Analysis and development of ecologically based approaches to coastal defense

Climate-change related impacts, notably coastal erosion, inundation and flooding from sea level rise and storms, will increase in the coming decades enhancing the risks for coastal populations. Further recourse to coastal armoring and other engineered defenses to address risk reduction will exacerbate threats to coastal ecosystems. Alternatively, protection services provided by healthy ecosystems is emerging as a key element in climate adaptation and disaster risk management. I examined two distinct approaches to coastal defense on the base of their ecological and ecosystem conservation values. First, I analyzed the role of coastal ecosystems in providing services for hazard risk reduction. The value in wave attenuation of coral reefs was quantitatively demonstrated using a meta-analysis approach. Results indicate that coral reefs can provide wave attenuation comparable to hard engineering artificial defenses and at lower costs. Conservation and restoration of existing coral reefs are cost-effective management options for disaster risk reduction. Second, I evaluated the possibility to enhance the ecological value of artificial coastal defense structures (CDS) as habitats for marine communities. I documented the suitability of CDS to support native, ecologically relevant, habitat-forming canopy algae exploring the feasibility of enhancing CDS ecological value by promoting the growth of desired species. Juveniles of Cystoseira barbata can be successfully transplanted at both natural and artificial habitats and not affected by lack of surrounding adult algal individuals nor by substratum orientation. Transplantation success was limited by biotic disturbance from macrograzers on CDS compared to natural habitats. Future work should explore the reasons behind the different ecological functioning of artificial and natural habitats unraveling the factors and mechanisms that cause it. The comprehension of the functioning of systems associated with artificial habitats is the key to allow environmental managers to identify proper mitigation options and to forecast the impact of alternative coastal development plans.

Quantificazione del rischio occupazionale: Indicatori, indici e metodologia fuzzy

La tesi affronta il concetto di esposizione al rischio occupazionale e il suo scopo è quello di indagare l’ambiente di lavoro e il comportamento dei lavoratori, con l'obiettivo di ridurre il tasso di incidenza degli infortuni sul lavoro ed eseguire la riduzione dei rischi. In primo luogo, è proposta una nuova metodologia denominata MIMOSA (Methodology for the Implementation and Monitoring of Occupational SAfety), che quantifica il livello di "salute e sicurezza" di una qualsiasi impresa. Al fine di raggiungere l’obiettivo si è reso necessario un approccio multidisciplinare in cui concetti d’ingegneria e di psicologia sono stati combinati per sviluppare una metodologia di previsione degli incidenti e di miglioramento della sicurezza sul lavoro. I risultati della sperimentazione di MIMOSA hanno spinto all'uso della Logica Fuzzy nel settore della sicurezza occupazionale per migliorare la metodologia stessa e per superare i problemi riscontrati nell’incertezza della raccolta dei dati. La letteratura mostra che i fattori umani, la percezione del rischio e il comportamento dei lavoratori in relazione al rischio percepito, hanno un ruolo molto importante nella comparsa degli incidenti. Questa considerazione ha portato ad un nuovo approccio e ad una seconda metodologia che consiste nella prevenzione di incidenti, non solo sulla base dell'analisi delle loro dinamiche passate. Infatti la metodologia considera la valutazione di un indice basato sui comportamenti proattivi dei lavoratori e sui danni potenziali degli eventi incidentali evitati. L'innovazione consiste nell'applicazione della Logica Fuzzy per tener conto dell’"indeterminatezza" del comportamento umano e del suo linguaggio naturale. In particolare l’applicazione è incentrata sulla proattività dei lavoratori e si prefigge di impedire l'evento "infortunio", grazie alla generazione di una sorta d’indicatore di anticipo. Questa procedura è stata testata su un’azienda petrolchimica italiana.

Dynamics of coastal aquifers: data-driven forecasting and risk analysis

This work is focused on the study of saltwater intrusion in coastal aquifers, and in particular on the realization of conceptual schemes to evaluate the risk associated with it. Saltwater intrusion depends on different natural and anthropic factors, both presenting a strong aleatory behaviour, that should be considered for an optimal management of the territory and water resources. Given the uncertainty of problem parameters, the risk associated with salinization needs to be cast in a probabilistic framework. On the basis of a widely adopted sharp interface formulation, key hydrogeological problem parameters are modeled as random variables, and global sensitivity analysis is used to determine their influence on the position of saltwater interface. The analyses presented in this work rely on an efficient model reduction technique, based on Polynomial Chaos Expansion, able to combine the best description of the model without great computational burden. When the assumptions of classical analytical models are not respected, and this occurs several times in the applications to real cases of study, as in the area analyzed in the present work, one can adopt data-driven techniques, based on the analysis of the data characterizing the system under study. It follows that a model can be defined on the basis of connections between the system state variables, with only a limited number of assumptions about the "physical" behaviour of the system.