海南温室大棚结构设计基本风压取值的研究

龚伟，刘建，杨小锋，庞真真

【摘要】台风在给海南岛带来降温、降雨，缓解夏日气候炎热的同时，也带来了暴风、海浪及暴雨等自然灾害，给海南岛的设施农业造成巨大经济损失。因此对台风登陆海南岛规律的研究，不仅可以帮助了解台风对海南岛影响的分布情况，还可以为岛内各地区的温室大棚设计提供一个合理的设计依据，减少台风对海南岛设施农业造成的损害。文章对1966～2015年50年间登陆海南岛的97场台风路径进行统计，重点分析了登陆台风的风力等级、登陆路径和登陆频次；制作出了登陆路径图，风力分布图等图表；并根据海南设施农业不同的设计使用年限要求，将台风的风力大小进行了分类，得出不同分类等级（8级及以上、10级及以上、12级及以上）条件下岛内各地区的风压分布图，并结合设计经验总结出了岛内各地区温室大棚结构设计的基本风压取值。

引言

海南省地处中国南部，拥有广阔的海洋及诸多岛屿。海南岛为海南省最大的岛屿，受热带亚热带季风气候的影响，台风多发。岛内平均海拔仅为120 m，沿海地区海拔高度更低，台风所带来的飓风、暴雨、巨浪等给海南省造成了巨大的经济损失。

2011年9月29日14：30，第17号强台风“纳沙”登陆海南文昌，据海南省18个市（县）民政部门统计，截至10月8日18：00，强台风“纳沙”造成海南全省受灾人口347.84万人，因灾死亡1人，紧急转移人口35.96万人（其中受灾人口转移25.93万人，紧急避险转移人口10.03万人），因灾直接经济损失67.64亿元；强熱带风暴“尼格”造成海南省104.17万人受灾，紧急转移人口92116人（其中受灾人口转移64886人，紧急避险转移人口27630人），因灾直接经济损失4.77亿元[1]；2014年7月18日15：00，第9号超强台风“威马逊”登陆海南文昌，海南省政府发布，截至7月20日，海南省有18个市县216个乡镇（街道）受灾，受灾人口325.8万人，受灾农作物面积162.97 khm2，倒塌房屋23163间，直接经济损失108.28亿元，其中农林牧渔业损失44.6亿元、工业交通运输业损失8.7亿元、水利设施损失

3.69亿元[2]。由此可见，一旦台风登陆海南岛，往往会造成巨大的经济损失。

设施农业在海南发展较为迅速。在2014年海口市委召开的十二届二次全市经济工作会议中，拟将海口新坡、那力洋等地打造为蔬菜基地，新建设成为333.5 hm2高标准蔬菜大棚[3]；2016年海南全省蔬菜收获面积397.57万亩（26.5万hm2），增长0.4%；蔬菜产量达571.88万t[4]。因此，设施农业在海南具有广阔的发展前景。

海南设施农业在大力发展的同时，台风的侵袭危害也不容忽视。受2010年7月16日登陆海南三亚亚龙湾的第2号台风“康森”影响，三亚中档钢架大棚有23220 m2骨架受损，其中，11808 m2出现了棚体倾斜，11412 m2出现了棚体倒塌现象。简易荫棚约有10000 m2出现了整体倒塌。低档钢架大棚有3330 m2出现了棚体倒塌，简易钢架棚有20010 m2 出现倒塌[5]；受2016年10月18日登陆海南万宁的第21号台风“莎莉嘉”影响，海南常年冬季瓜菜受灾面积达14.2万亩（9466.7 hm2），2300万株冬季育苗瓜菜受到影响，大棚及棚内瓜菜估损8140.8万元；海口市云龙镇农业生产设备设施遭到破坏，其中农业大棚基地235亩（15.7 hm2）全部不同程度受灾；万宁市的农业生产造成严重影响，经济损失合计2757万元，其中常年蔬菜受灾8050亩（536.7 hm2）、温室大棚损毁32.24 亩（2.15 hm2）[6]。

在对海南岛台风研究方面，张凯荣等根据1957～2006年50年来海南岛东部的台风记录进行了统计，并对其进行了其灾害性评价，得出了登陆海南岛东部的台风年际和月际的明显变化及登陆地点分布不均等规律，根据其灾情指数的描述，显示出海南台风灾害严重，93.3%的台风造成重灾[7]。

研究方法与数据来源

数据来源

台风路径资料来自于中国气象局热带气旋资料中心提供的1949～2015年热带气旋最佳路径数据。该文选取了1966～2015年50年间的台风路径数据，从西太平洋地区所产生的1675次热带气旋资料中整理了登陆海南岛的97次热带气旋数据，并对其路径、登陆时风速进行了统计，并把统计结果与中国天气-台风网、中央气象台台风网上的台风路径进行了校对检查。

研究方法

台风发生过程伴随着强风，通过测定台风风力，可以判断台风等级。根据中国的《热带气旋等级标准》（GB/T19201-2006），按近中心最大风力（速）划分为6个等级：热带低压（10.8～17.1 m/s），

热带风暴（17.2～24.4 m/s），强热带风暴（24.5～

32.6 m/s），台风（32.7～41.4 m/s），强台风（41.5～

50.9 m/s）和超强台风（≥51.0 m/s）[8]。

根据热带气旋强度等级划分标准，将登陆海南岛的台风划分为8级及以上、10级及以上、12级及以上、14级及以上4个分析段，通过作图，对不同台风等级分别进行风力图表及台风登陆路径分析，得出海南省各地所受台风风力的影响程度，并计算出各地风压取值。

热带气旋登陆海南岛频率分析

登陆海南岛台风全路径

1966～2015年间登陆海南岛的热带气旋达97次，年平均1.94次。其中风力达到8级及以上的达67次，占比69.1%，风力达10级及以上的达53次，占比54.6%，风力达12级及以上的达25次，占比25.8%，风力达14级及以上的达6次，占比0.062%。

1966～2015年50年登陆海南岛热带气旋总览

通过对50年来所有热带气旋等级以上台风资料的登陆次数和登录月份进行分析（图1），可以明显看出，1966～2015年海南岛台的多发月份为7～9月，这3个月平均登陆次数多达20次，其次是10～11月份和6月份。

通过近50年登陆海南岛的台风统计，海南岛设施农业适宜的种植期为12月初～次年的5月，在此期间，台风发生不频繁，4月及5月虽有台风发生，但强度不高，对农业生产造成的影响有限；在6～11月期间，为发台风较多的时期，在此期间应做好台风的防范工作，避免台风的突然来袭，给设施农业带来巨大的经济损失。

登陆海南岛台风路径研究

1966～2015年50年各等级台风登陆海南岛路径

强热带风暴

强热带风暴中心附近最大风力达到10～11级（24.5～32.6 m/s），此时树木能够被吹断，对农业也会造成较大的影响。从50年来强热带风暴路径（图2）来看，风力在24.5 m/s以上的热带气旋几乎横扫过整个海南岛，覆盖范围之广，对各个地区都有一定的影响。

台风

台风中心附近最大风力达到12～13级（32.7～41.4 m/s），登陆后可能摧毁庄稼、各种建筑设施等，造成人民生命、财产的巨大损失。

从近50年来台风的路径（图3）来看，风力在32.7 m/s以上时，登陆海南岛的台风大都集中在海南岛的东北部及南部，海南岛中部地区的儋州、临高、澄迈、屯昌和定安地区因近50年来达到此等级的台风只有两次，所受影响较少。

强台风

强台风中心附近最大风力达到14～15级（41.5～50.9 m/s）、中心附近最大风力达到16级（51.0 m/s）及以上時称为超强台风。因其发生频次较少，在50年间总共发生了6次，年均0.12次，分别为1970年的15级强台风Joan、1973年的15级强台风Marge、1981年的14级强台风Kelly、2005年的14级强台风Damrey、2014年的14级强台风Kalmaegi和2014年的17级超强台风Rammasun，这里统一进行统计。这两类台风所产生的后果具有极强的灾难性甚至是毁灭性。虽然登陆海南岛的此类台风仅发生过6次，但其每次所产生的影响可以达到半个甚至是整个海南岛，从路径图（图4）上来看，主要在海南岛的东（北）部及南部登陆。

1996～2015年20年登陆海南岛台风路径

因温室使用年限很少有超过50年的，5年及10年的重现期因数据过少从而不具有代表性，海南岛的生产型温室又以塑料大棚、温室为主，所以单独选取了1996～2015年20年间登陆海南岛的台风路径进行了统计分析。

近20年，登陆海南岛热带气旋中心附近最大风力等级在10级或10级以上的台风也遍布整个海南岛（图5），影响范围较为广阔。其中临高及澄迈、定安地区虽有台风路过，但路经次数相对较少。

当风力等级在12级或12级以上时，台风的登陆数量及登陆路径分布（图6）呈现出明显的规律性，即登陆数量明显减少（9次）、路径集中在海南岛的东北部及南部；岛中部的澄迈、临高、儋州、白沙、屯昌和定安地区没有台风中心经过。

当风力等级在14级或以上时，台风登陆数量少，20年中仅有3次登陆海南岛，登陆路径沿着海南岛的东北部和中部地区（图7）。但从对海南岛带来的灾害来看，影响非常的严重，尤其是文昌，有2次台风都给给文昌地区带来了灾难性的后果，严重影响设施农业的发展。

对台风路经区域统计分析

通过对台风路经地区风力等级进行统计、作图，可以得出台风登陆海南岛过程中经过的市县，对路径中各市县的风速进行记录、归类，可以直观地判断台风路径所经过各地的风力大小及频次（图8），其中风力大小为登陆时风力的大小，未考虑登陆后风力降低的情况，因此该图仅能反应台风登陆后的途经海南各地的频次规律。

由图8可以看出，当台风等级为≥10级时，各地台风路经的频次都较高，其中以文昌、万宁、三亚、琼中、乐东、东方等沿海地区的频次较高，但当将台风等级提升为≥12级时，各地区的途经频次呈现明显差距。

台风登陆海南岛后风速变化

根据对台风登陆路径各点风速的统计，可以了解到大部分台风登陆海南岛后其风速开始下降，对此本文将台风登陆后的路径点及各点的风速做了简化处理，并应用插值法进行插值，制作出台风登陆后风力大小分区域的分布图。

（1）1966～2015年以来登陆海南岛所有台风登陆后风力大小分区域的分布图（图9）。可以看出，登陆海南岛的台风风力大都在12级以下，风力值较高的地区分布在文昌及乐东地区。但由于插值法在统计学上面有一定的缺陷，即对少数存在的极值点无法进行准确的显示，登陆海南岛的台风时常出现，所以本文按风力达到8级、10级、12级等不同等级以上的风力数据单独列出，并绘制了不同等级下风力值区域分布图。

（2）1966～2015年以来登陆海南岛台风等级达到8级以上的台风登陆后风力大小分区域的分布图（图10）。可以看出，在风力值达到8级（17.2 m/s）后，文昌、海口、定安、琼海北部、三亚东部、陵水东部、万宁东部及乐东等东部沿海一带受到台风的影响更为明显。

（3）1966～2015年以来登陆海南岛台风等级达到10级以上的台风登陆后风力大小分区域的分布图（图11）。在风力值达到10级（24.5 m/s）时，海南岛东北部地区及琼海北部地区所受到台风的影响更为剧烈，而海南岛中西部地区，即儋州、临高及澄迈地区则呈现出风力值偏低的现象。

（4）1966～2015年以来登陆海南岛台风等级达到12级以上的台风登陆后风力大小分区域的分布图（图12）。可以看出，登陆台风等级达到12级（32.7 m/s）时，台风的风力分布呈现东北部，中部和南部三个区域，文昌及琼海地区所受到的强台风影响较为严重。

海南地区设施农业基本风压的确定

基本风压确定

基本风压计算公式

W0 =I2 V2/1600

式中，W0 ——基本风压；I——结构重要性系数；V——基本设计风速，m/s。

运用基本风压计算公式，对登陆海南岛台风基本风力值进行计算，其中结构重要性系数I暂按1.0取值，得到基本风压值，再对其进行插值，制作出登陆海南岛台风基本风压图。根据基本风压图能够在确定海南岛各地温室大棚结构设计风压取值起到一定的参考作用。

1966～2015年全部台风基本风压分布情况

图13为由1966～2015年间全部台风计算插值得到的基本风压图。当风力等级小于8级时对海南的设施农业的参考意义不大。全部登陆台风中有较大部分的风压是小于8级的，导致平均后使得某些区域的平均风压值较小，如图中的琼海地区。为了更加准确的反应对设施农业有明显影响的8级以上台风在海南岛的基本风压分布情况。需要进一步对8级以上、10级以上、12级以上的台风进行插值计算，分别得到其基本风压分布图。

1966～2015年间台风风力大于8级基本风压分布情况

图14是8级（17.2 m/s）以上台风为插值计算后得到的基本风压分布图。如前所述，8级以上台风登陆路径遍布海南岛。因此设计使用年限在3年以下的简易大棚设施建议可采用此基本风压分布图。

1966～2015年间台风风力大于10级基本风压分布情况

图15是10级（24.5 m/s）以上台风插值计算后得到的基本风压分布图。根据统计50年来10级以上台风发生的总次数为53次，平均到海南岛的每个市县，发生的频次为4.04年/次。因此在设计使用年限8年以下的普通温室大棚设施建议可采用此基本风压分布图。

1966～2015年间台风风力大于12级基本风压分布情况

图16是12级（32.7 m/s）以上台风插值计算后得到的基本风压分布图。根据统计50年来12级以上的台风发生的总次数为25次，平均到每个市县，发生的频次为10.23年/次。因此在设计使用年限10年以上的高档温室、育苗温室、常年（永久）蔬菜大棚设施建议可采用此基本风压分布图。

海南温室大棚结构设计基本风压取值建议

表1是根据前述分析（8级及以上基本风压分布图）得到海南岛各市县设施农业基本风压的建议取值。表中重现期R=10的情况主要指用于西瓜、哈密瓜或其它短期使用的简易大棚、网室，其使用周期一般5年以下；重现期R=15的情况主要指用于普通蔬菜、苗木等生产的一般性大棚、荫棚等，其使用周期为一般为10年以下；重现期R=20的情况主要指育苗、观光的温室或保障性常年蔬菜大棚等，其使用周期为一般为10年以上（一般情况下，优先建议选用该值）。

由于表1取值均为登陆台风的中心风力（即过境时的最大风力），因此在使用时候建议参考《农业温室结构荷载规范》GB/T51183-2016的相关规定，进行荷载组合时，风荷载的分项系数取1，结构重要性系数可取0.9或0.95。

总结建议

（1）《农业温室结构荷载规范》GB/T51183-2016中根据农业温室的特点给出了海南主要地区的10、15、20年一遇的风压值，风荷载的组合分项系数为1。将规范中的风压值与本文的分析结果比较，除三亚外，其它地区的风压取值均较小。特别是儋州、琼海20年一遇的取值分别为0.48、0.58 kN/m2，按照分项系数为1的情况考虑，与设计实践差距较大，近年来在该地区按照接近该风压值设计的温室大棚发生损毁的情况时有发生。

（2）《建筑结构荷载规范》GB/T50009-2012中也给出了海南主要地区10、50、100年一遇的风压值，其中风荷载的组合分项系数为1.4。结合分项系数和风压值，本文的分析结果中“R=10”和“R=20”的风压值与该规范中“10年一遇”和“50年一遇”的风压值比较接近。如《建筑结构荷载规范》中海口地区50年一遇的风压值为0.75 kN/m2，乘以分项系数1.4后为1.05 kN/m2，而本文R=20的风压取值是1.10 kN/m2。

（3）《农业温室结构荷载规范》《建筑结构荷载规范》均只给出了海南典型地区的风压值，而对于岛内大部分地区的风压取值不明确，只能按就近原则近似取得。本文结果明确给出了各个市县的取值参考，具有操作性；同时也针对海南本地的设施类型分别来确定不同的取值大小，具有实用性；本文根据近50年来登陆台风分析得到的数据，其取值与现有的规范相近或略高，同时也根据本地区设计经验修正，具有可靠性。

（4）风荷载是海南地区温室大棚的主要荷载、也是起决定作用的关键荷载，其取值的科学性直接影响到设施农业的投资大小和生产成败的关键。大量的经验教训显示，一定要根据实际情况合理确定温室大棚类型和对应的风荷载取值，不能有侥幸心理和麻痹大意，否则带来的损失只会更大。

参考文献

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[2] 况昌勋.“威马逊”横行肆虐海南岛满目疮痍[N].海南日报，2014-07-20（A01）.

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[7] 张凯荣，宋长远，陈钰祥.近50年来海南岛东部台风记录及其灾害性评价[J].安徽农业科学，2010，38（23）：12880-12882.

[8] 殷潔，戴尔阜，吴绍洪，等.中国台风强度等级与可能灾害损失标准研究[J].地理研究，2013（02）：266-274.

项目支持：海南省自然科学基金项目资助（20153058、317049）。

作者简介：龚伟（1990-），男，本科生，研究方向：设施农业科学与工程。

通信作者：刘建（1982-），男，四川绵阳人，副教授，研究方向：农业设施结构工程与规划、设计。

[引用信息]龚伟，刘建，杨小锋，等.海南温室大棚结构设计基本风压取值的研究[J].农业工程技术，2017，37（34）：44-51.