陳笑娟， 陳小雷*， 李 婷， 俞海洋， 孫玉龍， 李 丹

(1.河北省氣象災(zāi)害防御中心， 河北 石家莊 050021； 2.武安市氣象局， 河北 邯鄲 056300)

河北省是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及產(chǎn)品供應(yīng)大省[1]，其設(shè)施蔬菜已成為農(nóng)業(yè)中最具競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，種植面積超過66.7萬hm2。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于天氣條件的依賴程度較高，受災(zāi)害性天氣影響較大[2-6]，大風(fēng)是影響河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)主要的氣象災(zāi)害，具有發(fā)生頻率高和經(jīng)濟(jì)損失重的特點[5-7]。2013年8月4—5日，遷西縣的風(fēng)災(zāi)造成137個大棚損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 816.4萬元；2012年3月23日，8級大風(fēng)致衡水市留仲村10個鋼架大棚及540個小拱棚損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)84萬元。因此，開展設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)能力研究對提前防范、規(guī)避風(fēng)險和減少損失具有實際意義。

目前，針對設(shè)施農(nóng)業(yè)的小氣候試驗及建造結(jié)構(gòu)研究較多[8-10]，在大風(fēng)災(zāi)害方面，李楠等[11]通過風(fēng)洞試驗，得到各區(qū)域日光溫室發(fā)生風(fēng)災(zāi)的臨界風(fēng)速，并由此計算得到不同地區(qū)不同等級風(fēng)災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險概率。黃川容等[12]結(jié)合溫室災(zāi)情數(shù)據(jù)資料，計算出不同風(fēng)力對北京溫室可造成災(zāi)害的概率，并確定了日光溫室風(fēng)災(zāi)等級劃分的量化標(biāo)準(zhǔn)。已有的研究多集中于日光溫室，而對其他類型農(nóng)業(yè)設(shè)施的研究較少，尤其是河北省的設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)能力研究還處于空白。鑒于此，通過實地調(diào)查河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)狀況，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)力觀測資料和風(fēng)險決策ALARP準(zhǔn)則，構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)災(zāi)損曲線，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)等級及大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級，以期為風(fēng)災(zāi)風(fēng)險預(yù)警服務(wù)及風(fēng)災(zāi)防御措施的制定提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究資料包括1983—2015年的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)和氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)，其中，風(fēng)觀測數(shù)據(jù)從河北省氣象局的142個地面氣象觀測站獲取；大風(fēng)災(zāi)情資料，從河北省氣象局獲?。?015年河北省不同類型設(shè)施蔬菜種植面積，從河北省農(nóng)業(yè)廳獲取。設(shè)施農(nóng)業(yè)及受災(zāi)資料，從實地調(diào)查走訪河北省34個縣(市)的69個村獲取。

1.2 研究方法

1.2.1 不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)分類 按照河北省蔬菜設(shè)施類型的地方標(biāo)準(zhǔn)(DB13/T 951—2008)[13]規(guī)定，結(jié)合實地調(diào)查及相關(guān)研究[9]，將河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)類型分為日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4種(表1)，對設(shè)施蔬菜生產(chǎn)、遭受風(fēng)災(zāi)等情況發(fā)放調(diào)查問卷462份，得到樣本數(shù)據(jù)370個，其中，日光溫室94個、大拱棚120個、中拱棚79個和小拱棚77個。利用ArcGIS繪制河北省不同類型設(shè)施蔬菜面積分布圖。

表1 河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)分類及描述

1.2.2 大風(fēng)災(zāi)損曲線的構(gòu)建 災(zāi)損曲線能夠較為準(zhǔn)確地描述承災(zāi)體遭受災(zāi)害損失程度的變化規(guī)律，基于實際災(zāi)情數(shù)據(jù)，利用致災(zāi)因子與大風(fēng)災(zāi)害損失一一對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建災(zāi)損曲線是最常用的方法[14-17]。引入不同風(fēng)速下設(shè)施農(nóng)業(yè)的風(fēng)災(zāi)損失率(R)。以河北實地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以致災(zāi)因子強(qiáng)度為x軸，以棚室損失率為y軸，通過線性、指數(shù)、對數(shù)和冪函數(shù)等對曲線進(jìn)行回歸擬合，建立“大風(fēng)風(fēng)速-設(shè)施農(nóng)業(yè)損失率”對應(yīng)關(guān)系，即構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)災(zāi)損曲線，對結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗，相關(guān)系數(shù)(r2)越接近于1擬合度越好。

式中，R為不同風(fēng)速下的棚室損失率(%)，L為風(fēng)災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失(萬元)，E為承災(zāi)體(設(shè)施農(nóng)業(yè))的重置費(fèi)用(萬元)。

1.2.3 風(fēng)險等級、抗風(fēng)能力與風(fēng)險預(yù)警等級劃分 根據(jù)風(fēng)險決策ALARP(As Low As Reasonably Practicable，最低合理可行)準(zhǔn)則[18-19]，將風(fēng)險劃分為不可容忍區(qū)、可接受區(qū)(ALARP區(qū))和可忽略區(qū)(圖1)，即拒絕不可容忍的風(fēng)險，接受可忽略的風(fēng)險，對于可容忍的風(fēng)險，在采取安全性與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的具體安全管理或安全技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，允許風(fēng)險存在[20-21]。根據(jù)不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)的抗風(fēng)能力等級結(jié)合大風(fēng)天氣實況及預(yù)報結(jié)果，計算并劃分設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級。

圖1 風(fēng)險決策 ALARP準(zhǔn)則

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)種植分布

從圖2看出，日光溫室主要分布在河北省東北部地區(qū)和中部平原地區(qū)，種植面積24萬hm2，其中，日光溫室面積≥0.67萬hm2的有唐山市樂亭縣、玉田縣和灤南縣，邯鄲市永年縣，衡水市饒陽縣，廊坊市的永清縣和固安縣，樂亭縣和永年縣接近1.07萬hm2。大拱棚主要分布在中部至北部地區(qū)，種植面積18.67萬hm2，其中，面積≥0.67萬hm2的有滄州市青縣和肅寧縣，衡水市饒陽縣，唐山市樂亭縣，石家莊市藁城區(qū)和廊坊市永清縣，青縣最多，達(dá)1.8萬hm2。中小棚主要分布在東南部地區(qū)，種植面積25.27萬hm2，其中，面積≥0.67萬hm2的有永年縣、定州市、固安縣、唐山市豐南區(qū)和樂亭縣，永年縣最多，達(dá)2.4萬hm2。

圖2 河北省不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積的分布

2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)災(zāi)損曲線

由圖3看出，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)災(zāi)損損失率均隨著風(fēng)速增大而增加，直至損失率接近100%。其中，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光溫室開始出現(xiàn)損失的風(fēng)速，即臨界風(fēng)速值依次為6 m/s、8 m/s、12 m/s和18 m/s，其風(fēng)災(zāi)災(zāi)損曲線分別為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日光溫室=0.01x2+4.19x-88.57(R2=0.96)。

圖3 不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)的風(fēng)災(zāi)災(zāi)損曲線

2.3 風(fēng)險等級、抗風(fēng)等級及風(fēng)險預(yù)警等級劃分

根據(jù)風(fēng)險決策ALARP準(zhǔn)則，在設(shè)計設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)等級調(diào)查表時考慮了以下3種情況：一是有可忽略的風(fēng)險，即在此條件下設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室整體結(jié)構(gòu)基本沒有影響，但對棚膜略有影響；二是在可忽略線與不可容忍線之間，即在此條件下設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室的棚膜影響較嚴(yán)重，對骨架有較大影響；三是不可容忍風(fēng)險，即在此條件下可嚴(yán)重?fù)p毀設(shè)施農(nóng)業(yè)棚膜和骨架甚至倒塌等。對于以上3種條件，分別與棚室損失率形成列聯(lián)表，由經(jīng)驗豐富的菜農(nóng)按0/1打分，當(dāng)大多數(shù)的菜農(nóng)認(rèn)為某類棚室損失率對應(yīng)某種風(fēng)險等級，則確認(rèn)該條件對應(yīng)的風(fēng)險等級成立。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果將設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級劃分為低、中和高3個等級。從表2看出，不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)在不同風(fēng)險等級下的損失率、臨界風(fēng)速值及抗風(fēng)能力均不同，同一類型設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)損失率均隨著風(fēng)速增大而增加，同一風(fēng)險等級，小拱棚、中拱棚、大拱棚和日光溫室的抗風(fēng)能力依次增強(qiáng)。如，當(dāng)風(fēng)速低于17.0 m/s時日光溫室的損失率不足1%，而當(dāng)風(fēng)速接近8.0 m/s時小拱棚的損失率已接近20%。按照國家標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力等級(GB/T 28591—2012)[22]規(guī)定將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為風(fēng)力等級，并取對棚室影響較小的低風(fēng)險的最大值作為其抗風(fēng)等級，從而得到不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級及抗風(fēng)等級，即日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗風(fēng)等級分別為抗8級、抗7級、抗6級和抗5級風(fēng)。

根據(jù)不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)能力等級，將大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級由強(qiáng)至弱依次分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級4個等級，分級標(biāo)準(zhǔn)依次為風(fēng)力8～9級、7～8級、6～7級和5～6級，各級含義和物理意義見表3。實際工作中進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警服務(wù)時，應(yīng)結(jié)合大風(fēng)天氣實況及預(yù)報結(jié)果，利用風(fēng)險預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)，計算并劃分研究區(qū)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險預(yù)警等級。

表2不同風(fēng)險等級各設(shè)施農(nóng)業(yè)的損失率、臨界風(fēng)速、風(fēng)力及抗風(fēng)等級

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

設(shè)施類型Facility type低風(fēng)險 Low risk損失率/%風(fēng)速/(m/s)風(fēng)力/級中風(fēng)險 Medium risk損失率/%風(fēng)速/(m/s)風(fēng)力/級高風(fēng)險 High risk損失率/%風(fēng)速/(m/s)風(fēng)力/級抗風(fēng)等級Wind resistant grade日光溫室 Solar greenhouse<1<17.0<81～3017.0～24.08～9>30>24.0>98級大拱棚 Large arch shed<5<14.0<75～3114.0～21.07～8>31>21.0>87級中拱棚 Medium arch shed<16<11.0<616～3611.0～17.06～7>36>17.0>76級小拱棚 Small arch shed<20<8.0<520～378.0～14.05～6>37>14.0>65級

表3 設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級

2.4 設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)險預(yù)警的生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)2018年4月2日11：00河北省氣象臺發(fā)布大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警信號(預(yù)計4月2日夜間，保定、廊坊及以南地區(qū)有北到東北風(fēng)5～6級，陣風(fēng)7級，其他地區(qū)有偏北風(fēng)4～6級，沿岸海域及沿海地區(qū)有東北風(fēng)6～7級，陣風(fēng)8～9級)，結(jié)合上述大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級，繪制出設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域(圖4)。可以預(yù)計4月2日20：00至4月4日8：00，全省的設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級均在Ⅳ級以上，其中北部的張家口和承德地區(qū)大風(fēng)可能造成小棚棚膜破裂；中南部地區(qū)農(nóng)業(yè)設(shè)施大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級在Ⅲ級以上，大風(fēng)可能造成小棚棚膜破裂、棚架折斷，中棚棚膜破裂；沿海地區(qū)和太行山山前平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級為Ⅱ級，大風(fēng)可能造成中棚棚膜破裂、棚架折斷，大棚棚膜破裂。

2015—2018年河北省氣象災(zāi)害風(fēng)險等級產(chǎn)品在生產(chǎn)應(yīng)用上共發(fā)布大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警信息100余期。產(chǎn)品已上傳至河北省信息共享平臺、微信平臺。當(dāng)預(yù)報未來24 h農(nóng)業(yè)設(shè)施大風(fēng)災(zāi)害氣象風(fēng)險等級將達(dá)到Ⅱ級及以上時，通過短信和NOTES發(fā)送至省級決策服務(wù)部門及相關(guān)業(yè)務(wù)單位，并在電視天氣預(yù)報節(jié)目中發(fā)布。

注：預(yù)報時間為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.

圖 4河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)的大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域及預(yù)警等級

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

3 結(jié)論與討論

通過實地調(diào)查河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)狀況，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)力觀測資料和風(fēng)險決策ALARP準(zhǔn)則，構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害災(zāi)損曲線，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)抗風(fēng)等級及大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等級，并在風(fēng)險管理業(yè)務(wù)中得到實際應(yīng)用。

1) 河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)主要分為日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚4種類型，其損失率均隨風(fēng)速的增大而增大，臨界風(fēng)速值分別為18 m/s、12 m/s、8 m/s和6 m/s。

2) 設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害劃分為低、中和高風(fēng)險3個等級，日光溫室、大拱棚、中拱棚和小拱棚的抗風(fēng)等級分別為抗8級、7級、6級和5級風(fēng)，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警等級分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個等級。

3) 該研究構(gòu)建的大風(fēng)風(fēng)速-設(shè)施農(nóng)業(yè)損失率災(zāi)損曲線，能夠建立致災(zāi)因子強(qiáng)度與承災(zāi)體損失的映射關(guān)系，為開展設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險定量評估奠定了重要基礎(chǔ)。構(gòu)建曲線考慮的是不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室的重置費(fèi)用，由于河北省各種類型設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和跨度差異較大，因此，在計算每種設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室的造價時，取較普遍的幾種種植類型的平均值與實際生產(chǎn)可能存在一定誤差，今后有必要結(jié)合更多類型的棚室進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)施類型。