Stanice měření kvality ovzduší

Spolehlivý zdroj dat o kvalitě ovzduší, řešený jako senzorická síť, pokrývající danou zónu města, např. nízkoemisní zónu. Je součástí systému monitorování dopravní zátěže.

Systém managementu znečištění ovzduší je krizovým řízením města, který spouští různá opatření při, nebo před dosažením mezních hodnot znečištění. Spolehlivost (důvěryhodnost) dat o znečištění je tak primárním požadavkem na stanice měření kvality ovzduší.

S technologickým rozvojem se v posledních letech objevily nízkonákladové senzory (zejména na elektrochemickém principu), jejichž výstupy jsou mnohdy daleko od reality a představují informační šum. Stávající stanice, aplikované ve větších městech, jsou velmi nákladné z hlediska jejich pořízení (cca 10 mil. Kč), i z hlediska jejich provozu (až 1 mil. Kč ročně). Aby bylo možné aplikovat levnější technologie se zaručenou spolehlivostí, vznikly technické požadavky na kvalitu stanic měření kvality ovzduší a byly vybrány jen některé, klíčové znečišťující látky, které pro rozhodovací proces v systému managementu znečištění ovzduší stačí.

Směrnice 2008/50/ES o kvalitě ovzduší stanoví pravidla pro:

• minimální počet monitorovacích stanic; a
• kde musí být umístěny.

Tato pravidla pro monitorování a hodnocení, i když jsou velmi složitá, nejsou dostatečná k zajištění úplného a přesného posouzení kvality ovzduší. Monitorovací stanice musí být umístěny v místech, která představují nejvyšší úroveň znečištění v zóně nebo aglomeraci. V praxi však toto ustanovení často členské státy ignorují nebo zneužívají. Monitorovací stanice jsou často umístěny v oblastech, které nemají nejvyšší úroveň znečištění.

Častěji členské státy nezveřejňují nebo nehlásí údaje z neoficiálních monitorovacích stanic, které nejsou součástí jejich oficiální sítě. Často to odůvodňují tím, že neoficiální získaná data nesplňují velmi podrobné požadavky na umístění stanice, například proto, že monitorovací stanice je příliš blízko k dopravnímu uzlu. Tyto problémy vznikají zčásti proto, že směrnice nevyžaduje dostatečný počet monitorovacích stanic, což členským státům umožní používat modelové techniky k doplnění údajů z monitorování. Zatímco modelování poskytuje užitečné doplňující informace a snižuje potřebu nákladných monitorovacích stanic, není vždy přesné a je náchylné k manipulaci členskými státy.

Proto je pro management znečištění koncipován systém monitorování dopravní zátěže jako systém propojující big data z dopravy a kvality ovzduší, který umožní strojové učení a do budoucna eliminuje potřebu vyššího počtu stanic měření kvality ovzduší.

management znečištění ovzduší – aplikace regulací a politik umožňujících regulovat vjezd vybraných tříd vozidel do daných oblastí a pro řízené využívání např. parkování, s cílem zlepšit kvalitu ovzduší v dané oblasti (synonymem je management kvality ovzduší)

systém monitorování dopravní zátěže (traffic burden monitoring system, TBMS) – systém plošného monitorování vlivu dopravy na kvalitu ovzduší v dané zóně v rozlišení ulice za použití technologie pro monitorování dopravního proudu a stanice AQMS.

stanice měření kvality ovzduší (air quality monitoring station, AQMS) – zařízení pro měření znečištění ovzduší, nasazené ideálně v podobě senzorické sítě, založené na referenčních metodách měření, definovaných obecně v Rozhodnutí EO/97/101/ES

geofencing – vytvoření virtuálního geografického ohraničení

znečišťující látky, polutanty – výskyt znečišťujících částic, které svou přítomností v ovzduší způsobují negativní dopady na lidské zdraví nebo prostředí nebo obtěžují zápachem

Senzorické sítě dopravního proudu a kvality ovzduší předávají data o počtu vozidel, jejich délce a rychlosti, respektive naměřených hodnotách oxidů dusíku, prachových částicích a benzenu (dle kategorie stanice měření kvality ovzduší A, B či C) do Dopravního informačního centra, které v big data modulu zpracovává data a provádí nezbytná opatření dle stanovených scénářů managementu znečištění.

Znečištění způsobené dopravou

Znečištění ovzduší je způsobeno řadou látek pocházejících z celé řady zdrojů (viz. tab. 1 v CEN TS 17378) přičemž doprava je jedním z významných zdrojů znečištění zejména v městských prostředích. Doprava do ovzduší rovněž emituje širokou škálu škodlivin, a to nejenom ze spalovacích procesů probíhajících v motorech automobilů či dalších vozidel, ale i tzv. nespalovací emise zahrnující zejména pevné částice vznikající obrusem povrchu vozovky, pneumatik, mechanicky namáhaných částí (brzdové destičky, spojkové obložení), ale i resuspenzí prachu deponovaného na komunikaci projíždějícími vozidly. Zároveň je však velmi obtížné jasně identifikovat zdroj příslušné škodliviny, jelikož může být do ovzduší emitována více zdroji.

Nicméně za škodliviny specifické pro dopravu je možné považovat:

• oxidy dusíku,
• benzen,
• platinové kovy a
• ultrajemné částice.

Znečištění ovzduší způsobené dopravou tak lze sledovat pomocí těchto škodlivin. S ohledem na náklady tak pro základní datové vstupy managementu znečištění ovzduší byly vybrány oxidy dusíku, benzen a prachové částice. Tento výběr umožnil klasifikovat stanice do tří tříd a tím dále snížit pořizovací a provozní náklady senzorické sítě.

Referenční metody měření a typy stanic

AQMS stanice používaná za účelem dlouhodobého monitoringu kvality ovzduší s ohledem na předpokládaný zdroj škodlivin z dopravy by tedy, na základě výše uvedeného, měla být schopna kvalitně a přesně měřit koncentrace oxidů dusíku, a to přístroji pracujícími na principu referenční metody (EN 14211). Za účelem zpřesnění informací může být stanice rozšířena o přístroj k měření koncentrací benzenu, opět pracující na principu referenční metody (EN 14622-3) a přístroj pro měření koncentrací pevných částic pracující na principu nefelometrie. V případě měření koncentrací pevných částic metodou nefelometrie by měla v pravidelném intervalu probíhat validace této metody srovnáním jí poskytovaných výsledků s výsledky stanovenými referenční metodou definovanou v EN 12341. Součástí měření koncentrací škodlivin v ovzduší by mělo být také měření meteorologických parametrů zahrnující teplotu, relativní vlhkost, směr a rychlost větru.

Hodnoty škodlivin a umístění stanic

Používané přístroje musí být schopny poskytovat hodnoty koncentrací příslušné škodliviny v nejméně desetiminutových intervalech, aby bylo možné stanovit hodinové průměry, které mohou být vztaženy k limitním koncentracím definovaným Směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2008/50/ES ze dne 21. května 2008 o kvalitě vnějšího ovzduší a čistším ovzduší pro Evropu. K regulaci dopravy dle aktuální situace kvality ovzduší mohou být využity koncentrace oxidu dusičitého NO2 a případně koncentrace pevných částic PM10, které mají definovaný hodinový imisní limit 200 µg.m-3 v případě NO2, resp. denní imisní limit 50 µg.m-3 pro PM10. Nicméně je nutné vzít v potaz, že PM10 nepochází výhradně z dopravy, ale jsou produkovány celou řadou zdrojů, a proto by jejich koncentrace měly sloužit spíše jako indikátor znečištění. Navrhované stanovení početních koncentrací ultrajemných částic více odráží znečištění z dopravy, avšak k této charakteristice neexistuje žádný imisní limit a jeho definice je velmi obtížná.

V případě sledování znečištění ovzduší pocházejícího z dopravy by měla být stanice umístěna v souladu se Směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2008/50/ES ze dne 21. května 2008 o kvalitě vnějšího ovzduší a čistším ovzduší pro Evropu a Směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2004/107/ES ze dne 15. prosince 2004 o obsahu arsenu, kadmia, rtuti, niklu a polycyklických aromatických uhlovodíků ve vnějším ovzduší, které jasně definují umístění vzorkovacích a měřících zařízení vzhledem ke komunikaci.

Funkce stanice měření kvality ovzduší (AQMS):

• Detekce definovaných znečišťujících látek.
• Komunikace dat do big data modulu dopravního informačního centra

Detekce definovaných znečišťujících látek

AQMS používaná za účelem dlouhodobého monitoringu kvality ovzduší s ohledem na předpokládaný zdroj škodlivin z dopravy by měla být schopna kvalitně a přesně měřit koncentrace oxidů dusíku, a to přístroji pracujícími na principu referenční metody (EN 14211), tj. stanice třídy C. Za účelem zpřesnění informací může být stanice rozšířena o přístroj k měření koncentrací benzenu, opět pracující na principu referenční metody (EN 14622-3) a přístroj pro měření koncentrací pevných částic pracující na principu nefelometrie.

Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2008/50/ES ze dne 21. května 2008 o kvalitě vnějšího ovzduší a čistším ovzduší pro Evropu a Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2004/107/ES ze dne 15. prosince 2004 o obsahu arsenu, kadmia, rtuti, niklu a polycyklických aromatických uhlovodíků ve vnějším ovzduší definují požadavky na nejistoty měření, které v rámci dlouhodobých stacionárních měření jsou v případě oxidů dusíku 15 %, benzenu 25 % a pevných částic taktéž 25 % (platí pro referenční metodu měření, kterou je gravimetrie). V případě měření koncentrací pevných částic metodou nefelometrie by měla v pravidelném intervalu probíhat validace této metody srovnáním jí poskytovaných výsledků s výsledky stanovenými referenční metodou podle EN 12341.

Přístroje by měly být pravidelně servisovány minimálně v ročním intervalu a v tomtéž intervalu i kalibrovány v kalibrační laboratoři nebo pomocí kalibrační laboratoří kalibrovaného standardu. Samozřejmostí je pravidelné ověřování správnosti měření v rozsahu minimálně 0 až jedné měřené hodnoty pomocí kalibračního plynu o známé koncentraci v intervalu cca. 14 dní.

Komunikace dat do big data modulu dopravního informačního centra

Způsob komunikace dat ze stanic AQMS do informačního centra není definována. Vzhledem k náročnosti vlastní detekce a souvisejícími náklady na provoz zařízení se výrobci nezabývají vlastní komunikací a využívají standardní modemy s konektivitou do mobilní sítě operátorů. Lze zvážit i využití dostupných radiových sítí jako alternativního komunikačního kanálu, nicméně žádná technická norma či směrnice nic takového nedefinuje.

V kontextu zelených a digitálních evropských politik je management znečištění ovzduší základním prvkem pro nové strategie města vedoucí k udržitelné mobilitě. Každé větší město v ČR (minimálně statutární města) by v kontextu hrozících sankcí ze strany EU mělo provozovat síť stanic měření kvality ovzduší. Závazné technické parametry těchto stanic tak významně ovlivňují jak cenu pořízení a provozu, tak i spolehlivost výstupních dat a jejich použitelnost pro krizové řízení.

Z výše uvedeného vyplývá následující doporučení:

• pokud je cílem získat pouze orientační informace o kvalitě ovzduší omezující se v podstatě na fakt, kdy je znečištění ovzduší větší, a kdy menší, pak je možné použít přístroje pracující na bázi elektrochemických senzorů, nicméně pouze některých výrobců
• výhody: nízké pořizovací náklady, nízké provozní náklady
• nevýhody: pouze orientační informace o kvalitě ovzduší, reprodukovatelnost měření, nestálost při různých klimatických podmínkách, kratší doba životnosti, žádná opora v legislativě (ČR i EU), nemožnost spouštět účinné a důvěryhodné scénáře a opatření
• pokud je cílem dlouhodobá politika města založená na účinném plánu kvality ovzduší opírajícím se o spolehlivé měření kvality ovzduší a hodnocení znečištění ve vztahu k limitním imisním koncentracím, je jedinou v současné době možnou variantou použít přístroje pracující na bázi referenčních metod měření nebo ekvivalentních
• výhody: kvalitní informace o znečištění ovzduší, přesnost měření, robustnost, opora v legislativě (ČR i EU), možnost nastavit důvěryhodnou dlouhodobou imisní strategii
• nevýhody: vysoké pořizovací náklady, vysoké provozní náklady

Přehled norem definujících požadavky na systém monitorování dopravní zátěže:

Management znečištění ovzduší

CEN/TS 17378 (management znečištění ovzduší na základě big dat z TBMS)

Právní rámec

Mandát M/456, COMMISSION IMPLEMENTING DECISION of 12.2.2016 on a standardisation request to the European standardisation organisations as regards Intelligent Transport Systems (ITS) in urban areas in support of Directive 2010/40/EU of the European Parliament and of the Council of 7 July 2010 on the framework for the deployment of Intelligent Transport Systems in the field of road transport and for interfaces with other modes of transport

Směrnice 2008/50/EC of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008, on ambient air quality and cleaner air for Europe

Směrnice 2004/107/EC of the European Parliament and of the Council of 15 December 2004 relating to arsenic, cadmium, mercury, nickel and polycyclic aromatic hydrocarbons in ambient air

Směrnice 1999/30/EC of 22 April 1999 Relating to limit values for sulphur dioxide, nitrogen dioxide and oxides of nitrogen, particulate matter and lead in ambient air

Směrnice 2000/69/EC of the European Parliament and of the Council of 16 November 2000 relating to limit values for benzene and carbon monoxide in ambient air

Směrnice 2002/3/EC of the European Parliament and of the Council of 12 February 2002 relating to ozone in ambient air

Směrnice 2004/107/EC of the European Parliament and of the Council of 15 December 2004 relating to arsenic, cadmium, mercury, nickel and polycyclic aromatic hydrocarbons in ambient air

Směrnice 2010/40/EU of the European Parliament and of the Council of 7 July 2010 on the framework for the deployment of Intelligent Transport Systems in the field of road transport and for interfaces with other modes of transport

Nadskupina: Řízení dopravy na základě kvality ovzduší, Management znečištění ovzduší/TBMS