A review of the distribution of particulate trace elements in urban terrestrial environments and its application to considerations of risk

We review the evolution, state of the art and future lines of research on the sources, transport pathways, and sinks of particulate trace elements in urban terrestrial environments to include the atmosphere, soils, and street and indoor dusts. Such studies reveal reductions in the emissions of some elements of historical concern such as Pb, with interest consequently focusing on other toxic trace elements such as As, Cd, Hg, Zn, and Cu. While establishment of levels of these elements is important in assessing the potential impacts of human society on the urban environment, it is also necessary to apply this knowledge in conjunction with information on the toxicity of those trace elements and the degree of exposure of human receptors to an assessment of whether such contamination represents a real risk to the city’s inhabitants and therefore how this risk can be addressed.

Geochemistry and risk assessment of street dust in Luanda, Angola, a tropical urban environment

A total of 92 samples of street dust were collected in Luanda, Angola, were sieved below 100 μm, and analysed by ICP-MS for 35 elements after an aqua-regia digestion. The concentration and spatial heterogeneity of trace elements in the street dust of Luanda are generally lower than in most industrialized cities in the Northern hemisphere. These observations reveal a predominantly “natural” origin for the street dust in Luanda, which is also manifested in that some geochemical processes that occur in natural soils are preserved in street dust: the separation of uranium from thorium, and the retention of the former by carbonate materials, or the high correlation between arsenic and vanadium due to their common mode of adsorption on solid particles in the form of oxyanions. The only distinct anthropogenic fingerprint in the composition of Luanda's street dust is the association Pb–Cd–Sb–Cu (and to a lesser extent, Ba–Cr–Zn). The use of risk assessment strategies has proved helpful in identifying the routes of exposure to street dust and the trace elements therein of most concern in terms of potential adverse health effects. In Luanda the highest levels of risk seem to be associated (a) with the presence of As and Pb in the street dust and (b) with the route of ingestion of dust particles, for all the elements included in the study except Hg, for which inhalation of vapours presents a slightly higher risk than ingestion. However, given the large uncertainties associated with the estimates of toxicity values and exposure factors, and the absence of site-specific biometric factors, these results should be regarded as preliminary and further research should be undertaken before any definite conclusions regarding potential health effects are drawn.

Geochemical fingerprints and controls in the sediments of an urban river: River Manzanares, Madrid (Spain)

The geochemical fingerprint of sediment retrieved from the banks of the River Manzanares as it passes through the City of Madrid is presented here. The river collects the effluent water from several Waste Water Treatment (WWT) plants in and around the city, such that, at low flows, up to 60% of the flow has been treated. A total of 18 bank-sediment cores were collected along the course of the river, down to its confluence with the Jarama river, to the south–east of Madrid. Trace and major elements in each sample were extracted following a double protocol: (a) “Total” digestion with HNO3, HClO4 and HF; (b) “Weak” digestion with sodium acetate buffered to pH=5 with acetic acid, under constant stirring. The digests thus obtained were subsequently analysed by ICP-AES, except for Hg which was extracted with aqua regia and sodium chloride-hydroxylamine sulfate, and analysed by Cold Vapour-AAS. X-ray diffraction was additionally employed to determine the mineralogical composition of the samples. Uni- and multivariate analyses of the chemical data reveal the influence of Madrid on the geochemistry of Manzanares' sediments, clearly manifested by a marked increase in the concentration of typically “urban” elements Ag, Cr, Cu, Pb and Zn, downstream of the intersection of the river with the city's perimeter. The highest concentrations of these elements appear to be associated with illegal or accidental dumping of waste materials, and with the uncontrolled incorporation of untreated urban runoff to the river. The natural matrix of the sediment is characterised by fairly constant concentrations of Ce, La and Y, whereas changes in the lithology intersected by the river cause corresponding variations in Ca–Mg and Al–Na contents. In the final stretch of the river, the presence of carbonate materials seems to exert a strong geochemical control on the amount of Zn and, to a lesser extent, Cu immobilised in the sediments. This fact suggests that a variable but significant proportion of both elements may be susceptible to reincorporation in the aqueous phase under realistic environmental conditions.

Mecánica de rocas : fundamentos e ingeniería de taludes

Este libro ha nacido de las clases de Mecánica de Rocas que impartimos en la Universidad Politécnica de Madrid y en la de Vigo, y en el Máster Internacional “Aprovechamiento Sostenible de los Recursos Minerales”. Ha sido escrito pensando en los universitarios y en los profesionales de la geotecnia. A ambos colectivos les dedicamos con todo cariño esta obra en la que hemos invertido muchas horas durante los últimos años. El impulso para ponernos a escribir surgió cuando recibimos el encargo de la Cátedra Madariaga de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de la UPM de organizar unos cursos sobre estabilidad de taludes, que fueron financiados por la Comisión Nacional de Seguridad Minera, y el apoyo prestado por el Máster contribuyó a que se terminara el libro. Hay en esta obra dos partes claramente diferenciadas. La primera es de Fundamentos de Mecánica de Rocas y aquellos que posean ya un conocimiento general sobre esta materia podrían saltársela y comenzar a leer el libro en la segunda parte, que está dedicada a la Ingeniería de Taludes. No obstante, recordar las bases nunca está de más por lo que, sin duda alguna, la lectura ordenada del libro, de principio a fin, puede resultar muy provechosa. Evidentemente la obra es incompleta pues tanto la Mecánica de Rocas como la Ingeniería de Taludes han adquirido una extensión tal que resulta imposible resumirlas en un sólo libro, aunque sea tan extenso como éste. Los fundamentos variarán poco en los próximos años, pero ciertos aspectos prácticos y métodos de cálculo posiblemente serán superados en breve plazo. Esperamos, sin embargo, que el libro resulte útil durante un tiempo al menos tan largo como el que nos ha llevado escribirlo. El nivel de conocimientos que se requiere para leer el libro está al alcance de los alumnos de nuestras universidades; a propósito se ha partido de unas bases accesibles. No obstante, los problemas que se presentan en la ingeniería de taludes son, en general, únicos y se requiere experiencia para resolverlos correctamente. Varios profesores han contribuido con capítulos a esta obra: D. Ricardo Laín Huerta (Capítulo 9), D. Celestino González Nicieza y Dª Inmaculada Álvarez Fernández (Capítulo 15), Dª. Inmaculada Álvarez Fernández y Miguel Ángel Rodríguez Díaz (Capítulo 16), D. Fernando García Bastante (Capítulo 17), Dª. María Belarmina Díaz Aguado y D. Fernando Ariznavarreta Fernández (Capítulo 18). A todos ellos les agradecemos su colaboración.

Incorporación de residuos mineros a materiales de construcción.

El presente Trabajo Fin de Máster recoge el estudio experimental realizado para comprobar el comportamiento de CEM II/B-L 32,5 N con la incorporación, por sustitución del árido, de dos residuos procedentes de la explotación minera de la hulla y la galena, llevada a cabo hace más de 50 años en la provincia de Ciudad Real. En primer lugar se han caracterizado los compuestos minerales que tienen los residuos de los que se ha obtenido que en ambas muestras existen SiO2 (cuarzo) en altas propociones, y que la muestra de galena tiene pequeñas concentraciones de plomo y cinc, entre otros metales. En la parte experimental se realiza la incorporación de un 5%, 10% y 20% de cada uno de los residuos por sustitución de la arena de mina utilizada, con una granulometría inferior a 2 mm de diámetro y a temperatura ambiente. Mediante la realización de las probetas con dos consistencias diferentes, una seca y otra plástica para la realización de un revoco en una rasilla cerámica y comprobar su resistencia a adhesión. Después de comprobar que para utilizar el residuo de hulla hay que desprenderse del 39% de la muestra por superar los 2mm de diámetro de grano para realizar un revoco como marca la norma NTE-rpe, se comprueba que las muestras con 5% de hulla y 10% de galena son válidas para su utilización como revoco o enlucido. Respecto a las características de resistencia a flexión y compresión de ambas muestras se aprecia la tendencia en la muestra de hulla a disminuir cuanto mayor es el porcentaje de éste residuo. En el caso del residuo de galena los resultados más óptimos obtenidos han sido con el 10% de galena en la muestra, notándose una disminución de las características considerables en el 20% de la misma.

Estudio de la capacidad de arranque de una dinamita gelatinosa frente a una dinamita de seguridad

The objective of this project is to show that the permissible explosive called 20 SR is able to pull out the coal in the normal conditions of blasting in a satisfactory way and to set up the equivalence between the 20 SR and gelatin dynamite (Goma 2 ECO). To achieve this goal some blasting were done, changing the conditions of the blasting and the powder factor for the 20 SR. To analyze the fragmentation base on the analysis of the images of the rock blasted, a commercial software was used. The results from this analysis were compared with the results from the theoretical model for fragmentation created by Kuz – Ram. After all, it was showed that the 20 SR explosive is able to pull out the coal for different coal rock compositions. As the result of this project we can conclude that the 20 SR seems to be able to pull out the coal in normal blasting conditions, using the powder factor as a proportion of the “ballistic mortar” between the two explosives.

Estudio de vibraciones de las voladuras de producción en la cantera de Buruntza y su afección sobre el tramo de la red ferroviaria Andoain – Urnieta (País Vasco)

El estudio de vibraciones tiene por objetivo fijar una banda de seguridad para proteger la nueva línea ferroviaria de alta velocidad Madrid – Vitoria – San Sebastián (tramo Andoain – Urnieta).Las tomas de datos han permitido el cálculo de unas leyes de amortiguación de la propagación de las ondas de vibración que permiten predecir cuál será la magnitud de vibración generada a una cierta distancia de la explotación cuando se detona una carga de explosivo determinada. Así mismo, se lleva a cabo un análisis de las concentraciones de energía (vibraciones) que podrían producirse durante una voladura tipo de producción atendiendo a diferentes secuencias de disparo. Con este método, basado en el disparo de un “barreno semilla” de similares condiciones de carga y arranque que un barreno típico de producción, se pretende resaltar la importancia que tiene el rango de las frecuencias en el proceso de generación y transmisión de vibraciones en el terreno, y consecuentemente en los criterios de protección de estructuras frente a tales vibraciones. ABSTRACT The aim of the vibration study is to set a security band to protect the Spanish high speed train (AVE) which goes Madrid-Vitoria-San Sebastian (section Andoain- Urnieta). The data gathered has made possible the calculation of absorption laws of propagation of vibrating waves, that allow the prediction of the magnitude created at a certain distance of the detonation of a known explosive. In addition, an analysis of the energy concentrations that could appear during a blasting in different sequences is made. With this method based on the firing of a seed drill with similar load and boot conditions of a common production drill, is intended to highlight the importance of the frequency range in the process of vibrations transmission and generation in the field, and consequently the importance in the structures protection criteria against these vibrations.

Derechos mineros y de hidrocarburos

El libro aborda la naturaleza de los derechos mineros y de los derechos sobre hidrocarburos, así como la forma en que se gestionan een un caso y en otro. Es una obra destinada a servir de referencia a los profesionales de la minería y de la explotación de recursos minerales y energéticos al abordar también los aspectos jurídicos desde una perspectiva global e integrada.

Optimización de los procesos de medida e interpretación de la tomografía geoeléctrica en la prospección superficial

Debido al carácter innovador de los objetivos científico-tecnológicos planteados al inicio de la presente Tesis doctoral, además de la primera recopilación bibliográfica, a lo largo del desarrollo de la misma se ha realizado una actualización bibliográfica continua centrada en los desarrollos relativos a la instrumentación, las aplicaciones y los procesos de interpretación de las técnicas de tomografía eléctrica. Durante el desarrollo del presente trabajo, se han realizado una serie de campañas diferenciadas, tanto por los ambientes geológicos y las condiciones antrópicas en los que se han efectuado los perfiles geoeléctricos, como por la profundidad y los objetivos de la prospección. En esas campañas se han obtenido, mediante el programa Res2DInv, las secciones tomográficas con la configuración de variables por defecto y se ha realizado una interpretación estructural de las mismas. Como parte central del desarrollo de esta investigación se han efectuado varios procesos de optimización: Comparación y optimización de los dispositivos empleados para la medición de perfiles de resistividad de cara a la obtención de secciones tomográficas que presenten la mayor resolución en distintos ambientes geológicos. Selección de los rangos de representación (lineales y logarítmicos) y de la gradación cromática que, pudiendo adoptarse de forma generalizada, permita la mejor interpretación gráfica para usuarios no avanzados. Diseño de criterios para la selección del factor de amortiguamiento, como parámetro crítico en los procesos de inversión tomográfica de perfiles geoeléctricos de superficie, de forma que los modelos resultantes alcancen la mejor relación entre fiabilidad y error respecto a los valores medidos. Paralelamente a los procesos anteriores se ha definido un índice de calidad de la inversión, que es directamente normalizado y que permite evaluar el grado en el que pueden considerarse fiables tanto los valores de resistividad obtenidos como su distribución espacial. El índice desarrollado (IRI) está basado en la influencia que tiene la resistividad inicial del modelo de inversión en los valores de cada una de las celdas de la malla de inversión. Tras un exhaustivo análisis estadístico se ha verificado que, a diferencia de otros índices utilizados hasta la fecha, dicho índice no está afectado ni por la profundidad de investigación y la resolución de los dispositivos, ni por la distribución de resistividades que presente el subsuelo. ABSTRACT Due to the innovative character of the scientific and technological objectives proposed at the beginning of this thesis, in addition to preparatory bibliographic reference, a constant bibliographic update on developments related to instrumentation, applications and interpretation processes for electric tomography has been performed all through the development of the work. Several measuring campaigns were performed during the development of the thesis. These campaigns, in which the geoelectric profiles were measured, varied in several aspects, both in the geological and anthropic conditions, and also in the depth and objectives of the prospection. Tomographic sections were obtained and interpretated by making use of the Res2DInv software configured with the default variables. As part of the core development in this research, several optimization processes have been done: Comparison and optimization of the devices used in the measurement of resistivity profiles. This optimization allows increasing the resolution of tomographic sections in different geological conditions. Selection of the best visual representation for the tomographic sections. This involves the selection of the range of values and type of scale (linear vs. logarithmic) as well as the chromatic graduation. This selection allows improving the interpretation of tomographic sections for the non-expert eye. Devising of criteria for the selection of the damping factor, as the critical parameter in processes of tomographic inversion of superficial geoelectrical profiles. The use of these criteria allows selecting the best factors to obtain the best ratio between reliability and error (in relation to the mean values) for the resulting model. In addition to the aforementioned processes, and as part of the work within this thesis, it has been defined a normalized quality index for inversion. This index allows evaluating the degree of reliability of the obtained resistivity values and spatial distribution. The developed index, termed IRI in the thesis, is based on the influence shown by the initial resistivity of the inversion model on the values of each of the cells of the inversion mesh. After an exhaustive statistical analysis it was verified that the IRI index is neither affected by the investigation depth, nor the resolution of the devices, nor the resistivity’s distribution of the sub soil. This independency is a unique characteristic of the IRI index, not present in other indexes developed and used till date.

Optimización de la metodología de contratación de carbones térmicos con destino a la generación eléctrica

En los últimos quince años se ha producido una liberalización de los mercados eléctricos en los distintos países de ámbito occidental que ha ido acompañado de un incremento por la preocupación por la incidencia de las distintas tecnologías de generación en el entorno medioambiental. Ello se ha traducido en la aparición de un marco regulatorio más restrictivo sobre las tecnologías de generación fósiles, con mayor incidencia en las derivadas de productos petrolíferos y carbón. A nivel mundial han ido apareciendo cambios normativos relativos a las emisiones de distintos elementos contaminantes (CO2, SO2, NOx…), que hacen que en particular las centrales térmicas de carbón vean muy afectadas su rentabilidad y funcionamiento. Esta situación ha supuesto que la tecnología de generación eléctrica con carbón haya avanzado considerablemente en los últimos años (calderas supercríticas, sistemas de desulfuración, gasificación del carbón…). No obstante, el desarrollo de la generación con energías renovables, la generación con gas mediante centrales de ciclo combinado y la opinión social relativa a la generación con carbón, principalmente en Europa, suponen un serio obstáculo a la generación con carbón. Por consiguiente, se hace necesario buscar vías para optimizar la competitividad de las centrales de carbón y el camino más razonable es mejorar el margen esperado de estas plantas y en particular el coste de adquisición del carbón. Ello se hace aún más importante por el hecho de existir numerosas centrales de carbón y un elevado número de nuevos proyectos constructivos de centrales de carbón en países asiáticos. Por consiguiente, el objeto de la presente tesis doctoral se centra en definir una metodología para optimizar la compra de carbón, desde el punto de vista económico y técnico, con destino a su consumo en una central térmica, con ello reducir el coste del carbón consumido y mejorar su competitividad. También se enfoca a determinar que herramientas pueden ser utilizadas para optimizar la gestión del carbón después de su compra y con ello abrir la posibilidad de obtener márgenes adicionales para dicho carbón. De acuerdo con este objetivo, el autor de la presente Tesis Doctoral realiza tres aportaciones novedosas en el ámbito de la contratación de carbón térmico y su optimización posterior: - Evaluación de carbones para su adquisición considerando el efecto de la calidad del carbón en el coste de generación asociado a cada carbón ofertado. - Creación, desarrollo, implantación y utilización de una potente herramienta de planificación de Combustibles. Esta herramienta, está diseñada con el objeto de determinar la solución económica óptima de aprovisionamientos, consumos y niveles de existencias para un parque de generación con centrales de carbón y fuelóleo. - La extensión de una metodología contractual habitual en el mercado spot de Gas Natural Licuado, a la contratación spot de Carbón de Importación. Esta se basa en el desarrollo de Acuerdos Marcos de Compra/Venta de carbón, que por su flexibilidad permitan obtener resultados económicos adicionales después de la compra de un carbón. Abstract In the last fifteen years, a liberalization of the electrical markets has occurred in the western countries. This process has been accompanied by an increasing concern of the impact of the different generation technologies towards the environment. This has motivated a regulated framework restricting the use of fossil fuels, impacting a great deal in coal and oil based products. Worldwide, new legal changes have been arising related to the emissions of the different pollutants (CO2, SO2, NOx…). These changes have had a deep impact in the feasibility, profit and running of coal fired power plants. This situation has motivated the coal electrical generation technologies to move forward in an important way in the last few years (supercritical furnaces, desulphuration plants, coal gasification…). Nevertheless, the development of the renewable generation, the gas combined cycle generation and the social opinion related to the coal electrical generation, mainly in Europe, have created a serious obstacle to the generation of electricity by coal. Therefore it is necessary to look for new paths in order to optimize the competitiveness of the coal fired power plants and the most reasonable way is to improve the expected margin of these plants and particularly the coal purchase cost. All of the above needs to be taken into context with the large number of existing coal fired power plants and an important number of new projects in Asian countries. Therefore, the goal of the current doctoral dissertation is focused to define a methodology to be considered in order to optimize the coal purchase, from an economical and a technical point of view. This coal, destined for power plant consumption, permits the reduction of consumption coal cost and improves the plant’s competitiveness. This document is also focused to define what tools we can use to optimize the coal management after deal closing and therefore open the possibility to get further margins. According to this goal, the author of this doctoral dissertation provides three important new ideas in the ambit of contracting steam coal and the posterior optimization: - Evaluation of coal purchases, considering the effect of coal quality on the cost of generation associated with each type of coal offered. - The creation, development, deployment and use of a strong planning tool of fuels. This tool is designed for the purpose of determining the optimal economic solution of fuel supply, consumption and stock levels for a power generation portfolio using coal and fuel oil fired power plants. - The application of a common contractual methodology in the spot market of Liquid Natural Gas, for the contracting spot imported coal. This is based on the development of Framework Agreements for the Purchasing / Sale of coal, which because of its flexibility allows for the gain of additional financial results after the purchase of coal.

Investigación y cuantificación de los procesos de colmatación en las operaciones de recarga artificial de acuíferos mediante balsas de infiltración y pozos de inyección

La deposición de determinadas fracciones de finos en el entorno de los pozos de inyección y las balsas de infiltración, ambas instalaciones de recarga artificial de acuíferos, conlleva la variación de propiedades hidrogeológicas del medio tales como la permeabilidad. La hidráulica de pozos y la hidrodinámica de balsas tradicionales no contemplan la condición de permeabilidad variable, por lo que se han investigado las funciones de colmatación y permeabilidad como funciones matemáticas susceptibles de reproducir este nuevo comportamiento. A partir de estas funciones, la utilización de métodos analíticos y numéricos ha permitido desarrollar las correspondientes ecuaciones de flujo aplicables a medios detríticos colmatados; el objetivo de esta nueva formulación es la cuantificación de los efectos que los procesos de colmatación tienen sobre las formaciones permeables. Se comprueba que el caudal unitario infiltrado en las balsas de recarga depende de la permeabilidad del medio; asimismo, en dichas instalaciones, la masa de finos colmatada depende de su concentración en la superficie de infiltración y de las velocidades de decantación e infiltración a través de la balsa. Por su parte y en presencia de colmatación, los acuíferos sometidos a caudales constantes de inyección por pozos experimentan ascensos de nivel piezométrico superiores a los teóricamente predecibles; por el contrario, la evolución de los caudales de inyección a nivel constante en los pozos de recarga responde a un comportamiento decreciente, también superior a lo inicialmente previsto por el modelo teórico. Estas variaciones de caudal y nivel piezométrico dependen de parámetros como la concentración y tamaño de los sólidos en suspensión en el agua de recarga, el tamaño de las partículas constituyentes del medio detrítico, la distancia al eje del pozo, etc.

Modelo para el tratamiento de conjuntos complejos con datos ausentes de variables categóricas en un contexto de e-democracia. Aplicación a encuestas de opinión

La falta de información es un escenario más que habitual en la utilización de conjuntos de datos. En las aplicaciones del mundo real existen múltiples causas – errores o fallos de los sensores cuando se trabaja con equipos automáticos, desconocimiento o falta de interés por parte de los responsables de introducir la información, negativas por parte de los informantes a responder a preguntas sobre temas comprometidos en encuestas … – que pueden originarlo. Como consecuencia de ello, el procesamiento de los valores ausentes es, en la práctica, uno de los trabajos que más tiempo consumen en los proyectos de minería de datos y aprendizaje automático [109] y se estima que alrededor del 60% de los esfuerzos se destinan al mismo [23]. Aunque la ausencia puede producirse en cualquier tipo de datos, sean éstos numéricos o categóricos, nos vamos a centrar en los últimos a causa de algunas peculiaridades que merece la pena estudiar. Y hablaremos indistintamente de ausencia de información, valores ausentes, falta de respuesta, datos parcialmente observados o falta de datos, pues en cualquiera de estas formas aparece citado el problema. Las técnicas para afrontarlo se vienen desarrollando ya desde hace tiempo [135], [6] y existen numerosas referencias en la literatura, sobre todo acerca de la falta de respuesta 6 en encuestas [32], [79]. Sin embargo, en el ámbito del aprendizaje automático es en los últimos años cuando se ha convertido en un área de investigación dinámica, con frecuentes aportaciones [94]. Los dos puntos de vista, el estadístico y el del aprendizaje automático, consideran el problema en formas bien diferentes y tienen distintos objetivos, lo que origina, a su vez, discrepancias en la clasificación de las técnicas y en los criterios para su evaluación. Por un lado, el enfoque estadístico paramétrico tradicional considera el conjunto de datos como una muestra, resultado de la extracción aleatoria de una población con una distribución probabilística. Bajo este supuesto, el objetivo es obtener algunos de los parámetros que caracterizan esa distribución – la media, la moda, la correlación entre variables, etc. – calculándose los correspondientes estimadores como funciones de los datos de la muestra. La ausencia de datos es, aquí, un problema de estimación que se afronta desde diferentes perspectivas. Por su parte, en el ámbito de los procedimientos de aprendizaje automático existen múltiples técnicas que pueden utilizarse para tratar los datos ausentes mediante su sustitución por valores obtenidos a partir de los datos observados: redes neuronales, árboles de decisión, etc. Cuando los datos que faltan son categóricos, se pueden utilizar técnicas específicas como los procedimientos de clasificación: las categorías a asignar coinciden con los distintos valores posibles del atributo que tiene falta de información. Pueden utilizarse métodos supervisados y no supervisados. En el primer caso, cuando existe más de un atributo con falta de datos, el aprendizaje se realiza sucesiva y separadamente para cada uno, lo que significa que la tarea ha de repetirse tantas veces como atributos con valores ausentes hay en el conjunto de datos [72]. El inicio de los trabajos de esta tesis ha estado principalmente motivado en la necesidad de mejorar los resultados obtenidos al tratar de resolver problemas de falta de 7 información de variables categóricas en sondeos de opinión utilizando los procedimientos que la literatura considera como el estado del arte en ese ámbito. Se ha encontrado, así, que muchos de los métodos que se proponen tienen hipótesis de funcionamiento que están muy lejos de las situaciones reales que se encuentran en la práctica y, además, las soluciones existentes han avanzado frecuentemente en direcciones no adecuadas, sin replantear los fundamentos básicos. Esto ha conducido de una forma natural a probar métodos propios de otro ámbito como es el aprendizaje automático, para lo que ha sido necesario, en ocasiones, proponer modificaciones de algunos procedimientos ya existentes de modo que pudieran aceptar como entradas el tipo de datos que estos sondeos de opinión manejan. Como resultado, y en el caso concreto de un tipo específico de redes neuronales, se ha diseñado una nueva arquitectura y un nuevo algoritmo de funcionamiento que se presentan aquí como aportación más novedosa de este estudio.

Nuevos dispositivos y criterios de análisis de señales de resonancia magnética para la caracterización humedad/porosidad de suelos y acuíferos superficiales

Un estudio geofísico mediante resonancia se realiza mediante la excitación del agua del subsuelo a partir de la emisión de una intensidad variable a lo largo de un cable extendido sobre la superficie en forma cuadrada o circular. El volumen investigado depende del tamaño de dicho cable, lo cual, junto con la intensidad utilizada para la excitación del agua determina las diferentes profundidades del terreno de las que se va a extraer información, que se encuentran entre 10 y 100 m, habitualmente. La tesis doctoral presentada consiste en la adaptación del Método de Resonancia Magnética para su utilización en aplicaciones superficiales mediante bucles de tamaño reducido. Dicha información sobre el terreno en la escala desde decímetros a pocos metros es interesante en relación a la física de suelos y en general en relación a diferentes problemas de Ingeniería, tanto de extracción de agua como constructiva. Una vez realizada la revisión del estado de conocimiento actual del método en relación a sus aplicaciones usuales, se estudian los problemas inherentes a su adaptación a medidas superficiales. Para solventar dichos problemas se han considerado dos líneas de investigación principales: En primer lugar se realiza un estudio de la influencia de las características del pulso de excitación emitido por el equipo en la calidad de las medidas obtenidas, y las posibles estrategias para mejorar dicho pulso. El pulso de excitación es un parámetro clave en la extracción de información sobre diferentes profundidades del terreno. Por otro lado se busca la optimización del dispositivo de medida para su adaptación al estudio de los primeros metros del suelo mediante el equipo disponible, tratándose éste del equipo NumisLITE de la casa Iris Instruments. ABSTRACT Magnetic Resonance Sounding is a geophysical method performed through the excitation of the subsurface water by a variable electrical intensity delivered through a wire extended on the surface, forming a circle or a square. The investigated volume depends on the wire length and the intensity used, determining the different subsurface depths reached. In the usual application of the method, this depth ranges between 10 and 100 m. This thesis studies the adaptation of the above method to more superficial applications using smaller wire loops. Information about the subsurface in the range of decimeter to a few meters is interesting regarding physics of soils, as well as different Engineering problems, either for water extraction or for construction. After a review of the nowadays state of the art of the method regarding its usual applications, the special issues attached to its use to perform very shallow measures are studied. In order to sort out these problems two main research lines are considered: On the one hand, a study about the influence of the characteristics of the emitted pulse in the resulting measure quality is performed. Possible strategies in order to improve this pulse are investigated, as the excitation pulse is a key parameter to obtain information from different depths of the subsurface. On the other hand, the study tries to optimize the measurement device to its adaptation to the study of the first meters of the ground with the available instrumentation, the NumisLITE equipment from Iris Instruments.

Realidad estratégica de la sostenibilidad de los recursos naturales: La explotación del hierro

Es en el campo de los recursos naturales y su aplicación a la industria, el entorno donde se desarrolla esta Tesis. El objetivo de la misma es demostrar cómo la minería del hierro puede resultar una actividad sostenible, logrando continuar de esta manera la estrecha relación de siempre entre las necesidades del hombre y la pervivencia de los recursos naturales. Es en la minería del hierro donde hace mayor énfasis este trabajo, dando lugar a un nuevo Indicador Sostenible que intenta evaluar las explotaciones de mineral de hierro desde una visión sostenible, empleando el consumo energético y las emisiones de CO2 como principales herramientas. Como se observa en el día a día, el tema de la sostenibilidad es de plena actualidad, lográndose en este trabajo implicar, tanto a la eficiencia energética, como al control de emisiones de gases efecto invernadero; ambas herramientas cobran más importancia cada día que pasa. La Tesis se desarrolla en 5 capítulos, aparte de su bibliografía correspondiente. En el primer capítulo se introduce el sentido de la sostenibilidad, desde sus inicios conceptuales, hasta sus actuales clasificaciones y definiciones empleadas; todo ello desde el punto de vista de los recursos naturales, y más habitualmente desde la minería. Resulta llamativo el contraste de opiniones, en lo que se ha dado a llamar la paradoja de la minería sostenible, quedando tras su lectura, la posición de la minería en una situación, si no ventajosa, si de equilibrio en importancia entre las necesidades a cubrir y el agotamiento de recursos. El segundo capítulo nos muestra el entorno donde se va a conducir la Tesis. El marco que engloba este trabajo se extiende desde la extracción del mineral de hierro (minería), su tratamiento y concentración (mineralurgia), su venta a los hornos altos (mercados) hasta su posterior fabricación en acero terminado (siderurgia). En este capítulo se presentan los principales actores que entrarán en el sector de la minería del hierro (productores y fabricantes) incluyendo una serie de datos estadísticos de gran interés para el desarrollo de la Tesis. El tercer capítulo se refiere al proceso completo que precisa la actividad sobre la que se va a evaluar la sostenibilidad. Es donde se definen, paso a paso, y obteniendo todos los datos de consumos energéticos y emisiones de CO2, las diferentes etapas por las que pasa el mineral de hierro, hasta encontrarse laminado en la acería. Es aquí donde se analizan los diversos tipos de yacimientos de hierro dispersos por el mundo y el mineral extraído, de manera que las propiedades aprendidas se puedan emplear más adelante en un indicador, y que así diferencie la sostenibilidad en función de los orígenes motivo de las necesidades energéticas para su transformación. El capítulo 4 consta de dos bloques: el uso de las herramientas de medida de la sostenibilidad, a día de hoy en el mundo industrial, y de una manera pormenorizada, el consumo energético y sus emisiones medioambientales como herramienta de gestión ambiental para la minería del hierro. Esta herramienta resultará básica para el cálculo del indicador buscado para la medida de la sostenibilidad. El capítulo 5 constituye el núcleo de la tesis, y supone el desarrollo del indicador, la metodología de uso y las conclusiones obtenidas. A través de varios ejemplos se logra entender la aplicación del indicador, dando lugar a una clasificación sostenible sencilla y práctica, situando en orden las diferentes explotaciones en función de un nivel de sostenibilidad determinado. Este último capítulo da origen al Indicador Sostenible Energético buscado, mostrándose en todo su esplendor y descubriendo cómo la relación ponderada entre el consumo energético y sus emisiones de CO2 permite, a través de una valoración, mostrar todos los parámetros de relevancia para el mineral de hierro y su posterior transformación en acero. Esa cifra obtenida por el indicador, clasificará la explotación teniendo en cuenta, el tipo de yacimiento, características del mineral (especie mineralógica, tipo de mineral, ley del mineral en hierro, tipo de ganga, características físicas como dureza o tamaño de grano, susceptibilidad magnética, etc.), situación geográfica, infraestructuras, etc. Sin profundizar en la siderurgia, por lo menos sí incluir los principales parámetros (relacionados siempre desde el mineral) que pudieran tener influencia en la disminución de energía requerida (y sus emisiones de CO2 relacionadas): la reducibilidad, el contenido en hierro, y mencionar la influencia del SiO2. Se completa la Tesis con las referencias bibliográficas y documentales, así como con una bibliografía general. ABSTRACT This Thesis is set in a context of natural resources and applied science. The aim of this document is to prove that iron mining is a sustainable activity, so the ancient relationship between men and natural resources will continue. Iron mining is the main subject of this work, so a new sustainable indicator is created in order to evaluate the iron mining from a sustainable point of view. The main tools applied are energy consumption and CO2 emissions. In this research document two relevant issues are involved: energy efficiency and GHGs control; both tools gain significance by the day. This thesis develops along 5 chapters and its bibliography. The first chapter refers to the concept of sustainability, from the beginning to the current definitions and classifications; all this information is focused from the natural resources point of view, especially mining. The contrast of opinion is remarkable, which has been called the “paradox of sustainable mining”; however this chapter concludes that taking into account the less bright side of the mining its activity maintains an important balance between necessities to cover, available resources and environment. The second chapter sets out where this Thesis has been conducted. The frame of this work lies between iron mining, ore processing, the market and the latter steel fabrication (steelmaking). This chapter shows the iron mining key stakeholders, supported with statistical data. The third chapter refers to the whole process definition. From the iron mineral to the rolled steel, all data related with energy consumption and CO2 emissions are considered step by step. Different iron deposits widespread all over the world are analyzed now, as well as the exploited iron mineral in order to apply the lessons learned to create a new sustainability tool. Then, our sustainability studies will consider the influence of this in the energy necessities when iron is transformed. Chapter four is divided in the currently applied sustainability measurement tools, and focusing on energy consumption and CO2 emissions linked to the iron mining process. This tool is essential to calculate the required indicator that reflects the sustainability. Chapter five is the Thesis’ core: it is where the new sustainable indicator is developed, the methodology stated and the final conclusions obtained. Through several examples the indicator application is explained, and a practical and simple sustainable classification will show the ranking of every exploitation. This last chapter develops the sustainable tool and discovers how the weighted relation between energy consumption and CO2 emissions allows understanding all the relevant parameters in the iron mineral transformation. The number calculated will be used to classify the mineral exploitation, taking into account the deposit typology, mineral characteristics (mineralogy, type of mineral, iron percentage, physical properties as hardness or grain size, magnetic susceptibility, etc.), geographic situation, infrastructures, etc. Although steelmaking is not studied in depth, main parameters (from the mineral side) which can operate in the energy decrease (and CO2 emissions in parallel) are referred to: reducibility, iron content and SiO2 influence. The bibliography used is included at the end of this paper.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.