Sustainable improvement of water networks : to achieve best decisions for rehabilitation plans using advanced GIS and statistical techniques

Many of developing countries are facing crisis in water management due to increasing of population, water scarcity, water contaminations and effects of world economic crisis. Water distribution systems in developing countries are facing many challenges of efficient repair and rehabilitation since the information of water network is very limited, which makes the rehabilitation assessment plans very difficult. Sufficient information with high technology in developed countries makes the assessment for rehabilitation easy. Developing countries have many difficulties to assess the water network causing system failure, deterioration of mains and bad water quality in the network due to pipe corrosion and deterioration. The limited information brought into focus the urgent need to develop economical assessment for rehabilitation of water distribution systems adapted to water utilities. Gaza Strip is subject to a first case study, suffering from severe shortage in the water supply and environmental problems and contamination of underground water resources. This research focuses on improvement of water supply network to reduce the water losses in water network based on limited database using techniques of ArcGIS and commercial water network software (WaterCAD). A new approach for rehabilitation water pipes has been presented in Gaza city case study. Integrated rehabilitation assessment model has been developed for rehabilitation water pipes including three components; hydraulic assessment model, Physical assessment model and Structural assessment model. WaterCAD model has been developed with integrated in ArcGIS to produce the hydraulic assessment model for water network. The model have been designed based on pipe condition assessment with 100 score points as a maximum points for pipe condition. As results from this model, we can indicate that 40% of water pipeline have score points less than 50 points and about 10% of total pipes length have less than 30 score points. By using this model, the rehabilitation plans for each region in Gaza city can be achieved based on available budget and condition of pipes. The second case study is Kuala Lumpur Case from semi-developed countries, which has been used to develop an approach to improve the water network under crucial conditions using, advanced statistical and GIS techniques. Kuala Lumpur (KL) has water losses about 40% and high failure rate, which make severe problem. This case can represent cases in South Asia countries. Kuala Lumpur faced big challenges to reduce the water losses in water network during last 5 years. One of these challenges is high deterioration of asbestos cement (AC) pipes. They need to replace more than 6500 km of AC pipes, which need a huge budget to be achieved. Asbestos cement is subject to deterioration due to various chemical processes that either leach out the cement material or penetrate the concrete to form products that weaken the cement matrix. This case presents an approach for geo-statistical model for modelling pipe failures in a water distribution network. Database of Syabas Company (Kuala Lumpur water company) has been used in developing the model. The statistical models have been calibrated, verified and used to predict failures for both networks and individual pipes. The mathematical formulation developed for failure frequency in Kuala Lumpur was based on different pipeline characteristics, reflecting several factors such as pipe diameter, length, pressure and failure history. Generalized linear model have been applied to predict pipe failures based on District Meter Zone (DMZ) and individual pipe levels. Based on Kuala Lumpur case study, several outputs and implications have been achieved. Correlations between spatial and temporal intervals of pipe failures also have been done using ArcGIS software. Water Pipe Assessment Model (WPAM) has been developed using the analysis of historical pipe failure in Kuala Lumpur which prioritizing the pipe rehabilitation candidates based on ranking system. Frankfurt Water Network in Germany is the third main case study. This case makes an overview for Survival analysis and neural network methods used in water network. Rehabilitation strategies of water pipes have been developed for Frankfurt water network in cooperation with Mainova (Frankfurt Water Company). This thesis also presents a methodology of technical condition assessment of plastic pipes based on simple analysis. This thesis aims to make contribution to improve the prediction of pipe failures in water networks using Geographic Information System (GIS) and Decision Support System (DSS). The output from the technical condition assessment model can be used to estimate future budget needs for rehabilitation and to define pipes with high priority for replacement based on poor condition. rn

Informationsgehalt von ERS-1/-2 SAR-Daten zur Erfassung der Arteninventare und des Zustandes landwirtschaftlich genutzter Böden und Vegetation

Auf einer drei Anbauperioden umfassenden Ground Truth Datenbasis wird der Informationsgehalt multitemporaler ERS-1/-2 Synthetic Aperture Radar (SAR) Daten zur Erfassung der Arteninventare und des Zustandes landwirtschaftlich genutzter Böden und Vegetation in Agrarregionen Bayerns evaluiert.Dazu wird ein für Radardaten angepaßtes, multitemporales, auf landwirtschaftlichen Schlägen beruhendes Klassifizierungsverfahren ausgearbeitet, das auf bildstatistischen Parametern der ERS-Zeitreihen beruht. Als überwachte Klassifizierungsverfahren wird vergleichend der Maximum-Likelihood-Klassifikator und ein Neuronales-Backpropagation-Netz eingesetzt. Die auf Radarbildkanälen beruhenden Gesamtgenauigkeiten variieren zwischen 75 und 85%. Darüber hinaus wird gezeigt, daß die interferometrische Kohärenz und die Kombination mit Bildkanälen optischer Sensoren (Landsat-TM, SPOT-PAN und IRS-1C-PAN) zur Verbesserung der Klassifizierung beitragen. Gleichermaßen können die Klassifizierungsergebnisse durch eine vorgeschaltete Grobsegmentierung des Untersuchungsgebietes in naturräumlich homogene Raumeinheiten verbessert werden. Über die Landnutzungsklassifizierung hinaus, werden weitere bio- und bodenphysikalische Parameter aus den SAR-Daten anhand von Regressionsmodellen abgeleitet. Im Mittelpunkt stehen die Paramter oberflächennahen Bodenfeuchte vegetationsfreier/-armer Flächen sowie die Biomasse landwirtschaftlicher Kulturen. Die Ergebnisse zeigen, daß mit ERS-1/-2 SAR-Daten eine Messung der Bodenfeuchte möglich ist, wenn Informationen zur Bodenrauhigkeit vorliegen. Hinsichtlich der biophysikalischen Parameter sind signifikante Zusammenhänge zwischen der Frisch- bzw. Trockenmasse des Vegetationsbestandes verschiedener Getreide und dem Radarsignal nachweisbar. Die Biomasse-Informationen können zur Korrektur von Wachstumsmodellen genutzt werden und dazu beitragen, die Genauigkeit von Ertragsschätzungen zu steigern.

A novel functional renormalization group framework for gauge theories and gravity

In this thesis we develop further the functional renormalization group (RG) approach to quantum field theory (QFT) based on the effective average action (EAA) and on the exact flow equation that it satisfies. The EAA is a generalization of the standard effective action that interpolates smoothly between the bare action for krightarrowinfty and the standard effective action rnfor krightarrow0. In this way, the problem of performing the functional integral is converted into the problem of integrating the exact flow of the EAA from the UV to the IR. The EAA formalism deals naturally with several different aspects of a QFT. One aspect is related to the discovery of non-Gaussian fixed points of the RG flow that can be used to construct continuum limits. In particular, the EAA framework is a useful setting to search for Asymptotically Safe theories, i.e. theories valid up to arbitrarily high energies. A second aspect in which the EAA reveals its usefulness are non-perturbative calculations. In fact, the exact flow that it satisfies is a valuable starting point for devising new approximation schemes. In the first part of this thesis we review and extend the formalism, in particular we derive the exact RG flow equation for the EAA and the related hierarchy of coupled flow equations for the proper-vertices. We show how standard perturbation theory emerges as a particular way to iteratively solve the flow equation, if the starting point is the bare action. Next, we explore both technical and conceptual issues by means of three different applications of the formalism, to QED, to general non-linear sigma models (NLsigmaM) and to matter fields on curved spacetimes. In the main part of this thesis we construct the EAA for non-abelian gauge theories and for quantum Einstein gravity (QEG), using the background field method to implement the coarse-graining procedure in a gauge invariant way. We propose a new truncation scheme where the EAA is expanded in powers of the curvature or field strength. Crucial to the practical use of this expansion is the development of new techniques to manage functional traces such as the algorithm proposed in this thesis. This allows to project the flow of all terms in the EAA which are analytic in the fields. As an application we show how the low energy effective action for quantum gravity emerges as the result of integrating the RG flow. In any treatment of theories with local symmetries that introduces a reference scale, the question of preserving gauge invariance along the flow emerges as predominant. In the EAA framework this problem is dealt with the use of the background field formalism. This comes at the cost of enlarging the theory space where the EAA lives to the space of functionals of both fluctuation and background fields. In this thesis, we study how the identities dictated by the symmetries are modified by the introduction of the cutoff and we study so called bimetric truncations of the EAA that contain both fluctuation and background couplings. In particular, we confirm the existence of a non-Gaussian fixed point for QEG, that is at the heart of the Asymptotic Safety scenario in quantum gravity; in the enlarged bimetric theory space where the running of the cosmological constant and of Newton's constant is influenced by fluctuation couplings.

Verlauf und Determinanten der Lebensqualität bei Langzeitüberlebenden nach Prostatakarzinom in Schleswig-Holstein : Ergebnisse einer registerbasierten Kohortenstudie

Durch die ansteigende Inzidenz und niedrige Mortalität steigt die Anzahl der überlebenden Männer nach Prostatakarzinom. Mit einer 5-Jahresprävalenz von 279.000 Männern stellte das Prostatakarzinom im Jahr 2010 den größten Anteil der Krebspatienten. Die absolute 5-Jahres-Überlebensrate liegt bei 78 %. Studien zur Lebensqualität dieser Langzeitüberlebenden (> 5 Jahre nach Diagnosestellung) beschränken sich meist auf bestimmte Therapien, schließen höhere Tumorstadien aus oder untersuchen nur die Wirkung von klinischen Einflussfaktoren. In Schleswig-Holstein wurde im Rahmen der populationsbezogenen OVIS- und CAESAR-Studie die Lebensqualität bei Männern mit bzw. nach Prostatakrebs zu drei Zeitpunkten erhoben (15 Monate, 3 ½ und 7 Jahre nach initialer Diagnose). Für die allgemeine krebsspezifische Lebensqualität (EORTC QLQ-C30) erfolgt eine Beschreibung des Verlaufs sowie ein Vergleich mit Referenzdaten aus der deutschen Allgemeinbevölkerung. Aus der dritten Befragung liegen auch Daten zur prostataspezifischen Lebensqualität (EORTC QLQ-PR25) vor. Mittels multipler linearer Regressionen werden für elf ausgewählte Lebensqualitätsskalen (mögliche Werte 0 bis 100) potenzielle Einflussfaktoren (klinisch, soziodemographisch, Lifestyle) untersucht. Die Lebensqualität der 911 Männer (medianes Alter bei Drittbefragung: 72 Jahre) nimmt im zeitlichen Verlauf nur gering, aber nicht klinisch relevant ab. Es zeigen sich nur geringe Unterschiede zur Lebensqualität der Referenzbevölkerung. Im absoluten Vergleich aller Skalen werden zum Zeitpunkt der Drittbefragung auf den prostataspezifischen Skalen die größten Einschränkungen berichtet. In den berechneten multiplen Regressionen war sieben Jahre nach Diagnose eine Krankheitsprogression auf allen untersuchten Skalen signifikant mit einer geringeren Lebensqualität assoziiert (niedrigster Regressionskoeffizient βadj -13,8, 95 %-CI -18,8; -8,8). Eine Strahlentherapie zeigte auf zehn, eine Hormontherapie auf fünf Skalen einen negativen Einfluss. Ebenfalls auf fünf Skalen war ein höherer Body-Mass-Index ein Prädiktor für eine geringere Lebensqualität. Auf allen Funktionsskalen war ein höherer Sozialstatus mit einer besseren Lebensqualität assoziiert und zeigte tendenziell einen größeren Einfluss als die initiale Therapie. Alleinstehende Männer berichteten eine geringere sexuelle Aktivität (βadj -7,5, 95 %-CI -13,8; -1,2) als Männer in einer Partnerschaft. Neben klinischen Faktoren beeinflussen auch soziodemographische Variablen die Lebensqualität von langzeitüberlebenden Männern nach bzw. mit Prostatakarzinom signifikant. Daher sollten in nicht-randomisierten Studien zum Adjustieren die entsprechenden Variablen (wie z. B. Body-Mass-Index, Sozialstatus, Partnerschaft) mit erhoben werden. Klinisch relevante Veränderungen der allgemeinen krebsspezifischen Lebensqualität finden – wenn überhaupt – innerhalb der ersten 15 Monate nach Diagnosestellung statt. Referenzdaten für die prostataspezifische Lebensqualität der Allgemeinbevölkerung liegen nicht vor. Eine Erhebung dieser scheint sinnvoll, da hier größere Unterschiede im Vergleich beider Gruppen erwartet werden.