Autoreferat - Lublin University of Technology
Transcript of Autoreferat - Lublin University of Technology
Załącznik nr 2
Autoreferat
dr inż Małgorzata Alina Iwanek
Lublin 2019
Autoreferat Załącznik nr 2
Spis treści
1 Imiona i nazwisko 1
2 Posiadane dyplomy stopnie naukoweartystyczne ndash z podaniem nazwy miejsca
i oku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej 1
3 Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach
naukowychartystycznych 1
4 Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14 marca
2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule
w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm) 2
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego 2
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy 2
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania 2
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia 2
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki 5
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy 18
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych) 19
Autoreferat Załącznik nr 2
1
1 Imiona i nazwisko
Małgorzata Alina Iwanek
2 Posiadane dyplomy stopnie naukoweartystyczne ndash z podaniem nazwy
miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej
Dyplomy i stopnie naukowe
Magister inżynier Wydział Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska
Lublin 1994 r
Stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie Inżynieria Środowiska Wydział
Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska Lublin 2006 r
Tytuł rozprawy doktorskiej Ocena wpływu anizotropii gruntoacutew na dynamikę przepływu wody
Promotor dr hab inż Janusz Ozonek prof PL
Recenzenci prof dr hab inż Wenanty Olszta ndash Politechnika Lubelska Wydział
Inżynierii Środowiska
doc dr hab Stanisław Maciejewski ndash Instytut Budownictwa Wodnego
Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku
Uprawnienia zawodowe
Uprawnienia Nr ewid 579Lb2002 do projektowania bez ograniczeń w specjalności
instalacyjnej w zakresie sieci instalacji i urządzeń wodociągowych i kanalizacyjnych
cieplnych wentylacyjnych i gazowych Lubelski Urząd Wojewoacutedzki w Lublinie 2002 r
Rzeczoznawca PZITS w specjalności wodociągi i kanalizacja sieci obiekty urządzenia
i instalacje w zakresie projektowania i prac badawczo-studialnych Prezydium Zarządu
Głoacutewnego PZITS Warszawa 2017 r
3 Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach
naukowychartystycznych
1999ndash2004 Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2004ndash2005 Zakład Gospodarki Wodnej Instytut Ochrony Środowiska Wydział
Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2005ndash2008 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska asystent
2008ndash2012 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
2012ndashobecnie Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
Autoreferat Załącznik nr 2
2
4 Wskazanie osiągnięcia1 wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14
marca 2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach
i tytule w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm)
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego
Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego przez rozszczelnienie
podziemnych przewodoacutew wodociągowych
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy
Małgorzata Iwanek Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego
przez rozszczelnienie podziemnych przewodoacutew wodociągowych Monografie Komitetu
Inżynierii Środowiska PAN vol 146 Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN
Lublin 2018 ISBN 978-83-63714-46-8
Recenzenci wydawniczy
prof dr hab inż Janusz Jeżowiecki
prof dr hab inż Marian Kwietniewski
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia
Głoacutewnym celem naukowym zaprezentowanego osiągnięcia było opracowanie autorskiej
metody wyznaczania promienia strefy na powierzchni terenu w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po rozszczelnieniu podziemnego przewodu wodociągowego Przyjęcie
powyższego celu wynikało z dwoacutech przesłanek
wagi problemu przy roacutewnoczesnym braku istniejącej metody wyznaczania wspomnianej
strefy
potwierdzonych w literaturze możliwości wykorzystania geometrii fraktalnej jako
narzędzia badawczego
Niepożądany wypływ wody z podziemnego przewodu wodociągowego do gruntu jest
najczęściej występującym w praktyce przykładem wypływu cieczy z przewodu ciśnieniowego
do ośrodka porowatego Awarie przewodoacutew wodociągowych i związane z nimi niepożądane
wypływy wody towarzyszą eksploatacji sieci dystrybucyjnych na całym świecie przez cały
okres ich użytkowania zaroacutewno w krajach wysoko rozwiniętych jak i rozwijających się
Niepożądane wypływy z przewodoacutew wodociągowych nie tylko powodują straty wody ale
mogą roacutewnież stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi i mienia Niebezpieczeństwo
wynika z możliwości wystąpienia w gruncie zjawiska sufozji polegającego na wymywaniu
przez wodę cząstek ze szkieletu gruntowego co może doprowadzić do powstawania pustych
przestrzeni pod powierzchnią gruntu i tworzenia zapadlisk terenu Przypadki takie
1 w przypadku gdy osiągnięciem tym jest pracaprace wspoacutelne należy przedstawić oświadczenia
wszystkich jej wspoacutełautoroacutew określające indywidualny wkład każdego z nich w jej powstanie
Autoreferat Załącznik nr 2
3
niejednokrotnie miały miejsce na całym świecie i wciąż są odnotowywane Jest to więc
ważny i aktualny problem W Polsce czynnikiem zwiększającym ryzyko jego pojawienia się
jest występowanie gruntoacutew podatnych na zjawisko sufozji zwłaszcza w pasie wyżyn
lessowych oraz na terenach goacuterskich a także wysoki w poroacutewnaniu z innymi krajami
europejskimi wskaźnik jednostkowej intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych
Zjawisko wypływu wody z rozszczelnionego przewodu wodociągowego do gruntu jest
znane i szeroko przedstawiane w literaturze Zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach
zaobserwować można wzmożone zainteresowanie problemem awaryjności przewodoacutew
wodociągowych oraz potrzebą ograniczenia niepożądanych wypływoacutew wody związanych
z awariami Podejmuje się proacuteby prognozowania awaryjności sieci wykorzystując metody
matematyczne i numeryczne (m in sztuczne sieci neuronowe zbiory rozmyte algorytmy
genetyczne) Poszukuje się coraz lepszych sposoboacutew wykrywania i lokalizacji miejsc
niepożądanych wypływoacutew oraz metod ich ograniczania Wciąż udoskonala się metody oceny
stanu technicznego przewodoacutew wodociągowych ndash zaroacutewno bezpośrednie wykorzystujące
najnowsze technologie jak i pośrednie bazujące na wspoacutełczynnikach strat wody promowane
przez International Water Association Odpowiednio wczesne wykrycie niepożądanego
wypływu wody z sieci lub możliwości wystąpienia takiego wypływu może zapobiec
niebezpiecznym zmianom struktury gruntu będącym skutkiem zjawiska sufozji Przytoczone
działania są więc bardzo ważne pod względem społecznym ekonomicznym i ekologicznym
Nie są one jednak w stanie w pełni wyeliminować problemu awarii sieci wodociągowych Nie
można całkowicie zapobiec ich występowaniu ponieważ są powodowane wieloma
czynnikami nie zawsze zależnymi od człowieka i nie zawsze możliwymi do przewidzenia
często charakterze losowym Ponadto ograniczenia technicznych i finansowych możliwości
wielu przedsiębiorstw wodociągowych sprawiają że najnowsze metody wykrywania
i kontroli niepożądanych wypływoacutew nie dla wszystkich są dostępne a renowacja lub
wymiana przewodoacutew o niezadowalającym stanie technicznym nie może zostać od razu
przeprowadzona Można więc przypuszczać że niepożądane wypływy wody z podziemnych
przewodoacutew wodociągowych spowodowane awariami będą stanowić aktualny problem jeszcze
przez wiele lat uzasadnione jest więc podejmowanie wszelkich działań zmierzających do
ograniczenia ich negatywnych skutkoacutew Jedną z propozycji zaprezentowaną w rozprawie
jest wprowadzenie tzw stref wypływu wokoacuteł takich miejsc na wodociągu w ktoacuterych
wystąpienie awarii stanowiłoby szczegoacutelne zagrożenie dla otaczającej go infrastruktury
Metoda ta ma na celu ograniczenie po ewentualnej awarii skutkoacutew związanych z sufozją
gruntu stanowi więc inne podejście niż zapobieganie awariom przy czym należy podkreślić
że obydwa podejścia wzajemnie się uzupełniają
W przeglądzie literatury wykazałam że wypływ wody na powierzchnię terenu wskutek
awarii wodociągu jest zjawiskiem złożonym na ktoacutere wpływa wiele parametroacutew fizycznych
niejednokrotnie zmiennych w czasie lub przestrzeni niezależnych lub powiązanych ze sobą
Dodatkowym czynnikiem potęgującym złożoność zjawiska jest to że z występowaniem
sufozji wiążą się roacutewnoczesne postępujące w czasie zmiany ilościowe fazy stałej ciekłej
i gazowej ośrodka gruntowego Nieustannie przy wykorzystaniu roacuteżnych osiągnięć nauki (np
zmodyfikowanego modelu k-ɛ przepływu turbulentnego modelu teorii stanu krytycznego
metody siatkowej Boltzmanna) podejmowane są proacuteby opisu szczegoacutelnych przypadkoacutew
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
Spis treści
1 Imiona i nazwisko 1
2 Posiadane dyplomy stopnie naukoweartystyczne ndash z podaniem nazwy miejsca
i oku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej 1
3 Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach
naukowychartystycznych 1
4 Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14 marca
2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule
w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm) 2
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego 2
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy 2
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania 2
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia 2
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki 5
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy 18
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych) 19
Autoreferat Załącznik nr 2
1
1 Imiona i nazwisko
Małgorzata Alina Iwanek
2 Posiadane dyplomy stopnie naukoweartystyczne ndash z podaniem nazwy
miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej
Dyplomy i stopnie naukowe
Magister inżynier Wydział Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska
Lublin 1994 r
Stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie Inżynieria Środowiska Wydział
Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska Lublin 2006 r
Tytuł rozprawy doktorskiej Ocena wpływu anizotropii gruntoacutew na dynamikę przepływu wody
Promotor dr hab inż Janusz Ozonek prof PL
Recenzenci prof dr hab inż Wenanty Olszta ndash Politechnika Lubelska Wydział
Inżynierii Środowiska
doc dr hab Stanisław Maciejewski ndash Instytut Budownictwa Wodnego
Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku
Uprawnienia zawodowe
Uprawnienia Nr ewid 579Lb2002 do projektowania bez ograniczeń w specjalności
instalacyjnej w zakresie sieci instalacji i urządzeń wodociągowych i kanalizacyjnych
cieplnych wentylacyjnych i gazowych Lubelski Urząd Wojewoacutedzki w Lublinie 2002 r
Rzeczoznawca PZITS w specjalności wodociągi i kanalizacja sieci obiekty urządzenia
i instalacje w zakresie projektowania i prac badawczo-studialnych Prezydium Zarządu
Głoacutewnego PZITS Warszawa 2017 r
3 Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach
naukowychartystycznych
1999ndash2004 Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2004ndash2005 Zakład Gospodarki Wodnej Instytut Ochrony Środowiska Wydział
Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2005ndash2008 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska asystent
2008ndash2012 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
2012ndashobecnie Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
Autoreferat Załącznik nr 2
2
4 Wskazanie osiągnięcia1 wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14
marca 2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach
i tytule w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm)
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego
Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego przez rozszczelnienie
podziemnych przewodoacutew wodociągowych
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy
Małgorzata Iwanek Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego
przez rozszczelnienie podziemnych przewodoacutew wodociągowych Monografie Komitetu
Inżynierii Środowiska PAN vol 146 Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN
Lublin 2018 ISBN 978-83-63714-46-8
Recenzenci wydawniczy
prof dr hab inż Janusz Jeżowiecki
prof dr hab inż Marian Kwietniewski
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia
Głoacutewnym celem naukowym zaprezentowanego osiągnięcia było opracowanie autorskiej
metody wyznaczania promienia strefy na powierzchni terenu w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po rozszczelnieniu podziemnego przewodu wodociągowego Przyjęcie
powyższego celu wynikało z dwoacutech przesłanek
wagi problemu przy roacutewnoczesnym braku istniejącej metody wyznaczania wspomnianej
strefy
potwierdzonych w literaturze możliwości wykorzystania geometrii fraktalnej jako
narzędzia badawczego
Niepożądany wypływ wody z podziemnego przewodu wodociągowego do gruntu jest
najczęściej występującym w praktyce przykładem wypływu cieczy z przewodu ciśnieniowego
do ośrodka porowatego Awarie przewodoacutew wodociągowych i związane z nimi niepożądane
wypływy wody towarzyszą eksploatacji sieci dystrybucyjnych na całym świecie przez cały
okres ich użytkowania zaroacutewno w krajach wysoko rozwiniętych jak i rozwijających się
Niepożądane wypływy z przewodoacutew wodociągowych nie tylko powodują straty wody ale
mogą roacutewnież stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi i mienia Niebezpieczeństwo
wynika z możliwości wystąpienia w gruncie zjawiska sufozji polegającego na wymywaniu
przez wodę cząstek ze szkieletu gruntowego co może doprowadzić do powstawania pustych
przestrzeni pod powierzchnią gruntu i tworzenia zapadlisk terenu Przypadki takie
1 w przypadku gdy osiągnięciem tym jest pracaprace wspoacutelne należy przedstawić oświadczenia
wszystkich jej wspoacutełautoroacutew określające indywidualny wkład każdego z nich w jej powstanie
Autoreferat Załącznik nr 2
3
niejednokrotnie miały miejsce na całym świecie i wciąż są odnotowywane Jest to więc
ważny i aktualny problem W Polsce czynnikiem zwiększającym ryzyko jego pojawienia się
jest występowanie gruntoacutew podatnych na zjawisko sufozji zwłaszcza w pasie wyżyn
lessowych oraz na terenach goacuterskich a także wysoki w poroacutewnaniu z innymi krajami
europejskimi wskaźnik jednostkowej intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych
Zjawisko wypływu wody z rozszczelnionego przewodu wodociągowego do gruntu jest
znane i szeroko przedstawiane w literaturze Zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach
zaobserwować można wzmożone zainteresowanie problemem awaryjności przewodoacutew
wodociągowych oraz potrzebą ograniczenia niepożądanych wypływoacutew wody związanych
z awariami Podejmuje się proacuteby prognozowania awaryjności sieci wykorzystując metody
matematyczne i numeryczne (m in sztuczne sieci neuronowe zbiory rozmyte algorytmy
genetyczne) Poszukuje się coraz lepszych sposoboacutew wykrywania i lokalizacji miejsc
niepożądanych wypływoacutew oraz metod ich ograniczania Wciąż udoskonala się metody oceny
stanu technicznego przewodoacutew wodociągowych ndash zaroacutewno bezpośrednie wykorzystujące
najnowsze technologie jak i pośrednie bazujące na wspoacutełczynnikach strat wody promowane
przez International Water Association Odpowiednio wczesne wykrycie niepożądanego
wypływu wody z sieci lub możliwości wystąpienia takiego wypływu może zapobiec
niebezpiecznym zmianom struktury gruntu będącym skutkiem zjawiska sufozji Przytoczone
działania są więc bardzo ważne pod względem społecznym ekonomicznym i ekologicznym
Nie są one jednak w stanie w pełni wyeliminować problemu awarii sieci wodociągowych Nie
można całkowicie zapobiec ich występowaniu ponieważ są powodowane wieloma
czynnikami nie zawsze zależnymi od człowieka i nie zawsze możliwymi do przewidzenia
często charakterze losowym Ponadto ograniczenia technicznych i finansowych możliwości
wielu przedsiębiorstw wodociągowych sprawiają że najnowsze metody wykrywania
i kontroli niepożądanych wypływoacutew nie dla wszystkich są dostępne a renowacja lub
wymiana przewodoacutew o niezadowalającym stanie technicznym nie może zostać od razu
przeprowadzona Można więc przypuszczać że niepożądane wypływy wody z podziemnych
przewodoacutew wodociągowych spowodowane awariami będą stanowić aktualny problem jeszcze
przez wiele lat uzasadnione jest więc podejmowanie wszelkich działań zmierzających do
ograniczenia ich negatywnych skutkoacutew Jedną z propozycji zaprezentowaną w rozprawie
jest wprowadzenie tzw stref wypływu wokoacuteł takich miejsc na wodociągu w ktoacuterych
wystąpienie awarii stanowiłoby szczegoacutelne zagrożenie dla otaczającej go infrastruktury
Metoda ta ma na celu ograniczenie po ewentualnej awarii skutkoacutew związanych z sufozją
gruntu stanowi więc inne podejście niż zapobieganie awariom przy czym należy podkreślić
że obydwa podejścia wzajemnie się uzupełniają
W przeglądzie literatury wykazałam że wypływ wody na powierzchnię terenu wskutek
awarii wodociągu jest zjawiskiem złożonym na ktoacutere wpływa wiele parametroacutew fizycznych
niejednokrotnie zmiennych w czasie lub przestrzeni niezależnych lub powiązanych ze sobą
Dodatkowym czynnikiem potęgującym złożoność zjawiska jest to że z występowaniem
sufozji wiążą się roacutewnoczesne postępujące w czasie zmiany ilościowe fazy stałej ciekłej
i gazowej ośrodka gruntowego Nieustannie przy wykorzystaniu roacuteżnych osiągnięć nauki (np
zmodyfikowanego modelu k-ɛ przepływu turbulentnego modelu teorii stanu krytycznego
metody siatkowej Boltzmanna) podejmowane są proacuteby opisu szczegoacutelnych przypadkoacutew
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
1
1 Imiona i nazwisko
Małgorzata Alina Iwanek
2 Posiadane dyplomy stopnie naukoweartystyczne ndash z podaniem nazwy
miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej
Dyplomy i stopnie naukowe
Magister inżynier Wydział Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska
Lublin 1994 r
Stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie Inżynieria Środowiska Wydział
Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska Lublin 2006 r
Tytuł rozprawy doktorskiej Ocena wpływu anizotropii gruntoacutew na dynamikę przepływu wody
Promotor dr hab inż Janusz Ozonek prof PL
Recenzenci prof dr hab inż Wenanty Olszta ndash Politechnika Lubelska Wydział
Inżynierii Środowiska
doc dr hab Stanisław Maciejewski ndash Instytut Budownictwa Wodnego
Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku
Uprawnienia zawodowe
Uprawnienia Nr ewid 579Lb2002 do projektowania bez ograniczeń w specjalności
instalacyjnej w zakresie sieci instalacji i urządzeń wodociągowych i kanalizacyjnych
cieplnych wentylacyjnych i gazowych Lubelski Urząd Wojewoacutedzki w Lublinie 2002 r
Rzeczoznawca PZITS w specjalności wodociągi i kanalizacja sieci obiekty urządzenia
i instalacje w zakresie projektowania i prac badawczo-studialnych Prezydium Zarządu
Głoacutewnego PZITS Warszawa 2017 r
3 Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach
naukowychartystycznych
1999ndash2004 Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2004ndash2005 Zakład Gospodarki Wodnej Instytut Ochrony Środowiska Wydział
Inżynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechnika Lubelska asystent
2005ndash2008 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska asystent
2008ndash2012 Zakład Gospodarki Wodnej Katedra Inżynierii Ochrony Powierzchni Ziemi
Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
2012ndashobecnie Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Usuwania Ściekoacutew Wydział Inżynierii
Środowiska Politechnika Lubelska adiunkt
Autoreferat Załącznik nr 2
2
4 Wskazanie osiągnięcia1 wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14
marca 2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach
i tytule w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm)
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego
Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego przez rozszczelnienie
podziemnych przewodoacutew wodociągowych
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy
Małgorzata Iwanek Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego
przez rozszczelnienie podziemnych przewodoacutew wodociągowych Monografie Komitetu
Inżynierii Środowiska PAN vol 146 Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN
Lublin 2018 ISBN 978-83-63714-46-8
Recenzenci wydawniczy
prof dr hab inż Janusz Jeżowiecki
prof dr hab inż Marian Kwietniewski
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia
Głoacutewnym celem naukowym zaprezentowanego osiągnięcia było opracowanie autorskiej
metody wyznaczania promienia strefy na powierzchni terenu w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po rozszczelnieniu podziemnego przewodu wodociągowego Przyjęcie
powyższego celu wynikało z dwoacutech przesłanek
wagi problemu przy roacutewnoczesnym braku istniejącej metody wyznaczania wspomnianej
strefy
potwierdzonych w literaturze możliwości wykorzystania geometrii fraktalnej jako
narzędzia badawczego
Niepożądany wypływ wody z podziemnego przewodu wodociągowego do gruntu jest
najczęściej występującym w praktyce przykładem wypływu cieczy z przewodu ciśnieniowego
do ośrodka porowatego Awarie przewodoacutew wodociągowych i związane z nimi niepożądane
wypływy wody towarzyszą eksploatacji sieci dystrybucyjnych na całym świecie przez cały
okres ich użytkowania zaroacutewno w krajach wysoko rozwiniętych jak i rozwijających się
Niepożądane wypływy z przewodoacutew wodociągowych nie tylko powodują straty wody ale
mogą roacutewnież stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi i mienia Niebezpieczeństwo
wynika z możliwości wystąpienia w gruncie zjawiska sufozji polegającego na wymywaniu
przez wodę cząstek ze szkieletu gruntowego co może doprowadzić do powstawania pustych
przestrzeni pod powierzchnią gruntu i tworzenia zapadlisk terenu Przypadki takie
1 w przypadku gdy osiągnięciem tym jest pracaprace wspoacutelne należy przedstawić oświadczenia
wszystkich jej wspoacutełautoroacutew określające indywidualny wkład każdego z nich w jej powstanie
Autoreferat Załącznik nr 2
3
niejednokrotnie miały miejsce na całym świecie i wciąż są odnotowywane Jest to więc
ważny i aktualny problem W Polsce czynnikiem zwiększającym ryzyko jego pojawienia się
jest występowanie gruntoacutew podatnych na zjawisko sufozji zwłaszcza w pasie wyżyn
lessowych oraz na terenach goacuterskich a także wysoki w poroacutewnaniu z innymi krajami
europejskimi wskaźnik jednostkowej intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych
Zjawisko wypływu wody z rozszczelnionego przewodu wodociągowego do gruntu jest
znane i szeroko przedstawiane w literaturze Zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach
zaobserwować można wzmożone zainteresowanie problemem awaryjności przewodoacutew
wodociągowych oraz potrzebą ograniczenia niepożądanych wypływoacutew wody związanych
z awariami Podejmuje się proacuteby prognozowania awaryjności sieci wykorzystując metody
matematyczne i numeryczne (m in sztuczne sieci neuronowe zbiory rozmyte algorytmy
genetyczne) Poszukuje się coraz lepszych sposoboacutew wykrywania i lokalizacji miejsc
niepożądanych wypływoacutew oraz metod ich ograniczania Wciąż udoskonala się metody oceny
stanu technicznego przewodoacutew wodociągowych ndash zaroacutewno bezpośrednie wykorzystujące
najnowsze technologie jak i pośrednie bazujące na wspoacutełczynnikach strat wody promowane
przez International Water Association Odpowiednio wczesne wykrycie niepożądanego
wypływu wody z sieci lub możliwości wystąpienia takiego wypływu może zapobiec
niebezpiecznym zmianom struktury gruntu będącym skutkiem zjawiska sufozji Przytoczone
działania są więc bardzo ważne pod względem społecznym ekonomicznym i ekologicznym
Nie są one jednak w stanie w pełni wyeliminować problemu awarii sieci wodociągowych Nie
można całkowicie zapobiec ich występowaniu ponieważ są powodowane wieloma
czynnikami nie zawsze zależnymi od człowieka i nie zawsze możliwymi do przewidzenia
często charakterze losowym Ponadto ograniczenia technicznych i finansowych możliwości
wielu przedsiębiorstw wodociągowych sprawiają że najnowsze metody wykrywania
i kontroli niepożądanych wypływoacutew nie dla wszystkich są dostępne a renowacja lub
wymiana przewodoacutew o niezadowalającym stanie technicznym nie może zostać od razu
przeprowadzona Można więc przypuszczać że niepożądane wypływy wody z podziemnych
przewodoacutew wodociągowych spowodowane awariami będą stanowić aktualny problem jeszcze
przez wiele lat uzasadnione jest więc podejmowanie wszelkich działań zmierzających do
ograniczenia ich negatywnych skutkoacutew Jedną z propozycji zaprezentowaną w rozprawie
jest wprowadzenie tzw stref wypływu wokoacuteł takich miejsc na wodociągu w ktoacuterych
wystąpienie awarii stanowiłoby szczegoacutelne zagrożenie dla otaczającej go infrastruktury
Metoda ta ma na celu ograniczenie po ewentualnej awarii skutkoacutew związanych z sufozją
gruntu stanowi więc inne podejście niż zapobieganie awariom przy czym należy podkreślić
że obydwa podejścia wzajemnie się uzupełniają
W przeglądzie literatury wykazałam że wypływ wody na powierzchnię terenu wskutek
awarii wodociągu jest zjawiskiem złożonym na ktoacutere wpływa wiele parametroacutew fizycznych
niejednokrotnie zmiennych w czasie lub przestrzeni niezależnych lub powiązanych ze sobą
Dodatkowym czynnikiem potęgującym złożoność zjawiska jest to że z występowaniem
sufozji wiążą się roacutewnoczesne postępujące w czasie zmiany ilościowe fazy stałej ciekłej
i gazowej ośrodka gruntowego Nieustannie przy wykorzystaniu roacuteżnych osiągnięć nauki (np
zmodyfikowanego modelu k-ɛ przepływu turbulentnego modelu teorii stanu krytycznego
metody siatkowej Boltzmanna) podejmowane są proacuteby opisu szczegoacutelnych przypadkoacutew
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
2
4 Wskazanie osiągnięcia1 wynikającego z art 16 ust 2 ustawy z dnia 14
marca 2003 r o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach
i tytule w zakresie sztuki (Dz U nr 65 poz 595 ze zm)
a) tytuł osiągnięcia naukowegoartystycznego
Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego przez rozszczelnienie
podziemnych przewodoacutew wodociągowych
b) autorautorzy tytułtytuły publikacji rok wydania nazwa wydawnictwa
recenzenci wydawniczy
Małgorzata Iwanek Metoda wyznaczania zasięgu stref zagrożenia powodowanego
przez rozszczelnienie podziemnych przewodoacutew wodociągowych Monografie Komitetu
Inżynierii Środowiska PAN vol 146 Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN
Lublin 2018 ISBN 978-83-63714-46-8
Recenzenci wydawniczy
prof dr hab inż Janusz Jeżowiecki
prof dr hab inż Marian Kwietniewski
c) omoacutewienie celu naukowegoartystycznego ww pracyprac i osiągniętych
wynikoacutew wraz z omoacutewieniem ich ewentualnego wykorzystania
Cel naukowy i uzasadnienie jego przyjęcia
Głoacutewnym celem naukowym zaprezentowanego osiągnięcia było opracowanie autorskiej
metody wyznaczania promienia strefy na powierzchni terenu w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po rozszczelnieniu podziemnego przewodu wodociągowego Przyjęcie
powyższego celu wynikało z dwoacutech przesłanek
wagi problemu przy roacutewnoczesnym braku istniejącej metody wyznaczania wspomnianej
strefy
potwierdzonych w literaturze możliwości wykorzystania geometrii fraktalnej jako
narzędzia badawczego
Niepożądany wypływ wody z podziemnego przewodu wodociągowego do gruntu jest
najczęściej występującym w praktyce przykładem wypływu cieczy z przewodu ciśnieniowego
do ośrodka porowatego Awarie przewodoacutew wodociągowych i związane z nimi niepożądane
wypływy wody towarzyszą eksploatacji sieci dystrybucyjnych na całym świecie przez cały
okres ich użytkowania zaroacutewno w krajach wysoko rozwiniętych jak i rozwijających się
Niepożądane wypływy z przewodoacutew wodociągowych nie tylko powodują straty wody ale
mogą roacutewnież stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi i mienia Niebezpieczeństwo
wynika z możliwości wystąpienia w gruncie zjawiska sufozji polegającego na wymywaniu
przez wodę cząstek ze szkieletu gruntowego co może doprowadzić do powstawania pustych
przestrzeni pod powierzchnią gruntu i tworzenia zapadlisk terenu Przypadki takie
1 w przypadku gdy osiągnięciem tym jest pracaprace wspoacutelne należy przedstawić oświadczenia
wszystkich jej wspoacutełautoroacutew określające indywidualny wkład każdego z nich w jej powstanie
Autoreferat Załącznik nr 2
3
niejednokrotnie miały miejsce na całym świecie i wciąż są odnotowywane Jest to więc
ważny i aktualny problem W Polsce czynnikiem zwiększającym ryzyko jego pojawienia się
jest występowanie gruntoacutew podatnych na zjawisko sufozji zwłaszcza w pasie wyżyn
lessowych oraz na terenach goacuterskich a także wysoki w poroacutewnaniu z innymi krajami
europejskimi wskaźnik jednostkowej intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych
Zjawisko wypływu wody z rozszczelnionego przewodu wodociągowego do gruntu jest
znane i szeroko przedstawiane w literaturze Zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach
zaobserwować można wzmożone zainteresowanie problemem awaryjności przewodoacutew
wodociągowych oraz potrzebą ograniczenia niepożądanych wypływoacutew wody związanych
z awariami Podejmuje się proacuteby prognozowania awaryjności sieci wykorzystując metody
matematyczne i numeryczne (m in sztuczne sieci neuronowe zbiory rozmyte algorytmy
genetyczne) Poszukuje się coraz lepszych sposoboacutew wykrywania i lokalizacji miejsc
niepożądanych wypływoacutew oraz metod ich ograniczania Wciąż udoskonala się metody oceny
stanu technicznego przewodoacutew wodociągowych ndash zaroacutewno bezpośrednie wykorzystujące
najnowsze technologie jak i pośrednie bazujące na wspoacutełczynnikach strat wody promowane
przez International Water Association Odpowiednio wczesne wykrycie niepożądanego
wypływu wody z sieci lub możliwości wystąpienia takiego wypływu może zapobiec
niebezpiecznym zmianom struktury gruntu będącym skutkiem zjawiska sufozji Przytoczone
działania są więc bardzo ważne pod względem społecznym ekonomicznym i ekologicznym
Nie są one jednak w stanie w pełni wyeliminować problemu awarii sieci wodociągowych Nie
można całkowicie zapobiec ich występowaniu ponieważ są powodowane wieloma
czynnikami nie zawsze zależnymi od człowieka i nie zawsze możliwymi do przewidzenia
często charakterze losowym Ponadto ograniczenia technicznych i finansowych możliwości
wielu przedsiębiorstw wodociągowych sprawiają że najnowsze metody wykrywania
i kontroli niepożądanych wypływoacutew nie dla wszystkich są dostępne a renowacja lub
wymiana przewodoacutew o niezadowalającym stanie technicznym nie może zostać od razu
przeprowadzona Można więc przypuszczać że niepożądane wypływy wody z podziemnych
przewodoacutew wodociągowych spowodowane awariami będą stanowić aktualny problem jeszcze
przez wiele lat uzasadnione jest więc podejmowanie wszelkich działań zmierzających do
ograniczenia ich negatywnych skutkoacutew Jedną z propozycji zaprezentowaną w rozprawie
jest wprowadzenie tzw stref wypływu wokoacuteł takich miejsc na wodociągu w ktoacuterych
wystąpienie awarii stanowiłoby szczegoacutelne zagrożenie dla otaczającej go infrastruktury
Metoda ta ma na celu ograniczenie po ewentualnej awarii skutkoacutew związanych z sufozją
gruntu stanowi więc inne podejście niż zapobieganie awariom przy czym należy podkreślić
że obydwa podejścia wzajemnie się uzupełniają
W przeglądzie literatury wykazałam że wypływ wody na powierzchnię terenu wskutek
awarii wodociągu jest zjawiskiem złożonym na ktoacutere wpływa wiele parametroacutew fizycznych
niejednokrotnie zmiennych w czasie lub przestrzeni niezależnych lub powiązanych ze sobą
Dodatkowym czynnikiem potęgującym złożoność zjawiska jest to że z występowaniem
sufozji wiążą się roacutewnoczesne postępujące w czasie zmiany ilościowe fazy stałej ciekłej
i gazowej ośrodka gruntowego Nieustannie przy wykorzystaniu roacuteżnych osiągnięć nauki (np
zmodyfikowanego modelu k-ɛ przepływu turbulentnego modelu teorii stanu krytycznego
metody siatkowej Boltzmanna) podejmowane są proacuteby opisu szczegoacutelnych przypadkoacutew
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
3
niejednokrotnie miały miejsce na całym świecie i wciąż są odnotowywane Jest to więc
ważny i aktualny problem W Polsce czynnikiem zwiększającym ryzyko jego pojawienia się
jest występowanie gruntoacutew podatnych na zjawisko sufozji zwłaszcza w pasie wyżyn
lessowych oraz na terenach goacuterskich a także wysoki w poroacutewnaniu z innymi krajami
europejskimi wskaźnik jednostkowej intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych
Zjawisko wypływu wody z rozszczelnionego przewodu wodociągowego do gruntu jest
znane i szeroko przedstawiane w literaturze Zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach
zaobserwować można wzmożone zainteresowanie problemem awaryjności przewodoacutew
wodociągowych oraz potrzebą ograniczenia niepożądanych wypływoacutew wody związanych
z awariami Podejmuje się proacuteby prognozowania awaryjności sieci wykorzystując metody
matematyczne i numeryczne (m in sztuczne sieci neuronowe zbiory rozmyte algorytmy
genetyczne) Poszukuje się coraz lepszych sposoboacutew wykrywania i lokalizacji miejsc
niepożądanych wypływoacutew oraz metod ich ograniczania Wciąż udoskonala się metody oceny
stanu technicznego przewodoacutew wodociągowych ndash zaroacutewno bezpośrednie wykorzystujące
najnowsze technologie jak i pośrednie bazujące na wspoacutełczynnikach strat wody promowane
przez International Water Association Odpowiednio wczesne wykrycie niepożądanego
wypływu wody z sieci lub możliwości wystąpienia takiego wypływu może zapobiec
niebezpiecznym zmianom struktury gruntu będącym skutkiem zjawiska sufozji Przytoczone
działania są więc bardzo ważne pod względem społecznym ekonomicznym i ekologicznym
Nie są one jednak w stanie w pełni wyeliminować problemu awarii sieci wodociągowych Nie
można całkowicie zapobiec ich występowaniu ponieważ są powodowane wieloma
czynnikami nie zawsze zależnymi od człowieka i nie zawsze możliwymi do przewidzenia
często charakterze losowym Ponadto ograniczenia technicznych i finansowych możliwości
wielu przedsiębiorstw wodociągowych sprawiają że najnowsze metody wykrywania
i kontroli niepożądanych wypływoacutew nie dla wszystkich są dostępne a renowacja lub
wymiana przewodoacutew o niezadowalającym stanie technicznym nie może zostać od razu
przeprowadzona Można więc przypuszczać że niepożądane wypływy wody z podziemnych
przewodoacutew wodociągowych spowodowane awariami będą stanowić aktualny problem jeszcze
przez wiele lat uzasadnione jest więc podejmowanie wszelkich działań zmierzających do
ograniczenia ich negatywnych skutkoacutew Jedną z propozycji zaprezentowaną w rozprawie
jest wprowadzenie tzw stref wypływu wokoacuteł takich miejsc na wodociągu w ktoacuterych
wystąpienie awarii stanowiłoby szczegoacutelne zagrożenie dla otaczającej go infrastruktury
Metoda ta ma na celu ograniczenie po ewentualnej awarii skutkoacutew związanych z sufozją
gruntu stanowi więc inne podejście niż zapobieganie awariom przy czym należy podkreślić
że obydwa podejścia wzajemnie się uzupełniają
W przeglądzie literatury wykazałam że wypływ wody na powierzchnię terenu wskutek
awarii wodociągu jest zjawiskiem złożonym na ktoacutere wpływa wiele parametroacutew fizycznych
niejednokrotnie zmiennych w czasie lub przestrzeni niezależnych lub powiązanych ze sobą
Dodatkowym czynnikiem potęgującym złożoność zjawiska jest to że z występowaniem
sufozji wiążą się roacutewnoczesne postępujące w czasie zmiany ilościowe fazy stałej ciekłej
i gazowej ośrodka gruntowego Nieustannie przy wykorzystaniu roacuteżnych osiągnięć nauki (np
zmodyfikowanego modelu k-ɛ przepływu turbulentnego modelu teorii stanu krytycznego
metody siatkowej Boltzmanna) podejmowane są proacuteby opisu szczegoacutelnych przypadkoacutew
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
4
przepływu wody przez ośrodek porowaty wciąż jednak brakuje matematycznego opisu
zasięgu wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu umożliwiającego określenie stref
na powierzchni terenu wokoacuteł potencjalnego miejsca wypływu w obrębie ktoacuterych awaria
wodociągu mogłaby skutkować zjawiskiem sufozji Jedną z dziedzin wiedzy ktoacuterej
możliwości w tym zakresie są jeszcze niezbadane jest geometria fraktalna
Geometria fraktalna jest stosunkowo nową dziedziną zapoczątkowaną jako nauka
w drugiej połowie XX wieku Wykorzystuje obiekty geometryczne zwane fraktalami do opisu
struktur tak nieregularnych że nie można ich odzwierciedlić przy wykorzystaniu tradycyjnej
geometrii euklidesowej Podstawową cechą fraktali jest samopodobieństwo oznaczające że
fraktal jest obiektem składającym się z części podobnych w pewnym stopniu do całego
obiektu (po powiększeniu fragmentu uzyskuje się obraz podobny do całości) Niemal każdy
nieskończenie mały element fraktala składa się z bardzo dużej liczby innych elementoacutew
oddzielonych przestrzeniami o zmiennych wymiarach Inne cechy fraktali to struktura
nietrywialna (zawiła) w każdej skali rekursywna procedura budowy (powtarzanie tych
samych czynności w kolejnych iteracjach) trudność opisu za pomocą pojęć klasycznej
geometrii opis analityczny wymagający wykorzystania zależności rekurencyjnych
Fraktale charakteryzujące się ścisłym samopodobieństwem nazywane są klasycznymi
lub deterministycznymi Proces ich konstrukcji polegający na powtarzaniu tych samych
działań w oparciu o ściśle opracowany algorytm prowadzony jest nieskończenie długo
(nieskończona ilość iteracji) W naturze występuje jednak wiele fraktali ktoacutere wykazują
samopodobieństwo w pewnym stopniu tzn składają się z części ktoacutere przypominają całość
ale nie jest zachowane ścisłe geometryczne podobieństwo Takie fraktale nazywane są
fraktalami probabilistycznymi lub losowymi W przypadku obiektu rzeczywistego liczba
iteracji (krokoacutew) w procesie konstrukcji odzwierciedlającego go fraktala probabilistycznego
jest ograniczona a dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru ma charakter losowy
Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym fraktal jest jego wymiar Określa on
w jakim stopniu zbioacuter geometryczny wypełnia przestrzeń ktoacutera go ogranicza i może być
wyrażony liczbą niecałkowitą W geometrii fraktalnej spotyka się roacuteżnie zdefiniowane
wymiary jednak pojęcie wymiaru fraktalnego zazwyczaj odnoszone jest do tzw wymiaru
pudełkowego ktoacuterego definicję można przedstawić w postaci
119863119887(119882119873) = 119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575 (1)
gdzie 119882119873 ndash niepusty ograniczony podzbioacuter skończenie wymiarowej przestrzeni rzeczywistej
z metryką euklidesową 119863119887(119882119873) ndash wymiar pudełkowy zbioru 119882119873 119873120575(119882119873) ndash liczba zbioroacutew
wypukłych o średnicy co najwyżej δ (bdquopudełekrdquo) pokrywających zbioacuter 119882119873
Nie zawsze podczas badania przepływu wody ośrodek porowaty zachodzi konieczność
odzwierciedlania go za pomocą teoretycznych fraktali Często wystarczy wykazać że
geometryczna struktura ośrodka ma charakter zbioru fraktalnego i wyznaczyć jej wymiar
fraktalny Opisane w literaturze wyniki badań pokazują że istnieją zależności między
wymiarem fraktalnym a fizycznymi i hydraulicznymi parametrami gruntoacutew ndash np składem
granulometrycznym wspoacutełczynnikiem filtracji czy przepuszczalnością w stanie
nienasyconym
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
5
Geometria fraktalna stała się bardzo pomocnym narzędziem wykorzystywanym
zaroacutewno do charakterystyki skomplikowanych mikrostruktur ośrodkoacutew porowatych jak
i w teoretycznych analizach określających zasady przepływu cieczy przez te ośrodki
W ostatnich 10 latach zakres zainteresowania geometrią fraktalną poszerzył się o zagadnienia
związane z projektowaniem i eksploatacją sieci wodociągowych Nie są to jedyne przykłady
wykorzystania geometrii fraktalnej jako narzędzia badawczego Znajduje ona zastosowanie
niemal we wszystkich dziedzinach ndash od grafiki komputerowej i informatyki poprzez
mechanikę elektronikę architekturę urbanistykę materiałoznawstwo technikę astrofizykę
agrofizykę statystykę geografię biologię medycynę psychologię genetykę ekonomię
i zarządzanie po film i muzykę Z jednej strony potwierdza to skuteczność geometrii
fraktalnej jako narzędzia badawczego z drugiej zaś pozwala przypuszczać że dziedzina ta
posiada niewykorzystane jeszcze możliwości Uzasadnia to podjęcie proacuteby zastosowania
geometrii fraktalnej do charakterystyki struktur utworzonych z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek rozszczelnienia przewodu
wodociągowego Punkty te tworzą bowiem zbiory nieregularne niedające się opisać
w oparciu o pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej
Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki
Podstawę analiz umożliwiających osiągnięcie przyjętego celu rozprawy stanowiły
wyniki fizycznych symulacji awarii wodociągu uzyskane podczas badań laboratoryjnych
Badania te poprzedziłam analizą podobieństwa zjawisk (analizą wymiarową) w trakcie
ktoacuterej bazując na zasadzie Pareto wykorzystując analizę literaturową i symulacje
komputerowe w programie FEFLOW v 53 (WASY Institute for Water Resources Planning
System Research Ltd Niemcy) spośroacuted 25 parametroacutew wpływających na badane zjawisko
wybrałam pięć ktoacuterych związek z odległością między miejscem wypływu wody na
powierzchnię terenu a miejscem wypływu wody z przewodu okazał się największy wysokość
ciśnienia hydraulicznego w przewodzie z ktoacuterego następuje niepożądany wypływ (H)
wilgotność gruntu (θ) wspoacutełczynnik filtracji (Ks) wskaźnik roacuteżnoziarnistości gruntu (U) oraz
czas przepływu wody w gruncie (t) Następnie wykorzystując powyższe parametry
wyznaczyłam liczby kryterialne oraz bazując na twierdzeniu Buckinghama określiłam ogoacutelną
postać funkcji opisującej badane zjawisko Wyznaczone liczby kryterialne pozwoliły
zbudować stanowisko laboratoryjne do fizycznej symulacji awarii wodociągu z zachowaniem
podobieństwa modelu i obiektu rzeczywistego (Rys1)
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
6
Rys 1 Schemat stanowiska laboratoryjnego do fizycznej symulacji awarii wodociągu 1 ndash skrzynia
wypełniona piaskiem 2 ndash układ drenażowy (przewody drenażowe z zaworami odcinającymi)
3 ndash przewoacuted badawczy 4 ndash połączenie kielichowe 5 ndash obejma 6 ndash zawoacuter odcinający przy skrzyni
7 ndash zbiornik zasilający 8 ndash zawoacuter odcinający przy zbiorniku 9 ndash przewoacuted elastyczny
10 ndash przewoacuted odpływowy
Fizyczne symulacje wypływu wody z przewodu wodociągowego do gruntu (łącznie 561
eksperymentoacutew) przeprowadzone zostały na stanowisku laboratoryjnym w skali 110
w czterech seriach dla 99 wariantoacutew roacuteżniących się między sobą warunkami hydraulicznymi
panującymi w przewodzie badawczym (roacuteżne wartości wysokości ciśnienia hydraulicznego
w zakresie od 30 do 60 m H2O) powierzchnią otworu przez ktoacutery woda wypływała do
gruntu (od 283 do 1884 cm2) oraz parametrami gruntoacutew wykorzystanych w badaniach ndash
wskaźnikiem zagęszczenia (od 070 do 10) wilgotnością (od 210 do 1211 obj)
wspoacutełczynnikiem filtracji (od 062 10-4 do 370 10-4 ms) oraz składem granulometrycznym
charakteryzowanym wskaźnikiem roacuteżnoziarnistości (od 222 do 520) Wymienione
parametry gruntu określone zostały w laboratorium za pomocą standardowych procedur
Seria I fizycznych symulacji awarii wodociągu w laboratorium obejmująca 44 warianty
służyła wstępnemu rozpoznaniu problemu i ukierunkowaniu dalszych badań i jej wyniki nie
były analizowane w ramach prezentowanej rozprawy Wyniki uzyskane w pozostałych seriach
(55 wariantoacutew z większą liczbą powtoacuterzeń niż w serii I ndash co najmniej 7) pozwoliły utworzyć dla
roacuteżnych zależnych od wariantu warunkoacutew zbiory danych określających
miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem miejsca na powierzchni terenu
znajdującego się wprost nad nieszczelnością w przewodzie ndash położenie tzw otworoacutew
sufozyjnych (odległości roacutewnoległe x i prostopadłe y do przewodu badawczego)
czasy wypływu wody na powierzchnię terenu od momentu wystąpienia symulowanej
awarii (rozszczelnienia przewodu badawczego)
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
7
Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe dla roacuteżnych
wartości wskaźnika zagęszczenia gruntu w czwartej serii fizycznych symulacji awarii
wodociągu (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 H = 40 m H2O) przedstawiony został na
Rys 2
Rys 2 Przykładowy rozkład punktoacutew reprezentujących otwory sufozyjne powstałe w wybranych
wariantach czwartej serii fizycznych symulacji awarii wodociągu
Dane uzyskane dzięki eksperymentom poddane zostały analizie statystycznej
składającej się z trzech głoacutewnych etapoacutew
podstawowej oceny danych polegającej na obliczeniu wybranych statystyk opisowych
(średniej arytmetycznej mediany odchylenia standardowego i rozstępu) oraz określeniu
charakteru rozkładu danych (z wykorzystaniem testu Shapiro-Wilka)
oceny wpływu wybranych parametroacutew (zmienianych w roacuteżnych wariantach badań
laboratoryjnych) na poziomą odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w przewodzie przy czym wpływ ten był analizowany dla poszczegoacutelnych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie (analiza regresji i korelacji) oraz dla
wszystkich parametroacutew roacutewnocześnie (nieliniowa estymacja metodą najmniejszych
kwadratoacutew wspoacutełczynnikoacutew funkcji ktoacuterej ogoacutelna postać wyznaczona została w oparciu
o twierdzenie Buckinghama)
oceny przestrzennego rozkładu otworoacutew sufozyjnych (z wykorzystaniem funkcji Ripleya)
Średnie wartości wynikoacutew uzyskanych w poszczegoacutelnych wariantach doświadczeń
wyniosły odpowiednio dla danych x ndash od 415 do 4333 cm dla danych y ndash od 461 do
3297 cm oraz dla danych t ndash od 340 do 10245 s Podstawowa analiza statystyczna wykazała
duże rozproszenie wynikoacutew badań laboratoryjnych względem średnich co było
najprawdopodobniej skutkiem złożoności zjawiska wypływu wody z przewodu ciśnieniowego
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
8
do gruntu Zdecydowana większość zbioroacutew danych (84 wszystkich) charakteryzowała się
rozkładem normalnym Wśroacuted pozostałych najwięcej było rozkładoacutew lewostronnie
asymetrycznych (11 wszystkich) stwierdzono roacutewnież występowanie rozkładoacutew
symetrycznych innych niż normalny (4 wszystkich) i jednego prawostronnie
asymetrycznego (1 wszystkich) W przypadku rozkładoacutew symetrycznych (w tym
normalnych) jako wartość reprezentatywną w dalszych obliczeniach przyjęłam średnią
arytmetyczną a w pozostałych medianę
W drugim etapie analizy statystycznej oceniałam wpływ wybranych w ramach analizy
wymiarowej parametroacutew ciśnienia hydraulicznego w przewodzie badawczym (H)
wilgotności gruntu (θ) wskaźnika roacuteżnoziarnistości (U) wspoacutełczynnika filtracji gruntu (Ks)
oraz czasu wypływu wody na powierzchnię terenu od początku awarii (t) na odległość Rw
otworoacutew sufozyjnych od miejsca na powierzchni terenu znajdującego się wprost nad
rozszczelnieniem w przewodzie Uwzględniając w badaniach każdy z wymienionych
parametroacutew oddzielnie niezależnie od siebie za pomocą analizy regresji i korelacji
z wykorzystaniem funkcji wykładniczej liniowej logarytmicznej i potęgowej dla żadnego
parametru oproacutecz czasu nie uzyskałam zadowalającego dopasowania analizowanych
teoretycznych funkcji do danych empirycznych Czas był jedynym parametrem dla ktoacuterego
uzyskałam zadowalające dopasowanie (wspoacutełczynnik determinacji R2 gt 06) przynajmniej
jednej z czterech funkcji teoretycznych ale tylko dla pięciu z 55 analizowanych zbioroacutew
wartości czasu Dla pozostałych zbioroacutew nie udało się osiągnąć dopasowania lub było ono
słabe (R2 lt 06) Można więc stwierdzić że rozpatrując każdy z wymienionych parametroacutew
oddzielnie nie udało się znaleźć jednoznacznej zależności między żadnym z nich a poziomą
odległością miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu względem położenia
nieszczelności w przewodzie badawczym
Poszukując związku między odległością Rw otworoacutew sufozyjnych od nieszczelności
w przewodzie a wszystkimi wybranymi parametrami roacutewnocześnie wykorzystałam ogoacutelną
postać funkcji określoną w oparciu o twierdzenie Buckinghama podczas analizy wymiarowej
119877119908 = 120593 (120579 119880119905 ∙ 119870119904
119867) ∙ 119867 (2)
Na bazie powyższej ogoacutelnej funkcji (2) przyjęłam 16 zależności w ktoacuterych funkcja φ
stanowiła sumę lub iloczyn funkcji wielomianowych potęgowych wykładniczych lub
logarytmicznych Nieznane wspoacutełczynniki występujące w tych zależnościach szacowałam na
drodze nieliniowej estymacji metodą najmniejszych kwadratoacutew a poprawność oszacowania
oceniałam za pomocą poziomu prawdopodobieństwa p (p-wartości) dla każdego
wspoacutełczynnika oraz za pomocą wspoacutełczynnika determinacji R2 Podczas analizy
16 zależności dla żadnej z nich nie udało mi się oszacować wspoacutełczynnikoacutew tak by
roacutewnocześnie spełnione były warunki p lt 005 dla każdego wspoacutełczynnika i R2 gt 06 Tylko
dla jednej zależności wszystkie oszacowane wspoacutełczynniki charakteryzowały się p lt 005
lecz zależność ta nie wykazała dopasowania do danych empirycznych (R2 = 0254)
Największą wartością wspoacutełczynnika determinacji (R2 = 0411) charakteryzowała się
zależność dla ktoacuterej 3 z 8 estymowanych wspoacutełczynnikoacutew nie spełniały warunku p lt 005
Podobnie jak w przypadku indywidualnej analizy przeprowadzonej dla każdego z wybranych
parametroacutew mających związek ze zjawiskiem wypływu wody z podziemnego wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
9
roacutewnież uwzględniając te parametry roacutewnocześnie nie udało się znaleźć zależności
funkcyjnej opisującej ich wpływ na poziomą odległość między otworem sufozyjnym
a miejscem wypływu wody z podziemnego przewodu wodociągowego
Wobec trudności w znalezieniu opisu matematycznego wspomnianej odległości
z wykorzystaniem zależności fizycznych postanowiłam przeanalizować położenie otworoacutew
sufozyjnych na powierzchni terenu w aspekcie geometrycznym W trzecim etapie analiz
statystycznych dokonałam więc oceny przestrzennego rozkładu punktoacutew odpowiadających
tym otworom wykorzystując w badaniach funkcję Ripleya charakterystyczną dla idealnie
losowego rozkładu punktoacutew Analiza polegała na poroacutewnaniu wartości estymatora funkcji
Ripleya obliczonych dla rozkładoacutew punktoacutew empirycznych z teoretycznymi wartościami
funkcji (Rys3)
Rys 3 Wykresy funkcji Ripleya K(r) oraz jej estymatora (119903) dla wybranych zbioroacutew punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych dla roacuteżnych wysokości ciśnienia w przewodzie badawczym
(r ndash promień otoczenia punktu odpowiadającego otworowi sufozyjnemu)
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
10
Za pomocą testu t-Studenta wykazałam że dla wszystkich rozpatrywanych (sześciu)
przypadkoacutew rozkładoacutew punktoacutew uzyskanych w badaniach laboratoryjnych wartości funkcji
Ripleya i jej estymatora można uznać za roacutewne na poziomie istotności 005 Oznaczało to że
rozkład punktoacutew empirycznych w obrębie badanego obszaru charakteryzuje się losowością
i trudno go opisać wykorzystując pojęcia klasycznej geometrii euklidesowej Dlatego
zdecydowałam się podjąć proacutebę rozwiązania problemu położenia otworoacutew sufozyjnych
powstałych wskutek awarii wodociągu w oparciu o geometrię fraktalną opracowując nową
metodę badawczą
Aby wykorzystać geometrię fraktalną jako kluczowe narzędzie badawcze w nowej
metodzie konieczna była analiza struktur geometrycznych utworzonych z punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym w aspekcie ich właściwości fraktalnych
Przeprowadzone badania wykazały że struktury te charakteryzuje samopodobieństwo mają
nietrywialną strukturę powstają w oparciu o rekursywną procedurę budowy nie dają się
opisać za pomocą pojęć klasycznej geometrii oraz wymagają wykorzystania zależności
rekurencyjnych w opisie analitycznym Są to cechy typowe dla fraktali Ponieważ
samopodobieństwo było przybliżone dobudowywanie kolejnych elementoacutew zbioru miało
charakter losowy proces konstrukcji nie był prowadzony nieskończenie długo struktury te
spełniły warunki stawiane fraktalom probabilistycznym Schemat powstawania struktury
(6 pierwszych krokoacutew) przedstawiony został na Rys 4 na przykładzie wynikoacutew IV serii
badań laboratoryjnych ndash wariant II (powierzchnia nieszczelności 283 cm2 Is = 075)
Rys 4 Sześć pierwszych krokoacutew powstawania struktury geometrycznej będącej zbiorem punktoacutew
odpowiadających miejscom wypływu wody po awarii wodociągu w wybranym wariancie badań
laboratoryjnych
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
11
Ponieważ jak wykazałam w pracy prawdopodobieństwo wystąpienia punktoacutew
tworzących strukturę w każdej z ćwiartek układu wspoacutełrzędnych było takie samo oraz rozkład
tych punktoacutew był losowy przy założeniu że przedmiotowa strefa wypływu ma kształt koła
możliwe było uproszczenie struktury osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej w czterech
ćwiartkach układu kartezjańskiego do postaci osadzonej w przestrzeni 1-wymiarowej
(na osi odciętych ndash Rys 5) Dzięki wykorzystaniu odwzorowań izometrycznych punktoacutew
tworzących strukturę odległość każdego punktu od początku układu wspoacutełrzędnych (Rw)
pozostała niezmieniona a powstały obraz oryginalnej struktury zachował wszystkie cechy
fraktali probabilistycznych W ten sposoacuteb powstały tzw teoretyczne struktury liniowe będące
zbiorami fraktalnymi Łącznie wykorzystując punkty uzyskane w badaniach laboratoryjnych
zbudowałam 12 teoretycznych struktur liniowych z ktoacuterych 5 powstało z punktoacutew
podzielonych według powierzchni nieszczelności w przewodzie badawczym podczas
eksperymentoacutew (zbioroacutew F1 divide F5) a 7 z punktoacutew pogrupowanych ze względu na wysokości
ciśnienia w przewodzie (zbioroacutew H1 divide H7)
Rys 5 Przekształcenie struktury geometrycznej będącej wybranym zbiorem punktoacutew laboratoryjnych
(II krok) w teoretyczną strukturę liniową
Struktury liniowe jako zbiory fraktalne scharakteryzowane zostały za pomocą trzech
parametroacutew wymiaru pudełkowego (Db) długości odcinka ktoacuterego jednym końcem był
punkt 0 a drugim ndash najbardziej oddalony od punktu 0 punkt należący do struktury ((119877119908)119898119886119909)
oraz za pomocą iloczynu tych dwoacutech parametroacutew oznaczonego 119877119891119903 oznaczającego długość
tej części odcinka lang0 (119877119908)119898119886119909rang ktoacuterą całkowicie wypełniała struktura liniowa
Przeprowadzone badania wykazały że wymienione trzy parametry a zwłaszcza 119877119891119903 zależą
od liczby punktoacutew nw tworzących strukturę Aby ocenić wielkość tego wpływu konieczne
było zbudowanie większej liczby struktur liniowych w tym składających się z większej
liczby punktoacutew niż dotychczas badane Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia
badań empirycznych na podstawie ktoacuterych możliwe byłoby zbudowanie takich struktur
wykorzystałam hipotetyczne populacje punktoacutew reprezentujących miejsca wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii wodociągu wygenerowane za pomocą metody Monte Carlo
Aby na potrzeby niniejszych badań przeprowadzić symulację z wykorzystaniem metody
Monte Carlo przyjęłam poziomą odległość Rw otworu sufozyjnego od miejsca nieszczelności
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
12
w przewodzie jako podstawową wielkość charakteryzującą miejsce powstawania tego otworu
oraz wykorzystując wyniki badań laboratoryjnych określiłam rozkład prawdopodobieństwa
wartości odległości Rw (będącej zmienną losową) Model symulacyjny ktoacutery zbudowałam
w programie MS Excel 2016 z uwzględnieniem ustalonego rozkładu prawdopodobieństwa dla
każdego z utworzonych wcześniej 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych (5 podzielonych
według powierzchni nieszczelności w przewodzie i 7 według wysokości ciśnienia
hydraulicznego) umożliwił wygenerowanie ciągoacutew liczb pseudolosowych odpowiadających
odległości Rw Powstało w ten sposoacuteb 1920 ciągoacutew o roacuteżnej liczebności nw po 160 (10
powtoacuterzeń dla 16 roacuteżnych liczebności) dla każdego z 12 zbioroacutew punktoacutew laboratoryjnych
(12 rozkładoacutew prawdopodobieństw) Po ich wygenerowaniu sprawdziłam czy rozkłady
prawdopodobieństwa liczb tworzących proacuteby hipotetycznej populacji Rw są zbliżone do
odpowiadających im rozkładoacutew obliczonych na podstawie wynikoacutew badań laboratoryjnych
Dla wszystkich populacji Rw uzyskałam zgodność rozkładoacutew prawdopodobieństwa Ciągi
wartości Rw pozwoliły zbudować 1920 teoretycznych struktur liniowych Dla każdej z nich
wyznaczyłam wielkość (119877119908)119898119886119909 wymiar fraktalny Db wraz z odpowiadającym mu
wspoacutełczynnikiem determinacji R2 a także parametr 119877119891119903
Analizując wygenerowane wartości (119877119908)119898119886119909 stwierdziłam że dla wszystkich 12 grup
struktur roacuteżniących się między sobą prawdopodobieństwem położenia punktoacutew istnieje
pewna przełomowa wartość liczebności nw powyżej ktoacuterej uzyskane wyniki (119877119908)119898119886119909 są
skupione wokoacuteł średnich Poniżej tej wartości empiryczny obszar zmienności (Rw)max był
stosunkowo duży co uniemożliwiło jednoznaczne określenie charakteru wpływu liczebności
proacuteb na wartość (119877119908)119898119886119909 Przeprowadzone badania wykazały że przełomową liczebnością
proacuteb jest nw = 400 i jest to wystarczająca liczebność by jednoznacznie wyznaczyć wartość
(Rw)max
Kolejnym parametrem wyznaczonym dla hipotetycznych struktur liniowych był wymiar
fraktalny Db Średnie arytmetyczne Db dla grup struktur zbudowanych w tych samych
warunkach (dla jednakowego prawdopodobieństwa i liczebności proacuteb) mieściły się w zakresie
od 065 do 097 (Tab 1) Najmniejszymi wymiarami charakteryzowały się struktury
o najmniejszej liczebności nw Początkowo wraz ze wzrostem liczebności wartość Db rosła
a następnie ustalała się na pewnym poziomie dla większości grup struktur większym od 09
Wzrost wartości Db ze wzrostem nw jest uzasadniony budową struktury liniowej Większa
liczba punktoacutew tworzących hipotetyczną strukturę bardziej wypełnia ograniczający ją
odcinek a to przekłada się na większą wartość Db
Trzeci analizowany parametr ndash 119877119891119903 wraz ze wzrostem liczebności populacji wykazywał
wyraźną tendencję rosnącą zaroacutewno w przypadku wartości skrajnych jak i średnich (Rys 6)
Najlepszym dopasowaniem do danych uzyskanych w symulacji dla wszystkich grup
hipotetycznych populacji charakteryzowała się logarytmiczna linia trendu przy czym
wspoacutełczynnik determinacji był największy dla minimalnych wartości Rfr a najmniejszy dla
maksymalnych Podobnie jak w przypadku (Rw)max powyżej pewnej granicznej wielkości
liczebności (nw gr) wartości Rfr wyraźnie skupiały się wokoacuteł średniej (zmniejszało się ich
rozproszenie) oraz znacznie zmniejszał się przyrost Rfr ze wzrostem nw
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
13
Tab 1 Średnie wartości wymiaru pudełkowego dla hipotetycznych struktur liniowych
nw
Db dla struktur liniowych odpowiadającym zbiorom danych
F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
50 073 071 071 074 065 070 071 070 071 081 069 068
100 083 078 083 084 075 082 082 080 081 090 082 083
200 088 083 091 091 085 086 087 084 087 093 084 090
300 091 084 093 094 087 087 089 089 089 094 086 091
400 094 085 094 095 088 088 090 091 089 094 087 092
500 095 088 094 096 091 089 091 092 089 094 088 092
600 096 090 094 095 091 089 090 093 090 094 088 092
700 097 090 094 097 092 089 091 094 090 094 089 092
800 097 091 094 097 092 089 091 094 090 094 088 092
900 096 091 095 097 092 090 091 095 090 094 088 092
1000 097 091 095 098 093 090 091 096 090 094 088 092
1500 097 092 095 098 095 090 091 097 090 094 089 092
2000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
3000 097 093 094 098 096 090 091 097 090 094 089 092
4000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
5000 097 093 094 098 097 090 091 097 090 094 089 092
Rys 6 Zależność skrajnych i średnich wartości Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących hipotetyczne
struktury liniowe (przykład dla zbioru danych F2)
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
14
Zasięg wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego przewodu
wodociągowego wyznaczony w oparciu o badania laboratoryjne i metodę Monte Carlo
odpowiada maksymalnej odległości miejsca wypływu od nieszczelności w przewodzie
((119877119908)119898119886119909) uzyskanej dla danej proacuteby hipotetycznej populacji odległości Rw Przyjęcie
promienia strefy wypływu wody na powierzchnię roacutewnego zasięgowi wypływu byłoby
najprostszym rozwiązaniem jednak należy pamiętać że zbyt duża strefa z ograniczonymi
możliwościami inwestycyjnymi może stanowić uciążliwość niekoniecznie przekładającą się
na bezpieczeństwo ludzi i mienia Właściwszym rozwiązaniem wydawało się przyjęcie jako
promienia strefy wypływu parametru Rfr mniejszego niż (119877119908)119898119886119909 jednak na tyle dużego że
odcinek lang0 119877119891119903rang pokrywa większość punktoacutew tworzących daną strukturę liniową Ze względu
na wykazaną zależność Rfr od liczebności nw punktoacutew tworzących strukturę należało znaleźć
wartość granicznej liczebności nw gr pozwalającej zbudować miarodajną strukturę liniową
o Rfr-gr odpowiadającym promieniowi strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu
Podjęłam więc działania zmierzające do wyznaczenia liczebności nw gr dla każdej grupy
struktur zbudowanych w tych samych warunkach pod względem rozkładu
prawdopodobieństwa tworzących je punktoacutew czyli dla 12 grup struktur odpowiadających
zbiorom danych F1 F2 hellip F5 oraz H1 H2 hellip H7 W tym celu w pierwszej kolejności
wyznaczyłam dla każdej grupy struktur liczebność nw CV zaczynając od ktoacuterej wartości Rfr
można było uznać za skupione wokoacuteł średniej Wykorzystałam przy tym oparte na analizach
literaturowych założenie że dla wspoacutełczynnika zmienności nieprzekraczającego 5 można
uznać zmienność badanego parametru za małą Uzyskane wyniki mieściły się w zakresie od
50 do 400 W drugiej kolejności wyznaczyłam wartości liczebności nw Δ zaczynając od
ktoacuterych istotnie zmniejszał się przyrost średniej wartości Rfr ze wzrostem liczebności punktoacutew
odpowiadających proacutebie hipotetycznej populacji Przyjmując założenie że zaczynając od nw Δ
przy zwiększeniu liczebności punktoacutew o 100 wartość Rfr może wzrosnąć co najwyżej o 1 cm
najpierw wytypowałam wartości nw Δ a następnie poddałam je ocenie statystycznej
wykorzystując test t-Studenta W efekcie uzyskałam wartości nw Δ z zakresu od 100 do 400
Liczebność nw gr musiała spełniać roacutewnocześnie zaroacutewno warunek skupienia Rfr wokoacuteł
średniej (spełniony przez nw CV) jak i warunek nieistotnych statystycznie przyrostoacutew średniej
wartości Rfr (spełniony przez nw Δ) więc jej wartość odpowiadała większej z dwoacutech
liczebności nw CV i nw Δ W przypadku wszystkich analizowanych grup struktur uzyskałam
nw CV le nw Δ więc przyjęłam nw gr = nw Δ (Tab 2)
Tab 2 Charakterystyczne liczebności nw CV nw Δ i nw gr
Zbioacuter danych F1 F2 F3 F4 F5 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7
nw CV 200 300 50 200 400 100 100 300 100 50 200 100
nw Δ 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
nw gr 200 300 400 300 400 200 100 300 200 200 300 200
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
15
Wartości Rfr dla struktur o liczebności nw gr (nazwanych miarodajnymi) stały się
podstawą wyznaczenia promienia strefy wypływu wody na powierzchnię terenu po
ewentualnej awarii wodociągu Wartości Rfr dla 12 grup składających się z 10 struktur
miarodajnych charakteryzowały się skupieniem wokoacuteł średnich oraz symetrią rozkładoacutew
a ich średnie mieściły się w zakresie od 3834 cm do 5236 cm Jako długość promienia strefy
wypływu Rs zaproponowałam przyjęcie średnich wartości Rfr wyznaczonych dla struktur
miarodajnych i przeliczonych na warunki rzeczywiste (Rfrndashgr) a następnie zaokrąglonych
w zależności od przyjętej dokładności do 05 m (Rs 05) lub do całości (Rs 10) co wyrażają
zależności (2) i (3)
119877119904 05 = ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 05
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 05 (2)
119877119904 10 =
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 025
⟦119877119891119903minus119892119903⟧ + 05 119895119890ś119897119894 025 le 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ lt 075
lceil119877119891119903minus119892119903rceil 119895119890ś119897119894 119877119891119903minus119892119903 minus ⟦119877119891119903minus119892119903⟧ ge 075
(3)
gdzie ⟦Rfrminusgr⟧ i lceilRfrndashgrrceil w powyższym zapisie oznaczają odpowiednio cechę (część
całkowitą) i cechę goacuterną liczby Rfrndashgr [m]
Wartość Rfr dla struktury zbudowanej z nw gr punktoacutew (Rfrndashgr) występującej we wzorach
(2) i (3) wyznaczyć można z zależności
119877119891119903minus119892119903 = (119897119894119898120575rarr0
119897119900119892 119873120575(119882119873)
minus 119897119900119892 120575) ∙ 119898119886119909
1le119894le119899119908 119892119903
(119877119908)119894|119894 isin ℕ (4)
gdzie Rw ndash pozioma odległość miejsca wypływu wody na powierzchnię terenu od
nieszczelności w uszkodzonym przewodzie wodociągowym [m] ℕ ndash zbioacuter liczb naturalnych
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1)
W efekcie uzyskałam wartości 119877119904 05 isin 40 45 50 oraz 119877119904 10 isin 40 50 (Tab 3)
Tab 3 Promień strefy wypływu wyznaczony na podstawie wartości Rfr struktur miarodajnych
Zbioacuter danych
Rfrndashgr dla warunkoacutew Promień strefy wypływu
laboratoryjnych [cm] rzeczywistych [m] Rs 05 [m] Rs 10 [m]
F1 3834 3834 40 40
F2 4891 4891 50 50
F3 4667 4667 45 50
F4 5066 5066 50 50
F5 5060 506 50 50
H1 4251 4251 45 40
H2 3941 3941 40 40
H3 5236 5236 50 50
H4 4295 4295 45 40
H5 4187 4187 40 40
H6 5084 5084 50 50
H7 4867 4867 50 50
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
16
Opracowana metoda wyznaczania promieni stref wypływu wody poddana została
ocenie polegającej na sprawdzeniu w jakim stopniu struktury liniowe utworzone z punktoacutew
uzyskanych w badaniach laboratoryjnych są pokryte przez promienie stref uzyskane tą
metodą Poroacutewnałam ze sobą pokrycie punktowe (określające jaki procent punktoacutew
tworzących strukturę jest pokryty przez promień strefy) i pokrycie liniowe (określające jaki
procent odcinka o długości (119877119908)119898119886119909 ograniczającego strukturę jest pokryty przez promień
strefy) Stopień punktowego pokrycia odpowiada prawdopodobieństwu że podczas
ewentualnej awarii wodociągu woda wypłynie na powierzchnię terenu w obrębie
wyznaczonej strefy wypływu dlatego korzystnie jest gdy jego wartość jest jak największa
Z kolei wartość stopnia liniowego pokrycia z praktycznego punktu widzenia powinna być
jak najmniejsza Woacutewczas przy możliwie najmniejszym promieniu strefy wypływu jak
najwięcej potencjalnych punktoacutew wypływu znajdzie się w jej obrębie Stopień punktowego
pokrycia powinien więc być większy od stopnia pokrycia liniowego Ponieważ warunek ten
spełniło dziesięć z 12 analizowanych struktur uznałam ocenę nowej metody bazującą na
wynikach badań laboratoryjnych za pozytywną Ocenę tę uzupełniłam weryfikacją
empiryczną w oparciu o wyniki lokalizacji miejsc wypływu wody na powierzchnię terenu
uzyskane w warunkach rzeczywistych podczas badań terenowych
Istotą badań terenowych było spowodowanie kontrolowanego wypływu wody
z rozszczelnionego przewodu ciśnieniowego odzwierciedlającego awarię wodociągu
ułożonego pod powierzchnią terenu Doświadczenia przeprowadzone zostały na dwoacutech
obiektach badawczych OT1 i OT2 na 8 niezależnych od siebie stanowiskach (po 4 na
każdym obiekcie) Przygotowanie stanowiska polegało montażu w wykopie przewodu
badawczego o średnicy zewnętrznej 63 mm na obiekcie OT1 oraz 110 mm i 200 mm na
obiekcie OT2 rozszczelnionego w połowie długości Fizyczne symulacje wypływu wody
z przewodu do gruntu na obiekcie OT1 zostały przeprowadzone w jednej serii 7 miesięcy po
zbudowaniu stanowisk natomiast na obiekcie OT2 w dwoacutech seriach ndash 9 miesięcy oraz 22
miesiące po zbudowaniu stanowisk Po odpowietrzeniu układu wykorzystując hydrant
przeciwpożarowy wprowadzano do przewodu badawczego wodę pod ciśnieniem Ze względu
na nieszczelność w przewodzie część wody wypływała przez grunt na powierzchnię terenu
Podobnie jak w przypadku badań laboratoryjnych zmierzyłam czas jaki minął od chwili
otwarcia zaworoacutew zasilających do momentu tego wypływu oraz określiłam odległość tego
wypływu od nieszczelności w przewodzie
Weryfikacja empiryczna nowej metody wyznaczania promienia strefy wypływu
polegała na sprawdzeniu położenia punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody na
powierzchnię terenu uzyskanych podczas badań terenowych w warunkach rzeczywistych
względem wyznaczonych nową metodą stref Weryfikacji poddałam wyniki Rs uzyskane dla
tych zbioroacutew danych laboratoryjnych ktoacutere zostały wyznaczone w warunkach
odpowiadających eksperymentom w terenie (Tab 4 i 5)
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
17
Tab 4 Podstawa weryfikacji promieni stref wypływu uzyskanych dla danych F1 divide F3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs
Obiekt Stanowisko DNtimesg [mm] DN [mm] Zbioacuter danych Rs 05 [m] Rs 10 [m]
OT1 1 divide 4 63times38 60 F1 40
OT2 1 divide 2 110times42 100 F2 50
3 divide 4 200times77 200 F3 45 50
Tab 5 Podstawa weryfikacji promienia strefy wypływu uzyskanej dla danych H3
Badania terenowe Badania laboratoryjne Promień strefy Rs = Rs 05 = Rs 10 [m] Obiekt Stanowisko H [m H2O] H [m H2O] Zbioacuter danych
OT1 1 divide 4 405
40 H3 50 OT2
1 divide 2 408
3 divide 4 395
Jeśli wszystkie punkty charakteryzujące miejsca wypływu wody znalazły się
w wewnątrz wyznaczonej nową metodą strefy wypływu to wynik weryfikacji uznawany był
za pozytywny (+) Jeśli natomiast co najmniej 1 punkt znalazł się poza strefą to wynik był
negatywny (ndash) Podsumowanie wynikoacutew weryfikacji zestawiono w tabeli 6
Tab 6 Podsumowanie weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej
Obiekt Stanowisko Seria badań Promień strefy Rs
40 m 45 m 50 m
OT1 1 divide 4 I + Nie dotyczy +
OT2
1 divide 2 I Nie dotyczy Nie dotyczy +
II Nie dotyczy Nie dotyczy +
3 divide 4 I Nie dotyczy ndash +
II Nie dotyczy + +
Tylko w jednym z 8 przypadkoacutew punkty wypływu znalazły się poza wyznaczoną strefą
wypływu ogoacutelny wynik weryfikacji nowej metody określania promienia strefy wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii sieci wodociągowej można więc uznać za pozytywny
Przeprowadzone prace badawcze pozwoliły osiągnąć głoacutewny cel pracy czyli opracować
metodę wyznaczania na powierzchni terenu promienia strefy w obrębie ktoacuterej może nastąpić
wypływ wody po awarii podziemnego wodociągu Osiągnięcie założonego celu pracy
wykazało słuszność głoacutewnej tezy moacutewiącej że promień strefy wypływu wody na
powierzchnię terenu po wystąpieniu nieszczelności w podziemnym przewodzie
wodociągowym można opisać z wykorzystaniem teorii geometrii fraktalnej
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
18
Poza wykazaniem słuszności głoacutewnej tezy ze zrealizowanych badań wynikają wnioski
ktoacutere można sformułować następująco
punkty odpowiadające miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii
podziemnego wodociągu są rozmieszczone losowo
do oceny rozmieszczenia otworoacutew sufozyjnych można wykorzystać funkcję Ripleya
struktury geometryczne zbudowane z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu
wody na powierzchnię terenu po awarii podziemnego wodociągu mają cechy fraktali
probabilistycznych
możliwe jest przekształcenie struktury fraktalnej zbudowanej z punktoacutew odpowiadających
miejscom wypływu wody na powierzchnię terenu osadzonej w przestrzeni 2-wymiarowej
na strukturę osadzoną w przestrzeni 1-wymiarowej z zachowaniem cech zbioru
fraktalnego
Możliwości wykorzystania wynikoacutew pracy
Uzyskane wyniki pracy mogą znaleźć zastosowanie zaroacutewno w dalszych badaniach
naukowych jak i w praktyce projektowej oraz eksploatacyjnej sieci wodociągowych
Wyznaczenie wielkości stref wypływu wody na powierzchnię terenu wskutek
rozszczelnienia podziemnego przewodu jest tylko jednym z problemoacutew związanych
z nieuniknionymi awariami wodociągoacutew jednak bardzo ważnym z punktu widzenia
bezpieczeństwa ludzi i istniejącej infrastruktury Badania związane z wypływem wody
z przewodu ciśnieniowego do gruntu powinny więc być kontynuowane Przedmiotowy
problem obejmuje szerokie spektrum wzajemnie powiązanych zagadnień z roacuteżnych dziedzin
nauki głoacutewnie mechaniki płynoacutew hydrologii i reologii gruntoacutew dlatego pełne rozpoznanie
tych zagadnień wciąż pozostaje otwartym wyzwaniem Badania prowadzone w ramach
prezentowanej pracy skoncentrowane były na opisie geometrycznym zbioru punktoacutew
odpowiadających otworom sufozyjnym Stanowiły więc tylko jedno z możliwych podejść do
problemu wypływu wody z rozszczelnionego ciśnieniowego rurociągu do gruntu niemniej
podejście to pozwoliło osiągnąć cel pracy i dlatego można je uznać za istotny wkład w lepsze
poznanie przedmiotowego zjawiska Analizy powinny być jednak kontynuowane w roacuteżnych
aspektach nie tylko geometrycznym Rezultaty prezentowane w ramach niniejszej pracy
mogą być wykorzystane w przyszłych badaniach przy czym warto zwroacutecić uwagę na
możliwości
wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzenia fizycznej symulacji awarii
wodociągu
wykorzystania opracowanego algorytmu wyznaczania wymiaru fraktalnego struktur
geometrycznych składających się z punktoacutew odpowiadających miejscom wypływu wody
na powierzchnię terenu
wykorzystania opracowanego z wykorzystaniem metody Monte Carlo algorytmu budowy
hipotetycznych struktur symulujących zbiory punktoacutew odpowiadających miejscom
wypływu wody na powierzchnię terenu po awarii wodociągu
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
19
Biorąc pod uwagę możliwości praktycznego wykorzystania uzyskanych wynikoacutew
w projektowaniu i eksploatacji sieci wodociągowych warto zaznaczyć że problem
wyznaczania przedmiotowych stref wypływu wody po ewentualnej awarii wodociągu od
wielu lat cieszy się zainteresowaniem ze strony eksploatatoroacutew sieci dystrybucji wody co
znajduje odzwierciedlenie w dyskusjach na konferencjach naukowo-technicznych na ktoacuterych
podejmowana jest ta tematyka Uzyskane w ramach pracy wielkości stref wypływu wody
wokoacuteł miejsc na wodociągu szczegoacutelnie narażonych na możliwość wystąpienia awarii mogą
ułatwić projektantom planowanie zaroacutewno tras sieci wodociągowych jak i położenia innych
elementoacutew infrastruktury podziemnej i naziemnej Eksploatatorom sieci wodociągowych
informacja o wielkości stref wypływu może pomoacutec w podejmowaniu decyzji odnośnie
działań mających na celu niedopuszczenie do wystąpienia katastrof związanych z sufozją lub
przynajmniej znaczne ograniczenie ich liczby
5 Omoacutewienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych)
W początkowym etapie zatrudnienia w Politechnice Lubelskiej moje zainteresowania
naukowe koncentrowały się wokoacuteł zagadnień związanych z przepływem wody w ośrodkach
porowatych W latach 2001ndash2004 należałam do grona wykonawcoacutew projektu badawczego
KBN pt bdquoProgram pilotażowy ochrony przeciwerozyjnej oraz ochrony woacuted
powierzchniowych i gruntowych terenoacutew wyżynnych intensywnie użytkowanych rolniczordquo
nr 7 T09D 029 21 kierowanego przez prof dr hab inż Wenantego Olsztę Dzięki realizacji
projektu powstały publikacje (min mojego autorstwa E9 i E11 według punktu IIE
Załącznika nr 4) oraz monografia po redakcją prof dr hab inż Wenantego Olszty i dr inż
Dariusza Kowalskiego w ktoacuterej byłam wspoacutełautorką 3 rozdziałoacutew (E2 E3 i E4 według
punktu IIE Załącznika nr 4) Udział w projekcie pozwolił mi roacutewnież uzyskać materiał
badawczy do realizacji własnej rozprawy doktorskiej pt bdquoOcena wpływu anizotropii gruntoacutew
na dynamikę przepływu wodyrdquo
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych kontynuowałam podjęty kierunek
badań czego efektem były publikacje w czasopismach z bazy JCR ndash Soil Science Society of
American Journal (2 artykuły A1 i A2 według punktu IIA Załącznika nr 4) i Eurasian Soil
Science (1 artykuł A6 według punktu IIA Załącznika nr 4) a także przyznany patent nr
216076 (C1 według punktu IIC Załącznika nr 4)
W kolejnych latach zakres moich zainteresowań naukowych poszerzył się o zagadnienia
związane z infrastrukturą wodociągową i kanalizacyjną Znalazło to odzwierciedlenie
w tematyce publikacji i prezentowanych na konferencjach naukowych referatoacutew (A9 A12
E16 E18 E20ndashE25 E27ndash29 E31 E34 E36 E38 E39 E44ndashE47 E49 E51ndashE53
według punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4) a także zgłoszeń i przyznanych patentoacutew
(C2ndashC10 według punktu IIC Załącznika nr 4) Ponadto brałam udział w realizacji projektu
badawczego pt bdquoWpływ materiału rurociągoacutew wykonanych z tworzyw sztucznych na jakość
wody wodociągowejrdquo 4508BT02200936 realizowanego na Wydziale Inżynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem dr hab inż Beaty Kowalskiej
prof PL
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
20
Wiedza na temat ruchu wody w ośrodkach porowatych oraz problemoacutew dotyczących
bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę i usuwania ściekoacutew zaowocowała skoncentrowaniem
się na tematyce wzajemnego oddziaływania między infrastrukturą wodociągową
a środowiskiem gruntowo-wodnym Aby pozyskać środki finansowe na badania w tej
tematyce od czerwca 2011 r do grudnia 2015 r 6-krotnie składałam do Narodowego
Centrum Nauki wnioski o grant w ramach programoacutew Sonata Sonata Bis i Opus W jednym
przypadku moacutej wniosek uzyskał pozytywną ocenę jednak nie został zakwalifikowany do
finansowania ze względu na ograniczoną ilość środkoacutew Pomimo że nie udało mi się
pozyskać od NCN środkoacutew finansowych na realizację badań jednak bardzo wartościowe
okazały się recenzje wnioskoacutew ndash nie tylko pozwoliły wyeliminować niedostrzeżone przeze
mnie nieścisłości ale przede wszystkim potwierdziły ważność podjętej przeze mnie tematyki
Efektem prowadzonych badań było nie tylko osiągnięcie wskazane w punkcie 4
niniejszego Autoreferatu ale roacutewnież ściśle z tym osiągnięciem związane artykuły
opublikowane w czasopismach z listy A i B MNiSW
Iwanek M Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Distance and time of water
effluence on soil surface after failure of buried water pipe Laboratory investigations and
statistical analysis Eksploatacja i Niezawodnosc ndash Maintenance and Reliability nr 2 vol
18 2016 s 278-284 [czasopismo z bazy JCR 25 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A4
według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Kowalski D Kwietniewski M Badania modelowe wypływu wody
z podziemnego rurociągu podczas awarii Ochrona Środowiska vol 37 nr 4 2015 s 13-17
[czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł A3 według punktu IIA
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Karpińska-Kiełbasa M Suffosion holes as the results of
a breakage of a buried water pipe Periodica Polytechnica ndash Civil Engineering nr 4
vol 61 2017 s 700-705 [czasopismo z bazy JCR 15 p wg MNiSW (lista A)] (artykuł
A5 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Iwanek M Malesińska A Zastosowanie teorii podobieństwa w modelowaniu awarii sieci
wodociągowych Gaz Woda i Technika Sanitarna 3 2015 s 82-86 [11 p wg MNiSW
(lista B)] (artykuł E41 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Sidorowicz Ł Analysis of the width of protection zone near a
water supply network Architecture ndash Civil Engineering ndash Environment - artykuł
zgłoszony do druku [czasopismo indeksowane w Web of Science Core Collection 11 p
wg MNiSW (lista B)] (artykuł A8 według punktu IIA Załącznika nr 4)
Ponadto na 3 konferencjach międzynarodowych (Portugalia Włochy Ukraina) oraz
2 ogoacutelnopolskich wygłosiłam referaty ściśle związane ze wskazanym w punkcie 4
osiągnięciem ktoacutere zostały opublikowane jako rozdziały w monografiach
Iwanek M Kowalski D Kowalska B Hawryluk E Kondraciuk K Experimental
investigations of zones of leakage from damaged water network pipes w Brebbia C A
Mambretti S (redakcja) Urban Water II Southampton Boston UK WIT Press 2014 s
257-268 [MNiSW 5 p] (publikacja E15 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Skrzypek A Budzioch M Statistical analysis of time of water
outflow on the soil surface after a failure of a buried water pipe W Proverbs D
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
21
Mambretti S Brebbia C A Ursino N (redakcja) Urban Water III Transactions on
The Built Environment Urban water systems and floods Southampton Boston UK
WIT Press 2016 s 39-49 [MNiSW 5 p] (publikacja E17 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Hawryluk E Kondraciuk K Influence of chosen parameters
on dimensions of suffosion hole after buried water pipersquos failure W Sobczuk H
Kowalska B Water supply and wastewater removal Monografie ndash Politechnika
Lubelska 2016 s 55-67 [MNiSW 5 p] (publikacja E19 według punktu IIE
Załącznika nr 4)
Iwanek M Zjawisko sufozji jako skutek awarii infrastruktury wodociągowej lub
kanalizacyjnej Przegląd literatury w Kuś K Piechurski F (redakcja) Nowe Technologie
w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice 2014 str 57-78
[MNiSW 5 p] (publikacja E30 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Iwanek M Suchorab P Budzioch M Statystyka opisowa wynikoacutew fizycznej symulacji
awarii podziemnego przewodu wodociągowego W Kuś K Piechurski F (red) Nowe
Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych Gliwice
Instytut Inżynierii Wody i Ściekoacutew Politechnika Śląska 2016 s 37-50 [MNiSW 5 p]
(publikacja E32 według punktu IIE Załącznika nr 4)
Bliskie tematyce podjętej w osiągnięciu wskazanemu w punkcie 4 niniejszego
Autoreferatu choć niezwiązane z nią bezpośrednio były publikacje dotyczące
komputerowych symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruncie wskutek awarii
sieci kanalizacyjnej (3 artykuły w czasopismach z listy B według MNiSW ndash E33 E35 i E37
według punktu IIE Załącznika nr 4) a także dotyczące awaryjności sieci wodociągowych
i kanalizacyjnych oraz strat wody w sieciach ją rozprowadzających (6 artykułoacutew
w czasopismach z listy B według MNiSW 3 artykuły w materiałach konferencyjnych
indeksowanych w bazie WoS ndash A7 A10 A11 A14 E40 E42 E43 E48 E50 według
punktoacutew IIA i IIE Załącznika nr 4)
W tabeli 7 zestawiłam liczbę cytowań publikacji i indeks Hirscha według Web of
Science (WoS) Google Scholar oraz Scopus Podsumowanie wszystkich moich
dotychczasowych publikacji naukowych z uwzględnieniem uzyskanych patentoacutew przedstawia
tabela 8
Tab 7 Podsumowanie cytowań publikacji i indeks Hirscha
Podstawa Liczba cytowań
Indeks Hirscha ogoacutełem bez autocytowań
Web of Science 61 46 4
Google Scholar 137 103 5
Scopus 57 46 4
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji
Autoreferat Załącznik nr 2
22
Tab 8 Zestawienie danych o publikacjach
Publikujące czasopismo Liczba
publikacji
Impact factor (IF) Punktacja MNiSW
z roku
publikacji aktualny 5-letni
z roku
publikacji aktualna
Przed doktoratem
z listy B wg MNiSW 2 - - - 8 28
recenzowane
wydawnictwo zbiorowe
w j angielskim
1 - - - 3 5
rozdział w monografii
w j polskim 4 - - - 12 20
rozdział w materiałach
konferencyjnych 4 - - - 6 0
Razem przed doktoratem 11 0 0 0 29 53
Po doktoracie
z bazy JCR (lista A
wg MNiSW) 6 708 7156 772 124 120
z listy B wg MNiSW
indeksowane w WoS 1 (+1) - - - 11 11
z listy B wg MNiSW
nieindeksowane w WoS 21 - - - 152 183
materiały konferencyjne
indeksowane w WoS 4 (+2) - - - 55 60
monografia
w j angielskim 1 - - - 25 25
rozdział w monografii
w j angielskim 13 - - - 67 65
rozdział w monografii
w j polskim 7 - - - 31 35
patenty krajowe 10 - - - 275 285
Razem po doktoracie 63 (+3) 708 7156 772 740 784
Razem
Razem przed i po
doktoracie 74 (+3) 708 7156 772 769 837
Liczba w nawiasie dotyczy publikacji zgłoszonych do druku lub opublikowanych lecz
jeszcze nie wprowadzonych do bazy WoS nieuwzględnionych w punktacji