日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)構(gòu)建*

譚方穎 何 亮 趙曉鳳 張繼波 程 路

1 國家氣象中心，北京 100081 2 山東省氣候中心，濟(jì)南 250031

提 要： 構(gòu)建科學(xué)合理易操作的災(zāi)害指標(biāo)是災(zāi)害預(yù)警快速有效、評估準(zhǔn)確的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?；陲L(fēng)對農(nóng)業(yè)設(shè)施致災(zāi)原理，將風(fēng)災(zāi)劃分為導(dǎo)致日光溫室和塑料大棚主體結(jié)構(gòu)受損(Ⅰ級)和棚膜損壞(Ⅱ級)兩個等級。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，以日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為依據(jù)，采用極值概率分布模型對1989—2018年全國2467個氣象站最大風(fēng)速觀測資料進(jìn)行分析，計(jì)算了20 a和10 a重現(xiàn)期的最大風(fēng)速，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮不同體型設(shè)施抗風(fēng)能力以及設(shè)施農(nóng)業(yè)致災(zāi)要素，構(gòu)建了基于極大風(fēng)速的日光溫室和塑料大棚不同等級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)，并繪制了相應(yīng)風(fēng)災(zāi)指標(biāo)分布圖。經(jīng)2009—2018年全國設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)災(zāi)情資料以及2020年各區(qū)域代表省份風(fēng)災(zāi)實(shí)例檢驗(yàn)，所得風(fēng)災(zāi)指標(biāo)與承災(zāi)體受災(zāi)程度、實(shí)際觀測風(fēng)速均具有較好的一致性。

引 言

設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收的主要手段，對于保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力以及實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要意義。20世紀(jì)80年代以來，中國以日光溫室、塑料大棚為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速(陳思寧等，2014)，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)，2008—2016年期間，全國(不含港澳臺)設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積由81.312萬hm2增加至208.288萬hm2，以平均每年14.108萬hm2的幅度增長，其中日光溫室和塑料大棚總面積占比達(dá)95%以上。盡管中國設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了長足進(jìn)步，但農(nóng)業(yè)設(shè)施抵御自然災(zāi)害能力依然薄弱，尤其是在氣候變化背景下，極端災(zāi)害性天氣頻發(fā)，給設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的損失顯而易見(李秀芬等，2007；苗克紅等，2016)，嚴(yán)重制約設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。國外發(fā)達(dá)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)施環(huán)境綜合調(diào)控及農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)發(fā)達(dá)，設(shè)施農(nóng)業(yè)受氣象災(zāi)害影響較小，其研究主要側(cè)重于經(jīng)濟(jì)風(fēng)險、社會風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險(Piers，1998；Carter，1995)。我國對于設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究主要集中在氣候適應(yīng)性和氣候區(qū)劃(李德等，2013；張亞紅，2003；張明潔和趙艷霞，2013)、氣象災(zāi)害風(fēng)險分布(蔡冰等，2011；楊再強(qiáng)等，2012；陳思寧等，2017；黃川容等，2012)及災(zāi)害影響和防御措施方面(柳軍等，2018；劉佳等，2018)，而對于災(zāi)害指標(biāo)的研究甚少。隨著天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)為氣象災(zāi)害快速、精準(zhǔn)預(yù)警服務(wù)提供了更廣闊的發(fā)展空間。大風(fēng)天氣時有發(fā)生，準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警信息可使生產(chǎn)者提前做好防范，有效減少風(fēng)災(zāi)損失，因此，制定科學(xué)合理的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)尤為重要。設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)指標(biāo)常規(guī)的獲取方法有：現(xiàn)場觀測法、計(jì)算流體力學(xué)法(CFD法)和風(fēng)洞試驗(yàn)法(Lukiantchuki et al，2020；任蘭紅等，2019；張波，2013；楊振超，2006)。現(xiàn)場觀測法需要耗費(fèi)大量的時間和人力，風(fēng)洞試驗(yàn)法受試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?zāi)害發(fā)生環(huán)境與實(shí)際情況存在明顯差異，且因耗資較大，研究也較少，而CFD法主要用于溫室內(nèi)部環(huán)流場的模擬。目前針對設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，大多采用蒲福風(fēng)力等級作為風(fēng)災(zāi)指標(biāo)(孫治貴等，2018；孫智輝等，2011)，但此標(biāo)準(zhǔn)未考慮各地氣候特點(diǎn)差異，也未與農(nóng)業(yè)設(shè)施抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)災(zāi)影響程度相結(jié)合，不利于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者有針對性地采取防御措施，導(dǎo)致風(fēng)災(zāi)預(yù)警和防御的有效性大打折扣?？梢?，通過以上方法確定的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定局限性。

本文基于風(fēng)對農(nóng)業(yè)設(shè)施致災(zāi)原理及其影響程度劃分風(fēng)災(zāi)等級，以我國各地氣候特點(diǎn)及主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為依據(jù)，探討了日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)確定方法，并利用實(shí)際災(zāi)情資料對風(fēng)災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為各地農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警和風(fēng)險評估、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)以及設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)管理、減少生產(chǎn)成本提供參考依據(jù)。

1 資料及方法

1.1 資料及來源

本研究所用氣象資料為1989—2018年全國2467個氣象觀測站10 m高度處日最大風(fēng)速，即從給定時間段(1 d)內(nèi)選取任意10 min平均風(fēng)速的最大值，用于分析計(jì)算不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速；2009—2018年全國1714個氣象觀測站10 m高度處日極大風(fēng)速，即給定時間段(1 d)內(nèi)3 s最大瞬時風(fēng)速，用于1.5節(jié)中構(gòu)建日最大風(fēng)速與極大風(fēng)速間關(guān)系模型，以上風(fēng)速資料均來自國家氣象信息中心。2009—2018年和2020年災(zāi)情資料用于風(fēng)災(zāi)指標(biāo)驗(yàn)證，來自中國氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)。

1.2 風(fēng)災(zāi)等級劃分

在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定量級，對日光溫室和塑料大棚的直接影響是掀翻棚膜、棚體傾斜，隨著風(fēng)速的增加，超過設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，設(shè)施主體結(jié)構(gòu)將受到損壞，甚至垮塌(龔偉等，2017；陳松來，2009)。因此，本文基于以上風(fēng)災(zāi)對農(nóng)業(yè)設(shè)施的影響，將其劃分為兩個等級。由于日光溫室建造時，墻體的承載力一般都大于其可能承受的荷載量，因此對于日光溫室，主體結(jié)構(gòu)主要考慮鋼骨架結(jié)構(gòu)。

1.3 設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限確定

我國溫室、大棚由于其使用材料、功能以及用戶需求的差異，在重要性、安全度、實(shí)際使用年限等方面各不相同(孫德發(fā)等，2002)，因此，針對不同設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，一般規(guī)定基本風(fēng)壓的重現(xiàn)期為5～30 a，即風(fēng)速的保證概率為80.0%～96.7%。本研究中日光溫室指三面為保溫圍護(hù)墻體，單坡面以鋼管為骨架支撐、以塑料薄膜覆蓋的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，使用年限一般不超過20 a(李中明等，2011)；塑料大棚指以鋼或鋼、竹木混合為支撐，以塑料薄膜覆蓋的拱形農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，使用年限一般不超過10 a。綜合以上日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)，以及實(shí)際使用壽命和風(fēng)速保證率，本文對于日光溫室和塑料大棚主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，分別采用20 a 和10 a的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)(王篤利等，2005；閆俊月等，2014)，相應(yīng)風(fēng)速保證率分別為95%和90%。

1.4 T年重現(xiàn)期最大風(fēng)速估算方法

基于1989—2018年逐日最大風(fēng)速，計(jì)算各站點(diǎn)年最大風(fēng)速x(單位：m·s-1)，采用廣義極值分布函數(shù)(Coles，2001)對逐年最大風(fēng)速x的分布進(jìn)行擬合：

(1)

式中：g(x)為擬合函數(shù),k為形狀參數(shù),δ為尺度參數(shù),μ為位置參數(shù)。參數(shù)k、δ、μ的估計(jì)采用最大似然法，函數(shù)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)利用Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)法。

基于式(1)對參數(shù)k、δ、μ的估計(jì)結(jié)果，T年重現(xiàn)期最大風(fēng)速U通過式(2)做估算：

(2)

式中：U為T年一遇最大風(fēng)速(單位：m·s-1)；T為重現(xiàn)期，根據(jù)1.3節(jié)的規(guī)定取值。

1.5 風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值計(jì)算方法

農(nóng)業(yè)設(shè)施抵御風(fēng)災(zāi)的能力由其結(jié)構(gòu)本身的風(fēng)荷載決定，風(fēng)荷載的大小取決于基本風(fēng)壓，而各地基本風(fēng)壓是一個關(guān)于重現(xiàn)期、風(fēng)速時距和離地高度三個變量的復(fù)合單調(diào)函數(shù)(王篤利等，2005)，表示如下：

(3)

式中:W為農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓(單位：kN·m-2)；r為空氣密度(單位：t·m-3)；U為不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速(單位：m·s-1)；ω為標(biāo)準(zhǔn)地貌下的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；β為時距換算系數(shù)，對于日光溫室和塑料大棚，此類輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用3 s時距的最大瞬時風(fēng)速(即極大風(fēng)速)作為基本風(fēng)壓取值的基礎(chǔ)要素，因此本研究β即為極大風(fēng)速(3 s時距)與最大風(fēng)速(10 min時距)的換算系數(shù)，通過構(gòu)建最大風(fēng)速(x)與極大風(fēng)速(y)間關(guān)系模型y=f(x)得到，因此式(3)可改寫為：

(4)

根據(jù)伯努利方程，實(shí)際來流風(fēng)壓可表示為：

(5)

式中：W0為實(shí)際來流風(fēng)壓(單位：kN·m-2)，V為實(shí)際風(fēng)速(單位：m·s-1)。

基于式(4)和式(5)，當(dāng)W0=W，即實(shí)際來流風(fēng)壓達(dá)到農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本風(fēng)壓時，設(shè)施主體結(jié)構(gòu)可能受到損壞，此時的風(fēng)速V即為造成設(shè)施主體結(jié)構(gòu)受損的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值，即：

(6)

式中：f(Uj)為不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速對應(yīng)的極大風(fēng)速(單位：m·s-1)；j為設(shè)施類型，j=1代表日光溫室，j=2代表塑料大棚；ωj為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按照《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2016b)中4 m(日光溫室)和3 m(塑料大棚)高度標(biāo)準(zhǔn)取值，ω1=0.76，ω2=0.7。

根據(jù)1.2節(jié)風(fēng)災(zāi)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，各等級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值按照式(7)計(jì)算：

Vi,j=Vjαi

(7)

式中:Vi，j為不同等級日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值(單位：m·s-1)；i為風(fēng)災(zāi)等級(分別為Ⅰ和Ⅱ)；αi為不同等級風(fēng)災(zāi)影響系數(shù)，根據(jù)張波(2013)，日光溫室和塑料大棚頂部和側(cè)面局部往往承受的風(fēng)壓較大，即當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定量級，以上部位棚膜首先被損壞，而風(fēng)在設(shè)施表面產(chǎn)生的風(fēng)壓可通過風(fēng)荷載體型系數(shù)體現(xiàn)，根據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(2016b)相關(guān)規(guī)范，0°風(fēng)向時設(shè)施頂部和垂直風(fēng)向的設(shè)施表面風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.8，同時參考蒲福風(fēng)力等級影響以及風(fēng)力為6～8級時相鄰等級間風(fēng)速閾值比值，由此以Ⅰ級風(fēng)災(zāi)的影響系數(shù)αⅠ=1.0為標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ級風(fēng)災(zāi)影響系數(shù)αⅡ=αⅠ×0.8=0.8。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速

利用1.4節(jié)中介紹的方法計(jì)算不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速，并檢驗(yàn)函數(shù)模擬擬合優(yōu)度，結(jié)果顯示：全國2 467 個氣象觀測站點(diǎn)中，共1 714個站點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果通過檢驗(yàn)，基于上述1 714個站點(diǎn)計(jì)算20 a、10 a 重現(xiàn)期最大風(fēng)速，結(jié)果見圖1和圖2?？梢?，最大風(fēng)速高值區(qū)主要分布在西藏中東部、新疆中東部、青海、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林和遼寧大部、山西中北部、河北南部、山東半島、華南和東南沿海地區(qū)等地，其中西藏北部、內(nèi)蒙古北部、青海西部、新疆北部等地受地形等因素影響，華南沿海地區(qū)受臺風(fēng)影響，20 a、10 a一遇最大風(fēng)速分別在21 m·s-1和17 m·s-1以上；最大風(fēng)速低值區(qū)主要分布在長江以南的非沿海地區(qū)，其中湖北南部、湖南、江西、華南西部和北部、四川盆地等地20 a、10 a一遇最大風(fēng)速均在14 m·s-1以下；其他地區(qū)屬于風(fēng)速較高值區(qū)，大部地區(qū)20 a、10 a一遇最大風(fēng)速在14～17 m·s-1。可見，在不同地區(qū)，不考慮設(shè)施體型、高度等風(fēng)荷載參數(shù)不同的情況下，即使是相同設(shè)計(jì)使用年限的溫室或大棚，其基本風(fēng)壓、抗風(fēng)能力也會有所差別，在溫室和大棚建造時，應(yīng)加以考慮。

圖1 全國20 a重現(xiàn)期最大風(fēng)速分布(港澳臺數(shù)據(jù)由克里金插值法計(jì)算獲得，下同)Fig.1 Maximum wind speed distribution with a return period of 20 years in China(Hong Kong, Macao and Taiwan data are obtained by Kriging interpolation method, the same below)

圖2 全國10 a重現(xiàn)期最大風(fēng)速分布Fig.2 Maximum wind speed distribution with a return period of 10 years in China

2.2 最大風(fēng)速與極大風(fēng)速換算系數(shù)

考慮到各地氣候特點(diǎn)不同，以及近年來氣候較20世紀(jì)80年代之前的變化(孟丹等，2019；敖雪等，2020)，如最大風(fēng)速與極大風(fēng)速換算系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(朱瑞兆，1976)取值，在時間和空間上將會存在一定差異，為使指標(biāo)更加準(zhǔn)確，本文利用1.5節(jié)中介紹的β計(jì)算方法，對各站點(diǎn)最大風(fēng)速與極大風(fēng)速換算系數(shù)進(jìn)行估算。分析結(jié)果顯示，兩者間存在f(x)=kx+b的線性關(guān)系，且所有站點(diǎn)線性方程均可通過P<0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，全國85%的站點(diǎn)參數(shù)b的絕對值在[0，1]，99%站點(diǎn)參數(shù)b的絕對值在[0，2]。因此，擬將參數(shù)k作為最大風(fēng)速U與極大風(fēng)速換算系數(shù)，即極大風(fēng)速為Uk。經(jīng)方差分析檢驗(yàn)，f(x)與Uk無明顯差異，因此，k可作為最大風(fēng)速與極大風(fēng)速換算系數(shù)，尤其是在極大風(fēng)速資料獲取困難、無法構(gòu)建極大風(fēng)速與最大風(fēng)速轉(zhuǎn)換方程的情況下使用，由此圖3給出了k的空間分布?？梢姡琸值在長江以南地區(qū)和新疆較大，大部在1.6～1.9；在東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、青海、河南、安徽、廣西等地最小，普遍在1.1～1.6，與重現(xiàn)期風(fēng)速大小的空間分布大致相反。從全國來看，77%站點(diǎn)的k在1.4～1.8，全國平均值為1.6。

2.3 風(fēng)災(zāi)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由于日光溫室以冬季保溫為目的，主要分布在長江以北和高海拔地區(qū)，塑料大棚則在全國范圍內(nèi)均有分布。根據(jù)1.5節(jié)方法，計(jì)算日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值，Ⅰ級指標(biāo)閾值分布見圖4和圖5?？梢?，風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值高值區(qū)主要分布在西藏、新疆、青海、甘肅中北部、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、山西中北部、河北中南部、山東半島等地，以上地區(qū)日光溫室和塑料大棚Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)分別為極大風(fēng)速≥24.0 m·s-1和≥21.9 m·s-1；指標(biāo)閾值低值區(qū)主要分布在河南西部以及長江以南的湖北南部、貴州東北部、重慶東南部、湖南西北部、江西、廣西中北部等地，日光溫室和塑料大棚(以塑料大棚為主)Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)分別為極大風(fēng)速在[15.2，19.0] m·s-1和[13.5，16.9] m·s-1；其他地區(qū)屬于指標(biāo)較高值區(qū)，主要為黃淮海地區(qū)、西北地區(qū)東南部和長江以南非沿海的大部分地區(qū)，Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)位于高值區(qū)和低值區(qū)的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)之間。當(dāng)極大風(fēng)速達(dá)到或超過以上標(biāo)準(zhǔn)，日光溫室和塑料大棚主體結(jié)構(gòu)可能損壞或倒塌。

圖3 全國最大風(fēng)速與極大風(fēng)速換算系數(shù)Fig.3 The conversion factor between maximum wind speed and extremum wind speed in China

指標(biāo)高值區(qū)的日光溫室和塑料大棚Ⅱ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)分別為極大風(fēng)速在[19.2，24.0) m·s-1和[17.5，21.9) m·s-1，低值區(qū)指標(biāo)分別為極大風(fēng)速在[12.2，15.2] m·s-1和[10.8，13.5] m·s-1，其他地區(qū)屬于風(fēng)災(zāi)指標(biāo)較高值區(qū)，當(dāng)極大風(fēng)速達(dá)到或超過以上標(biāo)準(zhǔn)，日光溫室和塑料大棚棚膜可能被損壞或掀翻。由于風(fēng)災(zāi)Ⅱ級指標(biāo)閾值與Ⅰ級指標(biāo)閾值分布相同，只存在量級上的差異，因此不再給出空間分布圖?？梢?，風(fēng)災(zāi)指標(biāo)存在空間差異，如采用同一抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)建造日光溫室或塑料大棚，一定程度上可能會造成抗風(fēng)能力不足而影響使用，或者抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)過高浪費(fèi)生產(chǎn)成本。

圖4 日光溫室Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值分布Fig.4 Threshold distribution of Level Ⅰ index of wind disaster in solar greenhouse

圖5 塑料大棚Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值分布 Fig.5 Threshold distribution of Level Ⅰ index of wind disaster in plastic tunnel

3 風(fēng)災(zāi)指標(biāo)檢驗(yàn)

3.1 合理性檢驗(yàn)

從2009—2018年全國風(fēng)災(zāi)災(zāi)情數(shù)據(jù)中共提取出754個農(nóng)業(yè)設(shè)施受災(zāi)，根據(jù)風(fēng)災(zāi)發(fā)生時間、地點(diǎn)，從災(zāi)情記錄和觀測數(shù)據(jù)中提取每個風(fēng)災(zāi)過程中的日極大風(fēng)速，將其與風(fēng)災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，各風(fēng)災(zāi)樣本的極大風(fēng)速觀測值與風(fēng)災(zāi)指標(biāo)顯著相關(guān)(n=754，r=0.372，P<0.05)。說明各地風(fēng)災(zāi)發(fā)生時的極大風(fēng)速與該地風(fēng)災(zāi)指標(biāo)具有較好的一致性。此外，754個檢驗(yàn)樣本中極大風(fēng)速觀測值≥10.8 m·s-1(塑料大棚風(fēng)災(zāi)Ⅱ級指標(biāo)閾值下限)的占比為97.6%，一定程度也反映了指標(biāo)的合理性。

3.2 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

因歷史災(zāi)情資料中大多未明確記錄承災(zāi)體類型是日光溫室或是塑料大棚，受災(zāi)程度為棚膜受損還是主體結(jié)構(gòu)受損，因此很難對災(zāi)害指標(biāo)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，這也是目前很多指標(biāo)缺少驗(yàn)證的主要原因。因此，本文選擇南、北方設(shè)施農(nóng)業(yè)主要分布和適宜發(fā)展地區(qū)(張亞紅，2003)中的代表省份山東省(黃淮海地區(qū))、甘肅省(西北地區(qū))，以及江西省、湖北省和江蘇省(長江中下游地區(qū))，從2020年風(fēng)災(zāi)災(zāi)情中提取有詳細(xì)記錄的24個農(nóng)業(yè)設(shè)施受災(zāi)樣本，進(jìn)一步對風(fēng)災(zāi)指標(biāo)和等級進(jìn)行驗(yàn)證，并規(guī)定風(fēng)災(zāi)樣本中觀測極大風(fēng)速與風(fēng)災(zāi)等級及其對應(yīng)的指標(biāo)范圍完全吻合即為“符合”，相差一個等級為“基本符合”，否則為“不符合”，驗(yàn)證結(jié)果見表1。表1顯示，24個風(fēng)災(zāi)樣本中，17個樣本的驗(yàn)證結(jié)果為“符合”；4個樣本極大風(fēng)速觀測值與日光溫室、塑料大棚的Ⅱ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)吻合，但未達(dá)到1級指標(biāo)即出現(xiàn)“部分結(jié)構(gòu)損壞”，驗(yàn)證結(jié)果為“基本符合”；3個樣本在極大風(fēng)速觀測值未達(dá)到風(fēng)災(zāi)Ⅱ級指標(biāo)即出現(xiàn)“棚膜受損”，驗(yàn)證結(jié)果為“不符合”，但指標(biāo)閾值與極大風(fēng)速觀測值相差較小，均在2.0 m·s-1以內(nèi)?？梢姡疚拇_定的日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)較為準(zhǔn)確。

表1 2020年代表省份設(shè)施農(nóng)業(yè)風(fēng)災(zāi)指標(biāo)驗(yàn)證Table 1 Wind disaster index verification of facility agriculture in representative provinces in China in 2020

4 結(jié)論與討論

根據(jù)我國主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施(日光溫室和塑料大棚)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，基于氣候特點(diǎn)及風(fēng)對農(nóng)業(yè)設(shè)施致災(zāi)原理，確定了日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)等級及相應(yīng)等級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)。日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)閾值呈北方、沿海地區(qū)及高海拔地區(qū)大、南方及低海拔地區(qū)小的特點(diǎn)。指標(biāo)閾值高值區(qū)主要集中在西北地區(qū)中西部、內(nèi)蒙古、東北地區(qū)和華北部分地區(qū)以及沿海地區(qū)，日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)Ⅰ級指標(biāo)分別為極大風(fēng)速≥24.0 m·s-1和≥21.9 m·s-1，Ⅱ級指標(biāo)分別為[19.2，24.0) m·s-1和[17.5，21.9) m·s-1，上述地區(qū)農(nóng)業(yè)設(shè)施一般宜為抗風(fēng)和保溫性能好、厚度較厚的鋼、鍍鋅管等材料；湖北南部、江西、湖南、廣西和四川盆地東部等地屬于指標(biāo)閾值低值區(qū)，塑料大棚Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)為極大風(fēng)速[13.5，16.9] m·s-1，Ⅱ級指標(biāo)為[10.8，13.5] m·s-1，上述地區(qū)農(nóng)業(yè)設(shè)施主體結(jié)構(gòu)一般為厚度較薄的經(jīng)濟(jì)型材料，農(nóng)業(yè)設(shè)施以塑料大棚為主，如設(shè)施內(nèi)栽培經(jīng)濟(jì)價值較高的作物，則多采用玻璃或大型連棟溫室等抗風(fēng)性能更好的設(shè)施；全國其余大部地區(qū)為指標(biāo)閾值較高值區(qū)，也是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)主要分布區(qū)域，設(shè)施主體結(jié)構(gòu)一般為可綜合考慮抗風(fēng)性能和經(jīng)濟(jì)投入的標(biāo)準(zhǔn)日光溫室和塑料大棚。張波(2013)通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到塑料大棚和日光溫室的致災(zāi)臨界極大風(fēng)速分別為14.5 m·s-1和18.8 m·s-1，在本研究塑料大棚和日光溫室風(fēng)災(zāi)Ⅱ級指標(biāo)較高區(qū)域范圍之內(nèi)；張淑杰等(2015)對東北地區(qū)2013年大風(fēng)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，80%以上風(fēng)災(zāi)樣本導(dǎo)致掀棚的極大風(fēng)速在20 m·s-1以上；郭小芹等(2016)給出了甘肅省武威市設(shè)施農(nóng)業(yè)輕度、中度和重度風(fēng)災(zāi)指標(biāo)的極大風(fēng)速分別為13.8～17.1、17.1～20.7和 20.7～24.4 m·s-1，與本文的研究結(jié)果較為一致。此外，現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)(山西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2016；遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2015；浙江省市場監(jiān)督管理局，2021)中，山西省塑料大棚和日光溫室棚膜被吹破的指標(biāo)分別為風(fēng)力7～8級和8～9級，遼寧省風(fēng)力達(dá)8～9級時啟動風(fēng)災(zāi)橙色預(yù)警，浙江省塑料中棚和單體鋼架大棚中度和重度受損的指標(biāo)分別為風(fēng)力6～7級和8級以上，均與本文研究結(jié)果較為吻合。

本研究風(fēng)災(zāi)指標(biāo)可為不同地區(qū)日光溫室和塑料大棚風(fēng)災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警和評估提供依據(jù)和參考，同時生產(chǎn)者可根據(jù)預(yù)報(bào)風(fēng)速對應(yīng)的不同風(fēng)災(zāi)等級，采取相應(yīng)防御措施，提高防災(zāi)避險的有效性，減少不必要的生產(chǎn)成本浪費(fèi)。當(dāng)預(yù)報(bào)的極大風(fēng)速達(dá)到Ⅱ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)時，生產(chǎn)者可通過適時關(guān)閉通風(fēng)口、提前修補(bǔ)破損棚膜，增加設(shè)施密封性，并通過采取壓嚴(yán)和抻平棚膜、增加壓膜線等措施，提高設(shè)施防風(fēng)性，北方日光溫室在沒有降雨、降雪的大風(fēng)天氣，可適當(dāng)增加草簾厚度，同時用繩索、紗袋等固定、壓牢，減少棚膜受災(zāi)風(fēng)險；當(dāng)預(yù)報(bào)的極大風(fēng)速達(dá)到Ⅰ級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)時，除采?、蚣夛L(fēng)災(zāi)相應(yīng)防御措施外，還應(yīng)采取加固或增加棚室立柱和骨架等措施，提高設(shè)施主體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力，必要時可適時揭膜或破膜保棚，減少因垮棚而造成的經(jīng)濟(jì)損失，對于北方日光溫室，還可采取在后墻設(shè)置防風(fēng)膜等風(fēng)災(zāi)防御措施。此外，基于本文風(fēng)災(zāi)指標(biāo)，可計(jì)算全國不同區(qū)域日光溫室和塑料大棚基本風(fēng)壓，其結(jié)果也可為設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)投資和合理布局提供參考，以防止因設(shè)施抗風(fēng)能力不足導(dǎo)致受災(zāi)風(fēng)險增大，或因風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)過大導(dǎo)致建造成本浪費(fèi)。

在進(jìn)行指標(biāo)合理性檢驗(yàn)時，2.4%的災(zāi)害樣本在未達(dá)到風(fēng)災(zāi)指標(biāo)的情況下出現(xiàn)了不同程度災(zāi)情，主要原因之一可能是在風(fēng)災(zāi)發(fā)生期間，同時伴隨其他災(zāi)害性天氣，之二可能是承災(zāi)體為閑置的年久失修大棚或者簡易拱棚等，基于以上情況，今后風(fēng)災(zāi)指標(biāo)在構(gòu)建時還應(yīng)進(jìn)一步考慮利用其他致災(zāi)因子和周期因子對指標(biāo)加以修正；還有部分樣本的觀測風(fēng)速明顯偏大，可能是受客觀條件所限，該地區(qū)樣本較少，有記錄的災(zāi)情多為受災(zāi)極為嚴(yán)重的情況。利用2020年災(zāi)情資料對風(fēng)災(zāi)指標(biāo)準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)結(jié)果總體較好，但甘肅省風(fēng)災(zāi)指標(biāo)較樣本觀測值總體偏大，導(dǎo)致風(fēng)速未達(dá)到風(fēng)災(zāi)指標(biāo)，即出現(xiàn)設(shè)施受災(zāi)的情況，其原因可能是樣本中設(shè)施使用時間較久或疏于管理，也可能是當(dāng)?shù)卦O(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與本研究存在一定差異，具體原因還需進(jìn)一步調(diào)研確定。

本研究是以我國各地氣候特點(diǎn)及主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，在正常生產(chǎn)和管理的條件下，給出了北方日光溫室和全國塑料大棚不同等級風(fēng)災(zāi)指標(biāo)構(gòu)建方法，雖然一定程度上解決了目前農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)預(yù)報(bào)預(yù)警、評估指標(biāo)針對性不足、農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜風(fēng)災(zāi)指標(biāo)難以確定的問題，但由于農(nóng)業(yè)設(shè)施種類和用途繁多，即使是同種設(shè)施類型，其在不同地區(qū)間的規(guī)模、覆蓋材料、管理水平等方面仍存在差異，因此，其他類型和抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)指標(biāo)可參考本文方法進(jìn)行計(jì)算，在應(yīng)用時也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平、設(shè)施結(jié)構(gòu)材料本身特點(diǎn)等實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此外，根據(jù)工程技術(shù)規(guī)范(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2016a)，農(nóng)業(yè)設(shè)施用地一般選擇在背風(fēng)、非冰雹頻發(fā)、平整的地塊，地形坡度不宜大于10°，而實(shí)際生產(chǎn)中，受客觀條件所限，部分農(nóng)業(yè)設(shè)施并不能夠按照規(guī)范建造，且在風(fēng)災(zāi)發(fā)生時還可能伴隨冰雹、暴雨等災(zāi)害性天氣，更易造成棚膜破損、主體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，一定程度上會降低設(shè)施的抗風(fēng)能力，針對以上情況，建議在實(shí)際應(yīng)用時對風(fēng)災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)折減。