Zone design of specific sizes using adaptive additively weighted voronoi diagrams

Territory or zone design processes entail partitioning a geographic space, organized as a set of areal units, into different regions or zones according to a specific set of criteria that are dependent on the application context. In most cases, the aim is to create zones of approximately equal sizes (zones with equal numbers of inhabitants, same average sales, etc.). However, some of the new applications that have emerged, particularly in the context of sustainable development policies, are aimed at defining zones of a predetermined, though not necessarily similar, size. In addition, the zones should be built around a given set of seeds. This type of partitioning has not been sufficiently researched; therefore, there are no known approaches for automated zone delimitation. This study proposes a new method based on a discrete version of the adaptive additively weighted Voronoi diagram that makes it possible to partition a two-dimensional space into zones of specific sizes, taking both the position and the weight of each seed into account. The method consists of repeatedly solving a traditional additively weighted Voronoi diagram, so that each seed?s weight is updated at every iteration. The zones are geographically connected using a metric based on the shortest path. Tests conducted on the extensive farming system of three municipalities in Castile-La Mancha (Spain) have established that the proposed heuristic procedure is valid for solving this type of partitioning problem. Nevertheless, these tests confirmed that the given seed position determines the spatial configuration the method must solve and this may have a great impact on the resulting partition.

Carbon allocation in north-western Amazon forests (Colombia)

Los estudios sobre la asignación del carbono en los ecosistemas forestales proporcionan información esencial para la comprensión de las diferencias espaciales y temporales en el ciclo del carbono de tal forma que pueden aportar información a los modelos y, así predecir las posibles respuestas de los bosques a los cambios en el clima. Dentro de este contexto, los bosques Amazónicos desempeñan un papel particularmente importante en el balance global del carbono; no obstante, existen grandes incertidumbres en cuanto a los controles abióticos en las tasas de la producción primaria neta (PPN), la asignación de los productos de la fotosíntesis a los diferentes componentes o compartimentos del ecosistema (aéreo y subterráneo) y, cómo estos componentes de la asignación del carbono responden a eventos climáticos extremos. El objetivo general de esta tesis es analizar los componentes de la asignación del carbono en bosques tropicales maduros sobre suelos contrastantes, que crecen bajo condiciones climáticas similares en dos sitios ubicados en la Amazonia noroccidental (Colombia): el Parque Natural Nacional Amacayacu y la Estación Biológica Zafire. Con este objetivo, realicé mediciones de los componentes de la asignación del carbono (biomasa, productividad primaria neta, y su fraccionamiento) a nivel ecosistémico y de la dinámica forestal (tasas anuales de mortalidad y reclutamiento), a lo largo de ocho años (20042012) en seis parcelas permanentes de 1 hectárea establecidas en cinco tipos de bosques sobre suelos diferentes (arcilloso, franco-arcilloso, franco-arcilloso-arenoso, franco-arenoso y arena-francosa). Toda esta información me permitió abordar preguntas específicas que detallo a continuación. En el Capítulo 2 evalúe la hipótesis de que a medida que aumenta la fertilidad del suelo disminuye la cantidad del carbono asignado a la producción subterránea (raíces finas con diámetro <2 mm). Y para esto, realicé mediciones de la masa y la producción de raíces finas usando dos métodos: (1) el de los cilindros de crecimiento y, (2) el de los cilindros de extracción secuencial. El monitoreo se realizó durante 2.2 años en los bosques con suelos más contrastantes: arcilla y arena-francosa. Encontré diferencias significativas en la masa de raíces finas y su producción entre los bosques y, también con respecto a la profundidad del suelo (010 y 1020 cm). El bosque sobre arena-francosa asignó más carbono a las raíces finas que el bosque sobre arcillas. La producción de raíces finas en el bosque sobre arena-francosa fue dos veces más alta (media ± error estándar = 2.98 ± 0.36 y 3.33 ± 0.69 Mg C ha1 año1, con el método 1 y 2, respectivamente), que para el bosque sobre arcillas, el suelo más fértil (1.51 ± 0.14, método 1, y desde 1.03 ± 0.31 a 1.36 ± 0.23 Mg C ha1 año1, método 2). Del mismo modo, el promedio de la masa de raíces finas fue tres veces mayor en el bosque sobre arena-francosa (5.47 ± 0.17 Mg C ha1) que en el suelo más fértil (de 1.52 ± 0.08 a 1.82 ± 0.09 Mg C ha1). La masa de las raíces finas también mostró un patrón temporal relacionado con la lluvia, mostrando que la producción de raíces finas disminuyó sustancialmente en el período seco del año 2005. Estos resultados sugieren que los recursos del suelo pueden desempeñar un papel importante en los patrones de la asignación del carbono entre los componentes aéreo y subterráneo de los bosques tropicales; y que el suelo no sólo influye en las diferencias en la masa de raíces finas y su producción, sino que también, en conjunto con la lluvia, sobre la estacionalidad de la producción. En el Capítulo 3 estimé y analicé los tres componentes de la asignación del carbono a nivel del ecosistema: la biomasa, la productividad primaria neta PPN, y su fraccionamiento, en los mismos bosques del Capítulo 2 (el bosque sobre arcillas y el bosque sobre arena-francosa). Encontré diferencias significativas en los patrones de la asignación del carbono entre los bosques; el bosque sobre arcillas presentó una mayor biomasa total y aérea, así como una PPN, que el bosque sobre arena-francosa. Sin embargo, la diferencia entre los dos bosques en términos de la productividad primaria neta total fue menor en comparación con las diferencias entre la biomasa total de los bosques, como consecuencia de las diferentes estrategias en la asignación del carbono a los componentes aéreo y subterráneo del bosque. La proporción o fracción de la PPN asignada a la nueva producción de follaje fue relativamente similar entre los dos bosques. Nuestros resultados de los incrementos de la biomasa aérea sugieren una posible compensación entre la asignación del carbono al crecimiento de las raíces finas versus el de la madera, a diferencia de la compensación comúnmente asumida entre la parte aérea y la subterránea en general. A pesar de estas diferencias entre los bosques en términos de los componentes de la asignación del carbono, el índice de área foliar fue relativamente similar entre ellos, lo que sugiere que el índice de área foliar es más un indicador de la PPN total que de la asignación de carbono entre componentes. En el Capítulo 4 evalué la variación espacial y temporal de los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal de cinco tipos e bosques amazónicos y sus respuestas a fluctuaciones en la precipitación, lo cual es completamente relevante en el ciclo global del carbono y los procesos biogeoquímicos en general. Estas variaciones son así mismo importantes para evaluar los efectos de la sequía o eventos extremos sobre la dinámica natural de los bosques amazónicos. Evalué la variación interanual y la estacionalidad de los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal durante el periodo 2004−2012, en cinco bosques maduros sobre diferentes suelos (arcilloso, franco-arcilloso, franco-arcilloso-arenoso, franco-arenoso y arena-francosa), todos bajo el mismo régimen local de precipitación en la Amazonia noroccidental (Colombia). Quería examinar sí estos bosques responden de forma similar a las fluctuaciones en la precipitación, tal y como pronostican muchos modelos. Consideré las siguientes preguntas: (i) ¿Existe una correlación entre los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal con la precipitación? (ii) ¿Existe correlación entre los bosques? (iii) ¿Es el índice de área foliar (LAI) un indicador de las variaciones en la producción aérea o es un reflejo de los cambios en los patrones de la asignación del carbono entre bosques?. En general, la correlación entre los componentes aéreo y subterráneo de la asignación del carbono con la precipitación sugiere que los suelos juegan un papel importante en las diferencias espaciales y temporales de las respuestas de estos bosques a las variaciones en la precipitación. Por un lado, la mayoría de los bosques mostraron que los componentes aéreos de la asignación del carbono son susceptibles a las fluctuaciones en la precipitación; sin embargo, el bosque sobre arena-francosa solamente presentó correlación con la lluvia con el componente subterráneo (raíces finas). Por otra parte, a pesar de que el noroeste Amazónico es considerado sin una estación seca propiamente (definida como <100 mm meses −1), la hojarasca y la masa de raíces finas mostraron una alta variabilidad y estacionalidad, especialmente marcada durante la sequía del 2005. Además, los bosques del grupo de suelos francos mostraron que la hojarasca responde a retrasos en la precipitación, al igual que la masa de raíces finas del bosque sobre arena-francosa. En cuanto a la dinámica forestal, sólo la tasa de mortalidad del bosque sobre arena-francosa estuvo correlacionada con la precipitación (ρ = 0.77, P <0.1). La variabilidad interanual en los incrementos en el tallo y la biomasa de los individuos resalta la importancia de la mortalidad en la variación de los incrementos en la biomasa aérea. Sin embargo, las tasas de mortalidad y las proporciones de individuos muertos por categoría de muerte (en pie, caído de raíz, partido y desaparecido), no mostraron tendencias claras relacionadas con la sequía. Curiosamente, la hojarasca, el incremento en la biomasa aérea y las tasas de reclutamiento mostraron una alta correlación entre los bosques, en particular dentro del grupo de los bosques con suelos francos. Sin embargo, el índice de área foliar estimado para los bosques con suelos más contrastantes (arcilla y arena-francosa), no presentó correlación significativa con la lluvia; no obstante, estuvo muy correlacionado entre bosques; índice de área foliar no reflejó las diferencias en la asignación de los componentes del carbono, y su respuesta a la precipitación en estos bosques. Por último, los bosques estudiados muestran que el noroeste amazónico es susceptible a fenómenos climáticos, contrario a lo propuesto anteriormente debido a la ausencia de una estación seca propiamente dicha. ABSTRACT Studies of carbon allocation in forests provide essential information for understanding spatial and temporal differences in carbon cycling that can inform models and predict possible responses to changes in climate. Amazon forests play a particularly significant role in the global carbon balance, but there are still large uncertainties regarding abiotic controls on the rates of net primary production (NPP) and the allocation of photosynthetic products to different ecosystem components; and how the carbon allocation components of Amazon forests respond to extreme climate events. The overall objective of this thesis is to examine the carbon allocation components in old-growth tropical forests on contrasting soils, and under similar climatic conditions in two sites at the Amacayacu National Natural Park and the Zafire Biological Station, located in the north-western Amazon (Colombia). Measurements of above- and below-ground carbon allocation components (biomass, net primary production, and its partitioning) at the ecosystem level, and dynamics of tree mortality and recruitment were done along eight years (20042012) in six 1-ha plots established in five Amazon forest types on different soils (clay, clay-loam, sandy-clay-loam, sandy-loam and loamy-sand) to address specific questions detailed in the next paragraphs. In Chapter 2, I evaluated the hypothesis that as soil fertility increases the amount of carbon allocated to below-ground production (fine-roots) should decrease. To address this hypothesis the standing crop mass and production of fine-roots (<2 mm) were estimated by two methods: (1) ingrowth cores and, (2) sequential soil coring, during 2.2 years in the most contrasting forests: the clay-soil forest and the loamy-sand forest. We found that the standing crop fine-root mass and its production were significantly different between forests and also between soil depths (0–10 and 10–20 cm). The loamysand forest allocated more carbon to fine-roots than the clay-soil forest, with fine-root production in the loamy-sand forest twice (mean ± standard error = 2.98 ± 0.36 and 3.33 ± 0.69 Mg C ha −1 yr −1, method 1 and 2, respectively) as much as for the more fertile claysoil forest (1.51 ± 0.14, method 1, and from 1.03 ± 0.31 to 1.36 ± 0.23 Mg C ha −1 yr −1, method 2). Similarly, the average of standing crop fine-root mass was three times higher in the loamy-sand forest (5.47 ± 0.17 Mg C ha1) than in the more fertile soil (from 1.52 ± 0.08 a 1.82 ± 0.09 Mg C ha1). The standing crop fine-root mass also showed a temporal pattern related to rainfall, with the production of fine-roots decreasing substantially in the dry period of the year 2005. These results suggest that soil resources may play an important role in patterns of carbon allocation of below-ground components, not only driven the differences in the biomass and its production, but also in the time when it is produced. In Chapter 3, I assessed the three components of stand-level carbon allocation (biomass, NPP, and its partitioning) for the same forests evaluated in Chapter 2 (clay-soil forest and loamy-sand forest). We found differences in carbon allocation patterns between these two forests, showing that the forest on clay-soil had a higher aboveground and total biomass as well as a higher above-ground NPP than the loamy-sand forest. However, differences between the two types of forests in terms of stand-level NPP were smaller, as a consequence of different strategies in the carbon allocation of above- and below-ground components. The proportional allocation of NPP to new foliage production was relatively similar between the two forests. Our results of aboveground biomass increments and fine-root production suggest a possible trade-off between carbon allocation to fine-roots versus wood growth (as it has been reported by other authors), as opposed to the most commonly assumed trade-off between total above- and below-ground production. Despite these differences among forests in terms of carbon allocation components, the leaf area index showed differences between forests like total NPP, suggesting that the leaf area index is more indicative of total NPP than carbon allocation. In Chapter 4, I evaluated the spatial and temporal variation of carbon allocation components and forest dynamics of Amazon forests as well as their responses to climatic fluctuations. I evaluated the intra- and inter-annual variation of carbon allocation components and forest dynamics during the period 2004−2012 in five forests on different soils (clay, clay-loam, sandy-clay-loam, sandy-loam and loamy-sand), but growing under the same local precipitation regime in north-western Amazonia (Colombia). We were interested in examining if these forests respond similarly to rainfall fluctuations as many models predict, considering the following questions: (i) Is there a correlation in carbon allocation components and forest dynamics with precipitation? (ii) Is there a correlation among forests? (iii) Are temporal responses in leaf area index (LAI) indicative of variations of above-ground production or a reflection of changes in carbon allocation patterns among forests?. Overall, the correlation of above- and below-ground carbon allocation components with rainfall suggests that soils play an important role in the spatial and temporal differences of responses of these forests to rainfall fluctuations. On the one hand, most forests showed that the above-ground components are susceptible to rainfall fluctuations; however, there was a forest on loamy-sand that only showed a correlation with the below-ground component (fine-roots). On the other hand, despite the fact that north-western Amazonia is considered without a conspicuous dry season (defined as <100 mm month−1), litterfall and fine-root mass showed high seasonality and variability, particularly marked during the drought of 2005. Additionally, forests of the loam-soil group showed that litterfall respond to time-lags in rainfall as well as and the fine-root mass of the loamy-sand forest. With regard to forest dynamics, only the mortality rate of the loamy-sand forest was significantly correlated with rainfall (77%). The observed inter-annual variability of stem and biomass increments of individuals highlighted the importance of the mortality in the above-ground biomass increment. However, mortality rates and death type proportion did not show clear trends related to droughts. Interestingly, litterfall, above-ground biomass increment and recruitment rates of forests showed high correlation among forests, particularly within the loam-soil forests group. Nonetheless, LAI measured in the most contrasting forests (clay-soil and loamysand) was poorly correlated with rainfall but highly correlated between forests; LAI did not reflect the differences in the carbon allocation components, and their response to rainfall on these forests. Finally, the forests studied highlight that north-western Amazon forests are also susceptible to climate fluctuations, contrary to what has been proposed previously due to their lack of a pronounced dry season.

Estrategias de monitorización de CO2 y otros gases en los estudios de análogos naturales

La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y la Università degli Studi di Firenze (UniFi), bajo la coordinación técnica de AMPHOS21, participan desde 2009 en el proyecto de investigación “Estrategias de Monitorización de CO2 y otros gases en el estudio de Análogos Naturales”, financiado por la Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN) en el marco del Proyecto Compostilla OXYCFB300 (http://www.compostillaproject.eu), del Programa “European Energy Program for Recovery - EEPR”. El objetivo principal del proyecto fue el desarrollo y puesta a punto de metodologías de monitorización superficiales para su aplicación en el seguimiento y control de los emplazamientos donde se realice el almacenamiento geológico de CO2, analizando técnicas que permitan detectar y cuantificar las posibles fugas de CO2 a la atmósfera. Los trabajos se realizaron tanto en análogos naturales (españoles e italianos) como en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Almacenamiento de CO2 de Hontomín. Las técnicas analizadas se centran en la medición de gases y aguas superficiales (de escorrentía y manantiales). En cuanto a la medición de gases se analizó el flujo de CO2 que emana desde el suelo a la atmósfera y la aplicabilidad de trazadores naturales (como el radón) para la detección e identificación de las fugas de CO2. En cuanto al análisis químico de las aguas se analizaron los datos geoquímicos e isotópicos y los gases disueltos en las aguas de los alrededores de la PDT de Hontomín, con objeto de determinar qué parámetros son los más apropiados para la detección de una posible migración del CO2 inyectado, o de la salmuera, a los ambientes superficiales. Las medidas de flujo de CO2 se realizaron con la técnica de la cámara de acúmulo. A pesar de ser una técnica desarrollada y aplicada en diferentes ámbitos científicos se estimó necesario adaptar un protocolo de medida y de análisis de datos a las características específicas de los proyectos de captura y almacenamiento de CO2 (CAC). Donde los flujos de CO2 esperados son bajos y en caso de producirse una fuga habrá que detectar pequeñas variaciones en los valores flujo con un “ruido” en la señal alto, debido a actividad biológica en el suelo. La medida de flujo de CO2 mediante la técnica de la cámara de acúmulo se puede realizar sin limpiar la superficie donde se coloca la cámara o limpiando y esperando al reequilibrio del flujo después de la distorsión al sistema. Sin embargo, los resultados obtenidos después de limpiar y esperar muestran menor dispersión, lo que nos indica que este procedimiento es el mejor para la monitorización de los complejos de almacenamiento geológico de CO2. El protocolo de medida resultante, utilizado para la obtención de la línea base de flujo de CO2 en Hontomín, sigue los siguiente pasos: a) con una espátula se prepara el punto de medición limpiando y retirando el recubrimiento vegetal o la primera capa compacta de suelo, b) se espera un tiempo para la realización de la medida de flujo, facilitando el reequilibrio del flujo del gas tras la alteración provocada en el suelo y c) se realiza la medida de flujo de CO2. Una vez realizada la medición de flujo de CO2, y detectada si existen zonas de anomalías, se debe estimar la cantidad de CO2 que se está escapando a la atmósfera (emanación total), con el objetivo de cuantificar la posible fuga. Existen un amplio rango de metodologías para realizar dicha estimación, siendo necesario entender cuáles son las más apropiadas para obtener el valor más representativo del sistema. En esta tesis se comparan seis técnicas estadísticas: media aritmética, estimador insegado de la media (aplicando la función de Sichel), remuestreo con reemplazamiento (bootstrap), separación en diferentes poblaciones mediante métodos gráficos y métodos basados en criterios de máxima verosimilitud, y la simulación Gaussiana secuencial. Para este análisis se realizaron ocho campañas de muestreo, tanto en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Hontomón como en análogos naturales (italianos y españoles). Los resultados muestran que la simulación Gaussiana secuencial suele ser el método más preciso para realizar el cálculo, sin embargo, existen ocasiones donde otros métodos son más apropiados. Como consecuencia, se desarrolla un procedimiento de actuación para seleccionar el método que proporcione el mejor estimador. Este procedimiento consiste, en primer lugar, en realizar un análisis variográfico. Si existe una autocorrelación entre los datos, modelizada mediante el variograma, la mejor técnica para calcular la emanación total y su intervalo de confianza es la simulación Gaussiana secuencial (sGs). Si los datos son independientes se debe comprobar la distribución muestral, aplicando la media aritmética o el estimador insesgado de la media (Sichel) para datos normales o lognormales respectivamente. Cuando los datos no son normales o corresponden a una mezcla de poblaciones la mejor técnica de estimación es la de remuestreo con reemplazamiento (bootstrap). Siguiendo este procedimiento el máximo valor del intervalo de confianza estuvo en el orden del ±20/25%, con la mayoría de valores comprendidos entre ±3,5% y ±8%. La identificación de las diferentes poblaciones muestrales en los datos de flujo de CO2 puede ayudar a interpretar los resultados obtenidos, toda vez que esta distribución se ve afectada por la presencia de varios procesos geoquímicos como, por ejemplo, una fuente geológica o biológica del CO2. Así pues, este análisis puede ser una herramienta útil en el programa de monitorización, donde el principal objetivo es demostrar que no hay fugas desde el reservorio a la atmósfera y, si ocurren, detectarlas y cuantificarlas. Los resultados obtenidos muestran que el mejor proceso para realizar la separación de poblaciones está basado en criterios de máxima verosimilitud. Los procedimientos gráficos, aunque existen pautas para realizarlos, tienen un cierto grado de subjetividad en la interpretación de manera que los resultados son menos reproducibles. Durante el desarrollo de la tesis se analizó, en análogos naturales, la relación existente entre el CO2 y los isótopos del radón (222Rn y 220Rn), detectándose en todas las zonas de emisión de CO2 una relación positiva entre los valores de concentración de 222Rn en aire del suelo y el flujo de CO2. Comparando la concentración de 220Rn con el flujo de CO2 la relación no es tan clara, mientras que en algunos casos aumenta en otros se detecta una disminución, hecho que parece estar relacionado con la profundidad de origen del radón. Estos resultados confirmarían la posible aplicación de los isótopos del radón como trazadores del origen de los gases y su aplicación en la detección de fugas. Con respecto a la determinación de la línea base de flujo CO2 en la PDT de Hontomín, se realizaron mediciones con la cámara de acúmulo en las proximidades de los sondeos petrolíferos, perforados en los ochenta y denominados H-1, H-2, H-3 y H-4, en la zona donde se instalarán el sondeo de inyección (H-I) y el de monitorización (H-A) y en las proximidades de la falla sur. Desde noviembre de 2009 a abril de 2011 se realizaron siete campañas de muestreo, adquiriéndose más de 4.000 registros de flujo de CO2 con los que se determinó la línea base y su variación estacional. Los valores obtenidos fueron bajos (valores medios entre 5 y 13 g•m-2•d-1), detectándose pocos valores anómalos, principalmente en las proximidades del sondeo H-2. Sin embargo, estos valores no se pudieron asociar a una fuente profunda del CO2 y seguramente estuvieran más relacionados con procesos biológicos, como la respiración del suelo. No se detectaron valores anómalos cerca del sistema de fracturación (falla Ubierna), toda vez que en esta zona los valores de flujo son tan bajos como en el resto de puntos de muestreo. En este sentido, los valores de flujo de CO2 aparentemente están controlados por la actividad biológica, corroborado al obtenerse los menores valores durante los meses de otoño-invierno e ir aumentando en los periodos cálidos. Se calcularon dos grupos de valores de referencia, el primer grupo (UCL50) es 5 g•m-2•d-1 en las zonas no aradas en los meses de otoño-invierno y 3,5 y 12 g•m-2•d-1 en primavera-verano para zonas aradas y no aradas, respectivamente. El segundo grupo (UCL99) corresponde a 26 g•m-2•d- 1 durante los meses de otoño-invierno en las zonas no aradas y 34 y 42 g•m-2•d-1 para los meses de primavera-verano en zonas aradas y no aradas, respectivamente. Flujos mayores a estos valores de referencia podrían ser indicativos de una posible fuga durante la inyección y posterior a la misma. Los primeros datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales (de escorrentía y de manantiales) en el área de Hontomín–Huermeces fueron analizados. Los datos sugieren que las aguas estudiadas están relacionadas con aguas meteóricas con un circuito hidrogeológico superficial, caracterizadas por valores de TDS relativamente bajos (menor a 800 mg/L) y una fácie hidrogeoquímica de Ca2+(Mg2+)-HCO3 −. Algunas aguas de manantiales se caracterizan por concentraciones elevadas de NO3 − (concentraciones de hasta 123 mg/l), lo que sugiere una contaminación antropogénica. Se obtuvieron concentraciones anómalas de of Cl−, SO4 2−, As, B y Ba en dos manantiales cercanos a los sondeos petrolíferos y en el rio Ubierna, estos componentes son probablemente indicadores de una posible mezcla entre los acuíferos profundos y superficiales. El estudio de los gases disueltos en las aguas también evidencia el circuito superficial de las aguas. Estando, por lo general, dominado por la componente atmosférica (N2, O2 y Ar). Sin embargo, en algunos casos el gas predominante fue el CO2 (con concentraciones que llegan al 63% v/v), aunque los valores isotópicos del carbono (<-17,7 ‰) muestran que lo más probable es que esté relacionado con un origen biológico. Los datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales obtenidos en la zona de Hontomín se pueden considerar como el valor de fondo con el que comparar durante la fase operacional, la clausura y posterior a la clausura. En este sentido, la composición de los elementos mayoritarios y traza, la composición isotópica del carbono del CO2 disuelto y del TDIC (Carbono inorgánico disuelto) y algunos elementos traza se pueden considerar como parámetros adecuados para detectar la migración del CO2 a los ambientes superficiales. ABSTRACT Since 2009, a group made up of Universidad Politécnica de Madrid (UPM; Spain) and Università degli Studi Firenze (UniFi; Italy) has been taking part in a joint project called “Strategies for Monitoring CO2 and other Gases in Natural analogues”. The group was coordinated by AMPHOS XXI, a private company established in Barcelona. The Project was financially supported by Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN; Spain) as a part of the EC-funded OXYCFB300 project (European Energy Program for Recovery -EEPR-; www.compostillaproject.eu). The main objectives of the project were aimed to develop and optimize analytical methodologies to be applied at the surface to Monitor and Verify the feasibility of geologically stored carbon dioxide. These techniques were oriented to detect and quantify possible CO2 leakages to the atmosphere. Several investigations were made in natural analogues from Spain and Italy and in the Tecnchnological Development Plant for CO2 injection al Hontomín (Burgos, Spain). The studying techniques were mainly focused on the measurements of diffuse soil gases and surface and shallow waters. The soil-gas measurements included the determination of CO2 flux and the application to natural trace gases (e.g. radon) that may help to detect any CO2 leakage. As far as the water chemistry is concerned, geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of the PDT of Hontomín were analyzed to determine the most suitable parameters to trace the migration of the injected CO2 into the near-surface environments. The accumulation chamber method was used to measure the diffuse emission of CO2 at the soil-atmosphere interface. Although this technique has widely been applied in different scientific areas, it was considered of the utmost importance to adapt the optimum methodology for measuring the CO2 soil flux and estimating the total CO2 output to the specific features of the site where CO2 is to be stored shortly. During the pre-injection phase CO2 fluxes are expected to be relatively low where in the intra- and post-injection phases, if leakages are to be occurring, small variation in CO2 flux might be detected when the CO2 “noise” is overcoming the biological activity of the soil (soil respiration). CO2 flux measurements by the accumulation chamber method could be performed without vegetation clearance or after vegetation clearance. However, the results obtained after clearance show less dispersion and this suggests that this procedure appears to be more suitable for monitoring CO2 Storage sites. The measurement protocol, applied for the determination of the CO2 flux baseline at Hontomín, has included the following steps: a) cleaning and removal of both the vegetal cover and top 2 cm of soil, b) waiting to reduce flux perturbation due to the soil removal and c) measuring the CO2 flux. Once completing the CO2 flux measurements and detected whether there were anomalies zones, the total CO2 output was estimated to quantify the amount of CO2 released to the atmosphere in each of the studied areas. There is a wide range of methodologies for the estimation of the CO2 output, which were applied to understand which one was the most representative. In this study six statistical methods are presented: arithmetic mean, minimum variances unbiased estimator, bootstrap resample, partitioning of data into different populations with a graphical and a maximum likelihood procedures, and sequential Gaussian simulation. Eight campaigns were carried out in the Hontomín CO2 Storage Technology Development Plant and in natural CO2 analogues. The results show that sequential Gaussian simulation is the most accurate method to estimate the total CO2 output and the confidential interval. Nevertheless, a variety of statistic methods were also used. As a consequence, an application procedure for selecting the most realistic method was developed. The first step to estimate the total emanation rate was the variogram analysis. If the relation among the data can be explained with the variogram, the best technique to calculate the total CO2 output and its confidence interval is the sequential Gaussian simulation method (sGs). If the data are independent, their distribution is to be analyzed. For normal and log-normal distribution the proper methods are the arithmetic mean and minimum variances unbiased estimator, respectively. If the data are not normal (log-normal) or are a mixture of different populations the best approach is the bootstrap resampling. According to these steps, the maximum confidence interval was about ±20/25%, with most of values between ±3.5% and ±8%. Partitioning of CO2 flux data into different populations may help to interpret the data as their distribution can be affected by different geochemical processes, e.g. geological or biological sources of CO2. Consequently, it may be an important tool in a monitoring CCS program, where the main goal is to demonstrate that there are not leakages from the reservoir to the atmosphere and, if occurring, to be able to detect and quantify it. Results show that the partitioning of populations is better performed by maximum likelihood criteria, since graphical procedures have a degree of subjectivity in the interpretation and results may not be reproducible. The relationship between CO2 flux and radon isotopes (222Rn and 220Rn) was studied in natural analogues. In all emissions zones, a positive relation between 222Rn and CO2 was observed. However, the relationship between activity of 220Rn and CO2 flux is not clear. In some cases the 220Rn activity indeed increased with the CO2 flux in other measurements a decrease was recognized. We can speculate that this effect was possibly related to the route (deep or shallow) of the radon source. These results may confirm the possible use of the radon isotopes as tracers for the gas origin and their application in the detection of leakages. With respect to the CO2 flux baseline at the TDP of Hontomín, soil flux measurements in the vicinity of oil boreholes, drilled in the eighties and named H-1 to H-4, and injection and monitoring wells were performed using an accumulation chamber. Seven surveys were carried out from November 2009 to summer 2011. More than 4,000 measurements were used to determine the baseline flux of CO2 and its seasonal variations. The measured values were relatively low (from 5 to 13 g•m-2•day-1) and few outliers were identified, mainly located close to the H-2 oil well. Nevertheless, these values cannot be associated to a deep source of CO2, being more likely related to biological processes, i.e. soil respiration. No anomalies were recognized close to the deep fault system (Ubierna Fault) detected by geophysical investigations. There, the CO2 flux is indeed as low as other measurement stations. CO2 fluxes appear to be controlled by the biological activity since the lowest values were recorded during autumn-winter seasons and they tend to increase in warm periods. Two reference CO2 flux values (UCL50 of 5 g•m-2•d-1 for non-ploughed areas in autumn-winter seasons and 3.5 and 12 g•m-2•d-1 for in ploughed and non-ploughed areas, respectively, in spring-summer time, and UCL99 of 26 g•m-2•d-1 for autumn-winter in not-ploughed areas and 34 and 42 g•m-2•d-1 for spring-summer in ploughed and not-ploughed areas, respectively, were calculated. Fluxes higher than these reference values could be indicative of possible leakage during the operational and post-closure stages of the storage project. The first geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of Hontomín–Huermeces (Burgos, Spain) are presented and discussed. The chemical and features of the spring waters suggest that they are related to a shallow hydrogeological system as the concentration of the Total Dissolved Solids approaches 800 mg/L with a Ca2+(Mg2+)-HCO3 − composition, similar to that of the surface waters. Some spring waters are characterized by relatively high concentrations of NO3 − (up to 123 mg/L), unequivocally suggesting an anthropogenic source. Anomalous concentrations of Cl−, SO4 2−, As, B and Ba were measured in two springs, discharging a few hundred meters from the oil wells, and in the Rio Ubierna. These contents are possibly indicative of mixing processes between deep and shallow aquifers. The chemistry of the dissolved gases also evidences the shallow circuits of the Hontomín– Huermeces, mainly characterized by an atmospheric source as highlighted by the contents of N2, O2, Ar and their relative ratios. Nevertheless, significant concentrations (up to 63% by vol.) of isotopically negative CO2 (<−17.7‰ V-PDB) were found in some water samples, likely related to a biogenic source. The geochemical and isotopic data of the surface and spring waters in the surroundings of Hontomín can be considered as background values when intra- and post-injection monitoring programs will be carried out. In this respect, main and minor solutes, the isotopic carbon of dissolved CO2 and TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon) and selected trace elements can be considered as useful parameters to trace the migration of the injected CO2 into near-surface environments.

Estimate of the total ice volume of Svalbard glaciers and their potential contribution to sea-level rise = Estimación del volumen de hielo de Svalbard y su contribución potencial a la subida del nivel del mar

El objetivo final de las investigaciones recogidas en esta tesis doctoral es la estimación del volumen de hielo total de los ms de 1600 glaciares de Svalbard, en el Ártico, y, con ello, su contribución potencial a la subida del nivel medio del mar en un escenario de calentamiento global. Los cálculos más exactos del volumen de un glaciar se efectúan a partir de medidas del espesor de hielo obtenidas con georradar. Sin embargo, estas medidas no son viables para conjuntos grandes de glaciares, debido al coste, dificultades logísticas y tiempo requerido por ellas, especialmente en las regiones polares o de montaña. Frente a ello, la determinación de áreas de glaciares a partir de imágenes de satélite sí es viable a escalas global y regional, por lo que las relaciones de escala volumen-área constituyen el mecanismo más adecuado para las estimaciones de volúmenes globales y regionales, como las realizadas para Svalbard en esta tesis. Como parte del trabajo de tesis, hemos elaborado un inventario de los glaciares de Svalbard en los que se han efectuado radioecosondeos, y hemos realizado los cálculos del volumen de hielo de más de 80 cuencas glaciares de Svalbard a partir de datos de georradar. Estos volúmenes han sido utilizados para calibrar las relaciones volumen-área desarrolladas en la tesis. Los datos de georradar han sido obtenidos en diversas campañas llevadas a cabo por grupos de investigación internacionales, gran parte de ellas lideradas por el Grupo de Simulación Numérica en Ciencias e Ingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid, del que forman parte la doctoranda y los directores de tesis. Además, se ha desarrollado una metodología para la estimación del error en el cálculo de volumen, que aporta una novedosa técnica de cálculo del error de interpolación para conjuntos de datos del tipo de los obtenidos con perfiles de georradar, que presentan distribuciones espaciales con unos patrones muy característicos pero con una densidad de datos muy irregular. Hemos obtenido en este trabajo de tesis relaciones de escala específicas para los glaciares de Svalbard, explorando la sensibilidad de los parámetros a diferentes morfologías glaciares, e incorporando nuevas variables. En particular, hemos efectuado experimentos orientados a verificar si las relaciones de escala obtenidas caracterizando los glaciares individuales por su tamaño, pendiente o forma implican diferencias significativas en el volumen total estimado para los glaciares de Svalbard, y si esta partición implica algún patrón significativo en los parámetros de las relaciones de escala. Nuestros resultados indican que, para un valor constante del factor multiplicativo de la relacin de escala, el exponente que afecta al área en la relación volumen-área decrece según aumentan la pendiente y el factor de forma, mientras que las clasificaciones basadas en tamaño no muestran un patrón significativo. Esto significa que los glaciares con mayores pendientes y de tipo circo son menos sensibles a los cambios de área. Además, los volúmenes de la población total de los glaciares de Svalbard calculados con fraccionamiento en grupos por tamaño y pendiente son un 1-4% menores que los obtenidas usando la totalidad de glaciares sin fraccionamiento en grupos, mientras que los volúmenes calculados fraccionando por forma son un 3-5% mayores. También realizamos experimentos multivariable para obtener estimaciones óptimas del volumen total mediante una combinación de distintos predictores. Nuestros resultados muestran que un modelo potencial simple volumen-área explica el 98.6% de la varianza. Sólo el predictor longitud del glaciar proporciona significación estadística cuando se usa además del área del glaciar, aunque el coeficiente de determinación disminuye en comparación con el modelo más simple V-A. El predictor intervalo de altitud no proporciona información adicional cuando se usa además del área del glaciar. Nuestras estimaciones del volumen de la totalidad de glaciares de Svalbard usando las diferentes relaciones de escala obtenidas en esta tesis oscilan entre 6890 y 8106 km3, con errores relativos del orden de 6.6-8.1%. El valor medio de nuestras estimaciones, que puede ser considerado como nuestra mejor estimación del volumen, es de 7.504 km3. En términos de equivalente en nivel del mar (SLE), nuestras estimaciones corresponden a una subida potencial del nivel del mar de 17-20 mm SLE, promediando 19_2 mm SLE, donde el error corresponde al error en volumen antes indicado. En comparación, las estimaciones usando las relaciones V-A de otros autores son de 13-26 mm SLE, promediando 20 _ 2 mm SLE, donde el error representa la desviación estándar de las distintas estimaciones. ABSTRACT The final aim of the research involved in this doctoral thesis is the estimation of the total ice volume of the more than 1600 glaciers of Svalbard, in the Arctic region, and thus their potential contribution to sea-level rise under a global warming scenario. The most accurate calculations of glacier volumes are those based on ice-thicknesses measured by groundpenetrating radar (GPR). However, such measurements are not viable for very large sets of glaciers, due to their cost, logistic difficulties and time requirements, especially in polar or mountain regions. On the contrary, the calculation of glacier areas from satellite images is perfectly viable at global and regional scales, so the volume-area scaling relationships are the most useful tool to determine glacier volumes at global and regional scales, as done for Svalbard in this PhD thesis. As part of the PhD work, we have compiled an inventory of the radio-echo sounded glaciers in Svalbard, and we have performed the volume calculations for more than 80 glacier basins in Svalbard from GPR data. These volumes have been used to calibrate the volume-area relationships derived in this dissertation. Such GPR data have been obtained during fieldwork campaigns carried out by international teams, often lead by the Group of Numerical Simulation in Science and Engineering of the Technical University of Madrid, to which the PhD candidate and her supervisors belong. Furthermore, we have developed a methodology to estimate the error in the volume calculation, which includes a novel technique to calculate the interpolation error for data sets of the type produced by GPR profiling, which show very characteristic data distribution patterns but with very irregular data density. We have derived in this dissertation scaling relationships specific for Svalbard glaciers, exploring the sensitivity of the scaling parameters to different glacier morphologies and adding new variables. In particular, we did experiments aimed to verify whether scaling relationships obtained through characterization of individual glacier shape, slope and size imply significant differences in the estimated volume of the total population of Svalbard glaciers, and whether this partitioning implies any noticeable pattern in the scaling relationship parameters. Our results indicate that, for a fixed value of the factor in the scaling relationship, the exponent of the area in the volume-area relationship decreases as slope and shape increase, whereas size-based classifications do not reveal any clear trend. This means that steep slopes and cirque-type glaciers are less sensitive to changes in glacier area. Moreover, the volumes of the total population of Svalbard glaciers calculated according to partitioning in subgroups by size and slope are smaller (by 1-4%) than that obtained considering all glaciers without partitioning into subgroups, whereas the volumes calculated according to partitioning in subgroups by shape are 3-5% larger. We also did multivariate experiments attempting to optimally predict the volume of Svalbard glaciers from a combination of different predictors. Our results show that a simple power-type V-A model explains 98.6% of the variance. Only the predictor glacier length provides statistical significance when used in addition to the predictor glacier area, though the coefficient of determination decreases as compared with the simpler V-A model. The predictor elevation range did not provide any additional information when used in addition to glacier area. Our estimates of the volume of the entire population of Svalbard glaciers using the different scaling relationships that we have derived along this thesis range within 6890-8106 km3, with estimated relative errors in total volume of the order of 6.6-8.1% The average value of all of our estimates, which could be used as a best estimate for the volume, is 7,504 km3. In terms of sea-level equivalent (SLE), our volume estimates correspond to a potential contribution to sea-level rise within 17-20 mm SLE, averaging 19 _ 2 mm SLE, where the quoted error corresponds to our estimated relative error in volume. For comparison, the estimates using the V-A scaling relations found in the literature range within 13-26 mm SLE, averaging 20 _ 2 mm SLE, where the quoted error represents the standard deviation of the different estimates.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

MultiPARTES: Multicore Virtualization for Mixed-Criticality Systems

Modern embedded applications typically integrate a multitude of functionalities with potentially different criticality levels into a single system. Without appropriate preconditions, the integration of mixed-criticality subsystems can lead to a significant and potentially unacceptable increase of engineering and certification costs. A promising solution is to incorporate mechanisms that establish multiple partitions with strict temporal and spatial separation between the individual partitions. In this approach, subsystems with different levels of criticality can be placed in different partitions and can be verified and validated in isolation. The MultiPARTES FP7 project aims at supporting mixed- criticality integration for embedded systems based on virtualization techniques for heterogeneous multicore processors. A major outcome of the project is the MultiPARTES XtratuM, an open source hypervisor designed as a generic virtualization layer for heterogeneous multicore. MultiPARTES evaluates the developed technology through selected use cases from the offshore wind power, space, visual surveillance, and automotive domains. The impact of MultiPARTES on the targeted domains will be also discussed. In a number of ongoing research initiatives (e.g., RECOMP, ARAMIS, MultiPARTES, CERTAINTY) mixed-criticality integration is considered in multicore processors. Key challenges are the combination of software virtualization and hardware segregation and the extension of partitioning mechanisms to jointly address significant non-functional requirements (e.g., time, energy and power budgets, adaptivity, reliability, safety, security, volume, weight, etc.) along with development and certification methodology.

Towards model-driven engineering for mixed-criticality systems: multiPARTES approach

Mixed criticality systems emerges as a suitable solution for dealing with the complexity, performance and costs of future embedded and dependable systems. However, this paradigm adds additional complexity to their development. This paper proposes an approach for dealing with this scenario that relies on hardware virtualization and Model-Driven Engineering (MDE). Hardware virtualization ensures isolation between subsystems with different criticality levels. MDE is intended to bridge the gap between design issues and partitioning concerns. MDE tooling will enhance the functional models by annotating partitioning and extra-functional properties. System partitioning and subsystems allocation will be generated with a high degree of automation. System configuration will be validated for ensuring that the resources assigned to a partition are sufficient for executing the allocated software components and that time requirements are met.

On real-time partitioned multicore systems

Partitioning is a common approach to developing mixed-criticality systems, where partitions are isolated from each other both in the temporal and the spatial domain in order to prevent low-criticality subsystems from compromising other subsystems with high level of criticality in case of misbehaviour. The advent of many-core processors, on the other hand, opens the way to highly parallel systems in which all partitions can be allocated to dedicated processor cores. This trend will simplify processor scheduling, although other issues such as mutual interference in the temporal domain may arise as a consequence of memory and device sharing. The paper describes an architecture for multi-core partitioned systems including critical subsystems built with the Ada Ravenscar profile. Some implementation issues are discussed, and experience on implementing the ORK kernel on the XtratuM partitioning hypervisor is presented.

Determining the effectiveness of three software evaluation techniques through informal aggregation

An accepted fact in software engineering is that software must undergo verification and validation process during development to ascertain and improve its quality level. But there are too many techniques than a single developer could master, yet, it is impossible to be certain that software is free of defects. So, it is crucial for developers to be able to choose from available evaluation techniques, the one most suitable and likely to yield optimum quality results for different products. Though, some knowledge is available on the strengths and weaknesses of the available software quality assurance techniques but not much is known yet on the relationship between different techniques and contextual behavior of the techniques. Objective: This research investigates the effectiveness of two testing techniques ? equivalence class partitioning and decision coverage and one review technique ? code review by abstraction, in terms of their fault detection capability. This will be used to strengthen the practical knowledge available on these techniques.

Effectiveness for Ddtecting faults within and outside the scope of testing techniques: an independent replication

The verification and validation activity plays a fundamental role in improving software quality. Determining which the most effective techniques for carrying out this activity are has been an aspiration of experimental software engineering researchers for years. This paper reports a controlled experiment evaluating the effectiveness of two unit testing techniques (the functional testing technique known as equivalence partitioning (EP) and the control-flow structural testing technique known as branch testing (BT)). This experiment is a literal replication of Juristo et al. (2013).Both experiments serve the purpose of determining whether the effectiveness of BT and EP varies depending on whether or not the faults are visible for the technique (InScope or OutScope, respectively). We have used the materials, design and procedures of the original experiment, but in order to adapt the experiment to the context we have: (1) reduced the number of studied techniques from 3 to 2; (2) assigned subjects to experimental groups by means of stratified randomization to balance the influence of programming experience; (3) localized the experimental materials and (4) adapted the training duration. We ran the replication at the Escuela Politécnica del Ejército Sede Latacunga (ESPEL) as part of a software verification & validation course. The experimental subjects were 23 master?s degree students. EP is more effective than BT at detecting InScope faults. The session/program andgroup variables are found to have significant effects. BT is more effective than EP at detecting OutScope faults. The session/program and group variables have no effect in this case. The results of the replication and the original experiment are similar with respect to testing techniques. There are some inconsistencies with respect to the group factor. They can be explained by small sample effects. The results for the session/program factor are inconsistent for InScope faults.We believe that these differences are due to a combination of the fatigue effect and a technique x program interaction. Although we were able to reproduce the main effects, the changes to the design of the original experiment make it impossible to identify the causes of the discrepancies for sure. We believe that further replications closely resembling the original experiment should be conducted to improve our understanding of the phenomena under study.

Percepciones sobre tres técnicas de evaluación de código: un estudio empírico sobre la intuición y las opiniones de los encargados de las pruebas de software

La Ingeniería del Software Empírico (ISE) utiliza como herramientas los estudios empíricos para conseguir evidencias que ayuden a conocer bajo qué circunstancias es mejor usar una tecnología software en lugar de otra. La investigación en la que se enmarca este TFM explora si las intuiciones y/o preferencias de las personas que realizan las pruebas de software, son capaces de predecir la efectividad de tres técnicas de evaluación de código: lectura por abstracciones sucesivas, cobertura de decisión y partición en clases de equivalencia. Para conseguir dicho objetivo, se analizan los datos recogidos en un estudio empírico, realizado por las tutoras de este TFM. En el estudio empírico distintos sujetos aplican las tres técnicas de evaluación de código a tres programas distintos, a los que se les habían introducido una serie de faltas artificialmente. Los sujetos deben reportar los fallos encontrados en los programas, así como, contestar a una serie de preguntas sobre sus intuiciones y preferencias. A la hora de analizar los datos del estudio, se ha comprobado: 1) cuáles son sus intuiciones y preferencias (mediante el test estadístico X2 de Pearson); 2) si los sujetos cambian de opinión después de aplicar las técnicas (para ello se ha utilizado índice de Kappa, el Test de McNemar-Bowker y el Test de Stuart-Maxwell); 3) la consistencia de las distintas preguntas (mediante el índice de Kappa), comparando: intuiciones con intuiciones, preferencias con preferencias e intuiciones con preferencias; 4) Por último, si hay coincidencia entre las intuiciones y preferencias con la efectividad real obtenida (para ello se ha utilizado, el Modelo Lineal General con medidas repetidas). Los resultados muestran que, no hay una intuición clara ni tampoco una preferencia concreta, con respecto a los programas. Además aunque existen cambios de opinión después de aplicar las técnicas, no se encuentran evidencias claras para afirmar que la intuición y preferencias influyen en su efectividad. Finalmente, existen relaciones entre las intuiciones con intuiciones, preferencias con preferencias e intuiciones con preferencias, además esta relación es más notoria después de aplicar las técnicas. ----ABSTRACT----Empirical Software Engineering (ESE) uses empirical studies as a mean to generate evidences to help determine under what circumstances it is convenient to use a given software technology. This Master Thesis is part of a research that explores whether intuitions and/or preferences of testers, can be used to predict the effectiveness of three code evaluation techniques: reading by stepwise abstractions, decision coverage and equivalence partitioning. To achieve this goal, this Master Thesis analyzes the data collected in an empirical study run by the tutors. In the empirical study, different subjects apply three code evaluation techniques to three different programs. A series of faults were artificially introduced to the programs. Subjects are required to report the defects found in the programs, as well as answer a series of questions about their intuitions and preferences. The data analyses test: 1) what are the intuitions and preferences of the subjects (using the Pearson X2 test); 2) whether subjects change their minds after applying the techniques (using the Kappa coefficient, McNemar-Bowker test, and Stuart-Maxwell test); 3) the consistency of the different questions, comparing: intuitions versus intuitions, preferences versus preferences and preferences versus intuitions (using the Kappa coefficient); 4) finally, if intuitions and/or preferences predict the actual effectiveness obtained (using the General Linear Model, repeated measures). The results show that there is not clear intuition or particular preference with respect to the programs. Moreover, although there are changes of mind after applying the techniques, there are not clear evidences to claim that intuition and preferences influence their effectiveness. Finally, there is a relationship between the intuitions versus intuitions, preferences versus preferences and intuitions versus preferences; this relationship is more noticeable after applying the techniques.

Changes in rumen microbes in sheep in response to dietary forage quality and relationships with fermentation characteristics

An in vitro experiment was carried out using the Hohenheim gas production technique to evaluate 24-h gas production, apparently and truly degraded dry matter (DM), partitioning factor (PF), short chain fatty acids, crude protein (CP) and carbohydrate (CHO) fractionation of grass and multipurpose tree species (MPTS) foliage diets. Four grasses and three MPTS were used to formulate 12 diets of equal mixtures (0.5:0.5 on DM basis) of each grass with each MPTS. In vitro gas production was terminated after 24 h for each diet. True DM degradability was measured from incubated samples and combined with gas volume to estimate PF. Diets had greater (P<0.001) CP (102–183 g/kg DM) content than sole grasses (66–131 g/kg DM) and lower (P<0.001) concentrations of fibre fractions. Contrary to in vitro apparently degraded DM, in vitro truly degraded DM coefficient was greater (P<0.001) in diets (0.63–0.77) than in sole grasses (0.48–0.68). The PF was on average higher in diets than in sole grasses. The proportion of potentially degradable CP fractions (A1, B1, B2 and B3, based on the Cornell Net Carbohydrate and Protein System) in the diets ranged from 971 to 989 g/kg CP. Crude protein fractions, A and B2 were greater in diets but B1 and B3 fractions were less in diets than in sole grasses. A similar trend was also observed in the CHO fractions. Results showed that the nutritive value of the four grasses was improved when MPTS leaves were incorporated into the diet and this could ensure higher productivity of the animals.

Edaphic controls on ecosystem-level carbon allocation in two contrasting Amazon forests

Three components of carbon allocation, biomass, flux, and partitioning, were measured in two contrasting Amazon forests growing under similar climatic conditions. Allocation to aboveground compartments was highest in a high-stature forest growing on clay soils, while allocation to fine roots was higher in a short-stature forest growing on white sands. Differences in carbon allocation components where not proportional between the two forests, with soils controlling a trade-off between allocation to fine roots versus aboveground parts.

Effectiveness for detecting faults within and outside the scope of testing techniques: an independent replication

The verification and validation activity plays a fundamental role in improving software quality. Determining which the most effective techniques for carrying out this activity are has been an aspiration of experimental software engineering researchers for years. This paper reports a controlled experiment evaluating the effectiveness of two unit testing techniques (the functional testing technique known as equivalence partitioning (EP) and the control-flow structural testing technique known as branch testing (BT)). This experiment is a literal replication of Juristo et al. (2013). Both experiments serve the purpose of determining whether the effectiveness of BT and EP varies depending on whether or not the faults are visible for the technique (InScope or OutScope, respectively). We have used the materials, design and procedures of the original experiment, but in order to adapt the experiment to the context we have: (1) reduced the number of studied techniques from 3 to 2; (2) assigned subjects to experimental groups by means of stratified randomization to balance the influence of programming experience; (3) localized the experimental materials and (4) adapted the training duration. We ran the replication at the Escuela Polite?cnica del Eje?rcito Sede Latacunga (ESPEL) as part of a software verification & validation course. The experimental subjects were 23 master?s degree students. EP is more effective than BT at detecting InScope faults. The session/program and group variables are found to have significant effects. BT is more effective than EP at detecting OutScope faults. The session/program and group variables have no effect in this case. The results of the replication and the original experiment are similar with respect to testing techniques. There are some inconsistencies with respect to the group factor. They can be explained by small sample effects. The results for the session/program factor are inconsistent for InScope faults. We believe that these differences are due to a combination of the fatigue effect and a technique x program interaction. Although we were able to reproduce the main effects, the changes to the design of the original experiment make it impossible to identify the causes of the discrepancies for sure. We believe that further replications closely resembling the original experiment should be conducted to improve our understanding of the phenomena under study.

Plant β-diversity i in human-altered forest ecosystems: the importance of the structural, spatial, and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages

An understanding of spatial patterns of plant species diversity and the factors that drive those patterns is critical for the development of appropriate biodiversity management in forest ecosystems. We studied the spatial organization of plants species in human- modified and managed oak forests (primarily, Quercus faginea) in the Central Pre- Pyrenees, Spain. To test whether plant community assemblages varied non-randomly across the spatial scales, we used multiplicative diversity partitioning based on a nested hierarchical design of three increasingly coarser spatial scales (transect, stand, region). To quantify the importance of the structural, spatial, and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages and identify the determinants of plant diversity patterns, we used canonical ordination. We observed a high contribution of ˟-diversity to total -diversity and found ˟-diversity to be higher and ˞-diversity to be lower than expected by random distributions of individuals at different spatial scales. Results, however, partly depended on the weighting of rare and abundant species. Variables expressing the historical management intensities of the stand such as mean stand age, the abundance of the dominant tree species (Q. faginea), age structure of the stand, and stand size were the main factors that explained the compositional variation in plant communities. The results indicate that (1) the structural, spatial, and topographical characteristics of the forest stands have the greatest effect on diversity patterns, (2) forests in landscapes that have different land use histories are environmentally heterogeneous and, therefore, can experience high levels of compositional differentiation, even at local scales (e.g., within the same stand). Maintaining habitat heterogeneity at multiple spatial scales should be considered in the development of management plans for enhancing plant diversity and related functions in human-altered forests