章仅从温室结构方面对风荷载和临界风压、风速做了分析，对其他灾害影响还需要进一步深入研究。另外，文章只基于包头市常见的日光温室结构类型开展了研究，未对其他参数的日光溫室进行分析，具有一定的局限性。由日光温室气象灾害调查结果可知，包头市日光温室大风灾害的发生并不频繁，但风灾对温室结构的破坏性极大，一旦发生，对温室生产造成的经济损失很大，因此，要极为重视日光温室大风灾害的预警预报工作。

参考文献

[1] 张淑杰，孙立德，马成芝，等.东北日光温室最大风荷载特征及风灾预警指标研究[J].资源科学，2015，37（1）：211–218.

[2] 张延年，王元清，张勇，等.Gumbel分布的基本风压计算与分析[J].土木建筑与环境工程，2012，34（2）：27–31.

[3] 王晓光.气象要素重现期的计算方法与比较[J].内蒙古气象，2015，22（5）：29–32.

[4] 杨再强，张婷华，黄海静，等.北方地区日光温室气象灾害风险评价[J].中国农业气象，2013（3）：342–349.

[5] 乌兰，党志成.农牧业气象服务与管理[M].北京：气象出版社，2018.

责任编辑：黄艳飞