王曉云 齊華月 陳志平
(核工業(yè)二七〇研究所,江西 南昌 330200)
南昌市電磁輻射環(huán)境現(xiàn)狀與評價
王曉云 齊華月 陳志平
(核工業(yè)二七〇研究所,江西 南昌 330200)
以南昌市東湖區(qū)為研究區(qū),用PMM8053B電磁輻射分析儀對研究區(qū)內(nèi)155個監(jiān)測點(diǎn)的電磁輻射環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測;應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)和風(fēng)險概率計算法對研究區(qū)電磁輻射環(huán)境進(jìn)行分析和評價,探討該區(qū)域電磁輻射分布規(guī)律、來源及污染水平,并在此基礎(chǔ)上探討電磁污染風(fēng)險概率。結(jié)果表明:研究區(qū)射頻電場強(qiáng)度及功率密度、工頻電場強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度均低于《電磁環(huán)境控制限值》(GB8702—2014)規(guī)定的限值,電磁輻射環(huán)境污染風(fēng)險概率幾乎為0;晝、夜射頻電場強(qiáng)度與基站使用程度有關(guān),晝、夜工頻電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度主要與變電站及高壓線布設(shè)相關(guān);由于公眾活動高峰時段不一致,導(dǎo)致同一點(diǎn)位晝、夜電磁輻射水平也有差異;若電磁輻射以年均8%的速度遞增,研究區(qū)電磁輻射水平將在57.07a后超過GB8702—2014的限值。
電磁輻射環(huán)境 射頻電場 工頻電場 工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度 風(fēng)險分析
Abstract: Focusing on Donghu Nanchang, this paper monitored the electromagnetic radiation environment of 155 sites using PMM8053B electromagnetic radiation analyzer. The paper explored the probability of electromagnetic pollution risk by statistics and risk probability calculation method to evaluate the electromagnetic radiation environment in the study area. Specifically,the electromagnetic radiation distribution,source and pollution level were discussed. The results showed that the intensity and power density of radio frequency electric field as well as intensity and magnetic induction density of power frequency electric field were all lower than the stipulated value in “Electromagnetic environment control limits” (GB 8702-2014). The probability of environmental pollution risk caused by electromagnetic radiation tended to 0. The radio frequency electric field intensity of day and night was correlated with the use of base stations. The intensity and magnetic induction density of power frequency electric field were mainly related to the layout of substations and high voltage lines. The level of electromagnetic radiation at the same point varied due to different peak hours of public activities. The study area’s level of electromagnetic radiation would exceed the stipulated value after 57.07 years if the electromagnetic radiation increased at an average annual rate of 8%.
Keywords: electromagnetic radiation environment; radio frequency electric field; power frequency electric field; power frequency magnetic induction intensity; risk analysis
隨著電磁技術(shù)廣泛應(yīng)用,城市電磁污染問題逐漸受到人們關(guān)注。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量研究。據(jù)報道,如果人體長期暴露在超過安全的輻射劑量環(huán)境中,體內(nèi)細(xì)胞會被大面積殺傷或殺死并出現(xiàn)病態(tài)表現(xiàn)[1-7]。從流行病學(xué)的角度來講,電磁輻射可對人體各系統(tǒng)產(chǎn)生損傷效應(yīng),另外電磁輻射會造成廣播、電視及自動控制信號失誤、干擾醫(yī)療器械及病人心臟起搏器等,從而帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失[8]。我國城市電磁輻射環(huán)境也出現(xiàn)各種新問題:如城市規(guī)模擴(kuò)大使得原處于市郊的大功率電磁波發(fā)射臺逐漸被新建居民區(qū)包圍,高壓線和變電站進(jìn)入城市中心區(qū)、移動通信的發(fā)展使得市區(qū)高層建筑各種天線設(shè)置數(shù)量大幅增加等。本研究以江西省南昌市東湖區(qū)電磁輻射環(huán)境為例,應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)和風(fēng)險概率計算法對研究區(qū)電磁輻射環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析和評價,并對電磁輻射環(huán)境容量進(jìn)行了估算,旨在為電磁輻射源的合理布局提供參考依據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于南昌市東湖區(qū),西北側(cè)以贛江為界、東側(cè)以青山湖為界、西南側(cè)以二七北路為界、南側(cè)以南京西路為界,研究區(qū)面積約為6.57 km2,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。區(qū)域多年平均氣溫17.6 ℃,平均日照1 895 h/a,平均降水量1 522 mm/a,平均無霜期280 d/a。
1.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)
監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)以東湖區(qū)地形圖為基準(zhǔn),參照《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器與方法》(HJ/T 10.2—1996),將研究區(qū)按200 m×200 m劃分網(wǎng)格,監(jiān)測點(diǎn)位取網(wǎng)格的交叉點(diǎn),考慮地形地物的影響,實(shí)際測點(diǎn)避開高層建筑物、樹木、金屬結(jié)構(gòu)、河湖面等,盡量選空曠地帶。本研究共設(shè)有效監(jiān)測點(diǎn)位155個(標(biāo)記為1#~155#),監(jiān)測過程中允許對規(guī)定監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,最大調(diào)整量為方格邊長的1/4。
1.3 監(jiān)測條件與方法
根據(jù)HJ/T 10.2—1996對監(jiān)測環(huán)境的規(guī)定,在無雪、無雨、無霧、無冰雹,天氣晴朗,溫度4 ℃以上,相對濕度小于80%,風(fēng)力小于3級的條件下對輻射環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測采用PMM8053B電磁輻射分析儀。測量指標(biāo)為:電場強(qiáng)度(E,V/m);磁感應(yīng)強(qiáng)度(B,μT)。監(jiān)測時間為2014年5—6月,對各監(jiān)測點(diǎn)分晝間(8:00—17:00)、夜間(19:00—23:00)兩次監(jiān)測。測量前,先用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位監(jiān)測點(diǎn)位置,記錄各個監(jiān)測點(diǎn)的經(jīng)緯度,并記錄周圍的環(huán)境狀況,監(jiān)測高度距地面約1.7 m,每個監(jiān)測點(diǎn)測量5次,每次測量觀察時間不少于15 s。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用SPSS 18.0軟件對研究區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)電磁輻射環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;采用Winsurf 6.0軟件中Kriging插值法繪制研究區(qū)射頻電場強(qiáng)度、工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布圖,借此分析研究區(qū)電磁輻射的空間分布特征。
1.5 風(fēng)險概率計算法
目前城市電磁輻射源主要為廣播電視發(fā)射及移動通訊設(shè)備,近年來移動通訊基站每年不斷增加,不同時間段的發(fā)射功率與手機(jī)用戶的數(shù)量有關(guān),具有隨機(jī)性,在此本研究采用概率論為基礎(chǔ)的數(shù)理模型定量研究城市電磁輻射污染風(fēng)險[9]。
2.1 電磁輻射環(huán)境現(xiàn)狀
研究區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)晝、夜電磁輻射環(huán)境狀況統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入SPSS 18.0軟件,根據(jù)分析結(jié)果,各指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,說明監(jiān)測數(shù)據(jù)有效。由表1可見,夜間射頻電場強(qiáng)度、工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度監(jiān)測值普遍高于晝間,整體呈“夜間>晝間”的規(guī)律。
表1 研究區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)晝、夜電磁輻射環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果
根據(jù)表1中監(jiān)測數(shù)據(jù),計算各指標(biāo)監(jiān)測值的變異系數(shù)(變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值),結(jié)果見表2。
表2 研究區(qū)電磁輻射環(huán)境各監(jiān)測指標(biāo)的變異系數(shù)
依據(jù)變異系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn):變異系數(shù)<0.1為弱變異;變異系數(shù)在0.1~<0.3為中等變異;變異系數(shù)≥0.3為強(qiáng)變異[10]。從表2可見,晝、夜間電磁輻射環(huán)境中射頻電場強(qiáng)度、工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的變異系數(shù)均超過0.3,屬于強(qiáng)變異,尤其是工頻電場強(qiáng)度晝、夜間的變異系數(shù)分別高達(dá)4.37、4.27,說明該指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果差異較大,可能受外界人為干擾明顯。
2.1.1 射頻電磁輻射環(huán)境
根據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)規(guī)定,射頻輻射源頻率在30~3 000 MHz時,電場強(qiáng)度的公眾暴露控制限值為12 V/m,功率密度公眾暴露控制限值為40 μW/cm2,由于本研究監(jiān)測的射頻電場頻率主要集中在30~300 MHz中,屬于微波段,根據(jù)表1中的監(jiān)測結(jié)果,研究區(qū)晝間射頻電場強(qiáng)度為0.14~2.16 V/m,平均值為0.45 V/m,僅為標(biāo)準(zhǔn)限值的3.8%;夜間射頻電場強(qiáng)度為0.13~3.55 V/m,平均值為0.49 V/m,僅為標(biāo)準(zhǔn)限值的4.1%。根據(jù)HJ/T 10.2—1996中的推薦公式,利用射頻電場強(qiáng)度監(jiān)測值計算射頻電場的功率密度,得到晝間各監(jiān)測點(diǎn)功率密度為0.01~1.23 μW/cm2,平均值為0.05 μW/cm2,僅為標(biāo)準(zhǔn)限值的0.1%;夜間各監(jiān)測點(diǎn)功率密度為0.01~3.34 μW/cm2,平均值為0.06μW/cm2,僅為標(biāo)準(zhǔn)限值的0.2%。綜上所述,研究區(qū)域內(nèi)整體電磁輻射水平較低,未出現(xiàn)超標(biāo)狀況。
2.1.2 工頻電磁輻射環(huán)境
根據(jù)GB 8702—2014規(guī)定,頻率在0.025~1.200 kHz的工頻輻射源其電場強(qiáng)度的公眾暴露控制限值為4 kV/m,磁感應(yīng)強(qiáng)度公眾暴露控制限值為100 μT,根據(jù)表1中的監(jiān)測結(jié)果,研究區(qū)晝間工頻電場強(qiáng)度為0.04~1 708.00 V/m,平均值為39.15 V/m,夜間工頻電場強(qiáng)度為0.03~2 044.00 V/m,平均值為52.32 V/m,晝間工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值為0.088 μT,夜間工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值為0.147 μT。綜上可以看出,研究區(qū)工頻電場強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度的晝夜監(jiān)測平均值遠(yuǎn)低于控制限值,未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,工頻電場強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度環(huán)境質(zhì)量較好。
將研究區(qū)內(nèi)射頻電場強(qiáng)度與國內(nèi)其他城市相比(見表3),可以看出研究區(qū)射頻電場強(qiáng)度處于全國中低水平。
表3 不同城市射頻電場強(qiáng)度比較
2.2 電磁輻射分布規(guī)律分析
2.2.1 射頻電場強(qiáng)度空間分布
研究區(qū)晝、夜間射頻電場強(qiáng)度空間分布差異較為明顯(見圖1),73%的監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測值不超過0.5
V/m,晝間射頻電場強(qiáng)度最高的監(jiān)測點(diǎn)為88#(2.16 V/m),其次為136#(1.56 V/m)和133#(1.44 V/m),夜間射頻電場強(qiáng)度最高的監(jiān)測點(diǎn)為136#(3.55V/m),其次為88#(1.64 V/m)和30#(1.57 V/m)。通過對監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場勘察,88#監(jiān)測點(diǎn)旁設(shè)有移動基站,136#監(jiān)測點(diǎn)周邊分布多臺移動基站。由圖1分析可知,研究區(qū)晝、夜間射頻電場強(qiáng)度高值相對一致。但是由于不同環(huán)境功能區(qū)域公眾活動高峰時段不一致,導(dǎo)致同一點(diǎn)位晝、夜間射頻電場輻射水平有所差異。
2.2.2 工頻電場強(qiáng)度空間分布
研究區(qū)晝、夜間工頻電場強(qiáng)度空間分布趨勢大致相同(見圖2),大部分監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值小于100 V/m,變電站或高壓線附近區(qū)域,監(jiān)測數(shù)值偏高。晝、夜間高值監(jiān)測點(diǎn)相對一致,主要為48#、143#、65#,其晝間監(jiān)測值分別為1 708.00、779.50、721.40 V/m;其夜間監(jiān)測值分別為2 044.00、755.80、748.00 V/m。其中48#監(jiān)測點(diǎn)晝、夜間監(jiān)測值均為最高。經(jīng)資料收集及現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),48#監(jiān)測點(diǎn)位于原南昌電廠220 kV升壓站及高壓線附近,65#監(jiān)測點(diǎn)位于塘山220 kV開關(guān)站及高壓線附近,143#監(jiān)測點(diǎn)在高壓線走廊附近。受高壓線或輸變電線路影響,工頻電場強(qiáng)度的監(jiān)測值差異較大,根據(jù)作圖需要,圖2將監(jiān)測的數(shù)值轉(zhuǎn)為用底數(shù)為10的對數(shù)值表示后所作。
2.2.3 工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布
研究區(qū)晝、夜間工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布趨勢大致相同(見圖3),大部分監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值小于1.000 μT,晝間工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度最高的監(jiān)測點(diǎn)為48#(1.222 μT),其次為20#(1.064 μT)、62#(0.556 μT)。夜間出現(xiàn)3個高值監(jiān)測點(diǎn)110#(1.707 μT)、20#(1.413 μT)、48#(1.181 μT)。經(jīng)所收集資料分析及現(xiàn)場勘察,高值監(jiān)測點(diǎn)均與周邊變電站及高壓線布設(shè)有關(guān)。
圖1 研究區(qū)晝夜間射頻電場強(qiáng)度空間分布Fig.1 Spatial distribution of the radio frequency electric field intensity in the study area during the day and night
圖2 研究區(qū)晝夜間工頻電場強(qiáng)度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of the power frequency electric field intensity in the study area during the day and night
圖3 研究區(qū)晝夜間工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布Fig.3 The spatial distribution of power frequency magnetic induction intensity in the study area during the day and night
從圖2、圖3可以看出,研究區(qū)晝、夜工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度輻射范圍相對一致,且高值監(jiān)測點(diǎn)也相對一致;同時,隨著變電站及高壓線供電負(fù)荷在不同時段的變化,同一點(diǎn)位晝、夜間工頻電磁場的監(jiān)測值有所波動。
2.3 風(fēng)險概率評價結(jié)果及電磁輻射環(huán)境容量評估
假設(shè)電磁輻射環(huán)境監(jiān)測值服從期望值為μ,方差為σ2的正態(tài)分布函數(shù),電磁污染環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限值為α(V/m),則監(jiān)測值超標(biāo)的風(fēng)險概率密度函數(shù)g(μ,σ)為:
(1)
(2)
(3)
根據(jù)城市空間人為電磁能量估算城市電磁輻射環(huán)境發(fā)展容許容量,計算公式如下:
Α=Β(1+R)t
(4)
式中:A為電磁輻射電場強(qiáng)度防護(hù)限值,V/m;B為電磁輻射電場強(qiáng)度環(huán)境現(xiàn)狀水平,V/m;t為發(fā)展年限,a;R為電磁輻射年增長率。
將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(1)至式(3)進(jìn)行計算,得到射頻電場強(qiáng)度、工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度造成的電磁超標(biāo)的風(fēng)險概率均幾乎為0。然而,設(shè)置的采樣點(diǎn)不能代表研究區(qū)內(nèi)所有空間的電磁水平,且電磁波在空間傳播受多種因素影響,本研究只考慮了部分頻率段的電磁輻射水平,因此評價結(jié)果比實(shí)際情況保守。
根據(jù)江西省輻射環(huán)境監(jiān)督站提供的數(shù)據(jù),南昌市東湖區(qū)電磁輻射源的年增長率約為8%,根據(jù)式(4)計算結(jié)果可知,電場強(qiáng)度達(dá)到GB 8702—2014限值時的t值為57.07 a,即如對現(xiàn)有的電磁輻射環(huán)境不加控制,東湖區(qū)電磁輻射電場強(qiáng)度平均值將在57.07 a后超過控制限值。
3.1 電磁輻射環(huán)境空間分布差異分析
城市電磁輻射環(huán)境空間變化與所在功能區(qū)性質(zhì)、人類活動強(qiáng)度及輻射源的分布等相關(guān)。研究區(qū)各指標(biāo)空間變異很強(qiáng),說明該區(qū)域電磁輻射環(huán)境受外界干擾很大。這種強(qiáng)變異很大程度上是由人為活動空間分布不均造成的。各指標(biāo)夜間監(jiān)測值普遍高于晝間,這可能與夜間選取的監(jiān)測時段有關(guān),夜間監(jiān)測時段為19:00—23:00,屬于人為活動高峰期,各類電磁系統(tǒng)使用頻繁,使得該時段電磁輻射環(huán)境監(jiān)測值明顯升高。
3.2 電磁輻射源分析
研究區(qū)多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)射頻電場功率密度小于0.1 μW/cm2,未出現(xiàn)超標(biāo)狀況;從分布區(qū)域上看,射頻電磁強(qiáng)度較高的區(qū)域主要分布在道路沿線及部分大街,可能與中心商業(yè)區(qū)內(nèi)較多的手機(jī)基站、尋呼臺和電視臺發(fā)射塔以及密集的移動電話的使用等有關(guān)。這與國內(nèi)外同類研究相比存在相似之處,有學(xué)者認(rèn)為:射頻電場強(qiáng)度主要取決于無線電對講系統(tǒng)、電視臺發(fā)射機(jī)、移動通信發(fā)射機(jī)和交通指揮發(fā)射塔等[17-18]。
研究區(qū)域內(nèi)工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于國家規(guī)定限值,說明該區(qū)域的工頻電磁輻射環(huán)境較好;從分布區(qū)域上看,工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)的高值范圍大體相同,高值點(diǎn)也相對一致,主要分布在變電站及高壓線附近區(qū)域。故研究區(qū)域中的工頻電場與工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度較高值極有可能與變電站及高壓線的布設(shè)有關(guān)。
(1) 研究區(qū)現(xiàn)有電磁輻射環(huán)境水平在所測的頻率范圍內(nèi)均未超過GB 8702—2014規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)限值。相比國內(nèi)其他城市,該區(qū)域射頻電場強(qiáng)度處于中低水平;射頻電場強(qiáng)度、工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度整體呈“夜間>晝間”的規(guī)律;各指標(biāo)均屬強(qiáng)變異,很大程度上是人為活動空間分布不均造成的。
(2) 研究區(qū)晝、夜間射頻電場強(qiáng)度高值監(jiān)測點(diǎn)相對一致,但由于公眾活動高峰時段不一致,導(dǎo)致同一監(jiān)測點(diǎn)晝、夜間射頻電場強(qiáng)度有差異;射頻電場強(qiáng)度與基站使用程度有關(guān)。晝、夜間工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度高值點(diǎn)均相對一致,主要與變電站及高壓線布設(shè)相關(guān),變電站及高壓線的布設(shè)是引起研究區(qū)工頻電場強(qiáng)度和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度值升高的主要原因。
(3) 基于GB 8702—2014中規(guī)定的電磁輻射環(huán)境質(zhì)量限值,應(yīng)用以概率論為基礎(chǔ)的數(shù)理模型對研究區(qū)域的電磁輻射環(huán)境進(jìn)行評估,得到電磁輻射超標(biāo)的風(fēng)險概率幾乎為0,說明電磁輻射環(huán)境單指標(biāo)污染水平可以接受,但電磁波在空間傳播受多種因素影響,并不意味著無風(fēng)險,且本研究只考慮了部分頻率段的電磁輻射水平,因此評價結(jié)果比實(shí)際情況保守。東湖區(qū)電磁輻射若以年均8%的速度遞增,57.07 a后電磁輻射水平將超過控制限值。
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PresentsituationandevaluationofelectromagneticradiationenvironmentinNanchang
WANGXiaoyun,QIHuayue,CHENZhiping.
(ResearchInstituteNo.270ofCNNC,NanchangJiangxi330200)
10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.022
2016-12-27)
王曉云,女,1986年生,碩士,工程師,主要從事輻射環(huán)境影響評價與核技術(shù)應(yīng)用研究。