區域環境電磁輻射監測技術研究

摘 要：隨著社會信息化程度不斷提高，復雜多變的電磁波信號充斥著整個空間，如何準確、有效地獲取電磁環境監測數據成為科學評估區域環境電磁輻射水平的關鍵。本文基于環境電磁輻射影響特點，在我國現有標準和監測實踐基礎上，對標國際組織工作成果，探討并提出以車載巡測和網格監測方式開展區域環境電磁輻射監測，為進一步完善現有電磁環境監測工作指明了方向，同時也為提升我國電磁環境監管效能提供技術借鑒。

關鍵詞：電磁環境;電磁輻射;環境監測

中圖分類號：X837 文獻標識碼：A

隨著社會信息化程度不斷提高，人類對電磁輻射設施設備的依賴程度越來越高，復雜多樣的電磁波信號充斥在公眾周圍，環境中電磁輻射污染問題日趨嚴重。為加強電磁環境管理，保障公眾健康，使公眾免受短期和長期、連續和不連續的射頻電磁場曝露對健康造成的不利影響，我國生態環境主管部門在2014 年更新發布了《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014）[1] ，增加了低頻段電場和磁場的公眾曝露控制限值，并更新了場量參數的限值使用要求和評價方法，而電磁環境監測工作仍延用《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/ T 10. 2—1996）[2] 。

由于環境中電場、磁場、電磁場來源廣泛、頻率跨度大、場量復雜多變，因此，電磁輻射環境監測相較于電磁輻射源項監測有其特殊性。如果采用HJ/ T 10. 2—1996 推薦的非選頻式輻射測量儀開展區域環境電磁輻射監測，其測量值為所測頻段內各被測頻率的綜合場強值，并不能對照GB8702—2014 各頻率場強限值進行全面、科學的電磁輻射水平評估。且HJ/ T 10. 2—1996 受當時監測儀器研發水平和監測能力的限制，僅規定了將城市區域劃分為1 km×1 km 或2 km×2 km 的方格開展一般環境測量，并沒有對布點方式、布點數量等問題做進一步要求，這也造成了監測過程人為因素影響大、監測數據代表性不強、監測結果比對困難等問題。另一方面，隨著科學技術和制造水平的發展，電磁輻射監測儀器功能、性能也得到大幅提升，通過技術手段獲取大尺度空間電磁輻射監測數據成為可能，這也使得開展電磁環境監測工作有了新的、更加便捷高效的手段。

本文在我國現有區域環境電磁輻射監測標準要求的基礎上，結合國際電信聯盟（ITU）最新研究進展和我國多年環境監測實踐經驗，針對不同頻率電磁輻射傳播特性，通過資料調研梳理、實驗比對驗證、數據統計分析等方法，研究探討區域環境電磁輻射監測技術新要求，為我國提升電磁環境監測能力、完善電磁環境監管體系提供借鑒。

1 評估標準要求

根據《電磁環境控制限值》中“4. 2 評價方法”，當公眾曝露在多個頻率的電場、磁場、電磁場中時，應綜合考慮多個頻率的電場、磁場、電磁場所致曝露。這就要求在進行環境電磁輻射監測時，必須采用選頻式輻射監測儀器對不同頻率電磁輻射源的環境影響進行分頻監測，且進行評價時，單個測點各檢出頻率電場強度平方與其對應公眾曝露控制限值平方的比值之和應小于等于1。

2 監測方案設計

2. 1 監測方式

近年來，以車輛作為監測儀器搭載平臺的車載巡測得以在實際監測工作中開展應用，如廣東省、北京市已率先開展相關工作[3-4] ，并通過實測證明車載巡測方式可快速進行區域環境電磁輻射監測[5] ，且與固定點監測結果相比相對偏差小于±10%[6] 。雖然國內還沒有出臺相關行業標準，但從國際上看， ITU 在2015 年發布了ITU-T K.113[7] ，用以評估城市或地區的電磁輻射暴露水平并為信息公開提供指導。該標準將車載巡測（Drive test method）以及網格監測（Grid method）作為評估城市或地區電磁環境水平的可行方法同時給出，監測人員可根據需求選擇使用;ITU 在2020年12 月更新發布的ITU-T K. 91[8] 第六版附錄IX.6 也給出了車載測量（ EMF area scanning withvehicle）的程序，包括頻譜測量和基于地理信息的電場強度數據記錄，并將監測結果以彩色點表示。因此，在開展區域環境電磁輻射監測時，除了可以采用HJ/ T 10. 2—1996 推薦的網格監測方式外，也可以引入車載巡測方式開展更便捷高效的電磁環境監測工作。

2. 2 監測頻段

本文根據GB 8702—2014 和《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》（中華人民共和國工業和信息化部令第46 號）[9] ，對目前公眾環境中常見的、對電磁環境有一定貢獻的電磁輻射源進行了梳理（詳見表1）。經分頻分析發現，與公眾生活關系最密切的電磁輻射源頻率主要集中在100kHz～6 GHz 頻段。因此，本文將區域環境電磁輻射監測頻段限定在100 kHz ～ 6 GHz，能夠代表與公眾日常生活密切相關的主要電磁輻射源對周圍電磁環境的影響。

2. 3 監測因子和監測時段

因環境中電磁輻射源頻率主要集中在100kHz～6 GHz 頻段，且監測點位一般選擇在避開高層建筑物、高壓線、金屬結構等的空曠地方監測，根據電磁波傳播理論，以2D2λ 作為電磁輻射遠場區劃分條件[10] ，可以得出公眾所處環境基本屬于電磁輻射遠場區范圍。根據GB 8702—2014 表1中注3 規定“100 kHz 以上頻率，在遠場區，可以只限制電場強度或磁場強度，或等效平面波功率密度”。目前，市場上現有監測儀器均使用三軸正交偶極子天線作為電場探頭，且探頭可監測頻率范圍較磁場探頭要廣。因此，選擇電場強度作為區域環境電磁輻射監測因子是合適的。

受評估區域大小和環境條件的制約，完成一個城市區域環境電磁輻射監測工作一般需要花費數個或者數十個工作日不等。本文對兩個不同固定點位電磁輻射自動監測站連續多天歷史數據進行了比較分析，如圖1～2 所示。圖1（a）顯示了某非選頻式電磁輻射自動監測站在2013 年連續9天時間內的監測數據隨時間變化曲線，圖1（b）詳細顯示了其中一天的監測數據隨時間的變化，總體呈現出晝高夜低的起伏規律。圖2（a） 顯示了某選頻式電磁輻射自動監測站在2023 年連續一個月內的監測數據隨時間變化曲線，其中同樣也呈現出某一天內的監測數據晝高夜低的起伏規律，如圖2（b）所示。且由于該站點使用了選頻式電磁輻射監測儀器，可以同時測量出不同頻段的貢獻值。從圖2 不難看出，該點位電磁環境的總體監測值變化規律與中國移動基站頻段監測值的變化規律高度一致。從時間段上看，不同歷史時期的自動站均呈現出凌晨1：00—4：00 監測值較低、4：00—5：00 監測值逐漸升高，其余時間段監測值趨于相對穩定高值的變化規律。這主要與公眾作息規律息息相關，即電磁輻射源對區域電磁環境的影響隨公眾生活場景變化而變化。

因此，以5：00—23：00 作為監測時段連續開展若干工作日區域環境電磁輻射監測的方式可行且符合工作實際，而且還可以得到評估區域環境電磁輻射水平的較大值。

2. 4 監測布點

（1）網格監測

網格監測以宏觀方式獲取區域環境電磁輻射水平，實際上是對整個監測區域抽取有限樣本來評估其整體水平。因此，網格監測布點應考慮點位間距、離散度等問題，預先結合城市建成區大小將評估區域劃分網格并定位，以保證人工監測效率。國內網格監測通常根據HJ/ T 10. 2—1996 將一個城市區域劃分為若干個等大的正方形區域開展，如蘇州、珠海、福州、哈爾濱、廈門、南京、深圳等城市，分別選擇1 km×1 km 到4. 9 km×4. 9 km不同大小的網格開展監測，網格數量也從39 個到310 個不等[11-17] 。而國外羅馬尼亞蒂米什瓦拉市區（Timisoara）按400 m×400 m 進行了210 個網格監測、澳大利亞墨爾本市區（Melbourne）按5 km×5 km 進行了120 個網格監測[18-19] 。上述監測都沒有形成統一的監測網格尺度，更沒有最低網格數量的采樣要求，數據統計有效性難以保證。本文網格監測布點參考了《環境噪聲監測技術規范城市聲環境常規監測》（HJ 640—2012）[20] ，對HJ/ T10. 2—1996 中的方法從統計學角度進行了優化，使其在保證測量結果精度的前提下盡可能提高工作效率。

根據統計學中心極限定理，從任意一個總體（區域環境） 中抽取樣本量為n （監測點位） 的樣本，當抽樣數n 越大，結果偏差越小。當n≥25 或30 時即為大樣本，可以得到較好的近似值，并且大多數統計學家認為，要得到任何一種有意義的結果，最小的樣本量是100[21] 。本文使用采樣計算工具（Sample Size Calculators）分析，當采樣量為25個或30 個時，其結果的誤差范圍（或置信區間）約為20%;當采樣量為100 個時，其結果的誤差范圍（或置信區間）約為9. 8%，可以認為屬于數據正常波動水平。因此，將網格監測數量最少設定為100個具有統計學意義，監測結果偏差也符合實際。網格監測布點示意圖如圖3 所示。

（2）車載巡測

車載巡測通過對城市建成區道路開展測量，以微觀方式獲取區域環境電磁輻射水平。車載巡測依托于連續自動測量技術，借助電子地圖開展監測線路規劃，以盡可能覆蓋評估區域中的道路為目標，完成測量后利用計算機進行數據處理即可快速得到局部區域以及整個評估區域的分析結果。

除去學校、公園等受限區域道路，巡測若能盡可能多地覆蓋評估區域道路，同時將數據采集點位的間距控制在一定距離范圍內，其測量結果反映出的評估區域電磁輻射水平將更具有代表性。本文經實際測試得出，監測點位間距在1 m ～ 5 m時，得到的測量統計結果一致性較好，超過5 m 后統計結果逐漸偏離，結果如圖4 所示。對比ITU-TK. 113 中“城市區域監測點位間隔應不大于5 m，非城市區域監測點位間隔應不大于10 m” 的要求，選擇車載巡測時監測點位間距不大于5 m 能夠保證數據有效性且儀器性能可以滿足要求。車載巡測布點示意圖如圖5 所示。

2. 5 監測儀器

非選頻式輻射測量儀由于無法開展電磁輻射分頻監測而不能滿足GB 8702—2014 中電磁環境評價方法要求。在此情況下，采用選頻式輻射監測儀開展環境監測， 不僅可以區分100 kHz ～6 GHz 頻率范圍內不同電磁輻射源對電磁環境的貢獻，還可以對標GB 8702—2014 對區域環境電磁輻射水平進行評估。

監測儀器探頭建議使用具有各向同性響應探頭（天線）。因使用單極性探頭或定向天線測量時需要考慮場的極化方向，測量過程中需手動調整其方向與被測場的極化方向一致以測得空間場強最大值，這在實際測量時會大大影響監測效率且很難測到準確數值。

開展車載巡測時將車輛作為監測設備的搭載平臺，需要考慮車頂反射、探頭架設高度、多個探頭間相互作用、車輛啟停狀態等因素對監測數據的影響。本文對上述因素開展了試驗比對研究，試驗結果如圖6～ 圖8、表2～ 表3 所示。研究結果表明，當探頭距離車頂0. 2 m 以上時，取各高度測量值的均值為該點位的參考值，各高度測量值相對均值的偏差最大約2 dB，大多在1. 5 dB 內波動，無規律性，這一偏差可能主要來自每次測試儀器擺放時，移動了探頭方向帶來的誤差。由于儀器探頭各向同性的允許誤差是3 dB～5 dB，測量結果出現1. 5 dB 左右的差別是可以接受的。這一結果也說明車頂帶來的反射、散射影響不顯著，車頂敷設吸波材料也不是必須的;監測采用多探頭組合時，探頭間相互靠近或遠離測得的數值差異很小，不同頻段（0. 1 ～ 3 MHz、3 ～ 30 MHz、30 ～ 6 000MHz）監測結果均在監測儀器檢出下限附近波動;使用燃油汽車和電動汽車架設監測儀器進行靜態測試和動態測試，結果顯示車輛啟停狀態對測量結果的影響不明顯。

3 監測技術要求

網格監測作為經典且傳統的區域環境電磁輻射監測方式，目前在國內外均有較多應用。現行標準HJ/ T 10. 2—1996 也將網格監測作為城市區域電磁輻射監測的方法進行了規定，其點位數量少、人為測量誤差多、數據統計分析效率低等缺點也在大量實踐[11-19] 中顯現出來。但其靈活性和易于實現性的優點也不應忽視，靈活性在于網格監測可以適應不同形狀大小的區域，并且可以根據需要對網格邊長進行調整;易于實現性表現在網格監測可以使用現有儀器設備依靠人工定點測量即可。采用網格監測方法仍可以充分發揮監測機構現有監測儀器的作用。

實踐工作證明，車載巡測方式在數據采集量、減少人為測量誤差、數據統計分析效率上相比網格監測已有了質的飛躍，也是環境監測自動化的又一先進手段。車載巡測通過快速獲取大面積范圍內大量測量數據，以大數據高效研判電磁環境變化趨勢，可有效應對城市區域電磁輻射設施建設速度快、分布廣泛的變化趨勢。車載巡測應是未來工作中值得廣泛推廣的區域環境電磁輻射監測技術手段。

基于上述考慮，本文從以下幾個方面提出區域環境電磁輻射監測技術要求，不僅可以解決分頻監測對標評價的問題，而且在數據獲取量和數據分析效率上有了根本改變，彌補了HJ/ T 10. 2—1996 的不足。

（1）在符合監測儀器設備使用要求的環境條件下，開展100 kHz～ 6 GHz 頻率范圍內區域環境電磁輻射監測。監測因子為射頻電磁場，監測參數為電場強度。同一評估區域的監測可分多個自然日完成，且在每個自然日的5：00—23：00 時段內開展監測。

（2）可通過車載巡測方式或網格監測方式開展區域環境電磁輻射監測。車載巡測沿評估區域內快速路、主干路、次干路、支路開展，監測點位間距不大于5 m;網格監測要將評估區域預先劃分為若干個等大的正方形網格，每一網格中無法監測的區域（如水面、禁區等）與非建成區的面積之和不應大于該網格面積的50%，否則視為無效網格，且整個評估區域的有效網格總數應多于100 個。

（3）監測采用具有各向同性探頭（天線）的選頻式輻射監測儀，工作頻段能夠覆蓋監測所需頻段。開展車載巡測方式時，還應考慮每個監測點位經緯度獲取、數據自動采集存儲、監測數據與衛星定位關聯等問題。車載巡測監測儀器探頭（天線）距車頂不小于0. 2 m，距行車路面1. 7 m ～2. 5 m;網格監測的監測儀器探頭（天線） 距地面1. 7 m～2. 5 m，與操作人員軀干之間距離不少于0. 5 m。需同時使用多個探頭（天線）覆蓋監測所需頻段時， 探頭（ 天線） 間的距離要控制在0. 2 m～0. 5 m 之間。

（4）車載巡測讀取監測儀器的實時值，包括電場強度及其對應的電場強度參考水平;網格監測每個網格點位測量時間不少于6 min，讀取監測儀器的平均值，也包括電場強度及其對應的電場強度參考水平。

（5）根據GB 8702—2014 的評價方法，使用處理后的監測數據進行區域環境電磁輻射水平評估，并可用不同顏色表示區域環境中不同電磁輻射水平，電磁輻射水平區間的劃分及顏色標記目前并無統一要求，圖9、圖10 展示了兩種可視化方案。圖9 是按電磁輻射水平達標值為界限，小于限值的區間以天藍色標記，大于等于限值的區間以紅色標記;圖10 則在達標限值內劃分了3 個區間分別以藍色、綠色、黃色標記，超過達標限值的區間以紅色標記，以期望更精細地表示電磁輻射水平。從兩圖中可以看出，當前的電磁輻射水平仍處于達標且較低的區間。

4 結論與建議

4. 1 結論

本文根據環境中電磁輻射的特點，對比分析了適用于區域環境電磁輻射監測的新舊技術方法，結合我國現有標準和實踐經驗，通過實驗研究和比對，從監測方式、監測頻段、監測因子和監測時段、監測布點、監測儀器等方面提出區域環境電磁輻射監測技術的新思路和監測技術的新要求，為現行環境電磁輻射監測標準HJ/ T 10. 2—1996提出了改進方向，也為科學評估區域環境電磁輻射水平、推動環境監管精細化水平提供了技術借鑒。

4. 2 建議

（1）考慮到未來新型基礎設施建設、智能無線設備和電磁輻射新技術不斷涌現，建議生態環境部門能在全國范圍內持續開展區域環境電磁輻射監測與評估技術工作，逐步積累電磁環境基礎數據，為政府決策、行業發展、公眾保護提供科學依據。

（ 2）在公眾活動軌跡未知的情況下，環境監測數據始終無法評估個人曝露水平，也不能全面反映公眾日常生活中近身使用無線設備（ 手機、平板、可穿戴智能設備等）產生的影響。與環境中電磁場曝露相比，近身使用無線設備產生的曝露水平更高，而關于個人曝露水平和模式的可靠數據卻很少，特別是對公眾長期、低水平電磁場曝露的潛在風險的研究還嚴重不足，這增加了公眾困惑和對健康風險的擔憂。建議進一步開展針對近身使用無線設備的個人曝露監測與評估方法研究。

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