AGRESYWNOŚĆ KOROZYJNA WÓD GRUNTOWYCH - ZMIENNOŚĆ CZYNNIKÓW KOROZYJNYCH NA TLE BUDOWY GEOMORFOLOGICZNEJ WARSZAWY Marek Patakiewicz, Firma Usług Geotechnicznych GEOTOR Beton i żelbet należą do podstawowych materiałów, z których wykonywane są elementy konstrukcji budowlanych. Aby właściwie zaprojektować i wykonać trwały i niezawodnie funkcjonujący obiekt budowlany, należy rozpoznać warunki środowiskowe, w których projektowana budowla będzie funkcjonować, oraz określić, na jakie czynniki agresywne mogą być narażone poszczególne elementy konstrukcji. Różnorodne rodzaje środowisk, w jakich będzie pracować beton charakteryzowane są poprzez klasy ekspozycji betonu. W normie PN-EN 206-1:2003 wśród 18 klas ekspozycji uwzględniono także korozyjne oddziaływanie wód gruntowych, mogących poprzez swój skład chemiczny destrukcyjnie oddziaływać na beton fundamentów. Na podstawie badań składu chemicznego czwartorzędowych wód podziemnych z obszaru Warszawy przeanalizowano składniki wód gruntowych, które w warunkach zabudowy miasta mogą oddziaływać korozyjnie na fundamenty. Z wykorzystaniem narzędzi statystycznych programu STATISTICA testowano zmienność czynników korozyjnych w odniesieniu do dwóch głównych jednostek geomorfologicznych Warszawy sprawdzając, czy wody gruntowe przynależne do głównych jednostek geomorfologicznych miasta mogą charakteryzować się zróżnicowanym składem chemicznym i tym samym zróżnicowanym oddziaływaniem korozyjnym na beton. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 63
Agresywne oddziaływanie wód gruntowych na beton Znajomość wielkości stężeń i istotności oddziaływań poszczególnych czynników korozyjnych pozwala na zaprojektowanie, wykonanie oraz eksploatowanie trwałych konstrukcji betonowych, o długim okresie bezawaryjnego i bezremontowego funkcjonowania. Wody gruntowe należą do grupy tych czynników, które w sposób powszechny i ciągły mogą oddziaływać na konstrukcję budowlaną zagłębioną w gruncie. Według kryteriów normy [4] w odniesieniu do wód gruntowych czynnikami o korozyjnym oddziaływaniu na konstrukcje betonowe zagłębione w gruncie są: odczyn wody (ph), agresywny CO 2, jony: NH + 4, SO 2-4, Mg 2+. W zależności od zawartości poszczególnych czynników korozyjnych norma [4] wyróżnia trzy klasy agresywności wód gruntowych: XA1 (środowisko chemicznie mało agresywne), XA2 (środowisko chemicznie średnio agresywne), XA3 (środowisko chemicznie silnie agresywne). Kryteria normowe klasyfikacji stopnia agresywności wód gruntowych przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wartości graniczne klas ekspozycji (stopni agresywności korozyjnej) agresji chemicznej wód gruntowych [4]. charakterystyka chemiczna jednostka pomiaru XA1 XA2 XA3 środowisko chemicznie mało agresywne środowisko chemicznie średnio agresywne środowisko chemicznie silnie agresywne SO 4 2 mg/l 200 i 600 > 600 i 3000 >3000 i 6000 ph - 6,5 i 5,5 <5,5 i 4,5 < 4,5 i 4,0 CO 2 agresywny mg/l 15 i 40 >40 i 100 >100 i do nasycenia NH 4 + mg/l 15 i 30 >30 i 60 >60 i 100 Mg 2+ mg/l 300 i 1000 >1000 i 3000 >3000 i do nasycenia Należy zaznaczyć, iż przy ocenie agresywności środowiska wód gruntowych stosuje się dodatkową zasadę normową, klasyfikującą środowisko do klasy o stopień wyższej, gdy dwie lub więcej charakterystyk chemicznych agresywności wskazuje na tę samą klasę. 64 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Oznaczanie agresywności środowiska wód gruntowych ma duże znaczenie, szczególnie w obszarach silnie zurbanizowanych, gdzie w warunkach antropopresji i w sposób powszechny występują głęboko posadowione betonowe i żelbetowe elementy konstrukcji budowlanych, związane m.in. z wielopiętrowymi garażami podziemnymi, tunelami oraz posadowieniami pośrednimi (rys. 1). Rys. 1. Warszawa, teren wysoczyzny - przykład wzmocnienia obudowy głębokiego wykopu fundamentowego przy użyciu pali formowanych w gruncie (fot. Marek Patakiewicz). Wiedza na temat zawartości czynników korozyjnych rozpuszczonych w wodzie gruntowej pozwala na zaprojektowanie odpowiednio trwałych mieszanek betonowych, właściwy dobór kruszywa do betonów oraz na odpowiednie dostosowanie do warunków Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 65
środowiskowych grubości betonowych otulin wokół prętów zbrojeń konstrukcji budowlanych. Jednostki geomorfologiczne i budowa geologiczna Warszawy Główną oś hydrograficzną Warszawy stanowi rzeka Wisła, której koryto osiąga szerokość od ok. 0,6 km (na północy miasta) do 1 km (w części południowej). Działalność erozyjno-sedymentacyjna Wisły miała wpływ na powstanie wyraźnie zaznaczonych w strukturze miasta jednostek terytorialnych i geomorfologicznych. W podziale ogólnym budowy geomorfologicznej Warszawy można wydzielić dwie głównie części: część wysoczyznową oraz część obejmującą grunty aluwialne (rzeczne) doliny Wisły (rys. 2). Rys. 2. Podział ogólny Warszawy na jednostki geomorfologiczne (według [1], ze zmianami). 66 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Praktycznie cała wschodnia część Warszawy (strona praska) leży w obrębie aluwialnych (rzecznych) tarasów Wisły, natomiast zachodnia część miasta leży głównie na wysoczyźnie polodowcowej (Wysoczyzna Warszawska). Granicę między doliną Wisły a wysoczyzną polodowcową stanowi skarpa warszawska wyraźna forma geomorfologiczna o długości ok. 30 km, wysokości 95-115 m n.p.m. i wysokości względnej dochodzącej do ok. 25 m. Zachodni brzeg doliny Wisły, poprzez skarpę warszawską, graniczy z polodowcową Wysoczyzną Warszawską, na której położona jest główna część lewobrzeżnej Warszawy. Wysoczyzna zbudowana jest głównie z glin zwałowych zlodowaceń środkowopolskich (zlodowacenia Odry i Warty) oraz wodnolodowcowych utworów piaszczystych [7]. W dolinie Wisły dominują grunty niespoiste, tj. piaski i żwiry rzeczne (rys. 3). Dolina pra-wisły istniała już w okresach interglacjału mazowieckiego i potem interglacjału eemskiego. Po wycofaniu się lądolodu w okresie interglacjału eemskiego pra- Wisła rozcięła obszar wysoczyzny na głębokość do ok. 40 m i ukształtowała dolinę, o szerokości dochodzącej do 11 km, o kształcie zbliżonym do współczesnego przebiegu doliny [3]. Rys. 3. Przekrój geologiczny przez Wysoczyznę Warszawską i dolinę Wisły na odcinku budowy II linii metra pomiędzy stacjami S7 i S13 (według [2], uproszczony); kolor jasnoszary grunty niespoiste (wodoprzepuszczalne), kolory ciemnoszare gliny i piaski gliniaste wieku czwartorzędowego, kolor szary iły wieku trzeciorzędowego. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 67
Cel badań Warszawa należy do tej grupy miast, gdzie zrealizowano i realizuje się dużą liczbę obiektów budowlanych o znacznym zagłębieniu i w ciągłym kontakcie z wodą gruntową. Wody gruntowe mogą występować w środowiskach zróżnicowanych pod względem budowy i historii geologicznej, warunków zasilania i migracji oraz skali oddziaływania czynników związanych z antropopresją. Dlatego zagadnieniem interesującym poznawczo było prześledzenie, jak w obrębie tego samego miasta zróżnicowane warunki geomorfologiczne oraz związane z tym zróżnicowane warunki gruntowe podłoża i warunki migracji wód gruntowych mogą wpływać na intensywność oddziaływań korozyjnych wód podziemnych w odniesieniu do betonowych konstrukcji budowlanych zagłębionych w gruncie. Dla zbioru 111 zestawów wyników badań składu chemicznego czwartorzędowych wód gruntowych z obszaru Warszawy przeanalizowano zmienność czynników korozyjnych w odniesieniu do wydzielonych dwóch głównych jednostek geomorfologicznych, tj. wysoczyzny polodowcowej oraz doliny Wisły. Celem badań było określenie, czy przynależność do określonej jednostki geomorfologicznej, a tym samym i model budowy geologicznej podłoża, wywierają istotny wpływ na własności korozyjne wód gruntowych Warszawy. W prowadzonych badaniach dodatkowo określano zawartość chlorków rozpuszczonych w wodzie gruntowej, traktując wielkości stężeń jonu Cl - jako czynnik korozji chlorkowej (pozanormowy) i jako wskaźnik wielkości antropopresji [2]. Metodyka badań statystycznych W prowadzonych badaniach analizy statystyczne przeprowadzono według następującego schematu: gromadzenie wyników badań, weryfikacja poprawności wprowadzenia danych, weryfikacja poprawności merytorycznej danych, 68 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
obliczenie podstawowych statystyk opisowych i analiza normalności rozkładów analizowanych zmiennych, określenie programu realizacji testów statystycznych w dostosowaniu do założonego celu badawczego i posiadanych zbiorów danych (ich liczności i rozkładów poszczególnych zmiennych), wykonanie założonego programu testów oraz badań dodatkowych (uzupełniających), wnioskowanie statystyczne i merytoryczne. Testowanie hipotez o istotności różnic stężeń czynników korozyjnych występujących w wodach gruntowych w obrębie wysoczyzny oraz w dolinie Wisły w pierwszej ścieżce badawczej poprowadzono z uwzględnieniem metodyki przedstawionej w pracy Stanisza [5], gdzie procedura testowa dla zmiennych ilościowych (niepowiązanych) przewiduje następujący algorytm działań: 1. Określenie liczebności porównywanych zbiorów (n1 > 50, n2 > 50). Dla zbiorów o liczebności powyżej 50 elementów (duże próby) testowanie przeprowadza się w oparciu o test z. Dla zbiorów zawierających poniżej 50 elementów analizę prowadzi się według kolejnych, klasycznych zasad działania. 2. Sprawdzenie normalności rozkładu analizowanych zmiennych w porównywanych zbiorach (np. testem Shapiro-Wilka). 3. Sprawdzenie jednorodności wariancji analizowanych zmiennych (test F, test Levenea, test Bartletta). 4. Wybór odpowiedniego testu do analizy istotności różnic między zbiorami: Test t (dla zmiennych o rozkładzie normalnym i równych wariancjach), Test Cochrana-Coxa (dla zmiennych o rozkładzie normalnym i różnych wariancjach), Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 69
Test U (dla zmiennych o rozkładzie normalnym i znanych wariancjach), Testy nieparametryczne - dla tych zmiennych, które nie charakteryzują się rozkładem normalnym (testy: Manna-Whitneya, Walda-Wolfowitza, Kołomogorowa-Smirnowa). W drugiej ścieżce badawczej istotności różnic stężeń czynników korozyjnych testowano w oparciu o podstawowy algorytm postępowania zawarty w pracy [6], bez dodatkowego uwzględniania czynnika liczności porównywanych grup. Zbiór badawczy Zbiór badawczy liczył 111 zestawów wyników badań składu chemicznego czwartorzędowych wód gruntowych obszaru Warszawy. Zdecydowana większość analiz chemicznych (97%) została wykonana w Laboratorium Analityczno-Technologicznym KARTECH II ; w ten sposób zapewniono maksymalnie jednorodne warunki obserwacji (to samo laboratorium, identyczny sprzęt badawczy, identyczna procedura i kultura prowadzenia badań). We wszystkich analizach chemicznych oznaczono zawartość składników korozyjnych wymaganych normą [4], tj.: odczyn wody (ph), zawartość agresywnego CO 2, zawartość jonów: NH + 4, SO 2-4, Mg 2+. Dodatkowo (jako parametr pozanormowy) dla każdej z próbek wody określano stężenia jonu chlorkowego Cl -. Zbiór ogólny podzielono poprzez zastosowanie dodatkowej zmiennej grupującej na dwa podzbiory badawcze: 1. wysoczyzna, 2. dolina Wisły; kryterium podziału stanowiła przynależność lokalizacji danego punktu badawczego do jednej z dwóch głównych jednostek geomorfologicznych. Statystyki opisowe dla wydzielonych grup badawczych przedstawiono w tabeli 2 (wysoczyzna) oraz w tabeli 3 (dolina Wisły). 70 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Średnia Mediana Minimum Maksimum Rozstęp Odchylenie standardowe Skośność Kurtoza Średnia Mediana Minimum Maksimum Rozstęp Odchylenie standardow e Skośność Kurtoza Tabela 2. Statystyki opisowe czynników korozyjnych wód czwartorzędowych Warszawy wysoczyzna. Wysoczyzna: statystyki opisowe (n=57) Zmienna Odczyn 7,14 7,14 7,20 6,35 1,69 0,425 0,02-0,74 Azot amonowy 0,99 0,62 0,22 0,03 4,57 0,990 2,60 6,86 Siarczany 64,29 54,58 49,70 10,00 164,00 32,972 0,92 1,46 CO 2 agresywny 12,45 12,40 11,50 1,30 38,20 6,615 1,41 4,19 Magnez 17,26 14,83 14,35 3,10 24,30 6,249-0,02-1,09 Chlorki 444,92 150,00 22,00 4500,0 4478,00 824,445 3,34 12,01 Tabela 3. Statystyki opisowe stężeń czynników korozyjnych wód czwartorzędowych Warszawy - dolina Wisły. Dolina Wisły: statystyki opisowe (n=54) Zmienna Odczyn 7,14 7,06 5,71 8,12 2,41 0,544-0,07-0,50 Azot amonowy 0,99 0,22 0,04 8,70 8,66 1,626 2,63 8,45 Siarczany 64,29 48,80 4,20 367,20 363,00 56,044 3,04 14,36 CO 2 agresywny 12,45 10,70 0,00 46,80 46,80 9,115 2,06 5,54 Magnez 17,26 15,30 2,40 43,20 40,80 8,343 0,78 0,46 Chlorki 195,36 89,00 15,00 1640,00 1625,00 269,661 3,47 15,41 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 71
Wnioskowanie dotyczące testowanych hipotez statystycznych przeprowadzono w oparciu o wielkości prawdopodobieństw testowych (p-value). Poziom istotności przyjęty dla wszystkich wykonywanych testów był stały i wynosił = 0,05. Testowanie hipotez o normalności rozkładu każdej z 6 analizowanych zmiennych w obydwu grupach badawczych (wysoczyzna/dolina Wisły) wykonano przy użyciu testu Shapiro-Wilka, a uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 4. Na rozpatrywanym poziomie istotności wyniki testu Shapiro-Wilka wskazywały, iż tylko dla zmiennej ph w obu grupach badawczych nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zakładającej rozkład normalny analizowanej zmiennej. Tabela 4. Testowanie hipotezy o normalności rozkładu składników korozyjnych rozpuszczonych w wodzie ( = 0,05). Wysoczyzna Dolina Wisły Zmienna Prawdopodobieństwo testowe p Normalność rozkładu zmiennej (T/N) Prawdopodobieństwo testowe p Normalność rozkładu zmiennej (T/N) Odczyn 0,134 T 0,421 T Azot amonowy < 0,001 N < 0,001 N Siarczany < 0,001 N 0,001 N CO 2 agresywny < 0,001 N 0,001 N Magnez 0,010 N 0,084 T Chlorki < 0,001 N < 0,001 N Wyniki badań Zmienne w porównywanych zbiorach były zmiennymi niepowiązanymi, a liczności każdej z grup spełniały warunek liczności dla prób dużych (n 1 > 50, n 2 > 50) [5]. Biorąc 72 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Składnik korozyjny wody wg normy [4] pod uwagę liczbę elementów w porównywanych grupach, w pierwszej ścieżce badawczej testowanie istotności różnic pomiędzy zmiennymi należącymi do grup wysoczyzna i dolina Wisły przeprowadzono, kierując się schematem testowań podanym w pracy Stanisza [5], na podstawie wyników testu z. Hipoteza zerowa (H 0 ) zakładała równość średnich zawartości składników korozyjnych w obu porównywanych grupach (H 0 : m 1 = m 2 ). Hipoteza alternatywna (H 1 ) zakładała, iż średnie te różnią się w sposób statystycznie istotny (H 1 : m 1 m 2 ). Wyniki testów przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wyniki testów istotności różnic pomiędzy zawartością składników korozyjnych w wodach gruntowych Warszawy w dolinie Wisły i na wysoczyźnie. Zmienna Typ składnika Wartość testu z Prawdopodobieństwo testowe p Odczyn 0,049 0,961 Azot amonowy -1,451 0,150 Siarczany -1,105 0,272 CO 2 agresywny -0,033 0,973 Magnez -1,729 0,087 Chlorki Składnik pozanormowy -2,119 0,036 W każdym z analizowanych przypadków dla normowych składników korozyjnych opisanych zmiennymi: odczyn wody, azot amonowy, siarczany, CO 2 agresywny, magnez - nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej na założonym poziomie istotności = 0,05; tym samym zróżnicowanie czynników korozyjnych w wodach gruntowych głównych jednostek geomorfologicznych Warszawy okazało się statystycznie nieistotnie. Odwrotna sytuacja zaistniała w odniesieniu do zmiennej chlorki charakteryzującej zawartość jonów Cl - rozpuszczonych w wodach gruntowych (składnik pozanormowy). Wyniki testu z dawały podstawę do odrzucenia hipotezy zerowej mówiącej o równości Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 73
średnich, kierując w stronę przyjęcia hipotezy alternatywnej: różnice w średniej zawartości chlorków dla wysoczyzny i obszarów doliny różnią się istotnie na założonym poziomie istotności. Przypadek ten poddano szczegółowej analizie w dalszej części pracy. Klasyczna ścieżka testowania istotności różnic Dla badanego zbioru możliwe było także poprowadzenie procedury testowej według podstawowego (klasycznego) algorytmu [6], przy pominięciu czynnika wielkości grup badawczych. W dostosowaniu do prowadzonych analiz - schemat ten przewidywał następujące kroki: 1. Dla zmiennej ph (zmienna o rozkładzie normalnym) przeanalizowanie, czy wariancje w obu porównywanych grupach (wysoczyzna/dolina) są jednorodne, co można wykonać np. testem F. W zależności od wyników tego testu - do analiz istotności różnic zastosować test t (w przypadku równych wariancji) lub zastosować test Cohrana-Coxa (dla przypadku gdy wariancje nie będą równe). Rys. 4. Arkusz wyników testów F i t dla zmiennej ph Postępując według powyższego schematu w odniesieniu do zmiennej ph uzyskana wartość prawdopodobieństwa testowego dla testu F wyniosła p = 0,074, wskazując, iż nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o równości wariancji w obu porównywanych grupach badawczych, i w ten sposób kierując do wykonywania dalszych analiz w oparciu o wyniki testu t. Wartość prawdopodobieństwa testowego dla testu t wyniosła p = 0,961; tym samym nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej zakładającej, że różnice odczynu ph wód gruntowych na wysoczyźnie i w obszarze dolinnym są statystycznie nieistotne. 74 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Wyniki obliczeń prowadzonych według powyższego schematu (rys. 4) były zgodne z wynikami uzyskanymi w oparciu o test z (tabela 5). 2. Dla pozostałych analizowanych zmiennych, których rozkład nie był rozkładem normalnym, tj. dla zawartości agresywnego CO2, zawartości jonów: NH4 +, SO4 2-, Mg 2+, Cl -, należało zastosować jeden z testów nieparametrycznych, np. test Manna- Whitneya. Arkusz wyników dla tego testu przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Wyniki testu Manna-Whitneya dla zmiennych: Cl -, NH 4 +, SO 4 2-, Mg 2+, agresywny CO 2. Wyniki testu Manna-Whitneya pokrywały się z wynikami testu z, wskazując na statystycznie istotną różnicę pomiędzy zawartością chlorków w wodach gruntowych doliny Wisły i na wysoczyźnie (przy czym prawdopodobieństwo testowe p = 0,042 nie było zdecydowanie niższe od poziomu istotności = 0,05). Dla pozostałych składników określających agresywność wód gruntowych (NH + 4, SO 2-4, Mg 2+, agresywny CO 2 ) wyniki testu U Manna-Whitneya wskazywały, iż nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o braku różnic pomiędzy analizowanymi zmiennymi w porównywanych grupach (w każdym z przypadków prawdopodobieństwo testowe p było wyższe od ). Wyniki uzyskane według przedstawionego wcześniej schematu (rys. 5) były zgodne z wynikami uzyskanymi w pierwszej ścieżce testowań, w oparciu o test z (tabela 5). Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 75
Wartości odstające i ich wpływ na wyniki testów W odniesieniu do zawartości chlorków wyniki uzyskane dla obu schematów testowań (tj. dla parametrycznego testu z oraz testu nieparametrycznego Manna-Whitneya) dawały podstawę do odrzucenia hipotezy zerowej i przyjęcia hipotezy alternatywnej mówiącej, iż różnice średniej zawartości chlorków dla wysoczyzny i obszarów doliny różnią się istotnie na założonym poziomie istotności. Interpretując merytorycznie wyniki badań, należało jednak zwrócić uwagę, iż zawartość chlorków w wodzie gruntowej jest też istotnym wskaźnikiem mówiącym o skali antropopresji [2]. Tym samym obecność chlorków w wodach gruntowych może mieć również charakter wyraźnie incydentalny, związany z punktowym, silnym oddziaływaniem człowieka na środowisko. Rys. 6. Wartości średnie zawartości jonu Cl - w wodach gruntowych Warszawy z uwzględnieniem podziału na główne jednostki geomorfologiczne. 76 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Na rys. 6 przedstawiono graficzne porównanie wartości średnich zawartości jonów Cl - w każdej z analizowanych grup geomorfologicznych. Widoczna jest duża dysproporcja pomiędzy średnimi stężeniami chlorków w wodach gruntowych w obrębie doliny i w obrębie wysoczyzny (odpowiednio 195,36 mg/l i 444,92 mg/l), z wyraźną, ponad dwukrotną przewagą średniej zawartości chlorków w wodach wysoczyzny. Na podstawie tak zestawionych wykresów (rys. 5) można byłoby np. zilustrować tezę, iż obszar wysoczyzny jest poddany znacznie silniejszej antropopresji związanej z zastosowaniem środków odladzających tworzonych na bazie CaCl 2 i NaCl. Pogląd tak sformułowany i wsparty rys. 6 mógłby być jednak mylący. Rys. 7. Porównanie zakresów zmienności zawartości jonu Cl - w wodach gruntowych Warszawy z uwzględnieniem podziału na główne jednostki geomorfologiczne. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 77
Liczba badań Średnia Mediana Minimum Maksimum Rozstęp Odchylenie standardowe Skośność Kurtoza Bazowanie na wykresach operujących na wartościach średnich, przy stwierdzonej silnej skośności rozkładów (tabele 2 i 3) jest działaniem mogącym kierować do mylnych spostrzeżeń. Dlatego też na rys. 7 przedstawiono zmienność zawartości chlorków z uwzględnieniem wartości median, wartości odstających i wartości ekstremalnych. W każdej z porównywanych grup (wysoczyzna/dolina) uwagę zwraca duża liczba wyników odstających i ekstremalnych. Najwyższą wartość stężeń chlorków (4500 mg/l) stwierdzono dla wysoczyzny; warto zauważyć, iż jest to wartość 2,5 razy większa niż maksymalne stężenie chlorków stwierdzone dla wód gruntowych doliny Wisły. W związku z występowaniem w każdej z grup badawczych wyników ekstremalnych i odstających przeprowadzono powtórną analizę statyczną, po wyłączeniu wyników znacznie odbiegających od reszty populacji. Do wyłączenia przewidziano wyniki odstające i ekstremalne o stężeniach jonu Cl - powyżej 500 mg/l, tj. powyżej dwukrotnej dopuszczalnej zawartości chlorków w wodach pitnych. Po usunięciu wartości odstających zmniejszeniu uległy liczebności grup badawczych tak dla wysoczyzny, jak i dla doliny Wisły (odpowiednio do n 1 = 46 i n 2 = 49). Statystyki opisowe charakteryzujące zawartości chlorków w przeliczonych na nowo grupach przedstawiono w tabeli 6. Tabela 6. Statystyki opisowe zawartości jonu chlorkowego Cl - w wodach czwartorzędowych Warszawy (po usunięciu wyników o stężeniach jonu Cl - powyżej 500 mg/l). Obszar Wysoczyzna 46 148,92 107,50 22,00 490,00 468,00 112,196 1,219 1,245 Dolina Wisły 49 125,30 81,00 15,00 400,00 385,00 103,605 1,153 0,185 78 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
Wyłączenie wyników ekstremalnych w obu porównywanych grupach wpłynęło na wartości statystyk opisowych, w tym na zmniejszenie wartości średnich, zmniejszenie różnic między średnimi i medianami oraz zmniejszenie wskaźników skośności. Po modyfikacji zbiorów powtórnie wykonano testowanie hipotezy o normalności rozkładu stężeń chlorków w porównywanych grupach badawczych. Testowanie wykonano przy użyciu testu Shapiro-Wilka, a uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 7. Na rozpatrywanym poziomie istotności = 0,05 wyniki testu Shapiro-Wilka wskazały, iż dla obu jednostek geomorfologicznych należy odrzucić hipotezę zerową o normalności rozkładów stężeń chlorków. Tabela 7. Wyniki badań normalności rozkładu stężeń jonu chlorkowego Cl - w wodach gruntowych głównych jednostek geomorfologicznych Warszawy po usunięciu wartości odstających i ekstremalnych o stężeniach >500 mg/l. Wysoczyzna Dolina Wisły Zmienna Prawdopodobieństwo testowe p Normalność rozkładu zmiennej (T/N) Prawdopodobieństwo testowe p Normalność rozkładu zmiennej (T/N) Chlorki < 0,001 N < 0,001 N W związku ze zmniejszeniem liczności wyników w obydwu porównywanych grupach do n < 50 - po odrzuceniem hipotezy o normalności rozkładów w grupach do dalszych testów różnic w stężeniach jonu Cl - zastosowano opisaną wcześniej równoległą, klasyczną ścieżkę testowania hipotez. Testowanie przeprowadzono testem nieparametrycznym Manna-Whitneya na poziomie istotności = 0,05. Arkusz obliczeniowy dla tego testu przestawiono na rys. 8. Rys. 8. Wyniki testu Manna-Whitneya dla zmiennej Cl - po usunięciu wartości odstających i ekstremalnych o stężeniach >500 mg/l. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 79
Uzyskana w teście Manna-Whitneya wartość prawdopodobieństwa testowego p = 0,168 wskazywała, że (po wyłączeniu wartości ekstremalnych i skrajnych) nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o braku różnic w stężeniach jonu chlorkowego w wodach gruntowych wysoczyzny i doliny Wisły. Tym samym uzyskano wynik przeciwstawny do przypadku, gdy analizowane zbiory nie zostały wyczyszczone z wartości odstających. Rys. 9. Zakresy zmienności zawartości jonu Cl - w wodach gruntowych głównych jednostek geomorfologicznych Warszawy (po usunięciu wartości ekstremalnych). Wykres zmienności grupowej zmiennej chlorki po usunięciu wartości ekstremalnych (> 500 mg/l) przedstawiono na rys. 9. Na podstawie analizy rys. 7 i 9 można sformułować nowy, mniej kategoryczny pogląd dotyczący zawartości chlorków w wodach gruntowych głównych jednostek geomorfologicznych Warszawy: stężenia te nie różnią się w sposób statystycznie istotny, natomiast bardziej ekstremalne stężenia jonów Cl - 80 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
stwierdzano w wodach gruntowych w części wysoczyznowej. Podwyższone stężenia chlorków (wartości odstające i ekstremalne) mogą być wiązane z punktową antropopresją. Temat wartości ekstremalnych wskazane będzie przeanalizować w odrębnym badaniu, m.in. z uwzględnieniem elementów topografii miasta i jego infrastruktury, przeszłości gospodarczej rejonu badań i lokalnego schematu budowy geologicznej. Klasyfikacja wód gruntowych Warszawy pod względem korozyjności Wyniki klasyfikacji wód gruntowych Warszawy pod względem zawartości czynników korozyjnych w odniesieniu do głównych jednostek geomorfologicznych przedstawiono w tabeli 8. Tabela 8. Klasyfikacja wód gruntowych Warszawy pod względem zawartości czynników korozyjnych. Klasy agresywności korozyjnej poniżej XA1 XA1 XA2 XA3 Obszar [%] Liczba badań [%] Liczba badań [%] Liczba badań [%] Liczba badań Wysoczyzna 68,4 39 22,8 13 8,8 5 0 0 Dolina Wisły 68,5 37 25,9 14 5,6 3 0 0 W obszarze Warszawy zdecydowanie dominują wody o zawartości składników korozyjnych poniżej kryteriów klasy XA1 (68,4-68,5% wyników badań). Wody o agresywności klasy XA1 i poniżej klasy XA1 w obrębie obydwu wydzielonych jednostek geomorfologicznych stanowią ponad 90% wyników badań. Obecność wód gruntowych o najsilniejszej agresji, tj. klasy XA3, nie została stwierdzona w żadnym z punktów badawczych. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 81
Podsumowanie 1. Stężenia czynników korozyjnych w wodach gruntowych Warszawy w odniesieniu do głównych jednostek geomorfologicznych nie różnią się w sposób statystycznie istotny. 2. Przynależność do określonej jednostki geomorfologicznej (wysoczyzna polodowcowa/dolina Wisły) i determinowany położeniem reżim przepływu wód gruntowych oraz model budowy geologicznej podłoża nie wywierają istotnego wpływu na zmienność stężeń analizowanych czynników korozyjnych. 3. Stężenia jonu chlorkowego w głównych jednostkach geomorfologicznych Warszawy nie różnią się w sposób statystycznie istotny, natomiast bardziej ekstremalne stężenia jonów Cl - stwierdzano w wodach gruntowych części wysoczyznowej. 4. W obszarze Warszawy zdecydowanie dominują wody o zawartości składników korozyjnych poniżej kryteriów klasy XA1 (68,4-68,5% wyników badań). 5. Wody gruntowe o agresywności klasy XA1 i poniżej klasy XA1 w obrębie każdej z wydzielonych jednostek geomorfologicznych stanowią ponad 90% wyników badań. Agresywność klasy XA2 stwierdzono dla 5,6% badanych próbek wody w obrębie doliny Wisły; w obrębie wysoczyzny do klasy XA2 zaliczono 8,8% wyników badań. Obecność wód gruntowych o najsilniejszej agresji, tj. klasy XA3 nie została stwierdzona w żadnym z punktów badawczych. 6. Stosując metody wnioskowania statystycznego przy porównywaniu dwóch zbiorów danych, wskazane jest zwracać uwagę na wartości ekstremalne i odstające. Literatura 1. http://www.metro.waw.pl/pliki/mw1/hydro_d.jpg (przekrój przez wysoczyznę i tarasy Wisły), z dn. 28.08.2014 r. 82 Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl
2. Macioszczyk A., Jeż L. (1995). Chlorki czułym wskaźnikiem zanieczyszczeń antropogenicznych wód podziemnych. Materiały VI Sympozjum,,Współczesne problemy hydrogeologii, Kraków-Krynica. 3. Opracowanie ekofizjograficzne do studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego m.st. Warszawy (2006). Biuro Naczelnego Architekta Miasta, Warszawa. 4. PN-EN 206-1:2003 Beton część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. 5. Stanisz A. (2006). Przystępny kurs statystyki z zastosowaniem STATISTICA PL na przykładach z medycyny. Tom 1, Statystyki podstawowe. Statsoft Polska, Kraków, wyd. II. 6. Wątroba J. (2009). Eksploracja danych, testowanie hipotez badawczych i modelowanie zależności przykłady w STATISTICA 9. W: Analiza danych w programie STATISTICA 9 przegląd. Statsoft Polska, Kraków. 7. Wysokiński L. (red.) (1999). Warszawska Skarpa Śródmiejska. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa. Copyright StatSoft Polska 2014, info@danewiedzasukces.pl 83