A Web GIS Decision Support System For Coastal Risk Assessment and Mitigation Planning

Coastal flooding poses serious threats to coastal areas around the world, billions of dollars in damage to property and infrastructure, and threatens the lives of millions of people. Therefore, disaster management and risk assessment aims at detecting vulnerability and capacities in order to reduce coastal flood disaster risk. In particular, non-specialized researchers, emergency management personnel, and land use planners require an accurate, inexpensive method to determine and map risk associated with storm surge events and long-term sea level rise associated with climate change. This study contributes to the spatially evaluation and mapping of social-economic-environmental vulnerability and risk at sub-national scale through the development of appropriate tools and methods successfully embedded in a Web-GIS Decision Support System. A new set of raster-based models were studied and developed in order to be easily implemented in the Web-GIS framework with the purpose to quickly assess and map flood hazards characteristics, damage and vulnerability in a Multi-criteria approach. The Web-GIS DSS is developed recurring to open source software and programming language and its main peculiarity is to be available and usable by coastal managers and land use planners without requiring high scientific background in hydraulic engineering. The effectiveness of the system in the coastal risk assessment is evaluated trough its application to a real case study.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povertà e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma più del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si è affermato il forte legame tra tutela dell’ambiente e riduzione della povertà, ed è anche stata riconosciuta l’importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell’Africa, dell’Asia e dell’America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi è anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse più velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di “metabolizzare” i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povertà: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa metà della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povertà ed ambiente non dipende solamente dalla scarsità di risorse che rende più difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione più povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l’impronta ecologica con una misura riconosciuta dello “sviluppo umano”, l’Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ciò che noi accettiamo generalmente come “alto sviluppo” è molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti “sviluppati” sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo “sviluppo” mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell’uomo, allora vuol dire che il concetto di “sviluppo” deve essere rivisitato, perché ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l’accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi è la “società occidentale”, che promuove l’avanzamento della tecnologia e dell’industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre più stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l’ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall’altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i “moradores” delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i “waste pickers” delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povertà, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell’ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell’ecosistema e l’accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti più efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una società più equa, in quanto le merci ed i servizi dell’ecosistema fungono da beni per le comunità. La corretta gestione dell’ambiente e delle risorse quindi è di estrema importanza per la lotta alla povertà ed in questo caso il ruolo e la responsabilità dei tecnici ambientali è cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall’analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povertà, rivisitando il concetto tradizionale di “sviluppo” secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni più povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie più adeguate al contesto di intervento. Dopo l’analisi dello “stato del Pianeta” (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povertà, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di “sviluppo sostenibile” e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall’analisi dello stato dell’ambiente, della povertà e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell’economia della crescita (oggi visibile più che mai) si può comprendere che la soluzione per sconfiggere la povertà, il degrado dell’ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non è il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l’industrializzazione; ma il “piccolo e bello” (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le “tecnologie appropriate”. Ed è proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunità, tecnologie che permettono alle popolazioni più povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell’ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunità locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilità ambientale, contribuendo all’affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell’ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all’approvvigionamento idrico e alla depurazione dell’acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l’approvvigionamento idrico, - la raccolta dell’acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell’acqua al punto d’uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell’ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povertà e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunità beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All’interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come già detto, la povertà e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell’ambiente, garantire l’accesso all’acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonché l’approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di “sviluppo”, di condurre una vita sana e produttiva. È importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l’adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l’ambiente e a tutelare la salute della comunità. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti è l’utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realtà svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cioè che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l’individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale più appropriato ad ogni contesto specifico. Dall’analisi dei vari strumenti valutativi si è scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull’Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L’oggetto di questa ricerca è stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell’Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l’appropriatezza, la sostenibilità degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all’interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l’utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - “Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi”, Algeria, - “Programa 1 milhão de Cisternas, P1MC” e - “Programa Uma Terra e Duas Águas, P1+2”, Semi Arido brasiliano.

Development of Clinical Decision Support Systems based on Mathematical Models of Physiological Systems

In the last years of research, I focused my studies on different physiological problems. Together with my supervisors, I developed/improved different mathematical models in order to create valid tools useful for a better understanding of important clinical issues. The aim of all this work is to develop tools for learning and understanding cardiac and cerebrovascular physiology as well as pathology, generating research questions and developing clinical decision support systems useful for intensive care unit patients. I. ICP-model Designed for Medical Education We developed a comprehensive cerebral blood flow and intracranial pressure model to simulate and study the complex interactions in cerebrovascular dynamics caused by multiple simultaneous alterations, including normal and abnormal functional states of auto-regulation of the brain. Individual published equations (derived from prior animal and human studies) were implemented into a comprehensive simulation program. Included in the normal physiological modelling was: intracranial pressure, cerebral blood flow, blood pressure, and carbon dioxide (CO2) partial pressure. We also added external and pathological perturbations, such as head up position and intracranial haemorrhage. The model performed clinically realistically given inputs of published traumatized patients, and cases encountered by clinicians. The pulsatile nature of the output graphics was easy for clinicians to interpret. The manoeuvres simulated include changes of basic physiological inputs (e.g. blood pressure, central venous pressure, CO2 tension, head up position, and respiratory effects on vascular pressures) as well as pathological inputs (e.g. acute intracranial bleeding, and obstruction of cerebrospinal outflow). Based on the results, we believe the model would be useful to teach complex relationships of brain haemodynamics and study clinical research questions such as the optimal head-up position, the effects of intracranial haemorrhage on cerebral haemodynamics, as well as the best CO2 concentration to reach the optimal compromise between intracranial pressure and perfusion. We believe this model would be useful for both beginners and advanced learners. It could be used by practicing clinicians to model individual patients (entering the effects of needed clinical manipulations, and then running the model to test for optimal combinations of therapeutic manoeuvres). II. A Heterogeneous Cerebrovascular Mathematical Model Cerebrovascular pathologies are extremely complex, due to the multitude of factors acting simultaneously on cerebral haemodynamics. In this work, the mathematical model of cerebral haemodynamics and intracranial pressure dynamics, described in the point I, is extended to account for heterogeneity in cerebral blood flow. The model includes the Circle of Willis, six regional districts independently regulated by autoregulation and CO2 reactivity, distal cortical anastomoses, venous circulation, the cerebrospinal fluid circulation, and the intracranial pressure-volume relationship. Results agree with data in the literature and highlight the existence of a monotonic relationship between transient hyperemic response and the autoregulation gain. During unilateral internal carotid artery stenosis, local blood flow regulation is progressively lost in the ipsilateral territory with the presence of a steal phenomenon, while the anterior communicating artery plays the major role to redistribute the available blood flow. Conversely, distal collateral circulation plays a major role during unilateral occlusion of the middle cerebral artery. In conclusion, the model is able to reproduce several different pathological conditions characterized by heterogeneity in cerebrovascular haemodynamics and can not only explain generalized results in terms of physiological mechanisms involved, but also, by individualizing parameters, may represent a valuable tool to help with difficult clinical decisions. III. Effect of Cushing Response on Systemic Arterial Pressure. During cerebral hypoxic conditions, the sympathetic system causes an increase in arterial pressure (Cushing response), creating a link between the cerebral and the systemic circulation. This work investigates the complex relationships among cerebrovascular dynamics, intracranial pressure, Cushing response, and short-term systemic regulation, during plateau waves, by means of an original mathematical model. The model incorporates the pulsating heart, the pulmonary circulation and the systemic circulation, with an accurate description of the cerebral circulation and the intracranial pressure dynamics (same model as in the first paragraph). Various regulatory mechanisms are included: cerebral autoregulation, local blood flow control by oxygen (O2) and/or CO2 changes, sympathetic and vagal regulation of cardiovascular parameters by several reflex mechanisms (chemoreceptors, lung-stretch receptors, baroreceptors). The Cushing response has been described assuming a dramatic increase in sympathetic activity to vessels during a fall in brain O2 delivery. With this assumption, the model is able to simulate the cardiovascular effects experimentally observed when intracranial pressure is artificially elevated and maintained at constant level (arterial pressure increase and bradicardia). According to the model, these effects arise from the interaction between the Cushing response and the baroreflex response (secondary to arterial pressure increase). Then, patients with severe head injury have been simulated by reducing intracranial compliance and cerebrospinal fluid reabsorption. With these changes, oscillations with plateau waves developed. In these conditions, model results indicate that the Cushing response may have both positive effects, reducing the duration of the plateau phase via an increase in cerebral perfusion pressure, and negative effects, increasing the intracranial pressure plateau level, with a risk of greater compression of the cerebral vessels. This model may be of value to assist clinicians in finding the balance between clinical benefits of the Cushing response and its shortcomings. IV. Comprehensive Cardiopulmonary Simulation Model for the Analysis of Hypercapnic Respiratory Failure We developed a new comprehensive cardiopulmonary model that takes into account the mutual interactions between the cardiovascular and the respiratory systems along with their short-term regulatory mechanisms. The model includes the heart, systemic and pulmonary circulations, lung mechanics, gas exchange and transport equations, and cardio-ventilatory control. Results show good agreement with published patient data in case of normoxic and hyperoxic hypercapnia simulations. In particular, simulations predict a moderate increase in mean systemic arterial pressure and heart rate, with almost no change in cardiac output, paralleled by a relevant increase in minute ventilation, tidal volume and respiratory rate. The model can represent a valid tool for clinical practice and medical research, providing an alternative way to experience-based clinical decisions. In conclusion, models are not only capable of summarizing current knowledge, but also identifying missing knowledge. In the former case they can serve as training aids for teaching the operation of complex systems, especially if the model can be used to demonstrate the outcome of experiments. In the latter case they generate experiments to be performed to gather the missing data.

Development of quantitative methods for sustainability assessment in process industry

The increasing aversion to technological risks of the society requires the development of inherently safer and environmentally friendlier processes, besides assuring the economic competitiveness of the industrial activities. The different forms of impact (e.g. environmental, economic and societal) are frequently characterized by conflicting reduction strategies and must be holistically taken into account in order to identify the optimal solutions in process design. Though the literature reports an extensive discussion of strategies and specific principles, quantitative assessment tools are required to identify the marginal improvements in alternative design options, to allow the trade-off among contradictory aspects and to prevent the “risk shift”. In the present work a set of integrated quantitative tools for design assessment (i.e. design support system) was developed. The tools were specifically dedicated to the implementation of sustainability and inherent safety in process and plant design activities, with respect to chemical and industrial processes in which substances dangerous for humans and environment are used or stored. The tools were mainly devoted to the application in the stages of “conceptual” and “basic design”, when the project is still open to changes (due to the large number of degrees of freedom) which may comprise of strategies to improve sustainability and inherent safety. The set of developed tools includes different phases of the design activities, all through the lifecycle of a project (inventories, process flow diagrams, preliminary plant lay-out plans). The development of such tools gives a substantial contribution to fill the present gap in the availability of sound supports for implementing safety and sustainability in early phases of process design. The proposed decision support system was based on the development of a set of leading key performance indicators (KPIs), which ensure the assessment of economic, societal and environmental impacts of a process (i.e. sustainability profile). The KPIs were based on impact models (also complex), but are easy and swift in the practical application. Their full evaluation is possible also starting from the limited data available during early process design. Innovative reference criteria were developed to compare and aggregate the KPIs on the basis of the actual sitespecific impact burden and the sustainability policy. Particular attention was devoted to the development of reliable criteria and tools for the assessment of inherent safety in different stages of the project lifecycle. The assessment follows an innovative approach in the analysis of inherent safety, based on both the calculation of the expected consequences of potential accidents and the evaluation of the hazards related to equipment. The methodology overrides several problems present in the previous methods proposed for quantitative inherent safety assessment (use of arbitrary indexes, subjective judgement, build-in assumptions, etc.). A specific procedure was defined for the assessment of the hazards related to the formations of undesired substances in chemical systems undergoing “out of control” conditions. In the assessment of layout plans, “ad hoc” tools were developed to account for the hazard of domino escalations and the safety economics. The effectiveness and value of the tools were demonstrated by the application to a large number of case studies concerning different kinds of design activities (choice of materials, design of the process, of the plant, of the layout) and different types of processes/plants (chemical industry, storage facilities, waste disposal). An experimental survey (analysis of the thermal stability of isomers of nitrobenzaldehyde) provided the input data necessary to demonstrate the method for inherent safety assessment of materials.

Un modello multicriteriale di supporto alla pianificazione territoriale finalizzato alla classificazione del territorio rurale e alla caratterizzazione dell’Impronta Agro ambientale delle aree agricole periurbane.

La ricerca proposta si pone l’obiettivo di definire e sperimentare un metodo per un’articolata e sistematica lettura del territorio rurale, che, oltre ad ampliare la conoscenza del territorio, sia di supporto ai processi di pianificazione paesaggistici ed urbanistici e all’attuazione delle politiche agricole e di sviluppo rurale. Un’approfondita disamina dello stato dell’arte riguardante l’evoluzione del processo di urbanizzazione e le conseguenze dello stesso in Italia e in Europa, oltre che del quadro delle politiche territoriali locali nell’ambito del tema specifico dello spazio rurale e periurbano, hanno reso possibile, insieme a una dettagliata analisi delle principali metodologie di analisi territoriale presenti in letteratura, la determinazione del concept alla base della ricerca condotta. E’ stata sviluppata e testata una metodologia multicriteriale e multilivello per la lettura del territorio rurale sviluppata in ambiente GIS, che si avvale di algoritmi di clustering (quale l’algoritmo IsoCluster) e classificazione a massima verosimiglianza, focalizzando l’attenzione sugli spazi agricoli periurbani. Tale metodo si incentra sulla descrizione del territorio attraverso la lettura di diverse componenti dello stesso, quali quelle agro-ambientali e socio-economiche, ed opera una sintesi avvalendosi di una chiave interpretativa messa a punto allo scopo, l’Impronta Agroambientale (Agro-environmental Footprint - AEF), che si propone di quantificare il potenziale impatto degli spazi rurali sul sistema urbano. In particolare obiettivo di tale strumento è l’identificazione nel territorio extra-urbano di ambiti omogenei per caratteristiche attraverso una lettura del territorio a differenti scale (da quella territoriale a quella aziendale) al fine di giungere ad una sua classificazione e quindi alla definizione delle aree classificabili come “agricole periurbane”. La tesi propone la presentazione dell’architettura complessiva della metodologia e la descrizione dei livelli di analisi che la compongono oltre che la successiva sperimentazione e validazione della stessa attraverso un caso studio rappresentativo posto nella Pianura Padana (Italia).

Quality assessment of a landslide inventory map and its application to land‐use planning. A case study in the Northern Apennines (Emilia‐Romagna region, Italy)

Landslide hazard and risk are growing as a consequence of climate change and demographic pressure. Land‐use planning represents a powerful tool to manage this socio‐economic problem and build sustainable and landslide resilient communities. Landslide inventory maps are a cornerstone of land‐use planning and, consequently, their quality assessment represents a burning issue. This work aimed to define the quality parameters of a landslide inventory and assess its spatial and temporal accuracy with regard to its possible applications to land‐use planning. In this sense, I proceeded according to a two‐steps approach. An overall assessment of the accuracy of data geographic positioning was performed on four case study sites located in the Italian Northern Apennines. The quantification of the overall spatial and temporal accuracy, instead, focused on the Dorgola Valley (Province of Reggio Emilia). The assessment of spatial accuracy involved a comparison between remotely sensed and field survey data, as well as an innovative fuzzylike analysis of a multi‐temporal landslide inventory map. Conversely, long‐ and short‐term landslide temporal persistence was appraised over a period of 60 years with the aid of 18 remotely sensed image sets. These results were eventually compared with the current Territorial Plan for Provincial Coordination (PTCP) of the Province of Reggio Emilia. The outcome of this work suggested that geomorphologically detected and mapped landslides are a significant approximation of a more complex reality. In order to convey to the end‐users this intrinsic uncertainty, a new form of cartographic representation is needed. In this sense, a fuzzy raster landslide map may be an option. With regard to land‐use planning, landslide inventory maps, if appropriately updated, confirmed to be essential decision‐support tools. This research, however, proved that their spatial and temporal uncertainty discourages any direct use as zoning maps, especially when zoning itself is associated to statutory or advisory regulations.