ESPINA: a tool for the automated segmentation and counting of synapses in large stacks of electron microscopy images

The synapses in the cerebral cortex can be classified into two main types, Gray’s type I and type II, which correspond to asymmetric (mostly glutamatergic excitatory) and symmetric (inhibitory GABAergic) synapses, respectively. Hence, the quantification and identification of their different types and the proportions in which they are found, is extraordinarily important in terms of brain function. The ideal approach to calculate the number of synapses per unit volume is to analyze 3D samples reconstructed from serial sections. However, obtaining serial sections by transmission electron microscopy is an extremely time consuming and technically demanding task. Using focused ion beam/scanning electron microscope microscopy, we recently showed that virtually all synapses can be accurately identified as asymmetric or symmetric synapses when they are visualized, reconstructed, and quantified from large 3D tissue samples obtained in an automated manner. Nevertheless, the analysis, segmentation, and quantification of synapses is still a labor intensive procedure. Thus, novel solutions are currently necessary to deal with the large volume of data that is being generated by automated 3D electron microscopy. Accordingly, we have developed ESPINA, a software tool that performs the automated segmentation and counting of synapses in a reconstructed 3D volume of the cerebral cortex, and that greatly facilitates and accelerates these processes.

Diseño y aplicación de una metodología prospectiva para la determinación de los condicionantes futuros del crecimiento de los grandes buques portacontenedores

Durante las últimas décadas se observa una tendencia sostenida al crecimiento en las dimensiones de los grandes buques portacontenedores, que produce, que las infraestructuras portuarias y otras destinadas al tráfico de contenedores deban adaptarse para poder brindar los servicios correspondientes y mantenerse competitivas con otras para no perder el mercado. Esta situación implica importantes inversiones y modificaciones en los sistemas de transporte de contenedores por el gran volumen de carga que se debe mover en un corto periodo de tiempo, lo que genera la necesidad de tomar previsiones relacionadas con la probable evolución a futuro de las dimensiones que alcanzarán los grandes buques portacontenedores. En relación a los aspectos citados surge la inquietud de determinar los condicionantes futuros del crecimiento de los grandes buques portacontenedores, con una visión totalizadora de todos los factores que incidirán en los próximos años, ya sea como un freno o un impulso a la tendencia que se verifica en el pasado y en el presente. En consideración a que el tema a tratar y resolver se encuentra en el futuro, con un horizonte de predicción de veinte años, se diseña y se aplica una metodología prospectiva, que permite alcanzar conclusiones con mayor grado de objetividad sobre probables escenarios futuros. La metodología prospectiva diseñada, conjuga distintas herramientas metodológicas, cualitativas, semi-cuantitativas y cuantitativas que se validan entre sí. Sobre la base del pasado y el presente, las herramientas cuantitativas permiten encontrar relaciones entre variables y hacer proyecciones, sin embargo, estas metodologías pierden validez más allá de los tres a cuatro años, por los vertiginosos y dinámicos cambios que se producen actualmente, en las áreas política, social y económica. Las metodologías semi-cuantitativas y cualitativas, empleadas en forma conjunta e integradas, permiten el análisis de circunstancias del pasado y del presente, obteniendo resultados cuantitativos que se pueden proyectar hacia un futuro cercano, los que integrados en estudios cualitativos proporcionan resultados a largo plazo, facilitando considerar variables cualitativas como la creciente preocupación por la preservación del medio ambiente y la piratería. La presente tesis, tiene como objetivo principal “identificar los condicionantes futuros del crecimiento de los grandes buques portacontenedores y determinar sus escenarios”. Para lo cual, la misma se estructura en fases consecutivas y que se retroalimentan continuamente. Las tres primeras fases son un enfoque sobre el pasado y el presente, que establece el problema a resolver. Se estudian los antecedentes y el estado del conocimiento en relación a los factores y circunstancias que motivaron y facilitaron la tendencia al crecimiento de los grandes buques. También se estudia el estado del conocimiento de las metodologías para predecir el futuro y se diseña de una metodología prospectiva. La cuarta fase, denominada Resultados, se desarrolla en distintas etapas, fundamentadas en las fases anteriores, con el fin de resolver el problema dando respuestas a las preguntas que se formularon para alcanzar el objetivo fijado. En el proceso de esta fase, con el objeto de predecir probables futuros, se aplica la metodología prospectiva diseñada, que contempla el análisis del pasado y el presente, que determina los factores cuya influencia provocó el crecimiento en dimensiones de los grandes buques hasta la actualidad, y que constituye la base para emplear los métodos prospectivos que permiten determinar qué factores condicionarán en el futuro la evolución de los grandes buques. El probable escenario futuro formado por los factores determinados por el criterio experto, es validado mediante un modelo cuantitativo dinámico, que además de obtener el probable escenario futuro basado en las tendencias de comportamiento hasta el presente de los factores determinantes considerados, permite estudiar distintos probables escenarios futuros en función de considerar un cambio en la tendencia futura de los factores determinantes. El análisis del pasado indica que la tendencia al crecimiento de los grandes buques portacontenedores hasta el presente, se ha motivado por un crecimiento económico mundial que se tradujo en un aumento del comercio internacional, particularmente entre los países de Asia, con Europa y Estados Unidos. Esta tendencia se ha visto favorecida por el factor globalización y la acelerada evolución tecnológica que ha permitido superar los obstáculos que se presentaron. Es de destacar que aún en periodos de crisis económicas, con pronósticos de contracciones en el comercio, en los últimos años continuó la tendencia al crecimiento en dimensiones, en busca de una economía de escala para el transporte marítimo de contenedores, en las rutas transoceánicas. La investigación de la evolución de los grandes buques portacontenedores en el futuro, se efectúa mediante el empleo de una metodología prospectiva en la que el criterio experto se valida con un método cuantitativo dinámico, y además se fundamenta en una solida base pre-prospectiva. La metodología diseñada permite evaluar con un alto grado de objetividad cuales serán los condicionantes que incidirán en el crecimiento en tamaño de los grandes buques portacontenedores en el escenario con mayor probabilidad de acontecer en los próximos veinte años (2032), y también en otros escenarios que podrían presentarse en el caso de que los factores modifiquen su tendencia o bien se produzcan hechos aleatorios. El resultado se sintetiza en que la tendencia al crecimiento de los grandes buques portacontenedores en los próximos 20 años se verá condicionada por factores en relación a los conceptos de oferta (los que facilitan u obstaculizan la tendencia), demanda (los que motivan o impulsan la tendencia) y factores externos (los que desestabilizan el equilibrio entre oferta y demanda). La tendencia al crecimiento de los grandes buques portacontenedores se verá obstaculizada / limitada principalmente por factores relacionados a las infraestructuras, resultando los pasos y/o canales vinculados a las rutas marítimas, los limitantes futuros al crecimiento en dimensiones de los grandes buques portacontenedores; y la interacción buque / infraestructura (grúas) un factor que tenderá a obstaculizar esta tendencia de los grandes portacontenedores. El desarrollo económico mundial que estimula el comercio internacional y los factores precio del petróleo y condicionantes medioambientales impulsarán la tendencia al crecimiento de los grandes buques portacontenedores. Recent years have seen a sustained tendency towards the growth in the dimensions of large container ships. This has meant that port and other infrastructure used for container traffic has had to be adapted in order to provide the required services and to maintain a competitive position, so as not to lose market share. This situation implies the need for major investments in modifications to the container transport system, on account of the large volume of traffic to be handled in a short period of time. This in turn has generated a need to make provision for the probable future evolution of the ultimate dimensions that will be reached by large container ships. Such considerations give rise to the question of what are the future determinants for the growth of large container ships, requiring an overall vision of all the factors that will apply in future years, whether as a brake on or an incentive to the growth tendency which has been seen in the past and present In view of the fact that the theme to be dealt with and resolved relates to the future, with a forecasting horizon of some 20 years, a foresight methodology has been designed and applied so as to enable conclusions about probable future scenarios to be reached with a greater degree of objectivity. The designed methodology contains different methodological tools, both qualitative, semi-quantitative and quantitative, which are internally consistent. On the basis of past and present observations, the quantitative elements enable relationships to be established and forecasts to be made. Nevertheless such an approach loses validity more than three or four years into the future, on account of the very rapid and dynamic changes which may be seen at present in political, social and economic spheres. The semi-quantitative and qualitative methodologies are used coherently together and allow the analysis of past and present conditions, thus obtaining quantitative results which for short-term projections, which when integrated with the qualitative studies provide results for the long-term, facilitating the consideration of qualitative variables such as the increasing importance of environmental protection and the impact of piracy. The principal objective of the present thesis is "to identify the future conditions affecting the growth of large container ships and to determine possible scenarios". The thesis is structured in consecutive and related phases. The first three phases focus on the past and present in order to determine the problem to be resolved. The background is studied in order to establish the state of knowledge about the factors and circumstances which have motivated and facilitated the growth tendency for large container ships and the methodologies that have been used. In this way a specific foresight methodology is designed. The fourth phase, Results, is developed in distinct stages based on the previous phases, so as to resolve the problem posed and responding to the questions that arise. In this way the determined objective is reached. The fourth phase sees the application of the methodology that has been designed in order to predict posible futures. This includes analysis of the past and present factors which have caused the growth in the dimensions of large container ships up to the present. These provide the basis on which to apply the foresight methods which enable the future factors which will condition the development of such large container ships. The probable future scenarios are made up of the factors identified by expert judgement (using the Delphi technique) and validated by means of a dynamic quantitative model. This model both identifies the probable future scenarios based on past and present factors and enables the different future scenarios to be analysed as a function of future changes in the conditioning factors. Analysis of the past shows that the growth tendency up to the present for large container ships has been motivated by the growth of the world economy and the consequent increased international trade, especially between the countries of Asia with Europe and the United States. This tendency has been favoured by the trend towards globalization and by the rapid technical evolution in ship design, which has allowed the obstacles encountered to be overcome. It should be noted that even in periods of economic crisis, with an expectation for reduced trade, as experienced in recent years, the tendency towards increased ship dimensions has continued in search of economies of scale for the maritime transport of containers on transoceanic routes. The present investigation of the future evolution of large container ships has been done using a foresight methodology in which the expert judgement is validated by a dynamic quantitative methodology, founded on a firm pre-foresight analysis. The methodology that has been designed permits the evaluation, with a high degree of objectivity, of the future factors that will affect the growth of large container ships for the most probable scenario expected in the next 20 years (up to 2032). The evaluation applies also to other scenarios which may arise, in the event that their component factors are modified or indeed in the light of random events. In summary, the conclusión is that the tendency for growth in large container ships in the future 20 years will be determined by: factors related to supply, which slow or halt the tendency; factors related to demand, which encourage the tendency and finally, external factors which interrupt the equilibrium between supply and demand. The tendency for increasing growth in large container ships will be limited or even halted by factors related to infrastructure, including the natural and man-made straits and canals used by maritime transport. In addition the infrastructure required to serve such vessels both in port (including cranes and other equipment) and related transport, will tend to slow the growth tendency. The factors which will continue to encourage the tendency towards the growth of large container ships include world economic development, which stimulates international trade, and an increasing emphasis on environmental aspects.

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

Contaminantes orgánicos (PAHs) derivados de la escombrera de la Central Térmica de Aliaga (Teruel)

The aim of this study was to determine if the soils, waters and plants from the Aliaga dump contained polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their quantification.The results showed that PAHs concentrations in soils are in general higher than the reference levels from the Spanish legislation. Waters and plants contained PAHs but in low concentrations. The possible actions for remediation (photodegradation and bioremediation) seem to be unviable here because of the large volume of materials involved, although its use as an additive for the cement industry and derivatives can be considered. It is proposed that fluorantene in waters, and phenanthrene and benzo[ghi]perilene in soils be considered as pollutants as well as to study the incorporation of PAHs to plants. Key-words: Polycyclic aromatic hydrocarbons, soil, plant and water contamination, fly- ash, power plant. RESUMEN: El objetivo de este estudio fue determinar y cuantificar los hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) en los suelos, plantas y aguas de la Escombrera de Aliaga. La concentración de PAHs en las cenizas supera, en general, los valores establecidos en la legislación española.Las aguas y plantas contienen PAHs, aunque en concentraciones bajas. La remoción de los materiales para someterlos a fotodegradación y biorremediación es inviable debido al gran volumen de la escombrera, aunque se plantea su uso como aditivo en la fabricación de productos derivados del cemento. Se propone incluir el fenantreno y benzo[ghi]perileno en la normativa de suelos, así como el naftaleno en la de aguas y la elaboración de una legislación sobre la incorporación de estos compuestos a las plantas.

Ammonia and Greenhouse Gases Emission from Slurry Storage with impermeable Cover and Landspreading of Cattle Slurry

Intensive farm systems handle large volume of livestock wastes, resulting in adverse environmental effects, such as gaseous losses into the atmosphere in form of ammonia (NH3) and greenhouse gases (GHG), i.e. methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In this study, the manure management continuum of slurry storage with impermeable cover and following cattle slurry band spreading and incorporation to soil was assessed for NH3 and GHG emissions. The experiment was conducted in an outdoor covered storage (flexible bag system) (study I), which collected the slurry produced in 7 dairy cattle farms (2,000 m3 slurry) during 12 days in the northern Spain.

Desarrollo de metodologías para mejorar la estimación de los hidrogramas de diseño para el cálculo de los órganos de desagüe de las presas

En la presente Tesis se ha llevado a cabo el contraste y desarrollo de metodologías que permitan mejorar el cálculo de las avenidas de proyecto y extrema empleadas en el cálculo de la seguridad hidrológica de las presas. En primer lugar se ha abordado el tema del cálculo de las leyes de frecuencia de caudales máximos y su extrapolación a altos periodos de retorno. Esta cuestión es de gran relevancia, ya que la adopción de estándares de seguridad hidrológica para las presas cada vez más exigentes, implica la utilización de periodos de retorno de diseño muy elevados cuya estimación conlleva una gran incertidumbre. Es importante, en consecuencia incorporar al cálculo de los caudales de diseño todas la técnicas disponibles para reducir dicha incertidumbre. Asimismo, es importante hacer una buena selección del modelo estadístico (función de distribución y procedimiento de ajuste) de tal forma que se garantice tanto su capacidad para describir el comportamiento de la muestra, como para predecir de manera robusta los cuantiles de alto periodo de retorno. De esta forma, se han realizado estudios a escala nacional con el objetivo de determinar el esquema de regionalización que ofrece mejores resultados para las características hidrológicas de las cuencas españolas, respecto a los caudales máximos anuales, teniendo en cuenta el numero de datos disponibles. La metodología utilizada parte de la identificación de regiones homogéneas, cuyos límites se han determinado teniendo en cuenta las características fisiográficas y climáticas de las cuencas, y la variabilidad de sus estadísticos, comprobando posteriormente su homogeneidad. A continuación, se ha seleccionado el modelo estadístico de caudales máximos anuales con un mejor comportamiento en las distintas zonas de la España peninsular, tanto para describir los datos de la muestra como para extrapolar a los periodos de retorno más altos. El proceso de selección se ha basado, entre otras cosas, en la generación sintética de series de datos mediante simulaciones de Monte Carlo, y el análisis estadístico del conjunto de resultados obtenido a partir del ajuste de funciones de distribución a estas series bajo distintas hipótesis. Posteriormente, se ha abordado el tema de la relación caudal-volumen y la definición de los hidrogramas de diseño en base a la misma, cuestión que puede ser de gran importancia en el caso de presas con grandes volúmenes de embalse. Sin embargo, los procedimientos de cálculo hidrológico aplicados habitualmente no tienen en cuenta la dependencia estadística entre ambas variables. En esta Tesis se ha desarrollado un procedimiento para caracterizar dicha dependencia estadística de una manera sencilla y robusta, representando la función de distribución conjunta del caudal punta y el volumen en base a la función de distribución marginal del caudal punta y la función de distribución condicionada del volumen respecto al caudal. Esta última se determina mediante una función de distribución log-normal, aplicando un procedimiento de ajuste regional. Se propone su aplicación práctica a través de un procedimiento de cálculo probabilístico basado en la generación estocástica de un número elevado de hidrogramas. La aplicación a la seguridad hidrológica de las presas de este procedimiento requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno aplicado a variables hidrológicas bivariadas. Para ello, se realiza una propuesta de interpretación de dicho concepto. El periodo de retorno se entiende como el inverso de la probabilidad de superar un determinado nivel de embalse. Al relacionar este periodo de retorno con las variables hidrológicas, el hidrograma de diseño de la presa deja de ser un único hidrograma para convertirse en una familia de hidrogramas que generan un mismo nivel máximo en el embalse, representados mediante una curva en el plano caudal volumen. Esta familia de hidrogramas de diseño depende de la propia presa a diseñar, variando las curvas caudal-volumen en función, por ejemplo, del volumen de embalse o la longitud del aliviadero. El procedimiento propuesto se ilustra mediante su aplicación a dos casos de estudio. Finalmente, se ha abordado el tema del cálculo de las avenidas estacionales, cuestión fundamental a la hora de establecer la explotación de la presa, y que puede serlo también para estudiar la seguridad hidrológica de presas existentes. Sin embargo, el cálculo de estas avenidas es complejo y no está del todo claro hoy en día, y los procedimientos de cálculo habitualmente utilizados pueden presentar ciertos problemas. El cálculo en base al método estadístico de series parciales, o de máximos sobre un umbral, puede ser una alternativa válida que permite resolver esos problemas en aquellos casos en que la generación de las avenidas en las distintas estaciones se deba a un mismo tipo de evento. Se ha realizado un estudio con objeto de verificar si es adecuada en España la hipótesis de homogeneidad estadística de los datos de caudal de avenida correspondientes a distintas estaciones del año. Asimismo, se han analizado los periodos estacionales para los que es más apropiado realizar el estudio, cuestión de gran relevancia para garantizar que los resultados sean correctos, y se ha desarrollado un procedimiento sencillo para determinar el umbral de selección de los datos de tal manera que se garantice su independencia, una de las principales dificultades en la aplicación práctica de la técnica de las series parciales. Por otra parte, la aplicación practica de las leyes de frecuencia estacionales requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno para el caso estacional. Se propone un criterio para determinar los periodos de retorno estacionales de forma coherente con el periodo de retorno anual y con una distribución adecuada de la probabilidad entre las distintas estaciones. Por último, se expone un procedimiento para el cálculo de los caudales estacionales, ilustrándolo mediante su aplicación a un caso de estudio. The compare and develop of a methodology in order to improve the extreme flow estimation for dam hydrologic security has been developed. First, the work has been focused on the adjustment of maximum peak flows distribution functions from which to extrapolate values for high return periods. This has become a major issue as the adoption of stricter standards on dam hydrologic security involves estimation of high design return periods which entails great uncertainty. Accordingly, it is important to incorporate all available techniques for the estimation of design peak flows in order to reduce this uncertainty. Selection of the statistical model (distribution function and adjustment method) is also important since its ability to describe the sample and to make solid predictions for high return periods quantiles must be guaranteed. In order to provide practical application of previous methodologies, studies have been developed on a national scale with the aim of determining a regionalization scheme which features best results in terms of annual maximum peak flows for hydrologic characteristics of Spanish basins taking into account the length of available data. Applied methodology starts with the delimitation of regions taking into account basin’s physiographic and climatic characteristics and the variability of their statistical properties, and continues with their homogeneity testing. Then, a statistical model for maximum annual peak flows is selected with the best behaviour for the different regions in peninsular Spain in terms of describing sample data and making solid predictions for high return periods. This selection has been based, among others, on synthetic data series generation using Monte Carlo simulations and statistical analysis of results from distribution functions adjustment following different hypothesis. Secondly, the work has been focused on the analysis of the relationship between peak flow and volume and how to define design flood hydrographs based on this relationship which can be highly important for large volume reservoirs. However, commonly used hydrologic procedures do not take statistical dependence between these variables into account. A simple and sound method for statistical dependence characterization has been developed by the representation of a joint distribution function of maximum peak flow and volume which is based on marginal distribution function of peak flow and conditional distribution function of volume for a given peak flow. The last one is determined by a regional adjustment procedure of a log-normal distribution function. Practical application is proposed by a probabilistic estimation procedure based on stochastic generation of a large number of hydrographs. The use of this procedure for dam hydrologic security requires a proper interpretation of the return period concept applied to bivariate hydrologic data. A standard is proposed in which it is understood as the inverse of the probability of exceeding a determined reservoir level. When relating return period and hydrological variables the only design flood hydrograph changes into a family of hydrographs which generate the same maximum reservoir level and that are represented by a curve in the peak flow-volume two-dimensional space. This family of design flood hydrographs depends on the dam characteristics as for example reservoir volume or spillway length. Two study cases illustrate the application of the developed methodology. Finally, the work has been focused on the calculation of seasonal floods which are essential when determining the reservoir operation and which can be also fundamental in terms of analysing the hydrologic security of existing reservoirs. However, seasonal flood calculation is complex and nowadays it is not totally clear. Calculation procedures commonly used may present certain problems. Statistical partial duration series, or peaks over threshold method, can be an alternative approach for their calculation that allow to solve problems encountered when the same type of event is responsible of floods in different seasons. A study has been developed to verify the hypothesis of statistical homogeneity of peak flows for different seasons in Spain. Appropriate seasonal periods have been analyzed which is highly relevant to guarantee correct results. In addition, a simple procedure has been defined to determine data selection threshold on a way that ensures its independency which is one of the main difficulties in practical application of partial series. Moreover, practical application of seasonal frequency laws requires a correct interpretation of the concept of seasonal return period. A standard is proposed in order to determine seasonal return periods coherently with the annual return period and with an adequate seasonal probability distribution. Finally a methodology is proposed to calculate seasonal peak flows. A study case illustrates the application of the proposed methodology.

Enriquecimiento de fuentes de datos con descripciones lingüísticas mediante bases de datos geográficas externas

El presente trabajo se ha centrado en la investigación de soluciones para automatizar la tarea del enriquecimiento de fuentes de datos sobre redes de sensores con descripciones lingüísticas, con el fin de facilitar la posterior generación de textos en lenguaje natural. El uso de descripciones en lenguaje natural facilita el acceso a los datos a una mayor diversidad de usuarios y, como consecuencia, permite aprovechar mejor las inversiones en redes de sensores. En el trabajo se ha considerado el uso de bases de datos abiertas para abordar la necesidad de disponer de un gran volumen y diversidad de conocimiento geográfico. Se ha analizado también el enriquecimiento de datos dentro de enfoques metodológicos de curación de datos y métodos de generación de lenguaje natural. Como resultado del trabajo, se ha planteado un método general basado en una estrategia de generación y prueba que incluye una forma de representación y uso del conocimiento heurístico con varias etapas de razonamiento para la construcción de descripciones lingüísticas de enriquecimiento de datos. En la evaluación de la propuesta general se han manejado tres escenarios, dos de ellos para generación de referencias geográficas sobre redes de sensores complejas de dimensión real y otro para la generación de referencias temporales. Los resultados de la evaluación han mostrado la validez práctica de la propuesta general exhibiendo mejoras de rendimiento respecto a otros enfoques. Además, el análisis de los resultados ha permitido identificar y cuantificar el impacto previsible de diversas líneas de mejora en bases de datos abiertas. ABSTRACT This work has focused on the search for solutions to automate the task of enrichment sensor-network-based data sources with textual descriptions, so as to facilitate the generation of natural language texts. Using natural language descriptions facilitates data access to a wider range of users and, therefore, allows better leveraging investments in sensor networks. In this work we have considered the use of open databases to address the need for a large volume and diversity of geographical knowledge. We have also analyzed data enrichment in methodological approaches and data curation methods of natural language generation. As a result, it has raised a general method based on a strategy of generating and testing that includes a representation using heuristic knowledge with several stages of reasoning for the construction of linguistic descriptions of data enrichment. In assessing the overall proposal three scenarios have been addressed, two of them in the environmental domain with complex sensor networks and another real dimension in the time domain. The evaluation results have shown the validity and practicality of our proposal, showing performance improvements over other approaches. Furthermore, the analysis of the results has allowed identifying and quantifying the expected impact of various lines of improvement in open databases.

Generación automática de la configuración de subestaciones eléctricas según el Estándar IEC 61850 a partir de una herramienta de diseño gráfico

La evolución de las redes eléctricas se dirige hacia lo que se conoce como “Smart Grids” o “Redes Eléctricas Inteligentes”. Estas “Smart Grids” se componen de subestaciones eléctricas, que a su vez se componen de unos dispositivos llamados IEDs (Dispositivos Electrónicos Inteligentes – Intelligent Electronic Devices). El diseño de IEDs se encuentra definido en la norma IEC 61850, que especifica además un Lenguaje de Configuración de Subestaciones (Substation Configuration Language SCL) para la definición de la configuración de subestaciones y sus IEDs. Hoy en día, este estándar internacional no sólo se utiliza para diseñar correctamente IEDs y asegurar su interoperabilidad, sino que también se utiliza para el diseño de otros dispositivos de la red eléctrica, como por ejemplo, medidores inteligentes. Sin embargo, aunque existe una tendencia cada vez mayor del uso de este estándar, la comprensión y el manejo del mismo resulta difícil debido al gran volumen de información que lo compone y del nivel de detalle que utiliza, por lo que su uso para el diseño de IEDs se hace tedioso sin la ayuda de un soporte software. Es por ello que, para facilitar la aplicación del estándar IEC 61850 en el diseño de IEDs se han desarrollado herramientas como “Visual SCL”, “SCL Explorer” o “61850 SCLVisual Design Tool”. En concreto, “61850 SCLVisual Design Tool” es una herramienta gráfica para el modelado de subestaciones electricas, generada mediante el uso de los frameworks Eclipse Modeling Framework (EMF) y Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) y desarrollada por el grupo de investigación SYST de la UPM. El objetivo de este proyecto es añadir una nueva funcionalidad a la herramienta “61850 Visual SCL DesignTool”. Esta nueva funcionalidad consiste en la generación automática de un fichero de configuración de subestaciones eléctricas según el estándar IEC 61850 a partir de de una herramienta de diseño gráfico. Este fichero, se denomina SCD (Substation Configuration Description), y se trata de un fichero XML conforme a un esquema XSD (XML Schema Definition) mediante el que se define el lenguaje de configuración de subestaciones SCL del IEC 61850. Para el desarrollo de este proyecto, es necesario el estudio del lenguaje para la configuración de subestaciones SCL, así como del lenguaje gráfico específico de dominio definido por la herramienta “61850 SCLVisual Design Tool”, la estructura de los ficheros SCD, y finalmente, del lenguaje EGL (Epsilon Generation Language) para la transformación y generación automática de código a partir de modelos EMF. ABSTRACT Electrical networks are evolving to “Smart Grids”. Smart Grids are composed of electrical substations that in turn are composed of devices called IEDs (Intelligent Electronic Devices). The design of IEDs is defined by the IEC 61850 standard, which also specifies a Substation Configuration Languaje (SCL) used to define the configuration of substations and their IEDs. Nowadays, this international standard is not only used to design properly IEDs and guarantee their interoperability, but it is also used to design different electrical network devices, such as, smart meters. However, although the use of this standard is growing, its compression as well as its management, is still difficult due to its large volume of information and its level of detail. As a result, designing IEDs becomes a tedious task without a software support. As a consequence of this, in order to make easier the application of the IEC 61850 standard while designing IEDs, some software tools have been developed, such as: “Visual SCL”, “SCL Explorer” or “61850 SCLVisual Design Tool”. In particular, “61850 SCLVisual Design Tool” is a graphical tool used to make electrical substations models, and developed with the Eclipse Modeling Framework (EMF) and Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) by the research group SYST of the UPM. The aim of this project is to add a new functionality to “61850 Visual SCL DesignTool”. This new functionality consists of the automatic code generation of a substation configuration file according to the IEC 61850 standard. This file is called SCD (Substation Configuration Description), and it is a XML file that follows a XSD (XML Schema Definition) that defines the Substation Configuration Language (SCL) of the IEC 61850. In order to develop this project, it is necessary to study the Substation Configuration Language (SCL), the domain-specific graphical languaje defined by the tool “61850 SCLVisual Design Tool”, the structure of a SCD file, and the Epsilon Generation Language (EGL) used for the automatic code generation from EMF models

A big data platform for large scale event processing

To date, big data applications have focused on the store-and-process paradigm. In this paper we describe an initiative to deal with big data applications for continuous streams of events. In many emerging applications, the volume of data being streamed is so large that the traditional ‘store-then-process’ paradigm is either not suitable or too inefficient. Moreover, soft-real time requirements might severely limit the engineering solutions. Many scenarios fit this description. In network security for cloud data centres, for instance, very high volumes of IP packets and events from sensors at firewalls, network switches and routers and servers need to be analyzed and should detect attacks in minimal time, in order to limit the effect of the malicious activity over the IT infrastructure. Similarly, in the fraud department of a credit card company, payment requests should be processed online and need to be processed as quickly as possible in order to provide meaningful results in real-time. An ideal system would detect fraud during the authorization process that lasts hundreds of milliseconds and deny the payment authorization, minimizing the damage to the user and the credit card company.

A method to assess annual average renewable groundwater reserves for large regions in Spain

This paper proposes a method for assessing the groundwater renewable reserves of large regions for an average year, based on the integration of the recession curves for their basins springs or the natural base flow of their rivers. In this method, the hydrodynamic volume (or renewable reserves), were estimated from the baseflow equation. It was assumed that the flow was the same as the natural recharge, and that the recession coefficients were derived by the hydrogeological parameters and geometrical characteristics of aquifers, and adjusted to fit the recession curves at gauging stations. The method was applied to all the aquifers of Spain, which have a total groundwater renewable reserve of 86,895 hm3 four times the mean annual recharge. However, the distribution of these reserves is very variable; 18.6% of the country aquifers contain 94.7% of the entire reserve.

Kinetics of amorphization induced by swift heavy ions in α-quartz

The kinetics of amorphization in crystalline SiO2 (α-quartz) under irradiation with swift heavy ions (O+1 at 4 MeV, O+4 at 13 MeV, F+2 at 5 MeV, F+4 at 15 MeV, Cl+3 at 10 MeV, Cl+4 at 20 MeV, Br+5 at 15 and 25 MeV and Br+8 at 40 MeV) has been analyzed in this work with an Avrami-type law and also with a recently developed cumulative approach (track-overlap model). This latter model assumes a track morphology consisting of an amorphous core (area σ) and a surrounding defective halo (area h), both being axially symmetric. The parameters of the two approaches which provide the best fit to the experimental data have been obtained as a function of the electronic stopping power Se. The extrapolation of the σ(Se) dependence yields a threshold value for amorphization, Sth ≈ 2.1 keV/nm; a second threshold is also observed around 4.1 keV/nm. We believe that this double-threshold effect could be related to the appearance of discontinuous tracks in the region between 2.1 and 4.1 keV/nm. For stopping power values around or below the lower threshold, where the ratio h/σ is large, the track-overlap model provides a much better fit than the Avrami function. Therefore, the data show that a right modeling of the amorphization kinetics needs to take into account the contribution of the defective track halo. Finally, a short comparative discussion with the kinetic laws obtained for elastic collision damage is given.

Mixing effect on volume growth of Fagus sylvatica and Pinus sylvestris is modulated by stand density

Despite the increasing relevance of mixed stands due to their potential benefits; little information is available with regard to the effect of mixtures on yield in forest systems. Hence, it is necessary to study inter-specific relationships, and the resulting yield in mixed stands, which may vary with stand development, site or stand density, etc. In Spain, the province of Navarra is considered one of the biodiversity reservoirs; however, mixed forests occupy only a small area, probably as a consequence of management plans, in which there is an excessive focus on the productivity aspect, favoring the presence of pure stands of the most marketable species. The aim of this paper is to study how growth efficiencies of beech (Fagus sylvatica) and pine (Pinus sylvestris) are modified by the admixture of the other species and to determine whether stand density modifies interspecific relationships and to what extent. Two models were fitted from Spanish National Forest Inventory data, for P. sylvestris and F. sylvatica respectively, which relate the growth efficiency of the species, i.e. the volume increment of the species divided by the species proportion by area, with dominant height, quadratic mean diameter, stocking degree, and the species proportions by area of each species. Growth efficiency of pine increased with the admixture of beech, decreasing this positive effect when stocking degree increased. However, the positive effect of pine admixture on beech growth was greater at higher stocking degrees. Growth efficiency of beech was also dependent on stand dominant height, resulting in a net negative mixing effect when stand dominant heights and stocking degrees were simultaneously low. There is a relatively large range of species proportions and stocking degrees which results in transgressive overyielding: higher volume increments in mixed stands than that of the most productive pure pine stands. We concluded that stocking degree is a key factor in between-species interactions, being the effects of mixing not always greater at higher stand densities, but it depends on species composition.

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.

Stability limits of minimum volume and breaking axisymmetric liquid bridges between unequal disks

This paper deals with the stability limits of minimum volume and the breaking of axisymmetric liquid columns held by capillary forces between two concentric,circular solid disk of different radii. The problem has been analyzed both theoreti-cally and experimentally. A theoretical analysis concerning the breaking of liquid bridges has been performed by using a one-dimensional slice model already used in liquid bridge problems. Experiments have been carried out by using milli-metric liquid bridges, and minimum volume stability limits as well as the volumes of the drops resulting after breaking have been measured for a large number of liquid bridge configurations. Experimental results being in agreement with theoretical prediction.

An experimental study of the breakage of liquid bridges at stability limit of minimum volume

An experimental apparatus to study the breaking process of axisymmetric liquid bridges has been developed, and the breaking sequences of a large number of liquid bridge configurations at minimum-volume stability limit have been analyzed. Experimental results show that very close to the breaking moment the neck radius of the liquid bridge varies as t1/3, where t is the time to breakage, irrespective of the value of the distance between the solid disks that support the liquid column.