Consequence modelling,vulnerability assessment and fuzzy fault tree analysis of hazardous storages in an industrial area

The hazards associated with major accident hazard (MAH) industries are fire, explosion and toxic gas releases. Of these, toxic gas release is the worst as it has the potential to cause extensive fatalities. Qualitative and quantitative hazard analyses are essential for the identitication and quantification of the hazards associated with chemical industries. This research work presents the results of a consequence analysis carried out to assess the damage potential of the hazardous material storages in an industrial area of central Kerala, India. A survey carried out in the major accident hazard (MAH) units in the industrial belt revealed that the major hazardous chemicals stored by the various industrial units are ammonia, chlorine, benzene, naphtha, cyclohexane, cyclohexanone and LPG. The damage potential of the above chemicals is assessed using consequence modelling. Modelling of pool fires for naphtha, cyclohexane, cyclohexanone, benzene and ammonia are carried out using TNO model. Vapor cloud explosion (VCE) modelling of LPG, cyclohexane and benzene are carried out using TNT equivalent model. Boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE) modelling of LPG is also carried out. Dispersion modelling of toxic chemicals like chlorine, ammonia and benzene is carried out using the ALOHA air quality model. Threat zones for different hazardous storages are estimated based on the consequence modelling. The distance covered by the threat zone was found to be maximum for chlorine release from a chlor-alkali industry located in the area. The results of consequence modelling are useful for the estimation of individual risk and societal risk in the above industrial area.Vulnerability assessment is carried out using probit functions for toxic, thermal and pressure loads. Individual and societal risks are also estimated at different locations. Mapping of threat zones due to different incident outcome cases from different MAH industries is done with the help of Are GIS.Fault Tree Analysis (FTA) is an established technique for hazard evaluation. This technique has the advantage of being both qualitative and quantitative, if the probabilities and frequencies of the basic events are known. However it is often difficult to estimate precisely the failure probability of the components due to insufficient data or vague characteristics of the basic event. It has been reported that availability of the failure probability data pertaining to local conditions is surprisingly limited in India. This thesis outlines the generation of failure probability values of the basic events that lead to the release of chlorine from the storage and filling facility of a major chlor-alkali industry located in the area using expert elicitation and proven fuzzy logic. Sensitivity analysis has been done to evaluate the percentage contribution of each basic event that could lead to chlorine release. Two dimensional fuzzy fault tree analysis (TDFFTA) has been proposed for balancing the hesitation factor invo1ved in expert elicitation .

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

An Interval Intelligent-based Approach for Fault Detection and Modelling

Not considered in the analytical model of the plant, uncertainties always dramatically decrease the performance of the fault detection task in the practice. To cope better with this prevalent problem, in this paper we develop a methodology using Modal Interval Analysis which takes into account those uncertainties in the plant model. A fault detection method is developed based on this model which is quite robust to uncertainty and results in no false alarm. As soon as a fault is detected, an ANFIS model is trained in online to capture the major behavior of the occurred fault which can be used for fault accommodation. The simulation results understandably demonstrate the capability of the proposed method for accomplishing both tasks appropriately

Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.

Modelling the hydraulics of the Carlisle 2005 flood event

The performance of a 2D numerical model of flood hydraulics is tested for a major event in Carlisle, UK, in 2005. This event is associated with a unique data set, with GPS surveyed wrack lines and flood extent surveyed 3 weeks after the flood. The Simple Finite Volume (SFV) model is used to solve the 2D Saint-Venant equations over an unstructured mesh of 30000 elements representing channel and floodplain, and allowing detailed hydraulics of flow around bridge piers and other influential features to be represented. The SFV model is also used to corroborate flows recorded for the event at two gauging stations. Calibration of Manning's n is performed with a two stage strategy, with channel values determined by calibration of the gauging station models, and floodplain values determined by optimising the fit between model results and observed water levels and flood extent for the 2005 event. RMS error for the calibrated model compared with surveyed water levels is ~±0.4m, the same order of magnitude as the estimated error in the survey data. The study demonstrates the ability of unstructured mesh hydraulic models to represent important hydraulic processes across a range of scales, with potential applications to flood risk management.

Modelling the growth and movement of cyanobacteria in river systems

Bloom-forming and toxin-producing cyanobacteria remain a persistent nuisance across the world. Modelling of cyanobacteria in freshwaters is an important tool for understanding their population dynamics and predicting the location and timing of the bloom events in lakes and rivers. In this article, a new deterministic model is introduced which simulates the growth and movement of cyanobacterial blooms in river systems. The model focuses on the mathematical description of the bloom formation, vertical migration and lateral transport of colonies within river environments by taking into account the four major factors that affect the cyanobacterial bloom formation in freshwaters: light, nutrients, temperature and river flow. The model consists of two sub-models: a vertical migration model with respect to growth of cyanobacteria in relation to light, nutrients and temperature; and a hydraulic model to simulate the horizontal movement of the bloom. This article presents the model algorithms and highlights some important model results. The effects of nutrient limitation, varying illumination and river flow characteristics on cyanobacterial movement are simulated. The results indicate that under high light intensities and in nutrient-rich waters colonies sink further as a result of carbohydrate accumulation in the cells. In turbulent environments, vertical migration is retarded by vertical velocity component generated by turbulent shear stress. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modelling habitat selection and distribution of the critically endangered Jerdon's courser Rhinoptilus bitorquatus in scrub jungle: an application of a new tracking method

1. Jerdon's courser Rhinoptilus bitorquatus is a nocturnally active cursorial bird that is only known to occur in a small area of scrub jungle in Andhra Pradesh, India, and is listed as critically endangered by the IUCN. Information on its habitat requirements is needed urgently to underpin conservation measures. We quantified the habitat features that correlated with the use of different areas of scrub jungle by Jerdon's coursers, and developed a model to map potentially suitable habitat over large areas from satellite imagery and facilitate the design of surveys of Jerdon's courser distribution. 2. We used 11 arrays of 5-m long tracking strips consisting of smoothed fine soil to detect the footprints of Jerdon's coursers, and measured tracking rates (tracking events per strip night). We counted the number of bushes and trees, and described other attributes of vegetation and substrate in a 10-m square plot centred on each strip. We obtained reflectance data from Landsat 7 satellite imagery for the pixel within which each strip lay. 3. We used logistic regression models to describe the relationship between tracking rate by Jerdon's coursers and characteristics of the habitat around the strips, using ground-based survey data and satellite imagery. 4. Jerdon's coursers were most likely to occur where the density of large (>2 m tall) bushes was in the range 300-700 ha(-1) and where the density of smaller bushes was less than 1000 ha(-1). This habitat was detectable using satellite imagery. 5. Synthesis and applications. The occurrence of Jerdon's courser is strongly correlated with the density of bushes and trees, and is in turn affected by grazing with domestic livestock, woodcutting and mechanical clearance of bushes to create pasture, orchards and farmland. It is likely that there is an optimal level of grazing and woodcutting that would maintain or create suitable conditions for the species. Knowledge of the species' distribution is incomplete and there is considerable pressure from human use of apparently suitable habitats. Hence, distribution mapping is a high conservation priority. A two-step procedure is proposed, involving the use of ground surveys of bush density to calibrate satellite image-based mapping of potential habitat. These maps could then be used to select priority areas for Jerdon's courser surveys. The use of tracking strips to study habitat selection and distribution has potential in studies of other scarce and secretive species.

Modelling the inorganic nitrogen behaviour in a small Mediterranean forested catchment, Fuirosos (Catalonia)

The aim of this work was to couple a nitrogen (N) sub-model to already existent hydrological lumped (LU4-N) and semi-distributed (LU4-R-N and SD4-R-N) conceptual models, to improve our understanding of the factors and processes controlling nitrogen cycling and losses in Mediterranean catchments. The N model adopted provides a simplified conceptualization of the soil nitrogen cycle considering mineralization, nitrification, immobilization, denitrification, plant uptake, and ammonium adsorption/desorption. It also includes nitrification and denitrification in the shallow perched aquifer. We included a soil moisture threshold for all the considered soil biological processes. The results suggested that all the nitrogen processes were highly influenced by the rain episodes and that soil microbial processes occurred in pulses stimulated by soil moisture increasing after rain. Our simulation highlighted the riparian zone as a possible source of nitrate, especially after the summer drought period, but it can also act as an important sink of nitrate due to denitrification, in particular during the wettest period of the year. The riparian zone was a key element to simulate the catchment nitrate behaviour. The lumped LU4-N model (which does not include the riparian zone) could not be validated, while both the semi-distributed LU4-R-N and SD4-R-N model (which include the riparian zone) gave satisfactory results for the calibration process and acceptable results for the temporal validation process.

Using remotely sensed data to support flood modelling

Recent severe flooding in the UK has highlighted the need for better information on flood risk, increasing the pressure on engineers to enhance the capabilities of computer models for flood prediction. This paper evaluates the benefits to be gained from the use of remotely sensed data to support flood modelling. The remotely sensed data available can be used either to produce high-resolution digital terrain models (DTMs) (light detection and ranging (Lidar) data), or to generate accurate inundation mapping of past flood events (airborne synthetic aperture radar (SAR) data and aerial photography). The paper reports on the modelling of real flood events that occurred at two UK sites on the rivers Severn and Ouse. At these sites a combination of remotely sensed data and recorded hydrographs was available. It is concluded first that light detection and ranging Lidar generated DTMs support the generation of considerably better models and enhance the visualisation of model results and second that flood outlines obtained from airborne SAR or aerial images help develop an appreciation of the hydraulic behaviour of important model components, and facilitate model validation. The need for further research is highlighted by a number of limitations, namely: the difficulties in obtaining an adequate representation of hydraulically important features such as embankment crests and walls; uncertainties in the validation data; and difficulties in extracting flood outlines from airborne SAR images in urban areas.

Very large inverse problems in atmosphere and ocean modelling

For the very large nonlinear dynamical systems that arise in a wide range of physical, biological and environmental problems, the data needed to initialize a numerical forecasting model are seldom available. To generate accurate estimates of the expected states of the system, both current and future, the technique of ‘data assimilation’ is used to combine the numerical model predictions with observations of the system measured over time. Assimilation of data is an inverse problem that for very large-scale systems is generally ill-posed. In four-dimensional variational assimilation schemes, the dynamical model equations provide constraints that act to spread information into data sparse regions, enabling the state of the system to be reconstructed accurately. The mechanism for this is not well understood. Singular value decomposition techniques are applied here to the observability matrix of the system in order to analyse the critical features in this process. Simplified models are used to demonstrate how information is propagated from observed regions into unobserved areas. The impact of the size of the observational noise and the temporal position of the observations is examined. The best signal-to-noise ratio needed to extract the most information from the observations is estimated using Tikhonov regularization theory. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Forward modelling to determine the observational signatures of white-light imaging and interplanetary scintillation for the propagation of an interplanetary shock in the ecliptic plane

Recent coordinated observations of interplanetary scintillation (IPS) from the EISCAT, MERLIN, and STELab, and stereoscopic white-light imaging from the two heliospheric imagers (HIs) onboard the twin STEREO spacecraft are significant to continuously track the propagation and evolution of solar eruptions throughout interplanetary space. In order to obtain a better understanding of the observational signatures in these two remote-sensing techniques, the magnetohydrodynamics of the macro-scale interplanetary disturbance and the radio-wave scattering of the micro-scale electron-density fluctuation are coupled and investigated using a newly constructed multi-scale numerical model. This model is then applied to a case of an interplanetary shock propagation within the ecliptic plane. The shock could be nearly invisible to an HI, once entering the Thomson-scattering sphere of the HI. The asymmetry in the optical images between the western and eastern HIs suggests the shock propagation off the Sun–Earth line. Meanwhile, an IPS signal, strongly dependent on the local electron density, is insensitive to the density cavity far downstream of the shock front. When this cavity (or the shock nose) is cut through by an IPS ray-path, a single speed component at the flank (or the nose) of the shock can be recorded; when an IPS ray-path penetrates the sheath between the shock nose and this cavity, two speed components at the sheath and flank can be detected. Moreover, once a shock front touches an IPS ray-path, the derived position and speed at the irregularity source of this IPS signal, together with an assumption of a radial and constant propagation of the shock, can be used to estimate the later appearance of the shock front in the elongation of the HI field of view. The results of synthetic measurements from forward modelling are helpful in inferring the in-situ properties of coronal mass ejection from real observational data via an inverse approach.