天津市典型日光温室和塑料大棚雪荷载分布

赵慧霞，王 铸，刘 扬，张立生

(国家气象中心，北京 100081)

0 引言

设施农业是我国现代农业发展的一个重要方向。 自2007 年以来，天津市全力实施农业提升工程，设施农业已成为其农业重要的经济增长点[1]。 截至2013 年，天津市设施农业总面积已达3.5 万hm2，设施种植业年产值达60 亿元以上[2]。 但在全球气候发生重大变化背景下，极端天气气候事件发生频次增加，冬季暴雪天气时有发生，沉重的积雪常常会超出温室大棚设施的承载负荷，导致拱架坍塌或墙体损毁，造成经济损失[3]。 例如2010 年1 月2～4 日天津市出现了强降雪天气，对设施农业和渔业等造成严重影响，武清、汉沽等地部分温室、大棚倒塌，直接经济损失近4000 万元。

2016 年8 月《农业温室结构荷载规范》(GB/T51183—2016)[4]发布，该标准中的温室结构设计用全国各地基本雪压值仍沿用2012 年发布的《建筑结构荷载规范》GB50009—2012[5]中的基本雪压值。 该基本雪压值是根据全国672 国家基本气象观测站建站至2008 年的年积雪深度极值计算得到，天津仅有两个气象观测站的基本雪压规范值。 因此，根据这两个站的雪压规范值计算的雪荷载值已不能反映近年天津市雪荷载的实际情况。 对于天津各地近年来快速发展的设施农业，有必要进行更精细、更新的规范值计算。 近年来中国雪荷载影响的研究多集中在房屋、桥梁及大跨度轻钢结构建筑等方面[6-7]，对于日光温室和塑料大棚等特殊几何形体屋面建筑的研究仍相对较少。 罗新兰等[8]就辽宁省较为普遍的日光温室雪荷载分布进行了分析；康朝杰等[9]基于极大似然法估算了沭阳县基本雪压，但未对雪荷载进行分析计算，孙德发等[10]以华东连栋塑料温室为例对不同设计标准的承受雪荷载能力进行了对比分析。

天津市设施农业类型以日光温室和塑料大棚为主(约占设施总面积的96%)[2]。 本文根据日光温室和塑料大棚使用寿命特点[4]，利用天津市13 个国家气象观测站1951—2018 年逐年最大积雪深度极值数据，采用极值Ⅰ型概率分布法，计算了天津市13 个国家气象观测站的10 年、15 年和20 年重现期的基本雪压，再结合温室大棚的结构特点，确定典型日光温室和塑料大棚的屋面积雪分布系数，计算出其雪荷载值，以期为天津市设施农业的安全建筑提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文采用的年最大积雪深度数据资料来自国家气象信息中心整编1951—2018 年(共58 年)积雪数据集，其中天津市共有13 个国家气象观测台站(图1)。

1.2 积雪深度极值的估算方法

根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012)，计算多年一遇最大积雪深度采用极值Ⅰ型概率分布法，分布函数见公式1。 根据极值分布性质，可得出R 年一遇的最大积雪深度见公式2。

式中，Fh()为概率分布函数；α 为分布函数的尺度参数；u 是分布函数的位置参数；h 为年最大积雪深度；HR表示R 年重现期的最大积雪深度。 参数α、u 估计采用该规范推荐的耿贝尔法。 经柯尔莫格罗夫拟合适度检验[11-12]，在信度95%条件下天津市13 个气象观测站年最大积雪深度分布服从极值Ⅰ型分布。

1.3 天津市各地基本雪压的计算

由于雪压资料缺乏，因此采用积雪深度和积雪密度来计算基本雪压。 计算公式见(3)。

式中，PR为重现期R 的雪压(kN/m2)；HR为重现期R 时的积雪深度(m)；ρ 为积雪密度(kg/m3)；g为重力加速度9.8N/kg。

天津市地处华北地区，积雪密度可取130 kg/m3。 假定日光温室和塑料大棚使用期限为10年、15 年和20 年，利用极值I 型分布函数分别计算了10、15、20 年一遇最大积雪深度和相应的基本雪压。

1.4 天津市典型日光温室雪荷载的计算

日光温室雪荷载的计算采用《农业温室结构荷载规范》(GBT51183—2016)温室雪荷载计算公式:

式中，sk为雪荷载(kN/m2)， μr为屋面积雪分布系数； ct为加热影响系数； s0为基本雪压(kN/m2)。 天津地区日光温室和塑料大棚一般为非连续加热温室，因此ct取1；屋面积雪分布系数需根据不同的日光温室、塑料大棚构筑设计类型和特点分别计算。

2 结果与分析

2.1 积雪深度极值分布

受气候、地形、位置等因素影响，天津市年降水量分布不均，呈现自北向南递减的趋势。 其冬季(11 月至次年3 月) 全市平均降水量为98.7mm，空间分布亦大致为北部多、南部少，北部的宝坻多年平均降水量为103.8mm，南部的天津站(西青)为85.2mm。 建站以来各观测站记录的极端最大积雪深度值和出现时间见表1 所示。 天津市极端最大积雪深度值为50cm(1981 年12 月19 日宝坻)，其余站的年最大积雪深度极值在20～32cm，大港的年最大积雪深度极值相对其他站点最低，为2007 年3 月5 日的15cm。

图2 给出了宝坻和静海两站的年最大积雪深度的年际变化趋势线。 从图上可以看出，宝坻的年最大积雪深度年际变化显著，且略有下降趋势(未通过0.05 水平的显著性检验)；静海的年最大积雪深度也呈下降趋势(相关系数r=0.27)，这种下降趋势在0.05 显著性水平上是显著的。

表1 积雪深度历史极大值及出现的时间表(建站至2018 年)Tab.1 The maximum value of snow depths and their appearance time (from establishment time of the stations to 2018)

2.2 不同重现期基本雪压分布

采用天津市13 个国家气象观测站1951—2018 年逐年年最大积雪深度极值，利用公式(2)和(3)计算10 年、15 年和20 年的基本雪压，见表2，其空间分布基本与年最大积雪深度极值分布相似。 其中，北部的宝坻基本雪压最大，10 年、15 年和20 年的重现期基本雪压分别达0.25kN/m2、0.29kN/m2和0.32kN/m2；南部的大港基本雪压值最小，分别为0.13kN/m2、0.14kN/m2和0.16kN/m2。 《农业温室结构荷载规范》(GBT51183—2016)中天津的温室结构设计用基本雪压值仅给出了两个地区的值、天津市10 年、15 年和20 年重现期基本雪压为0.25kN/m2、0.29kN/m2和0.31kN/m2；塘沽分别为0.20kN/m2、0.24kN/m2和0.26kN/m2)。如果塘沽地区参照规范中的塘沽的基本雪压值，除塘沽之外的12 个观测站均参照天津(西青)规范值，那么除了宝坻20 年重现期基本雪压高于规范值0.1kN/m2以外，其余所有计算值均小于规范值(表2)。

表2 天津市各地不同重现期基本雪压计算值Tab.2 The basic snow pressure values for different area in Tianjin in different return period

2.3 天津市典型日光温室雪荷载分布

天津市的设施农业温棚类型中，日光温室和塑料大棚处于主导地位。 本文以天津较为普遍的宝坻新开口二代温室日光温室[13]和北方常见的圆拱落地式塑料大棚[14]为例，根据公式(4)计算天津市各地日光温室和塑料大棚的雪荷载数据。标准的宝坻新开口二代日光温室净跨度为8m，屋脊高度为3.5m，后坡宽度1.5m，后坡仰角为45°。根据《农业温室结构荷载规范》设计的计算方法，得到该典型日光温室前屋面积雪分布系数μr为0.46，后屋面积雪分布系数为0.4。 将前后屋面雪荷载相加，即可得出日光温室的总雪荷载。 10年、15 年及20 年重现期雪荷载计算结果如表3所示，可见天津市典型日光温室雪荷载10 年重现期雪荷载范围为0.11 ～0.22kN/m2，15 年重现期雪荷载范围为0.12 ～0.25kN/m2，20 年重现期雪荷载范围为0.14 ～0.28kN/m2。 其中，以宝坻、塘沽和宁河为雪载荷较大值区，而天津(西青)、津南和大港为雪载荷较小值区。 圆拱落地式塑料大棚是北方常见也是天津常见的一种塑料大棚，以跨度10m，高度3m 的大棚为例，棚面雪荷载视为均匀分布，μr与大棚的高跨比r 有关，μr=1/8r =0.4，10 年、15 年及20 年重现期雪荷载计算结果如表3 所示，可见天津市圆拱落地式塑料大棚10年、15 年和20 年重现期雪荷载范围为0.06 ～0.12kN/m2，均小于典型日光温室雪荷载值，仍以宝坻、塘沽和宁河为雪载荷较大值区，而天津(西青)、津南和大港为雪载荷较小值区。

表3 天津市典型日光温室和塑料大棚雪荷载分布Tab.3 The distribution of snow load above the typical solar energy greenhouse and the plastic tunnel in Tianjin

3 结论与讨论

本文利用1951—2018 年逐年最大积雪深度数据，采用极值Ⅰ型概率分布法，计算了天津13个地区的10 年、15 年、20 年一遇的基本雪压，并以天津较为普遍的标准宝坻新开口二代日光温室和圆拱落地式塑料大棚为例，计算了其10 年、15年和20 年重现期雪荷载值，得到以下结论:

(1)如果除塘沽以外的其他地区的温室大棚建筑设计均参照《农业温室结构荷载规范》(GB/T51183—2016)中天津市的规范值，而塘沽地区参照该规范中塘沽的规范值，那么整个天津地区的农业温室大棚设计在冬季抗击雪压方面基本是安全的。 其中，津南、大港、蓟州、静海等地重现期基本雪压计算值远小于天津市的规范值，这些区域的温室大棚设计可能存在建筑资源的浪费和成本投入的增加。 因此天津市的设施农业温室结构设计规范的基本雪压值可进行区域精细化，在保障温室结构安全的同时减少建筑投入。

(2)天津市典型日光温室雪荷载10 年、15 年和20 年重现期雪荷载范围为0.11 ～0.28kN/m2，常见圆拱落地式塑料大棚雪荷载范围为0.06 ～0.12kN/m2，两者相比，后者的雪荷载值远小于前者。 区域分布上，两者雪荷载均以宝坻、宁河和汉沽较大，在这些地区发展日光温室，需加大温室的抗雪荷载能力；天津(西青)、津南和大港等地雪荷载值相对较小，从雪荷载的角度，对于发展农业温室大棚设施生产有利。

(3)在缺少雪压监测数据的情况下，本文研究的基本雪压是以华北地区的平均积雪密度、积雪深度计算得出，但积雪密度受气温、积雪深度、积雪时间等气象要素影响，因此，需进一步深入研究积雪密度影响机理，进而加强基本雪压和雪荷载研究，为温室大棚等农业设施建设提供更为科学的依据。 另外，冬季大风天气也是影响天津设施农业安全的一个气象因素，有必要将风、雪荷载结合起来做更多的研究分析。