Flood frequency analysis by a bivariate model based on copulas

La adecuada estimación de avenidas de diseño asociadas a altos periodos de retorno es necesaria para el diseño y gestión de estructuras hidráulicas como presas. En la práctica, la estimación de estos cuantiles se realiza normalmente a través de análisis de frecuencia univariados, basados en su mayoría en el estudio de caudales punta. Sin embargo, la naturaleza de las avenidas es multivariada, siendo esencial tener en cuenta características representativas de las avenidas, tales como caudal punta, volumen y duración del hidrograma, con el fin de llevar a cabo un análisis apropiado; especialmente cuando el caudal de entrada se transforma en un caudal de salida diferente durante el proceso de laminación en un embalse o llanura de inundación. Los análisis de frecuencia de avenidas multivariados han sido tradicionalmente llevados a cabo mediante el uso de distribuciones bivariadas estándar con el fin de modelar variables correlacionadas. Sin embargo, su uso conlleva limitaciones como la necesidad de usar el mismo tipo de distribuciones marginales para todas las variables y la existencia de una relación de dependencia lineal entre ellas. Recientemente, el uso de cópulas se ha extendido en hidrología debido a sus beneficios en relación al contexto multivariado, permitiendo superar los inconvenientes de las técnicas tradicionales. Una copula es una función que representa la estructura de dependencia de las variables de estudio, y permite obtener la distribución de frecuencia multivariada de dichas variables mediante sus distribuciones marginales, sin importar el tipo de distribución marginal utilizada. La estimación de periodos de retorno multivariados, y por lo tanto, de cuantiles multivariados, también se facilita debido a la manera en la que las cópulas están formuladas. La presente tesis doctoral busca proporcionar metodologías que mejoren las técnicas tradicionales usadas por profesionales para estimar cuantiles de avenida más adecuados para el diseño y la gestión de presas, así como para la evaluación del riesgo de avenida, mediante análisis de frecuencia de avenidas bivariados basados en cópulas. Las variables consideradas para ello son el caudal punta y el volumen del hidrograma. Con el objetivo de llevar a cabo un estudio completo, la presente investigación abarca: (i) el análisis de frecuencia de avenidas local bivariado centrado en examinar y comparar los periodos de retorno teóricos basados en la probabilidad natural de ocurrencia de una avenida, con el periodo de retorno asociado al riesgo de sobrevertido de la presa bajo análisis, con el fin de proporcionar cuantiles en una estación de aforo determinada; (ii) la extensión del enfoque local al regional, proporcionando un procedimiento completo para llevar a cabo un análisis de frecuencia de avenidas regional bivariado para proporcionar cuantiles en estaciones sin aforar o para mejorar la estimación de dichos cuantiles en estaciones aforadas; (iii) el uso de cópulas para investigar tendencias bivariadas en avenidas debido al aumento de los niveles de urbanización en una cuenca; y (iv) la extensión de series de avenida observadas mediante la combinación de los beneficios de un modelo basado en cópulas y de un modelo hidrometeorológico. Accurate design flood estimates associated with high return periods are necessary to design and manage hydraulic structures such as dams. In practice, the estimate of such quantiles is usually done via univariate flood frequency analyses, mostly based on the study of peak flows. Nevertheless, the nature of floods is multivariate, being essential to consider representative flood characteristics, such as flood peak, hydrograph volume and hydrograph duration to carry out an appropriate analysis; especially when the inflow peak is transformed into a different outflow peak during the routing process in a reservoir or floodplain. Multivariate flood frequency analyses have been traditionally performed by using standard bivariate distributions to model correlated variables, yet they entail some shortcomings such as the need of using the same kind of marginal distribution for all variables and the assumption of a linear dependence relation between them. Recently, the use of copulas has been extended in hydrology because of their benefits regarding dealing with the multivariate context, as they overcome the drawbacks of the traditional approach. A copula is a function that represents the dependence structure of the studied variables, and allows obtaining the multivariate frequency distribution of them by using their marginal distributions, regardless of the kind of marginal distributions considered. The estimate of multivariate return periods, and therefore multivariate quantiles, is also facilitated by the way in which copulas are formulated. The present doctoral thesis seeks to provide methodologies that improve traditional techniques used by practitioners, in order to estimate more appropriate flood quantiles for dam design, dam management and flood risk assessment, through bivariate flood frequency analyses based on the copula approach. The flood variables considered for that goal are peak flow and hydrograph volume. In order to accomplish a complete study, the present research addresses: (i) a bivariate local flood frequency analysis focused on examining and comparing theoretical return periods based on the natural probability of occurrence of a flood, with the return period associated with the risk of dam overtopping, to estimate quantiles at a given gauged site; (ii) the extension of the local to the regional approach, supplying a complete procedure for performing a bivariate regional flood frequency analysis to either estimate quantiles at ungauged sites or improve at-site estimates at gauged sites; (iii) the use of copulas to investigate bivariate flood trends due to increasing urbanisation levels in a catchment; and (iv) the extension of observed flood series by combining the benefits of a copula-based model and a hydro-meteorological model.

Vector Boolean Functions: Applications in Symmetric Cryptography

Esta tesis establece los fundamentos teóricos y diseña una colección abierta de clases C++ denominada VBF (Vector Boolean Functions) para analizar funciones booleanas vectoriales (funciones que asocian un vector booleano a otro vector booleano) desde una perspectiva criptográfica. Esta nueva implementación emplea la librería NTL de Victor Shoup, incorporando nuevos módulos que complementan a las funciones de NTL, adecuándolas para el análisis criptográfico. La clase fundamental que representa una función booleana vectorial se puede inicializar de manera muy flexible mediante diferentes estructuras de datas tales como la Tabla de verdad, la Representación de traza y la Forma algebraica normal entre otras. De esta manera VBF permite evaluar los criterios criptográficos más relevantes de los algoritmos de cifra en bloque y de stream, así como funciones hash: por ejemplo, proporciona la no-linealidad, la distancia lineal, el grado algebraico, las estructuras lineales, la distribución de frecuencias de los valores absolutos del espectro Walsh o del espectro de autocorrelación, entre otros criterios. Adicionalmente, VBF puede llevar a cabo operaciones entre funciones booleanas vectoriales tales como la comprobación de igualdad, la composición, la inversión, la suma, la suma directa, el bricklayering (aplicación paralela de funciones booleanas vectoriales como la empleada en el algoritmo de cifra Rijndael), y la adición de funciones coordenada. La tesis también muestra el empleo de la librería VBF en dos aplicaciones prácticas. Por un lado, se han analizado las características más relevantes de los sistemas de cifra en bloque. Por otro lado, combinando VBF con algoritmos de optimización, se han diseñado funciones booleanas cuyas propiedades criptográficas son las mejores conocidas hasta la fecha. ABSTRACT This thesis develops the theoretical foundations and designs an open collection of C++ classes, called VBF, designed for analyzing vector Boolean functions (functions that map a Boolean vector to another Boolean vector) from a cryptographic perspective. This new implementation uses the NTL library from Victor Shoup, adding new modules which complement the existing ones making VBF better suited for cryptography. The fundamental class representing a vector Boolean function can be initialized in a flexible way via several alternative types of data structures such as Truth Table, Trace Representation, Algebraic Normal Form (ANF) among others. This way, VBF allows the evaluation of the most relevant cryptographic criteria for block and stream ciphers as well as for hash functions: for instance, it provides the nonlinearity, the linearity distance, the algebraic degree, the linear structures, the frequency distribution of the absolute values of the Walsh Spectrum or the Autocorrelation Spectrum, among others. In addition, VBF can perform operations such as equality testing, composition, inversion, sum, direct sum, bricklayering (parallel application of vector Boolean functions as employed in Rijndael cipher), and adding coordinate functions of two vector Boolean functions. This thesis also illustrates the use of VBF in two practical applications. On the one hand, the most relevant properties of the existing block ciphers have been analysed. On the other hand, by combining VBF with optimization algorithms, new Boolean functions have been designed which have the best known cryptographic properties up-to-date.