Balancing groundwater conservation and rural livelihoods under water and climate uncertainties: An integrated hydro-economic modeling framework

In arid countries worldwide, social conflicts between irrigation-based human development and the conservation of aquatic ecosystems are widespread and attract many public debates. This research focuses on the analysis of water and agricultural policies aimed at conserving groundwater resources and maintaining rurallivelihoods in a basin in Spain's central arid region. Intensive groundwater mining for irrigation has caused overexploitation of the basin's large aquifer, the degradation of reputed wetlands and has given rise to notable social conflicts over the years. With the aim of tackling the multifaceted socio-ecological interactions of complex water systems, the methodology used in this study consists in a novel integration into a common platform of an economic optimization model and a hydrology model WEAP (Water Evaluation And Planning system). This robust tool is used to analyze the spatial and temporal effects of different water and agricultural policies under different climate scenarios. It permits the prediction of different climate and policy outcomes across farm types (water stress impacts and adaptation), at basin's level (aquifer recovery), and along the policies’ implementation horizon (short and long run). Results show that the region's current quota-based water policies may contribute to reduce water consumption in the farms but will not be able to recover the aquifer and will inflict income losses to the rural communities. This situation would worsen in case of drought. Economies of scale and technology are evidenced as larger farms with cropping diversification and those equipped with modern irrigation will better adapt to water stress conditions. However, the long-term sustainability of the aquifer and the maintenance of rurallivelihoods will be attained only if additional policy measures are put in place such as the control of illegal abstractions and the establishing of a water bank. Within the policy domain, the research contributes to the new sustainable development strategy of the EU by concluding that, in water-scarce regions, effective integration of water and agricultural policies is essential for achieving the water protection objectives of the EU policies. Therefore, the design and enforcement of well-balanced region-specific polices is a major task faced by policy makers for achieving successful water management that will ensure nature protection and human development at tolerable social costs. From a methodological perspective, this research initiative contributes to better address hydrological questions as well as economic and social issues in complex water and human systems. Its integrated vision provides a valuable illustration to inform water policy and management decisions within contexts of water-related conflicts worldwide.

Evaluación y análisis de la trazabilidad metrológica en redes para la verificación y calibración de instrumental GNSS (Global Navigation Satellite System)

Los estudios realizados hasta el momento para la determinación de la calidad de medida del instrumental geodésico han estado dirigidos, fundamentalmente, a las medidas angulares y de distancias. Sin embargo, en los últimos años se ha impuesto la tendencia generalizada de utilizar equipos GNSS (Global Navigation Satellite System) en el campo de las aplicaciones geomáticas sin que se haya establecido una metodología que permita obtener la corrección de calibración y su incertidumbre para estos equipos. La finalidad de esta Tesis es establecer los requisitos que debe satisfacer una red para ser considerada Red Patrón con trazabilidad metrológica, así como la metodología para la verificación y calibración de instrumental GNSS en redes patrón. Para ello, se ha diseñado y elaborado un procedimiento técnico de calibración de equipos GNSS en el que se han definido las contribuciones a la incertidumbre de medida. El procedimiento, que se ha aplicado en diferentes redes para distintos equipos, ha permitido obtener la incertidumbre expandida de dichos equipos siguiendo las recomendaciones de la Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement del Joint Committee for Guides in Metrology. Asimismo, se han determinado mediante técnicas de observación por satélite las coordenadas tridimensionales de las bases que conforman las redes consideradas en la investigación, y se han desarrollado simulaciones en función de diversos valores de las desviaciones típicas experimentales de los puntos fijos que se han utilizado en el ajuste mínimo cuadrático de los vectores o líneas base. Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto la importancia que tiene el conocimiento de las desviaciones típicas experimentales en el cálculo de incertidumbres de las coordenadas tridimensionales de las bases. Basándose en estudios y observaciones de gran calidad técnica, llevados a cabo en estas redes con anterioridad, se ha realizado un exhaustivo análisis que ha permitido determinar las condiciones que debe satisfacer una red patrón. Además, se han diseñado procedimientos técnicos de calibración que permiten calcular la incertidumbre expandida de medida de los instrumentos geodésicos que proporcionan ángulos y distancias obtenidas por métodos electromagnéticos, ya que dichos instrumentos son los que van a permitir la diseminación de la trazabilidad metrológica a las redes patrón para la verificación y calibración de los equipos GNSS. De este modo, ha sido posible la determinación de las correcciones de calibración local de equipos GNSS de alta exactitud en las redes patrón. En esta Tesis se ha obtenido la incertidumbre de la corrección de calibración mediante dos metodologías diferentes; en la primera se ha aplicado la propagación de incertidumbres, mientras que en la segunda se ha aplicado el método de Monte Carlo de simulación de variables aleatorias. El análisis de los resultados obtenidos confirma la validez de ambas metodologías para la determinación de la incertidumbre de calibración de instrumental GNSS. ABSTRACT The studies carried out so far for the determination of the quality of measurement of geodetic instruments have been aimed, primarily, to measure angles and distances. However, in recent years it has been accepted to use GNSS (Global Navigation Satellite System) equipment in the field of Geomatic applications, for data capture, without establishing a methodology that allows obtaining the calibration correction and its uncertainty. The purpose of this Thesis is to establish the requirements that a network must meet to be considered a StandardNetwork with metrological traceability, as well as the methodology for the verification and calibration of GNSS instrumental in those standard networks. To do this, a technical calibration procedure has been designed, developed and defined for GNSS equipment determining the contributions to the uncertainty of measurement. The procedure, which has been applied in different networks for different equipment, has alloweddetermining the expanded uncertainty of such equipment following the recommendations of the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement of the Joint Committee for Guides in Metrology. In addition, the three-dimensional coordinates of the bases which constitute the networks considered in the investigationhave been determined by satellite-based techniques. There have been several developed simulations based on different values of experimental standard deviations of the fixed points that have been used in the least squares vectors or base lines calculations. The results have shown the importance that the knowledge of experimental standard deviations has in the calculation of uncertainties of the three-dimensional coordinates of the bases. Based on high technical quality studies and observations carried out in these networks previously, it has been possible to make an exhaustive analysis that has allowed determining the requirements that a standard network must meet. In addition, technical calibration procedures have been developed to allow the uncertainty estimation of measurement carried outby geodetic instruments that provide angles and distances obtained by electromagnetic methods. These instruments provide the metrological traceability to standard networks used for verification and calibration of GNSS equipment. As a result, it has been possible the estimation of local calibration corrections for high accuracy GNSS equipment in standardnetworks. In this Thesis, the uncertainty of calibration correction has been calculated using two different methodologies: the first one by applying the law of propagation of uncertainty, while the second has applied the propagation of distributions using the Monte Carlo method. The analysis of the obtained results confirms the validity of both methodologies for estimating the calibration uncertainty of GNSS equipment.

Uncertainties in the modal estimation from output-only data in civil structures

Cualquier estructura vibra según unas frecuencias propias definidas por sus parámetros modales (frecuencias naturales, amortiguamientos y formas modales). A través de las mediciones de la vibración en puntos clave de la estructura, los parámetros modales pueden ser estimados. En estructuras civiles, es difícil excitar una estructura de manera controlada, por lo tanto, las técnicas que implican la estimación de los parámetros modales sólo registrando su respuesta son de vital importancia para este tipo de estructuras. Esta técnica se conoce como Análisis Modal Operacional (OMA). La técnica del OMA no necesita excitar artificialmente la estructura, atendiendo únicamente a su comportamiento en servicio. La motivación para llevar a cabo pruebas de OMA surge en el campo de la Ingeniería Civil, debido a que excitar artificialmente con éxito grandes estructuras no sólo resulta difícil y costoso, sino que puede incluso dañarse la estructura. Su importancia reside en que el comportamiento global de una estructura está directamente relacionado con sus parámetros modales, y cualquier variación de rigidez, masa o condiciones de apoyo, aunque sean locales, quedan reflejadas en los parámetros modales. Por lo tanto, esta identificación puede integrarse en un sistema de vigilancia de la integridad estructural. La principal dificultad para el uso de los parámetros modales estimados mediante OMA son las incertidumbres asociadas a este proceso de estimación. Existen incertidumbres en el valor de los parámetros modales asociadas al proceso de cálculo (internos) y también asociadas a la influencia de los factores ambientales (externas), como es la temperatura. Este Trabajo Fin de Máster analiza estas dos fuentes de incertidumbre. Es decir, en primer lugar, para una estructura de laboratorio, se estudian y cuantifican las incertidumbres asociadas al programa de OMA utilizado. En segundo lugar, para una estructura en servicio (una pasarela de banda tesa), se estudian tanto el efecto del programa OMA como la influencia del factor ambiental en la estimación de los parámetros modales. Más concretamente, se ha propuesto un método para hacer un seguimiento de las frecuencias naturales de un mismo modo. Este método incluye un modelo de regresión lineal múltiple que permite eliminar la influencia de estos agentes externos. A structure vibrates according to some of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). Through the measurements of the vibration at key points of the structure, the modal parameters can be estimated. In civil engineering structures, it is difficult to excite structures in a controlled manner, thus, techniques involving output-only modal estimation are of vital importance for these structure. This techniques are known as Operational Modal Analysis (OMA). The OMA technique does not need to excite artificially the structure, this considers its behavior in service only. The motivation for carrying out OMA tests arises in the area of Civil Engineering, because successfully artificially excite large structures is difficult and expensive. It also may even damage the structure. The main goal is that the global behavior of a structure is directly related to their modal parameters, and any variation of stiffness, mass or support conditions, although it is local, is also reflected in the modal parameters. Therefore, this identification may be within a Structural Health Monitoring system. The main difficulty for using the modal parameters estimated by an OMA is the uncertainties associated to this estimation process. Thus, there are uncertainties in the value of the modal parameters associated to the computing process (internal) and the influence of environmental factors (external), such as the temperature. This Master’s Thesis analyzes these two sources of uncertainties. That is, firstly, for a lab structure, the uncertainties associated to the OMA program used are studied and quantified. Secondly, for an in-service structure (a stress-ribbon footbridge), both the effect of the OMA program and the influence of environmental factor on the modal parameters estimation are studied. More concretely, a method to track natural frequencies of the same mode has been proposed. This method includes a multiple linear regression model that allows to remove the influence of these external agents.

Sistema de simulación de escenarios de ciclos avanzados de combustible nuclear en transición = Simulation system for advanced fuel cycle transition scenarios

El estudio de los ciclos del combustible nuclear requieren de herramientas computacionales o "códigos" versátiles para dar respuestas al problema multicriterio de evaluar los actuales ciclos o las capacidades de las diferentes estrategias y escenarios con potencial de desarrollo en a nivel nacional, regional o mundial. Por otra parte, la introducción de nuevas tecnologías para reactores y procesos industriales hace que los códigos existentes requieran nuevas capacidades para evaluar la transición del estado actual del ciclo del combustible hacia otros más avanzados y sostenibles. Brevemente, esta tesis se centra en dar respuesta a las principales preguntas, en términos económicos y de recursos, al análisis de escenarios de ciclos de combustible, en particular, para el análisis de los diferentes escenarios del ciclo del combustible de relativa importancia para España y Europa. Para alcanzar este objetivo ha sido necesaria la actualización y el desarrollo de nuevas capacidades del código TR_EVOL (Transition Evolution code). Este trabajo ha sido desarrollado en el Programa de Innovación Nuclear del CIEMAT desde el año 2010. Esta tesis se divide en 6 capítulos. El primer capítulo ofrece una visión general del ciclo de combustible nuclear, sus principales etapas y los diferentes tipos utilizados en la actualidad o en desarrollo para el futuro. Además, se describen las fuentes de material nuclear que podrían ser utilizadas como combustible (uranio y otros). También se puntualizan brevemente una serie de herramientas desarrolladas para el estudio de estos ciclos de combustible nuclear. El capítulo 2 está dirigido a dar una idea básica acerca de los costes involucrados en la generación de electricidad mediante energía nuclear. Aquí se presentan una clasificación de estos costos y sus estimaciones, obtenidas en la bibliografía, y que han sido evaluadas y utilizadas en esta tesis. Se ha incluido también una breve descripción del principal indicador económico utilizado en esta tesis, el “coste nivelado de la electricidad”. El capítulo 3 se centra en la descripción del código de simulación desarrollado para el estudio del ciclo del combustible nuclear, TR_EVOL, que ha sido diseñado para evaluar diferentes opciones de ciclos de combustibles. En particular, pueden ser evaluados las diversos reactores con, posiblemente, diferentes tipos de combustibles y sus instalaciones del ciclo asociadas. El módulo de evaluaciones económica de TR_EVOL ofrece el coste nivelado de la electricidad haciendo uso de las cuatro fuentes principales de información económica y de la salida del balance de masas obtenido de la simulación del ciclo en TR_EVOL. Por otra parte, la estimación de las incertidumbres en los costes también puede ser efectuada por el código. Se ha efectuado un proceso de comprobación cruzada de las funcionalidades del código y se descrine en el Capítulo 4. El proceso se ha aplicado en cuatro etapas de acuerdo con las características más importantes de TR_EVOL, balance de masas, composición isotópica y análisis económico. Así, la primera etapa ha consistido en el balance masas del ciclo de combustible nuclear actual de España. La segunda etapa se ha centrado en la comprobación de la composición isotópica del flujo de masas mediante el la simulación del ciclo del combustible definido en el proyecto CP-ESFR UE. Las dos últimas etapas han tenido como objetivo validar el módulo económico. De este modo, en la tercera etapa han sido evaluados los tres principales costes (financieros, operación y mantenimiento y de combustible) y comparados con los obtenidos por el proyecto ARCAS, omitiendo los costes del fin del ciclo o Back-end, los que han sido evaluado solo en la cuarta etapa, haciendo uso de costes unitarios y parámetros obtenidos a partir de la bibliografía. En el capítulo 5 se analizan dos grupos de opciones del ciclo del combustible nuclear de relevante importancia, en términos económicos y de recursos, para España y Europa. Para el caso español, se han simulado dos grupos de escenarios del ciclo del combustible, incluyendo estrategias de reproceso y extensión de vida de los reactores. Este análisis se ha centrado en explorar las ventajas y desventajas de reprocesado de combustible irradiado en un país con una “relativa” pequeña cantidad de reactores nucleares. Para el grupo de Europa se han tratado cuatro escenarios, incluyendo opciones de transmutación. Los escenarios incluyen los reactores actuales utilizando la tecnología reactor de agua ligera y ciclo abierto, un reemplazo total de los reactores actuales con reactores rápidos que queman combustible U-Pu MOX y dos escenarios del ciclo del combustible con transmutación de actínidos minoritarios en una parte de los reactores rápidos o en sistemas impulsados por aceleradores dedicados a transmutación. Finalmente, el capítulo 6 da las principales conclusiones obtenidas de esta tesis y los trabajos futuros previstos en el campo del análisis de ciclos de combustible nuclear. ABSTRACT The study of the nuclear fuel cycle requires versatile computational tools or “codes” to provide answers to the multicriteria problem of assessing current nuclear fuel cycles or the capabilities of different strategies and scenarios with potential development in a country, region or at world level. Moreover, the introduction of new technologies for reactors and industrial processes makes the existing codes to require new capabilities to assess the transition from current status of the fuel cycle to the more advanced and sustainable ones. Briefly, this thesis is focused in providing answers to the main questions about resources and economics in fuel cycle scenario analyses, in particular for the analysis of different fuel cycle scenarios with relative importance for Spain and Europe. The upgrade and development of new capabilities of the TR_EVOL code (Transition Evolution code) has been necessary to achieve this goal. This work has been developed in the Nuclear Innovation Program at CIEMAT since year 2010. This thesis is divided in 6 chapters. The first one gives an overview of the nuclear fuel cycle, its main stages and types currently used or in development for the future. Besides the sources of nuclear material that could be used as fuel (uranium and others) are also viewed here. A number of tools developed for the study of these nuclear fuel cycles are also briefly described in this chapter. Chapter 2 is aimed to give a basic idea about the cost involved in the electricity generation by means of the nuclear energy. The main classification of these costs and their estimations given by bibliography, which have been evaluated in this thesis, are presented. A brief description of the Levelized Cost of Electricity, the principal economic indicator used in this thesis, has been also included. Chapter 3 is focused on the description of the simulation tool TR_EVOL developed for the study of the nuclear fuel cycle. TR_EVOL has been designed to evaluate different options for the fuel cycle scenario. In particular, diverse nuclear power plants, having possibly different types of fuels and the associated fuel cycle facilities can be assessed. The TR_EVOL module for economic assessments provides the Levelized Cost of Electricity making use of the TR_EVOL mass balance output and four main sources of economic information. Furthermore, uncertainties assessment can be also carried out by the code. A cross checking process of the performance of the code has been accomplished and it is shown in Chapter 4. The process has been applied in four stages according to the most important features of TR_EVOL. Thus, the first stage has involved the mass balance of the current Spanish nuclear fuel cycle. The second stage has been focused in the isotopic composition of the mass flow using the fuel cycle defined in the EU project CP-ESFR. The last two stages have been aimed to validate the economic module. In the third stage, the main three generation costs (financial cost, O&M and fuel cost) have been assessed and compared to those obtained by ARCAS project, omitting the back-end costs. This last cost has been evaluated alone in the fourth stage, making use of some unit cost and parameters obtained from the bibliography. In Chapter 5 two groups of nuclear fuel cycle options with relevant importance for Spain and Europe are analyzed in economic and resources terms. For the Spanish case, two groups of fuel cycle scenarios have been simulated including reprocessing strategies and life extension of the current reactor fleet. This analysis has been focused on exploring the advantages and disadvantages of spent fuel reprocessing in a country with relatively small amount of nuclear power plants. For the European group, four fuel cycle scenarios involving transmutation options have been addressed. Scenarios include the current fleet using Light Water Reactor technology and open fuel cycle, a full replacement of the initial fleet with Fast Reactors burning U-Pu MOX fuel and two fuel cycle scenarios with Minor Actinide transmutation in a fraction of the FR fleet or in dedicated Accelerator Driven Systems. Finally, Chapter 6 gives the main conclusions obtained from this thesis and the future work foreseen in the field of nuclear fuel cycle analysis.

A linearization-based system reliability method with application to geotechnical analysis

Los análisis de fiabilidad representan una herramienta adecuada para contemplar las incertidumbres inherentes que existen en los parámetros geotécnicos. En esta Tesis Doctoral se desarrolla una metodología basada en una linealización sencilla, que emplea aproximaciones de primer o segundo orden, para evaluar eficientemente la fiabilidad del sistema en los problemas geotécnicos. En primer lugar, se emplean diferentes métodos para analizar la fiabilidad de dos aspectos propios del diseño de los túneles: la estabilidad del frente y el comportamiento del sostenimiento. Se aplican varias metodologías de fiabilidad — el Método de Fiabilidad de Primer Orden (FORM), el Método de Fiabilidad de Segundo Orden (SORM) y el Muestreo por Importancia (IS). Los resultados muestran que los tipos de distribución y las estructuras de correlación consideradas para todas las variables aleatorias tienen una influencia significativa en los resultados de fiabilidad, lo cual remarca la importancia de una adecuada caracterización de las incertidumbres geotécnicas en las aplicaciones prácticas. Los resultados también muestran que tanto el FORM como el SORM pueden emplearse para estimar la fiabilidad del sostenimiento de un túnel y que el SORM puede mejorar el FORM con un esfuerzo computacional adicional aceptable. Posteriormente, se desarrolla una metodología de linealización para evaluar la fiabilidad del sistema en los problemas geotécnicos. Esta metodología solamente necesita la información proporcionada por el FORM: el vector de índices de fiabilidad de las funciones de estado límite (LSFs) que componen el sistema y su matriz de correlación. Se analizan dos problemas geotécnicos comunes —la estabilidad de un talud en un suelo estratificado y un túnel circular excavado en roca— para demostrar la sencillez, precisión y eficiencia del procedimiento propuesto. Asimismo, se reflejan las ventajas de la metodología de linealización con respecto a las herramientas computacionales alternativas. Igualmente se muestra que, en el caso de que resulte necesario, se puede emplear el SORM —que aproxima la verdadera LSF mejor que el FORM— para calcular estimaciones más precisas de la fiabilidad del sistema. Finalmente, se presenta una nueva metodología que emplea Algoritmos Genéticos para identificar, de manera precisa, las superficies de deslizamiento representativas (RSSs) de taludes en suelos estratificados, las cuales se emplean posteriormente para estimar la fiabilidad del sistema, empleando la metodología de linealización propuesta. Se adoptan tres taludes en suelos estratificados característicos para demostrar la eficiencia, precisión y robustez del procedimiento propuesto y se discuten las ventajas del mismo con respecto a otros métodos alternativos. Los resultados muestran que la metodología propuesta da estimaciones de fiabilidad que mejoran los resultados previamente publicados, enfatizando la importancia de hallar buenas RSSs —y, especialmente, adecuadas (desde un punto de vista probabilístico) superficies de deslizamiento críticas que podrían ser no-circulares— para obtener estimaciones acertadas de la fiabilidad de taludes en suelos. Reliability analyses provide an adequate tool to consider the inherent uncertainties that exist in geotechnical parameters. This dissertation develops a simple linearization-based approach, that uses first or second order approximations, to efficiently evaluate the system reliability of geotechnical problems. First, reliability methods are employed to analyze the reliability of two tunnel design aspects: face stability and performance of support systems. Several reliability approaches —the first order reliability method (FORM), the second order reliability method (SORM), the response surface method (RSM) and importance sampling (IS)— are employed, with results showing that the assumed distribution types and correlation structures for all random variables have a significant effect on the reliability results. This emphasizes the importance of an adequate characterization of geotechnical uncertainties for practical applications. Results also show that both FORM and SORM can be used to estimate the reliability of tunnel-support systems; and that SORM can outperform FORM with an acceptable additional computational effort. A linearization approach is then developed to evaluate the system reliability of series geotechnical problems. The approach only needs information provided by FORM: the vector of reliability indices of the limit state functions (LSFs) composing the system, and their correlation matrix. Two common geotechnical problems —the stability of a slope in layered soil and a circular tunnel in rock— are employed to demonstrate the simplicity, accuracy and efficiency of the suggested procedure. Advantages of the linearization approach with respect to alternative computational tools are discussed. It is also found that, if necessary, SORM —that approximates the true LSF better than FORM— can be employed to compute better estimations of the system’s reliability. Finally, a new approach using Genetic Algorithms (GAs) is presented to identify the fully specified representative slip surfaces (RSSs) of layered soil slopes, and such RSSs are then employed to estimate the system reliability of slopes, using our proposed linearization approach. Three typical benchmark-slopes with layered soils are adopted to demonstrate the efficiency, accuracy and robustness of the suggested procedure, and advantages of the proposed method with respect to alternative methods are discussed. Results show that the proposed approach provides reliability estimates that improve previously published results, emphasizing the importance of finding good RSSs —and, especially, good (probabilistic) critical slip surfaces that might be non-circular— to obtain good estimations of the reliability of soil slope systems.