城市射频公众曝露区域监测最优网格尺度研究

武攀峰，陆炜，姚颖，王国旗，黄昕

（1.南通市环境监测中心站，江苏南通226006；2.江苏省核安全局，江苏南京210019）

城市射频公众曝露区域监测最优网格尺度研究

武攀峰1，陆炜1，姚颖1，王国旗2，黄昕2

（1.南通市环境监测中心站，江苏南通226006；2.江苏省核安全局，江苏南京210019）

采样密度最优化是当前区域环境监测的难点问题，然而对区域射频公众曝露监测的最优尺度研究仍处于空白。该文以江苏省南通市为例，采用新型车载监测技术对城区区域射频公众曝露进行现场实测，构建3种网络分布特征。研究结果显示，2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km这3种网格尺度所得南通城区平均电场强度分别为（0.56±0.24）V/m、（0.57±0.27）V/m和（0.56±0.31）V/m，其中以1km×1km测试值最接近总体均值。经Cochran理论计算法验证，研究区域至少需要1km×1km网格密度的采样尺度下，相对误差为10%，才满足Cochran公式获取的最佳采样网格数量。因此，1km×1km网格是以南通市为代表的我国II型大城市城区环境射频电磁辐射测试的最优网格尺度。

公众曝露；射频电磁辐射；区域监测；最优网格尺度

0 引言

移动通信基站（下称“基站”）为主要污染源的射频电磁辐射（RF）[1-2]，因长期照射可能会引起不孕不育甚至癌症风险，引起了政府和公众的关注[3-5]，为此，客观、全面地评价城市区域射频辐射公众曝露特征显得尤为重要，对此国内外开展了广泛研究[1，4-7]。目前我国主要采用网格布点法[8]，将研究区域全区划分为1km×1km或2km×2km小方格，取方格中心为测试位置。然而，网格尺度对区域测试精度有较大影响，近年来针对最优采样密度的研究主要集中在区域土壤、水环境、空气质量监测等领域[9-12]。比如土壤的空间变异性存在于不同尺度上的主要影响因子有显著差异，这种差异限制了从一个空间尺度到另一个空间尺度的信息转换，是空间尺度效应产生的根本原因[9]。电磁辐射因起步较晚且未引起足够重视，至今对此项研究鲜有报道，而且电磁辐射受城市地形地物、高层建筑、树木、高压线等影响较大。为此，在区域监测射频电磁辐射时，选择最优网格尺度布点对测试结果将有较大影响，而且根据研究目的不同，可适当选择最佳网格尺度。

本文以江苏省南通市为研究对象，采用车载监测技术对城区射频电磁环境进行了详尽测试，通过网格化构建，分析了3种网格尺度对区域场强统计结果及其区域空间分布的影响，并结合Cochran理论计算法提出我国II型大城市区域电磁环境监测最优网格布设密度，为我国电磁环境质量监测网建设提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南通市位于江苏省东南部，与上海、苏州隔江相望。全市总面积10549km2，总人口767.63万人，根据国务院《关于调整城市规模划分标准的通知》（2014年），以城区常住人口为统计口径，南通被列入II型大城市。2014年实现地区生产总值（GDP）5652.69亿元[13]，列全国地级以上所有城市第25位，地级市第10位，年均增速11.5%以上。市辖4个行政区，市人民政府驻崇川区。经济的快速发展带动了城市信息化进步，移动通信在经济发展、政府事务、企业管理和百姓生活等领域得到了广泛应用，南通市已先后被确定为国家第2批三网融合试点城市、国家智慧试点城市和中欧绿色智慧试点城市。近3年全市移动通信基站增加4 700座[14]，高于2010年前的总和。与此同时，惠民智慧城市建设与基站“邻避效应”矛盾突出[15]。

1.2 测试装置与方法

测试装置采用江苏省核安全局研制的车载电磁辐射环境监测系统，系统配置EMR300电磁辐射综合场强仪（18C型探头、频响范围为100kHz～3GHz、测试范围为0.3～400V/m）、GPS等设备。车载仪器均通过计量检定并在有效期内。

根据区域测绘地图，车辆基于0.5 km×0.5km网格加密沿路行驶，车速不超过30 km/h，数据获取率为3次/s。测试时间为2015年11月至12月。射频电磁以电场强度（或称“场强值”）评价，单位为V/m。

1.3 数据处理及有效性分析

数据统计采用IBM SPSS 22.0软件，绘图工具采用SigmaPlot 12.5软件。对车载系统测试数据进行质量控制，考虑到实际电磁环境的不稳定性，测试数据中的极大极小值等异常值不能随意剔除[13]，本次剔除的异常值主要是测量设备不稳定运行及受高压线影响所产生的干扰数据，剔除异常值后即为有效测试数据。

1.4 网格化分析

首先建立数据库，本研究共获有效测试数据20 060组，每组数据包括测试时间、电场强度、经度和纬度等信息；然后利用Mapinfo将研究区域划分为2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km 3种尺度网格，得到各尺度网格数2km×2km为38个，1km×1km为152个，0.5km×0.5km为597个；然后统计每个网格经纬度范围内对应的数据，并计算所有电场强度数值的平均值，同时将计算结果导出至数据表，以方便进行后续的统计分析。

2 结果与讨论

2.1 不同网格尺度对场强范围分布的影响

对实测20 060组数据统计分析表明，南通城区总体电场强度为（0.58±0.28）V/m（平均值±标准差，下同），低于GB 8702——2014《电磁环境控制限值》中公众曝露控制限值（取最严格限值即30～3000MHz对应的电场强度为12V/m）。3种网格尺度下，2km×2km、1km×1km和0.5km×0.5km统计的研究区域平均电场强度分别为（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最接近总体均值（0.58V/m）；以标准差相比，数据离散程度以0.5 km×0.5 km最高，2 km×2 km最低，1 km×1 km居中。

图1 不同网格尺度场强值频数分布图

图1显示了3种网格尺度下，各场强值的频数分布情况，以百分比表示。由图可知，当场强值〈0.5V/m或＞1.5 V/m时，0.5km×0.5km网格尺度占比最大，1km×1km次之，2km×2km最小。相反，当场强值位于0.51～1.5 V/m区间时，2 km×2 km网格尺度占比最大，1km×1km次之，0.5km×0.5km最小，很显然随着网格尺度增大，区域场强值被均化，趋向于中间水平。

2.2 不同网格尺度对场强空间分布的影响

为进一步了解网格尺度表征对空间地理分布测试结果的影响，笔者采用MapInfo工具按照3种网格尺度分别构建了南通城区射频公众曝露分布图，图中用不同颜色表示每个网格对应的场强均值，图中方格颜色由绿变红，代表的综合场强值变大，如图2所示。其中图2（a）表示2km×2km，图2（b）表示1km×1km和图2（c）表示0.5km×0.5km。

由图可见，3种网格尺度表征结果均显示南通城区射频场强值地理空间分布呈现出中心高外围低，主城区北高南低的特点，整体差异性不大。但是随着网格尺度增大，场强值的空间分布趋于平滑，对细节的反映能力越来越弱，2 km×2 km（图2（a））表征时最为明显。比如，紧邻通吕运河东南侧区域，在1km×1km和0.5km×0.5km分布图（图2（b）和图2（c））上显示为红棕色，而在2km×2km中仍显示为黄色，这主要是由于从小网格测试生成的大网格数据会造成部分特征空间数据信息的均化或丢失所致[16]。以综合场强值超过1.0V/m为例，网格数从大到小依次为0.5km×0.5km为47个（占7.9%）、1km×1km为9个（占5.9%）、2km×2km为1个（占2.6%）。区域最大值分别为1.88，1.35，1.24V/m。网格尺度越小，网格越密，场强极值差别越明显，越有利于选择具有代表性的典型区域，但综合考虑测试周期与成本，长期例行监测应以1km×1km为佳。

2.3 不同网格尺度Cochran法验证

大量研究利用Cochran最佳采样数量计算公式[17]，依靠数据的统计特征进行最佳采样数量的推荐。

图2 不同网格尺度南通城区公众曝露分布图

Cochran法是针对区域纯随机采样而构造的最佳采样网格数量计算方法，目前在很多研究中被广泛应用，计算公式为

式中：n——所需的采样网格数量；

t——显著性水平相对应的标准正态偏差；

Std——样本标准差；

d——样本平均值乘以相对误差，%。

根据上述公式计算了南通城区射频公众曝露在一定置信水平和误差要求下的合理采样网格数量见表1。

表1 利用Cochran最佳采样数量计算公式获取研究区射频公众曝露合理网格数

由表可知，按照Cochran最佳网格数量公式，在置信水平为95%，相对误差10%条件下，得到最佳采样网格数为90个，即使当相对误差达15%时，最佳采样网格数也需40个以上。因此，研究区域至少需要1km×1km网格密度的采样尺度下，相对误差为10%，才满足Cochran公式获取的最佳采样网格数量，而0.5km×0.5km尺度网格数为597个，远大于94个明显偏密。由此可见，1km×1km网格是以南通市为代表的我国II型大城市城区环境射频电磁辐射测试的最优网格尺度。

3 结束语

1）2 km×2 km、1 km×1 km和0.5 km×0.5 km共3种网格尺度所得南通城区平均电场强度分别为0.56±0.24V/m、0.57±0.27V/m和0.56±0.31V/m，均低于GB 8702——2014中公众曝露控制限值。其中以1km×1km测试值最接近总体均值，数值离散度及极值以0.5km×0.5km最高，1km×1 km次之，2 km×2km最低。

2）随着网格尺度增大，场强值的地理空间分布趋于平滑，对细节的表征能力变弱。网格尺度越小，网格越密，场强极值差别越明显，越有利于选择具有代表性的典型区域，但综合考虑测试周期与成本，并经Cochran区域纯随机最佳采样网格数量公式计算验证，1km×1km网格是以江苏南通市为代表的我国II型大城市城区环境射频公众曝露测试的最优网格尺度。

[1]殷建华，张健.北京市局部地区电磁辐射监测结果分析[J].地球物理学进展，2006，21（4）：1346-1351.

[2]张邦俊，张莉，翟国庆，等.移动基站近距离区域电磁辐射污染分布特征[J].中国环境科学，2002，22（6）：565-568.

[3]ABDULLAH N，ROFFEEI S H M，KAMARULZAMAN Y，et al.Evaluating the performance of electromagnetic fields（EMF）research work（2003-2013）[J].Scientometrics，2015，105（1）：261-278.

[4]张宁远，张志华，徐昊，等.南京市通讯辐射环境调查[J].环境监测管理与技术，2012，24（6）：39-42.

[5]陆利通，刘芳君，邹亚玲，等.珠海市电磁辐射污染现况调查与对策探讨[J].实用预防医学，2012，19（6）：817-819.

[6]ORBACH A S，ABGRALL S，BRAVO C A.Recent data fromtheliteratureonthebiologicalandpathologic effectsofelectromagneticradiation,radiowavesand stray currents[J].Pathol Biol（Paris），1999，47（10）：1085-1093.

[7]LERCHL A.Electromagnetic pollution:another risk factor for infertility or a red herring?[J].Asian Journal of Anthology，2013（15）：201-203.

[8]辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法：HJ/T 10.2-1996[S].北京：国家环境保护局，1996.

[9]LARK R M，BELLAMY P H，RAWLINS B G.Spatiotemporal variability of some metal concentrations in the soilofeasternEnglandandimplicationsforsoil monitoring[J].Geoderma，2006，133（3）：363-379.

[10]刘世梁，郭旭东，连纲，等.黄土高原土壤养分空间变异的多尺度分析——以横山县为例[J].水土保持学报，2005，19（5）：105-108.

[11]董殿伟，林沛，晏婴，等.北京平原地下水水位监测网优化[J].水文地质工程地质，2007（1）：10-19.

[12]MATTHEW L，JOSEPH F，CHRISTIAN B.EPA's National Dioxin Air Monitoring Network（NDAMN）：Design implementation and final results[J].Atmospheric Environment，2013（77）：311-317.

[13]南通市统计局，国家统计局南通调查队.南通统计年鉴-2015[M].北京：中国统计出版社，2015：26-82.

[14]南通市政府.南通市信息基础设施建设三年行动计划（2013-2015）[EB/Z].[2016-09-15].http：//www.nantong.gov.cn/art/2013/8/30/art_41739_1509510.html.

[15]武攀峰，蔡佳辰，於香湘，等.电磁辐射环境信访分析与应对措施探讨[J].环境监测管理与技术，2014，26（3）：5-34.[16]叶许春，张奇.网格大小选择对大尺度分布式水文模型水文过程模拟的影响[J].水土保持通报，2010，30（3）：112-116.

[17]UMD，UIASS.Sampling techniques[M].3rd edition.New York：John Wiley&Sons，Inc.，2007：323-335.

（编辑：刘杨）

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

江苏省环保科研项目（2014030）；南通市科技计划项目（HS2014022）

武攀峰（1979-），男，山西孝义市人，高级工程师，硕士，主要从事环境监测与研究工作。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.006