Multiphase flow in porous media: meta-modeling techniques for sensitivity analysis and risk assessment

One of the biggest challenges that contaminant hydrogeology is facing, is how to adequately address the uncertainty associated with model predictions. Uncertainty arise from multiple sources, such as: interpretative error, calibration accuracy, parameter sensitivity and variability. This critical issue needs to be properly addressed in order to support environmental decision-making processes. In this study, we perform Global Sensitivity Analysis (GSA) on a contaminant transport model for the assessment of hydrocarbon concentration in groundwater. We provide a quantification of the environmental impact and, given the incomplete knowledge of hydrogeological parameters, we evaluate which are the most influential, requiring greater accuracy in the calibration process. Parameters are treated as random variables and a variance-based GSA is performed in a optimized numerical Monte Carlo framework. The Sobol indices are adopted as sensitivity measures and they are computed by employing meta-models to characterize the migration process, while reducing the computational cost of the analysis. The proposed methodology allows us to: extend the number of Monte Carlo iterations, identify the influence of uncertain parameters and lead to considerable saving computational time obtaining an acceptable accuracy.

Risk assessment of liquid hydrogen tanks for heavy duty vehicles

The advent of the hydrogen economy has already been predicted but it does not represent a tangible reality yet. However, decarbonizing the global economy and particularly the energy sector is vital to limit global warming and reduce the incumbent environmental problems. Hydrogen is a promising zero-emission fuel that could replace traditional fossil fuels, playing a key role in the transition towards a more sustainable economy. At present, hydrogen-powered cars are already spread worldwide and the deployment of hydrogen buses seems to be the next goal in the decarbonization process of the transportation sector. In contrast with the undeniable benefits introduced by the use of this alternative fuel, given its hazardous properties, safety is a topic of high concern. The present study concerns the evaluation of the risks linked to the on board storage of hydrogen on hydrogen-powered buses in case of road accident. Currently, hydrogen can be stored on board as a high-pressure gas, as a cryogenic liquid or in cryo-compressed form. Those solutions are compared from a safety point of view. First, the final accidental scenarios that could follow the release of the fuel in case of a road crash are pointed out. Secondly, threshold values for the hazardous effects of each scenario are fixed and the corresponding damage distances are calculated thanks to the use of the software PHAST 8.4. Finally, indicators are quantified to compare the different options. Results are discussed to find out the safer solution and to evaluate whether the replacement of fossil fuels with hydrogen introduces new safety issues.

A framework for the environmental risk assessment of offshore carbon storage in CCS systems

Carbon capture and storage (CCS) represents an interesting climate mitigation option, however, as for any other human activity, there is the impelling need to assess and manage the associated risks. This study specifically addresses the marine environmental risk posed by CO2 leakages associated to CCS subsea engineering system, meant as offshore pipelines and injection / plugged and abandoned wells. The aim of this thesis work is to start approaching the development of a complete and standardized practical procedure to perform a quantified environmental risk assessment for CCS, with reference to the specific activities mentioned above. Such an effort would be of extreme relevance not only for companies willing to implement CCS, as a methodological guidance, but also, by uniformizing the ERA procedure, to begin changing people’s perception about CCS, that happens to be often discredited due to the evident lack of comprehensive and systematic methods to assess the impacts on the marine environment. The backbone structure of the framework developed consists on the integration of ERA’s main steps and those belonging to the quantified risk assessment (QRA), in the aim of quantitatively characterizing risk and describing it as a combination of magnitude of the consequences and their frequency. The framework developed by this work is, however, at a high level, as not every single aspect has been dealt with in the required detail. Thus, several alternative options are presented to be considered for use depending on the situation. Further specific studies should address their accuracy and efficiency and solve the knowledge gaps emerged, in order to establish and validate a final and complete procedure. Regardless of the knowledge gaps and uncertainties, that surely need to be addressed, this preliminary framework already finds some relevance in on field applications, as a non-stringent guidance to perform CCS ERA, and it constitutes the foundation of the final framework.

Validation of an intermediate-complexity flood risk model for climate change adaptation

In questo lavoro di tesi viene presentato e validato un modello di rischio di alluvione a complessità intermedia per scenari climatici futuri. Questo modello appartiene a quella categoria di strumenti che mirano a soddisfare le esigenze identificate dal World Climate Research Program (WRCP) per affrontare gli effetti del cambiamento climatico. L'obiettivo perseguito è quello di sviluppare, seguendo un approccio ``bottom-up" al rischio climatico regionale, strumenti che possano aiutare i decisori a realizzare l'adattamento ai cambiamenti climatici. Il modello qui presentato è interamente basato su dati open-source forniti dai servizi Copernicus. Il contributo di questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un modello, formulato da (Ruggieri et al.), per stimare i danni di eventi alluvionali fluviali per specifici i livelli di riscaldamento globale (GWL). Il modello è stato testato su tre bacini idrografici di medie dimensioni in Emilia-Romagna, Panaro, Reno e Secchia. In questo lavoro, il modello viene sottoposto a test di sensibilità rispetto a un'ipotesi enunciata nella formulazione del modello, poi vengono effettuate analisi relative all'ensemble multi-modello utilizzato per le proiezioni. Il modello viene quindi validato, confrontando i danni stimati nel clima attuale per i tre fiumi con i danni osservati e confrontando le portate simulate con quelle osservate. Infine, vengono stimati i danni associati agli eventi alluvionali in tre scenari climatici futuri caratterizzati da GWL di 1.5° C, 2.0° C e 3.0°C.

Modellazione bidimensionale della propagazione nell'entroterra della inondazione da mare negli scenari dei previsti cambiamenti climatici

Le ricerche di carattere eustatico, mareografico, climatico, archeologico e geocronologico, sviluppatesi soprattutto nell’ultimo ventennio, hanno messo in evidenza che gran parte delle piane costiere italiane risulta soggetta al rischio di allagamento per ingressione marina dovuta alla risalita relativa del livello medio del mare. Tale rischio è la conseguenza dell’interazione tra la presenza di elementi antropici e fenomeni di diversa natura, spesso difficilmente discriminabili e quantificabili, caratterizzati da magnitudo e velocità molto diverse tra loro. Tra le cause preponderanti che determinano l’ingressione marina possono essere individuati alcuni fenomeni naturali, climatici e geologici, i quali risultano fortemente influenzati dalle attività umane soprattutto a partire dal XX secolo. Tra questi si individuano: - la risalita del livello del mare, principalmente come conseguenza del superamento dell’ultimo acme glaciale e dello scioglimento delle grandi calotte continentali; - la subsidenza. Vaste porzioni delle piane costiere italiane risultano soggette a fenomeni di subsidenza. In certe zone questa assume proporzioni notevoli: per la fascia costiera emiliano-romagnola si registrano ratei compresi tra 1 e 3 cm/anno. Tale subsidenza è spesso il risultato della sovrapposizione tra fenomeni naturali (neotettonica, costipamento di sedimenti, ecc.) e fenomeni indotti dall’uomo (emungimenti delle falde idriche, sfruttamento di giacimenti metaniferi, escavazione di materiali per l’edilizia, ecc.); - terreni ad elevato contenuto organico: la presenza di depositi fortemente costipabili può causare la depressione del piano di campagna come conseguenza di abbassamenti del livello della falda superficiale (per drenaggi, opere di bonifica, emungimenti), dello sviluppo dei processi di ossidazione e decomposizione nei terreni stessi, del costipamento di questi sotto il proprio peso, della carenza di nuovi apporti solidi conseguente alla diminuita frequenza delle esondazioni dei corsi d’acqua; - morfologia: tra i fattori di rischio rientra l’assetto morfologico della piana e, in particolare il tipo di costa (lidi, spiagge, cordoni dunari in smantellamento, ecc. ), la presenza di aree depresse o comunque vicine al livello del mare (fino a 1-2 m s.l.m.), le caratteristiche dei fondali antistanti (batimetria, profilo trasversale, granulometria dei sedimenti, barre sommerse, assenza di barriere biologiche, ecc.); - stato della linea di costa in termini di processi erosivi dovuti ad attività umane (urbanizzazione del litorale, prelievo inerti, costruzione di barriere, ecc.) o alle dinamiche idro-sedimentarie naturali cui risulta soggetta (correnti litoranee, apporti di materiale, ecc. ). Scopo del presente studio è quello di valutare la probabilità di ingressione del mare nel tratto costiero emiliano-romagnolo del Lido delle Nazioni, la velocità di propagazione del fronte d’onda, facendo riferimento allo schema idraulico del crollo di una diga su letto asciutto (problema di Riemann) basato sul metodo delle caratteristiche, e di modellare la propagazione dell’inondazione nell’entroterra, conseguente all’innalzamento del medio mare . Per simulare tale processo è stato utilizzato il complesso codice di calcolo bidimensionale Mike 21. La fase iniziale di tale lavoro ha comportato la raccolta ed elaborazione mediante sistema Arcgis dei dati LIDAR ed idrografici multibeam , grazie ai quali si è provveduto a ricostruire la topo-batimetria di dettaglio della zona esaminata. Nel primo capitolo è stato sviluppato il problema del cambiamento climatico globale in atto e della conseguente variazione del livello marino che, secondo quanto riportato dall’IPCC nel rapporto del 2007, dovrebbe aumentare al 2100 mediamente tra i 28 ed i 43 cm. Nel secondo e terzo capitolo è stata effettuata un’analisi bibliografica delle metodologie per la modellazione della propagazione delle onde a fronte ripido con particolare attenzione ai fenomeni di breaching delle difese rigide ed ambientali. Sono state studiate le fenomenologie che possono inficiare la stabilità dei rilevati arginali, realizzati sia in corrispondenza dei corsi d’acqua, sia in corrispondenza del mare, a discapito della protezione idraulica del territorio ovvero dell’incolumità fisica dell’uomo e dei territori in cui esso vive e produce. In un rilevato arginale, quale che sia la causa innescante la formazione di breccia, la generazione di un’onda di piena conseguente la rottura è sempre determinata da un’azione erosiva (seepage o overtopping) esercitata dall’acqua sui materiali sciolti costituenti il corpo del rilevato. Perciò gran parte dello studio in materia di brecce arginali è incentrato sulla ricostruzione di siffatti eventi di rottura. Nel quarto capitolo è stata calcolata la probabilità, in 5 anni, di avere un allagamento nella zona di interesse e la velocità di propagazione del fronte d’onda. Inoltre è stata effettuata un’analisi delle condizioni meteo marine attuali (clima ondoso, livelli del mare e correnti) al largo della costa emiliano-romagnola, le cui problematiche e linee di intervento per la difesa sono descritte nel quinto capitolo, con particolare riferimento alla costa ferrarese, oggetto negli ultimi anni di continui interventi antropici. Introdotto il sistema Gis e le sue caratteristiche, si è passati a descrivere le varie fasi che hanno permesso di avere in output il file delle coordinate x, y, z dei punti significativi della costa, indispensabili al fine della simulazione Mike 21, le cui proprietà sono sviluppate nel sesto capitolo.

A framework for risk analysis in automotive cybersecurity

We address the problem of automotive cybersecurity from the point of view of Threat Analysis and Risk Assessment (TARA). The central question that motivates the thesis is the one about the acceptability of risk, which is vital in taking a decision about the implementation of cybersecurity solutions. For this purpose, we develop a quantitative framework in which we take in input the results of risk assessment and define measures of various facets of a possible risk response; we then exploit the natural presence of trade-offs (cost versus effectiveness) to formulate the problem as a multi-objective optimization. Finally, we develop a stochastic model of the future evolution of the risk factors, by means of Markov chains; we adapt the formulations of the optimization problems to this non-deterministic context. The thesis is the result of a collaboration with the Vehicle Electrification division of Marelli, in particular with the Cybersecurity team based in Bologna; this allowed us to consider a particular instance of the problem, deriving from a real TARA, in order to test both the deterministic and the stochastic framework in a real world application. The collaboration also explains why in the work we often assume the point of view of a tier-1 supplier; however, the analyses performed can be adapted to any other level of the supply chain.