氣象雷達環境影響評價的實踐分析

王春梅

氣象雷達環境影響評價的實踐分析

王春梅

福建省輻射環境監督站

以實際工作中接觸過的雷達評價為例，通過對氣象雷達工作原理的論述，分析氣象雷達的環境影響評價過程，論述雷達評價過程中電磁輻射的環境影響評價方法，并提出評價過程中應注意的事項。

氣象雷達 電磁輻射 環境評價

雷達運行期電磁輻射主要來自雷達數據采集工序（簡稱“RDA”），RDA子系統包括天線、天線罩、發射機和接收機。在晴空時段里，雷達是處于定時、間斷的開機狀態；而在觀測責任區內有降雨的時段內，雷達是處于連續的開機狀態。雷達運行時，發射機在雷達信號處理定時單元送來的觸發脈沖控制下，產生高功率的射頻脈沖，經傳輸由旋轉拋物面天線以平面波的形式定向向空中發射探測信號，通過傳輸由旋轉拋物面發射使空中天線主視方向的電磁波場強增高。同時，當發射信號在空中碰到某種障礙物，如云、冰雹、龍卷風等，立即產生反射波，并且向四周傳播，也可以使周圍環境電磁波場強增高，即對周圍環境產生次級電磁環境影響，但該電磁波貢獻可以忽略。此外，雷達機房內設備，如發射機、饋線等，生產廠家已經對其進行了必要的屏蔽，再加上機房的屏蔽作用，電磁波向環境的泄漏量極小。因此雷達電磁波影響的污染工序是：運行時，天線向空間發射的電磁波，對周圍環境產生電磁波影響。

1 氣象雷達的工作原理

氣象雷達主要設置雷達數據采集子系統（RDA）、雷達產品生成子系統（RPG）及主用戶處理器子系統（PUP）等相關配套子系統。

氣象雷達站主要采用CINRAD/CA氣象雷達，該雷達是C波段多普勒雷達。雷達主機總體結構主要由以下三個相對獨立的子系統組成：數據采集系統 RDA（Radar Date Acquisition）；雷達產品生成子系統 RPG（Radar Product Generation）；主用戶處理子系統 PUP（Principal User Processor）。

氣象雷達主機三個子系統中的RDA子系統設置在高的樓頂上，主要包括發射機柜、接收機柜、伺服機柜和配電機柜。RPG和PUP兩個子系統通過通信光纜連接。

RDA子系統向天空發射信號，并接收反射信號。然后，經信號處理、自動定標、數據存檔等自動操作程序后，通過光纜向RPG子系統傳送基本數據的信息。

RPG子系統收到RDA子系統傳輸的基本數據后，經一系列氣象算法，形成固定的圖形、圖像和數字式氣象產品，并存儲基本數據和產品數據，提供給PUP子系統。

PUP子系統向操作人員提供對RPG子系統的產品請求、顯示、存儲和分配等。

2 電磁輻射評價標準及評價范圍

2.1 電磁輻射評價標準

根據《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)的標準：①氣象雷達的發射頻率在5300～5725MHz范圍內，在此頻率范圍內，公眾的電磁輻射限值為，在任意連續6分鐘內功率密度的平均值小于0.71 W/m2。

②規定中4.4.3條，在對輻射水平進行評價時，對于一個輻射體發射幾種頻率或存在多個輻射體時，其電磁輻射的場量參數在任意連續6 min內的平均值之和，應滿足下式：

式中：Ai,j—第i個輻射體j頻段輻射的輻射水平；Bi,j,L—對應于j頻段的電磁輻射所規定的照射限值。對于城市電磁輻射源，其一般頻率范圍在30~3000MHz，在該頻段的公眾照射功率密度限值為0.4W/m2。

為使公眾所受輻射低于上述限值，并為其它建設項目留出電磁輻射環境容量，對單個項目的影響必須限制在限值的若干分之一。對于項目為地方環保局負責審批的項目，取GB8702-88中場強限值的1/5作為評價標準：0.142W/m2。

2.2 評價范圍

依據《輻射環境保護管理導則——電磁輻射環境影響評價方法與標準》（HJ/T10.3-1996）第3.1.2款的規定，發射機功率＞100kW時，評價范圍為以天線為中心的半徑1km區域。

該雷達發射機的峰值功率為250kW，因此本項目電磁環境影響評價范圍為：以發射天線為中心，半徑1km區域。

3 輻射環境質量現狀

一般情況為了解項目擬建址以及周圍的電磁環境背景，評價單位均需對擬建地塊周圍進行電磁環境背景水平現場測量。

3.1 監測項目及測點布置

監測布點依據《電磁輻射環境影響評價方法和標準》（HJ/T10.3-1996）規定，根據實際地理狀況進行測量。

3.2 測量儀器

本次電磁環境背景監測工作所選用的監測儀器為德國Narda公司生產的NBM-550型電磁輻射分析儀。

3.3 監測結果

測量綜合場強時，場強儀天線離地面約1.7m高，每個測點連續測5次，每次測量時間不應小于15秒。由監測結果可知，項目擬建址周圍環境電磁輻射功率密度背景值小于0.1940 W/m2，尚有較大的電磁輻射環境容量。

4 運營期環境影響

運營期的主要污染源為氣象雷達工作期間雷達發射的電磁波對周圍環境的影響。評價主要為以下幾個步驟：

4.1 近場及遠場電磁輻射區域劃分

雷達天線微波電磁場的輻射區域，分為近場區和遠場區。根據天線波束形成理論，以電離輻射源D2/λ的距離作為近、遠場區的分界，其計算公式如下：

式中：R1——近、遠場區分界距離（m）；D——天線的直徑（m）；λ——天線的工作波長（m）。

本項目雷達天線的直徑為4.5m，發射微波波長為5.7cm，所以對于該雷達的近、遠場區分界距離為355m，即以發射天線為中心355m范圍內為近場區，以外為遠場區。

4.2 估算公式的確立

根據雷達系統的設備參數、天線與周圍建筑物的相對高度和距離，對天線周圍環境的電磁輻射水平進行估算。由于該雷達站使用頻率處于微波段，因此，采用由《電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T10.2-1996）規定的公式計算：

近場最大功率密度Pdmax：

式中：PT——送入天線凈功率(W)；S——天線實際幾何面積（m2），S=πR2；R——天線半徑（m）。

遠場軸向功率密度Pd：

式中：P——雷達發射機平均功率(W)；G——天線增益(倍數)；r ——預測點與天線軸向距離（m）。

式中：K——系統發射支路和天線罩單程引起的射頻損耗系數，共損耗1.75dB，即射頻損耗系數K=10-0.175=0.6683；

同理，遠場區空間任一點r處接收的功率密度：

式中：G天線增益(倍數)除去上述射頻損耗系數K，

去除損耗后天線增益為43-1.75=41.25dB。

4.3 氣象雷達站運行模式

在晴空時段里，雷達是處于定時的間斷開機狀態；而在觀測責任區內有降雨的時段里，雷達是處于連續的開機狀態。該雷達一般有三種工作模式，即PPI、RHI、VCP，根據實際情況需要，主要工作模式為PPI模式。雷達脈沖重復頻率PRF為1500Hz。根據實際使用模式的要求，可以認為是在三種工作模式中的PPI模式（且仰角為1°時）對近地面環境敏感點的電磁輻射影響最大，因此考慮該氣象雷達的電磁輻射環境影響時，按保守估算，只取雷達在PPI的工作模式進行預測評價[2]。

4.4 電磁輻射水平估算

雷達以脈沖方式工作，發射脈沖波的時間僅占工作時間的一小部分，該比值為脈沖占空比。該雷達的最大脈沖占空比ηp對應于1500Hz的PRF(發射脈沖重復率)及0.83μs的發射脈沖寬度，對應ηp值為1/800。雷達發射機峰值發射功率為250kW，因此，該雷達的最大平均發射功率為250kW×1/800=312.5W。

對于雷達周圍的環境目標，由于天線以固定仰角在水平面上作360°旋轉，雷達天線為強定向天線，主波束很窄，對準特定目標方位的時間很短，僅占掃描時間的一小部分，主波束駐留時間與掃描周期的比值定義為掃描占空比ηs。

4.4.1對近場區的電磁輻射水平估算

根據本項目雷達參數，確定以雷達發射天線為中心355m范圍內為近場區。由確立的近場區的電磁輻射水平估算公式：

根據微波天線波束形成理論，在近場區雷達拋物面天線輻射出的電磁波假設初為平行波束，以平行波束在測點的駐留時間與掃描周期的比值為掃描占空比ηs，由于天線以固定仰角在水平面上360°旋轉，在與天線距離d處，對應的掃描扇區的圓周長度為2πd，而近場區平行波束的寬度近似等于天線的直徑D，在相同的掃描速度下，波束駐留時間及掃描周期(掃描一周的時間)分別正比于D和2πd，因此近場區掃描占空比ηs=D/2πd。

根據近場區的計算結果，d=355m，則：

ηs=D/2πd=4.5/2π/355≈0.0020

由于雷達天線工作最低仰角為1°，在遠近場區分界處（實際是以雷達天線中心為球心、355m為半徑的地面以上半球面部分），此時主波束中心的高度為38.5m（塔高與波束高度之和），該處38.5m高度任一接收點在任意6分鐘內所照射到的平均功率密度為：

Pd(6min)max= ηs·Pd max≈0.0020×53W/m2=0.106W/m2

4.4.2對遠場區的電磁輻射水平估算

雷達天線主瓣波束寬度θ= 0.99°，主瓣方向增益為43dB；系統發射支路和天線罩單程損失損耗值為1.75dB。根據條件計算距離雷達天線1000m（評價范圍界限）的接收點功率密度值。

在遠場區電磁波形成0.99°的錐形波束，由于PPI模式始終進行固定仰角的掃描，故遠場區掃描占空比為ηs=0.99°/360°=0.00275

=312.5×10(43-1.75)/10÷[4×3.1416×10002]=0.33W/m2。

在1000m處任意6分鐘內所照射到的平均功率密度為：

Pd（6min）=ηs·Pd≈0.00275×0.33=0.0009W/m2

即在355m至1000m處任意6分鐘內所照射到的平均功率密度在0.0009～0.106之間。

4.5 電磁環境影響預測結論

4.5.1項目對環境電磁輻射功率密度貢獻值

擬建的雷達在對周圍電磁環境影響相對較大的PPI工作模式及最低仰角下，由上述計算可知，即使受到雷達主波束的輻射，近場區環境中（在天線周圍355m范圍內）任一點在任意6分鐘內所照射到的平均功率密度不大于0.106W/m2。對于雷達的遠場區（在天線周圍355m范圍以外），在離開雷達天線355～1000m范圍內的平均功率密度貢獻為0.0009～0.106W/m2，也低于本項目的評價標準。

對于雷達的近場區，平行波束未擴散，波束寬度約為天線直徑(4.5m)，波束下沿高度為天線中心高度32.5m減去天線半徑，約為30m，不考慮波束仰角造成的波束高度抬高，30m高度以下的建筑物不會受到主波束的照射。對于雷達的遠場區，主波束半功率寬度0.99°，整個主波束不低于水平面方向(0°仰角)，因此32.5m高度以下的建筑物不會受到主波束的照射。該項目評價范圍內，建筑物最大高度為26m，因此均不會受到雷達主波束的照射，上述估算為偏保守估算[3]。

4.5.2與本底的疊加計算

根據對多個輻射體環境評價要求，敏感點因為存在移動通信基站及原有的發射電磁波的裝置，其評價標準均為0.4 W/m2。根據《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)中4.4.3的規定，按保守計算，取本項目現場監測的最大值（0.1940W/m2）與本項目建成后發射電磁波的設備共存時滿足：(0.1940/0.4) +(0.106/0.71)=0.634＜1。因此，項目建成后周圍環境輻射水平符合《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)規定。

總之，擬建的氣象雷達站在目前及規劃的環境條件下，無論在近場區或遠場區，公眾人員可達到的任意一點在任意6分鐘內的平均功率密度將低于本項目的評價標準0.142W/m2，符合《電磁輻射防護規定》（GB8702-88）和《電磁輻射環境影響評價方法和標準》（HJ/T10.3-1996）的要求。

4.6 保護半徑和建筑物標高的計算

由于本項目的建設，必須確保以后在雷達天氣站天線周圍的建筑物受天線主瓣照時的平均功率密度在國家規定的標準內，即任意一點在任意6分鐘內的平均功率密度必須小于本項目的評價標準0.142W/m2，因此，必須劃定保護半徑和控制建筑物的高度。

根據輻射防護“可合理達到盡量低”的原則，在近場區內（天線周圍355m范圍內）應嚴格控制建筑物的標高不得高于32.5m。在遠場區（355m以外），任一點所受雷達照射平均功率密度不大于0.106W/m2，小于本項目的評價標準0.142W/m2，因此，從電磁輻射環境保護角度分析，高度可以不受控制。

為保護氣象雷達的氣象探測環境，根據《氣象探測環境和設施保護辦法》第十一條規定，“天氣雷達站主要探測方向的遮擋仰角不得大于0.5°，孤立遮擋方位角不得大于0.5°；其他方向的遮擋仰角不得大于1°，孤立遮擋方位角不得大于1°，且總的遮擋方位角不得大于5°”。而當地規劃中周邊最高建筑不得高于5層（約20m），因此項目氣象雷達周邊建筑物高度滿足要求。

5 污染防治措施

根據《電磁輻射防護規定》（GB8702－88）要求，建設單位應加強對氣象雷達探測基地的運行管理，以實現其運行過程中環境保護的規范化，在其電磁輻射符合國家標準的前提下，貫徹“可合理達到盡量低”的原則。

5.1 管理措施。由氣象雷達探測基地設立環保人員，全面負責基地的運行管理，制定完善的運行管理制度并組織實施。

5.2 上崗人員素質。環保人員、雷達站維護人員上崗前應進行電磁輻射基礎、《電磁輻射防護規定》及有關法規等方面知識的學習和培訓。

5.3 技術措施。雷達系統裝有故障自檢和參數檢測裝置，建設單位加強設備的運行維護，必須定期檢查雷達設備及附屬設施的性能，及時發現隱患并及時采取補救措施，確保雷達站安全可靠運行。

5.4 建設單位應在當地規劃部門備案，依據氣象雷達的電磁輻射環境保護及使用條件要求，由規劃部門有效控制周圍建筑物高度，確保氣象雷達站周圍的凈空條件。

5.5 由于雷達天線手控俯仰范圍為-2~90°在最低仰角（1°）工作條件下，本報告公眾所受的電磁輻射在任意連續6分鐘內功率密度值符合《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)及《輻射環境保護管理導則——電磁輻射環境影響評價方法與標準》(HJ/T10.3-1996)的評價要求。因此，對于雷達天線正常工作時的最低仰角規定為不得小于1°（實際所需最低工作仰角為1°）。

5.6 根據要求及輻射防護“可合理達到盡量低”的原則，在近場區內（天線周圍355m范圍內）應嚴格控制建筑物的標高不得高于32.5m。在遠場區（355m以外）高度可以不受控制。

6 結論

上述評價方法還存在一定的缺陷。由于目前使用的NBM-550型電磁輻射分析儀不能充分響應脈沖信號，因此雷達的監測、評價使用簡化的未考慮峰值的脈沖信號的影響，而只是采用一種平均值的計算方法，因此這種評價方法仍然有待進一步的完善，才能更完整地體現雷達的環境影響。

[1] 劉志澄.天氣雷達系統環境及運行管理[M].北京：氣象出版社，2002.

[2] 任宏，王家遠等. 中國內地建設項目環境影響評價實踐分析[J]. 重慶建筑大學學報，2001, (1) : 17–19.

[3] 吳書君，王金東等. 新一代天氣雷達周圍電磁輻射環境影響分析[J]. 氣象水文海洋儀器，2009,（4）: 17–19.