Minimization of the experimental workload for the prediction of pollutants propagation in rivers. Mathematical modelling and knowledge re-use

The present thesis in focused on the minimization of experimental efforts for the prediction of pollutant propagation in rivers by mathematical modelling and knowledge re-use. Mathematical modelling is based on the well known advection-dispersion equation, while the knowledge re-use approach employs the methods of case based reasoning, graphical analysis and text mining. The thesis contribution to the pollutant transport research field consists of: (1) analytical and numerical models for pollutant transport prediction; (2) two novel techniques which enable the use of variable parameters along rivers in analytical models; (3) models for the estimation of pollutant transport characteristic parameters (velocity, dispersion coefficient and nutrient transformation rates) as functions of water flow, channel characteristics and/or seasonality; (4) the graphical analysis method to be used for the identification of pollution sources along rivers; (5) a case based reasoning tool for the identification of crucial information related to the pollutant transport modelling; (6) and the application of a software tool for the reuse of information during pollutants transport modelling research. These support tools are applicable in the water quality research field and in practice as well, as they can be involved in multiple activities. The models are capable of predicting pollutant propagation along rivers in case of both ordinary pollution and accidents. They can also be applied for other similar rivers in modelling of pollutant transport in rivers with low availability of experimental data concerning concentration. This is because models for parameter estimation developed in the present thesis enable the calculation of transport characteristic parameters as functions of river hydraulic parameters and/or seasonality. The similarity between rivers is assessed using case based reasoning tools, and additional necessary information can be identified by using the software for the information reuse. Such systems represent support for users and open up possibilities for new modelling methods, monitoring facilities and for better river water quality management tools. They are useful also for the estimation of environmental impact of possible technological changes and can be applied in the pre-design stage or/and in the practical use of processes as well.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology

Successful management of rivers requires an understanding of the fluvial processes that govern them. This, in turn cannot be achieved without a means of quantifying their geomorphology and hydrology and the spatio-temporal interactions between them, that is, their hydromorphology. For a long time, it has been laborious and time-consuming to measure river topography, especially in the submerged part of the channel. The measurement of the flow field has been challenging as well, and hence, such measurements have long been sparse in natural environments. Technological advancements in the field of remote sensing in the recent years have opened up new possibilities for capturing synoptic information on river environments. This thesis presents new developments in fluvial remote sensing of both topography and water flow. A set of close-range remote sensing methods is employed to eventually construct a high-resolution unified empirical hydromorphological model, that is, river channel and floodplain topography and three-dimensional areal flow field. Empirical as well as hydraulic theory-based optical remote sensing methods are tested and evaluated using normal colour aerial photographs and sonar calibration and reference measurements on a rocky-bed sub-Arctic river. The empirical optical bathymetry model is developed further by the introduction of a deep-water radiance parameter estimation algorithm that extends the field of application of the model to shallow streams. The effect of this parameter on the model is also assessed in a study of a sandy-bed sub-Arctic river using close-range high-resolution aerial photography, presenting one of the first examples of fluvial bathymetry modelling from unmanned aerial vehicles (UAV). Further close-range remote sensing methods are added to complete the topography integrating the river bed with the floodplain to create a seamless high-resolution topography. Boat- cart- and backpack-based mobile laser scanning (MLS) are used to measure the topography of the dry part of the channel at a high resolution and accuracy. Multitemporal MLS is evaluated along with UAV-based photogrammetry against terrestrial laser scanning reference data and merged with UAV-based bathymetry to create a two-year series of seamless digital terrain models. These allow the evaluation of the methodology for conducting high-resolution change analysis of the entire channel. The remote sensing based model of hydromorphology is completed by a new methodology for mapping the flow field in 3D. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) is deployed on a remote-controlled boat with a survey-grade global navigation satellite system (GNSS) receiver, allowing the positioning of the areally sampled 3D flow vectors in 3D space as a point cloud and its interpolation into a 3D matrix allows a quantitative volumetric flow analysis. Multitemporal areal 3D flow field data show the evolution of the flow field during a snow-melt flood event. The combination of the underwater and dry topography with the flow field yields a compete model of river hydromorphology at the reach scale.

Rehufosfaattitehtaan raaka-ainesyöttöjen säätöpiirien kehitys

Diplomityö tehtiin Kemira Chemicals Oy:n Kokkolan tehtaiden rehufosfaattitehtaalla. Työn tavoitteena oli uusien reseptiohjauksien suunnittelu ja käyttöönotto sekä tasaussäiliön pinnansäädön ja rakeistusrummun suhdesäädön suunnittelu. Käyttöhenkilöstön koulutus uuteen prosessinohjaukseen kuului myös osaksi diplomityötä. Uuden reseptiohjauksen avulla pyrittiin saamaan prosessin ohjaus havainnollisemmaksi ja ennustettavammaksi käyttäjille, yhdenmukaistamaan käyttäjien ajotapaa sekä suunnitella tuotereseptit vastaamaan paremmin todellista tuotantoa. Uusi reseptiohjaus mahdollistaa myös lajikekohtaisten parametrien käytön ja hyväksi havaittujen ajoreseptien tallennuksen. Tasaussäiliön pinnankorkeuden säädön tavoitteena on poistaa tuotantokatkokset, jotka johtuivat säiliön tyhjenemisestä tai täyttymisestä. Rakeistusrummun suhdesäädön tavoitteena on reaktoriliemen ja kuiva-ainesyöttöjen oikean suhteen säilyttäminen. Uuden reseptiohjauksen käyttöönoton jälkeen ajoreseptit ovat vastanneet todellista tuotantoa ja tuotantovauhti on jäänyt pysyvästi korkeammalle tasolle. Tasaussäiliön pinnansäätö toimii suunnitellulla tavalla ja on myös otettu käyttöön. Reaktoriliemen ja kuivasyöttöjen suhdesäätö on testattu käytännössä ja toimii halutulla tavalla. Suhdesäädön paremman toiminnan kannalta epätarkkoja toimilaitteita tulisi kuitenkin uusia.

Kuplaleijupetikattilan dynaaminen malli

Työn tavoitteena oli rakentaa dynaaminen malli kuplaleijupetikattilasta APROS- ohjelmistoa käyttäen. Tarkoituksena oli selvittää kyseisen ohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen voimalaitoskattilan mallintamiseen. Mallin rakentamisen perustana oli toiminnassa oleva kuplaleijupetillä varustettu voimalaitoskattila. Näin oli käytettävissä riittävä määrä aineistoa mallin rakenteen luomiseen ja valmiin mallin sovittamiseen. Työ on luonteeltaan kaksiosainen. Ensimmäinen osa on kirjallisuusosa, jossa esitellään mallinnuksen kohteena olevaa tekniikkaa. Tekniikasta annetaan kuva esittelemällä perusteoria ja käytännön sovellukset. Lisäksi esitellään kattilassa käytettävät polttoaineet. Kirjallisuusosassa esitellään myös käytettävä APROS-mallinnusohjelmisto. Ohjelmiston laskennan perusteita ei erikseen esitellä. Ne pohjautuvat yleiseen termodynamiikan ja lämmönsiirron teoriaan. Ohjelmiston käytöstä ja sen toiminnasta yleensä annetaan yleisluontoinen selostus. Toisessa osassa mallin rakentaminen esitellään vaiheittain ja siinä järjestyksessä kuin se mallia rakennettaessa tehtiin. Kattilamallin toimintaa testattiin vertaamalla kattilan mitoitustilaan viritettyä mallia takuukokeiden mittaustuloksiin. Lisäksi testattiin mallin toimintaa osakuormalla koeajojakson soveltuvasta osakuormatilasta saatuihin mittausarvoihin. Mallin jatkokehitys pitää sisällään laajamittaisen automaation luomisen ja erilaisten muutostilojen testaamista mallilla.

Non-Markovianity and Quantum Correlations in Qubit-Systems

In this Thesis I discuss the exact dynamics of simple non-Markovian systems. I focus on fundamental questions at the core of non-Markovian theory and investigate the dynamics of quantum correlations under non-Markovian decoherence. In the first context I present the connection between two different non-Markovian approaches, and compare two distinct definitions of non-Markovianity. The general aim is to characterize in exemplary cases which part of the environment is responsible for the feedback of information typical of non- Markovian dynamics. I also show how such a feedback of information is not always described by certain types of master equations commonly used to tackle non-Markovian dynamics. In the second context I characterize the dynamics of two qubits in a common non-Markovian reservoir, and introduce a new dynamical effect in a wellknown model, i.e., two qubits under depolarizing channels. In the first model the exact solution of the dynamics is found, and the entanglement behavior is extensively studied. The non-Markovianity of the reservoir and reservoirmediated-interaction between the qubits cause non-trivial dynamical features. The dynamical interplay between different types of correlations is also investigated. In the second model the study of quantum and classical correlations demonstrates the existence of a new effect: the sudden transition between classical and quantum decoherence. This phenomenon involves the complete preservation of the initial quantum correlations for long intervals of time of the order of the relaxation time of the system.

Non-Markovian Dynamics and the Quantum-To-Classical Transition for Quantum Brownian Motion

In this Thesis I discuss the dynamics of the quantum Brownian motion model in harmonic potential. This paradigmatic model has an exact solution, making it possible to consider also analytically the non-Markovian dynamics. The issues covered in this Thesis are themed around decoherence. First, I consider decoherence as the mediator of quantum-to-classical transition. I examine five different definitions for nonclassicality of quantum states, and show how each definition gives qualitatively different times for the onset of classicality. In particular I have found that all characterizations of nonclassicality, apart from one based on the interference term in the Wigner function, result in a finite, rather than asymptotic, time for the emergence of classicality. Second, I examine the diverse effects which coupling to a non-Markovian, structured reservoir, has on our system. By comparing different types of Ohmic reservoirs, I derive some general conclusions on the role of the reservoir spectrum in both the short-time and the thermalization dynamics. Finally, I apply these results to two schemes for decoherence control. Both of the methods are based on the non-Markovian properties of the dynamics.

Vesien tila hyväksi yhdessä : Vaikuta vesienhoidon työohjelmaan ja keskeisiin kysymyksiin Oulujoen-Iijoen vesienhoitoalueella 2012-2021

Vesienhoidon tavoitteena on laajan yhteistyön avulla säilyttää vesien hyvä tila sekä parantaa vesien tilaa siellä, missä se on päässyt heikentymään. Vesienhoidon suunnittelu etenee kuuden vuoden jaksoissa. Toisen suunnittelukierroksen aikana päivitetään vuonna 2009 hyväksytyt, vesienhoitoaluekohtaiset vesienhoito¬suunnitelmat ja toimenpideohjelmat laajassa yhteis-työssä ja eri tahoja kuullen. Antamalla palautetta voit vaikuttaa siihen, miten oman alueesi vesistöt, rannikkovedet ja pohjavedet sekä niiden tilaan vaikuttavat toiminnot otetaan suunnittelussa huomioon. Työohjelma ja aikataulu ovat samat kaikilla vesienhoitoalueilla. Vesienhoidon keskeiset kysymykset ja suunnittelun alueellinen organisointi vaihtelevat eri vesienhoitoalueilla. Tässä asiakirjassa käsitellään keskeisiä kysymyksiä, jotka liittyvät Oulujoen-Iijoen vesienhoitoalueen järvien, jokien, pohjavesien ja rannikkoalueiden tilan parantamiseen. Oulujoen-Iijoen vesienhoitoalue kattaa Perämereen laskevat vesistöt Kalajoelta Kuivajoelle sekä Koillismaalta itään laskevat vesistöt. Samalla maantieteellisellä alueella tarkastellaan myös pohja- ja rannikkovesiä.