城市射頻公眾曝露區(qū)域監(jiān)測最優(yōu)網(wǎng)格尺度研究

武攀峰，陸煒，姚穎，王國旗，黃昕

（1.南通市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226006；2.江蘇省核安全局，江蘇南京210019）

城市射頻公眾曝露區(qū)域監(jiān)測最優(yōu)網(wǎng)格尺度研究

武攀峰1，陸煒1，姚穎1，王國旗2，黃昕2

（1.南通市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226006；2.江蘇省核安全局，江蘇南京210019）

采樣密度最優(yōu)化是當前區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的難點問題，然而對區(qū)域射頻公眾曝露監(jiān)測的最優(yōu)尺度研究仍處于空白。該文以江蘇省南通市為例，采用新型車載監(jiān)測技術對城區(qū)區(qū)域射頻公眾曝露進行現(xiàn)場實測，構建3種網(wǎng)絡分布特征。研究結果顯示，2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km這3種網(wǎng)格尺度所得南通城區(qū)平均電場強度分別為（0.56±0.24）V/m、（0.57±0.27）V/m和（0.56±0.31）V/m，其中以1km×1km測試值最接近總體均值。經(jīng)Cochran理論計算法驗證，研究區(qū)域至少需要1km×1km網(wǎng)格密度的采樣尺度下，相對誤差為10%，才滿足Cochran公式獲取的最佳采樣網(wǎng)格數(shù)量。因此，1km×1km網(wǎng)格是以南通市為代表的我國II型大城市城區(qū)環(huán)境射頻電磁輻射測試的最優(yōu)網(wǎng)格尺度。

公眾曝露；射頻電磁輻射；區(qū)域監(jiān)測；最優(yōu)網(wǎng)格尺度

0 引言

移動通信基站（下稱“基站”）為主要污染源的射頻電磁輻射（RF）[1-2]，因長期照射可能會引起不孕不育甚至癌癥風險，引起了政府和公眾的關注[3-5]，為此，客觀、全面地評價城市區(qū)域射頻輻射公眾曝露特征顯得尤為重要，對此國內外開展了廣泛研究[1，4-7]。目前我國主要采用網(wǎng)格布點法[8]，將研究區(qū)域全區(qū)劃分為1km×1km或2km×2km小方格，取方格中心為測試位置。然而，網(wǎng)格尺度對區(qū)域測試精度有較大影響，近年來針對最優(yōu)采樣密度的研究主要集中在區(qū)域土壤、水環(huán)境、空氣質量監(jiān)測等領域[9-12]。比如土壤的空間變異性存在于不同尺度上的主要影響因子有顯著差異，這種差異限制了從一個空間尺度到另一個空間尺度的信息轉換，是空間尺度效應產(chǎn)生的根本原因[9]。電磁輻射因起步較晚且未引起足夠重視，至今對此項研究鮮有報道，而且電磁輻射受城市地形地物、高層建筑、樹木、高壓線等影響較大。為此，在區(qū)域監(jiān)測射頻電磁輻射時，選擇最優(yōu)網(wǎng)格尺度布點對測試結果將有較大影響，而且根據(jù)研究目的不同，可適當選擇最佳網(wǎng)格尺度。

本文以江蘇省南通市為研究對象，采用車載監(jiān)測技術對城區(qū)射頻電磁環(huán)境進行了詳盡測試，通過網(wǎng)格化構建，分析了3種網(wǎng)格尺度對區(qū)域場強統(tǒng)計結果及其區(qū)域空間分布的影響，并結合Cochran理論計算法提出我國II型大城市區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測最優(yōu)網(wǎng)格布設密度，為我國電磁環(huán)境質量監(jiān)測網(wǎng)建設提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南通市位于江蘇省東南部，與上海、蘇州隔江相望。全市總面積10549km2，總人口767.63萬人，根據(jù)國務院《關于調整城市規(guī)模劃分標準的通知》（2014年），以城區(qū)常住人口為統(tǒng)計口徑，南通被列入II型大城市。2014年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）5652.69億元[13]，列全國地級以上所有城市第25位，地級市第10位，年均增速11.5%以上。市轄4個行政區(qū)，市人民政府駐崇川區(qū)。經(jīng)濟的快速發(fā)展帶動了城市信息化進步，移動通信在經(jīng)濟發(fā)展、政府事務、企業(yè)管理和百姓生活等領域得到了廣泛應用，南通市已先后被確定為國家第2批三網(wǎng)融合試點城市、國家智慧試點城市和中歐綠色智慧試點城市。近3年全市移動通信基站增加4 700座[14]，高于2010年前的總和。與此同時，惠民智慧城市建設與基站“鄰避效應”矛盾突出[15]。

1.2 測試裝置與方法

測試裝置采用江蘇省核安全局研制的車載電磁輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)配置EMR300電磁輻射綜合場強儀（18C型探頭、頻響范圍為100kHz～3GHz、測試范圍為0.3～400V/m）、GPS等設備。車載儀器均通過計量檢定并在有效期內。

根據(jù)區(qū)域測繪地圖，車輛基于0.5 km×0.5km網(wǎng)格加密沿路行駛，車速不超過30 km/h，數(shù)據(jù)獲取率為3次/s。測試時間為2015年11月至12月。射頻電磁以電場強度（或稱“場強值”）評價，單位為V/m。

1.3 數(shù)據(jù)處理及有效性分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用IBM SPSS 22.0軟件，繪圖工具采用SigmaPlot 12.5軟件。對車載系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進行質量控制，考慮到實際電磁環(huán)境的不穩(wěn)定性，測試數(shù)據(jù)中的極大極小值等異常值不能隨意剔除[13]，本次剔除的異常值主要是測量設備不穩(wěn)定運行及受高壓線影響所產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)，剔除異常值后即為有效測試數(shù)據(jù)。

1.4 網(wǎng)格化分析

首先建立數(shù)據(jù)庫，本研究共獲有效測試數(shù)據(jù)20 060組，每組數(shù)據(jù)包括測試時間、電場強度、經(jīng)度和緯度等信息；然后利用Mapinfo將研究區(qū)域劃分為2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km 3種尺度網(wǎng)格，得到各尺度網(wǎng)格數(shù)2km×2km為38個，1km×1km為152個，0.5km×0.5km為597個；然后統(tǒng)計每個網(wǎng)格經(jīng)緯度范圍內對應的數(shù)據(jù)，并計算所有電場強度數(shù)值的平均值，同時將計算結果導出至數(shù)據(jù)表，以方便進行后續(xù)的統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 不同網(wǎng)格尺度對場強范圍分布的影響

對實測20 060組數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，南通城區(qū)總體電場強度為（0.58±0.28）V/m（平均值±標準差，下同），低于GB 8702——2014《電磁環(huán)境控制限值》中公眾曝露控制限值（取最嚴格限值即30～3000MHz對應的電場強度為12V/m）。3種網(wǎng)格尺度下，2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km統(tǒng)計的研究區(qū)域平均電場強度分別為（0.56±0.24）V/m、（0.57±0.27）V/m和（0.56±0.31）V/m。以均值相比，2km×2km和0.5km×0.5km相等，1km×1km最接近總體均值（0.58V/m）；以標準差相比，數(shù)據(jù)離散程度以0.5 km×0.5 km最高，2 km×2 km最低，1 km×1 km居中。

圖1 不同網(wǎng)格尺度場強值頻數(shù)分布圖

圖1顯示了3種網(wǎng)格尺度下，各場強值的頻數(shù)分布情況，以百分比表示。由圖可知，當場強值〈0.5V/m或＞1.5 V/m時，0.5km×0.5km網(wǎng)格尺度占比最大，1km×1km次之，2km×2km最小。相反，當場強值位于0.51～1.5 V/m區(qū)間時，2 km×2 km網(wǎng)格尺度占比最大，1km×1km次之，0.5km×0.5km最小，很顯然隨著網(wǎng)格尺度增大，區(qū)域場強值被均化，趨向于中間水平。

2.2 不同網(wǎng)格尺度對場強空間分布的影響

為進一步了解網(wǎng)格尺度表征對空間地理分布測試結果的影響，筆者采用MapInfo工具按照3種網(wǎng)格尺度分別構建了南通城區(qū)射頻公眾曝露分布圖，圖中用不同顏色表示每個網(wǎng)格對應的場強均值，圖中方格顏色由綠變紅，代表的綜合場強值變大，如圖2所示。其中圖2（a）表示2km×2km，圖2（b）表示1km×1km和圖2（c）表示0.5km×0.5km。

由圖可見，3種網(wǎng)格尺度表征結果均顯示南通城區(qū)射頻場強值地理空間分布呈現(xiàn)出中心高外圍低，主城區(qū)北高南低的特點，整體差異性不大。但是隨著網(wǎng)格尺度增大，場強值的空間分布趨于平滑，對細節(jié)的反映能力越來越弱，2 km×2 km（圖2（a））表征時最為明顯。比如，緊鄰通呂運河東南側區(qū)域，在1km×1km和0.5km×0.5km分布圖（圖2（b）和圖2（c））上顯示為紅棕色，而在2km×2km中仍顯示為黃色，這主要是由于從小網(wǎng)格測試生成的大網(wǎng)格數(shù)據(jù)會造成部分特征空間數(shù)據(jù)信息的均化或丟失所致[16]。以綜合場強值超過1.0V/m為例，網(wǎng)格數(shù)從大到小依次為0.5km×0.5km為47個（占7.9%）、1km×1km為9個（占5.9%）、2km×2km為1個（占2.6%）。區(qū)域最大值分別為1.88，1.35，1.24V/m。網(wǎng)格尺度越小，網(wǎng)格越密，場強極值差別越明顯，越有利于選擇具有代表性的典型區(qū)域，但綜合考慮測試周期與成本，長期例行監(jiān)測應以1km×1km為佳。

2.3 不同網(wǎng)格尺度Cochran法驗證

大量研究利用Cochran最佳采樣數(shù)量計算公式[17]，依靠數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征進行最佳采樣數(shù)量的推薦。

圖2 不同網(wǎng)格尺度南通城區(qū)公眾曝露分布圖

Cochran法是針對區(qū)域純隨機采樣而構造的最佳采樣網(wǎng)格數(shù)量計算方法，目前在很多研究中被廣泛應用，計算公式為

式中：n——所需的采樣網(wǎng)格數(shù)量；

t——顯著性水平相對應的標準正態(tài)偏差；

Std——樣本標準差；

d——樣本平均值乘以相對誤差，%。

根據(jù)上述公式計算了南通城區(qū)射頻公眾曝露在一定置信水平和誤差要求下的合理采樣網(wǎng)格數(shù)量見表1。

表1 利用Cochran最佳采樣數(shù)量計算公式獲取研究區(qū)射頻公眾曝露合理網(wǎng)格數(shù)

由表可知，按照Cochran最佳網(wǎng)格數(shù)量公式，在置信水平為95%，相對誤差10%條件下，得到最佳采樣網(wǎng)格數(shù)為90個，即使當相對誤差達15%時，最佳采樣網(wǎng)格數(shù)也需40個以上。因此，研究區(qū)域至少需要1km×1km網(wǎng)格密度的采樣尺度下，相對誤差為10%，才滿足Cochran公式獲取的最佳采樣網(wǎng)格數(shù)量，而0.5km×0.5km尺度網(wǎng)格數(shù)為597個，遠大于94個明顯偏密。由此可見，1km×1km網(wǎng)格是以南通市為代表的我國II型大城市城區(qū)環(huán)境射頻電磁輻射測試的最優(yōu)網(wǎng)格尺度。

3 結束語

1）2 km×2 km、1 km×1 km和0.5 km×0.5 km共3種網(wǎng)格尺度所得南通城區(qū)平均電場強度分別為0.56±0.24V/m、0.57±0.27V/m和0.56±0.31V/m，均低于GB 8702——2014中公眾曝露控制限值。其中以1km×1km測試值最接近總體均值，數(shù)值離散度及極值以0.5km×0.5km最高，1km×1 km次之，2 km×2km最低。

2）隨著網(wǎng)格尺度增大，場強值的地理空間分布趨于平滑，對細節(jié)的表征能力變弱。網(wǎng)格尺度越小，網(wǎng)格越密，場強極值差別越明顯，越有利于選擇具有代表性的典型區(qū)域，但綜合考慮測試周期與成本，并經(jīng)Cochran區(qū)域純隨機最佳采樣網(wǎng)格數(shù)量公式計算驗證，1km×1km網(wǎng)格是以江蘇南通市為代表的我國II型大城市城區(qū)環(huán)境射頻公眾曝露測試的最優(yōu)網(wǎng)格尺度。

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（編輯：劉楊）

Study on optimal grid scale for regional monitoring of urban radio frequency public exposure

WU Panfeng1，LU Wei1，YAO Ying1，WANG Guoqi2，HUANG Xin2
（1.Nantong Environmental Monitoring Centre，Nantong 226006，China；2.Jiangsu Nuclear Safety Administration，Nanjing 210019，China）

The optimization of sampling density is a difficult problem in current regional environment monitoring.However，the research on the optimal scale of radio frequency public exposure regional monitoring is still in the blank.Taking Nantong city of Jiangsu Province as an example，the paper conducts field measurement of urban radio frequency public exposure with a new vehicle-mounted monitoring technology and constructs three kinds of network distribution characteristics.The results show that the average electric field strength of the city of Nantong，in terms of three grid scales，i.e.2km×2km，1km×1km and 0.5km×0.5km，are（0.56±0.24）V/m，（0.57±0.27）V/m and（0.56±0.31）V/m respectively，of which the value measured under 1km×1km is close to the overall mean value most.With the Cochran theoreticalcalculationmethod，it is proved that theoptimal sampling grid number obtained with the Cochran formula can only be realized when the relative error is 10%under a grid density of at least 1km×1km.Therefore，the grid of 1km×1 km is the optimal grid scale for the environmental radio frequency electromagnetic radiation measurement in the urban area in type II big cities represented by Nantong in China.

public exposure；radio frequency electromagnetic radiation；regional monitoring；the optimal grid scale

A

1674-5124（2017）08-0024-04

2016-09-20；

2016-11-08

江蘇省環(huán)保科研項目（2014030）；南通市科技計劃項目（HS2014022）

武攀峰（1979-），男，山西孝義市人，高級工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測與研究工作。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.006