Green supplier selection via Multiple Criteria Data Envelopment Analysis

An appropriate supplier selection and its profound effects on increasing the competitive advantage of companies has been widely discussed in supply chain management (SCM) literature. By raising environmental awareness among companies and industries they attach more importance to sustainable and green activities in selection procedures of raw material providers. The current thesis benefits from data envelopment analysis (DEA) technique to evaluate the relative efficiency of suppliers in the presence of carbon dioxide (CO2) emission for green supplier selection. We incorporate the pollution of suppliers as an undesirable output into DEA. However, to do so, two conventional DEA model problems arise: the lack of the discrimination power among decision making units (DMUs) and flexibility of the inputs and outputs weights. To overcome these limitations, we use multiple criteria DEA (MCDEA) as one alternative. By applying MCDEA the number of suppliers which are identified as efficient will be decreased and will lead to a better ranking and selection of the suppliers. Besides, in order to compare the performance of the suppliers with an ideal supplier, a “virtual” best practice supplier is introduced. The presence of the ideal virtual supplier will also increase the discrimination power of the model for a better ranking of the suppliers. Therefore, a new MCDEA model is proposed to simultaneously handle undesirable outputs and virtual DMU. The developed model is applied for green supplier selection problem. A numerical example illustrates the applicability of the proposed model.

Dimensionality of the premenstrual syndrome: confirmatory factor analysis of premenstrual dysphoric symptoms among college students

Premenstrual syndrome and premenstrual dysphoric disorder (PMDD) seem to form a severity continuum with no clear-cut boundary. However, since the American Psychiatric Association proposed the research criteria for PMDD in 1994, there has been no agreement about the symptomatic constellation that constitutes this syndrome. The objective of the present study was to establish the core latent structure of PMDD symptoms in a non-clinical sample. Data concerning PMDD symptoms were obtained from 632 regularly menstruating college students (mean age 24.4 years, SD 5.9, range 17 to 49). For the first random half (N = 316), we performed principal component analysis (PCA) and for the remaining half (N = 316), we tested three theory-derived competing models of PMDD by confirmatory factor analysis. PCA allowed us to extract two correlated factors, i.e., dysphoric-somatic and behavioral-impairment factors. The two-dimensional latent model derived from PCA showed the best overall fit among three models tested by confirmatory factor analysis (c²53 = 64.39, P = 0.13; goodness-of-fit indices = 0.96; adjusted goodness-of-fit indices = 0.95; root mean square residual = 0.05; root mean square error of approximation = 0.03; 90%CI = 0.00 to 0.05; Akaike's information criterion = -41.61). The items "out of control" and "physical symptoms" loaded conspicuously on the first factor and "interpersonal impairment" loaded higher on the second factor. The construct validity for PMDD was accounted for by two highly correlated dimensions. These results support the argument for focusing on the core psychopathological dimension of PMDD in future studies.

Flow in porous media of oil-water systems

Fluid flow behaviour in porous media is a conundrum. Therefore, this research is focused on filtration-volumetric characterisation of fractured-carbonate sediments, coupled with their proper simulation. For this reason, at laboratory rock properties such as pore volume, permeability and porosity are measured, later phase permeabilities and oil recovery in function of flow rate are assessed. Furthermore, the rheological properties of three oils are measured and analysed. Finally based on rock and fluid properties, a model using COMSOL Multiphysics is built in order to compare the experimental and simulated results. The rock analyses show linear relation between flow rate and differential pressure, from which phase permeabilities and pressure gradient are determined, eventually the oil recovery under low and high flow rate is established. In addition, the oils reveal thixotropic properties as well as non-Newtonian behaviour described by Bingham model, consequently Carreau viscosity model for the used oil is given. Given these points, the model for oil and water is built in COMSOL Multiphysics, whereupon successfully the reciprocity between experimental and simulated results is analysed and compared. Finally, a two-phase displacement model is elaborated.

Chemical changes in biomass during torrefaction

Torrefaction is moderate thermal treatment (~200-300 °C) of biomass in an inert atmosphere. The torrefied fuel offers advantages to traditional biomass, such as higher heating value, reduced hydrophilic nature, increased its resistance to biological decay, and improved grindability. These factors could, for instance, lead to better handling and storage of biomass and increased use of biomass in pulverized combustors. In this work, we look at several aspects of changes in the biomass during torrefaction. We investigate the fate of carboxylic groups during torrefaction and its dependency to equilibrium moisture content. The changes in the wood components including carbohydrates, lignin, extractable materials and ashforming matters are also studied. And at last, the effect of K on torrefaction is investigated and then modeled. In biomass, carboxylic sites are partially responsible for its hydrophilic characteristic. These sites are degraded to varying extents during torrefaction. In this work, methylene blue sorption and potentiometric titration were applied to measure the concentration of carboxylic groups in torrefied spruce wood. The results from both methods were applicable and the values agreed well. A decrease in the equilibrium moisture content at different humidity was also measured for the torrefied wood samples, which is in good agreement with the decrease in carboxylic group contents. Thus, both methods offer a means of directly measuring the decomposition of carboxylic groups in biomass during torrefaction as a valuable parameter in evaluating the extent of torrefaction. This provides new information to the chemical changes occurring during torrefaction. The effect of torrefaction temperature on the chemistry of birch wood was investigated. The samples were from a pilot plant at Energy research Center of the Netherlands (ECN). And in that way they were representative of industrially produced samples. Sugar analysis was applied to analyze the hemicellulose and cellulose content during torrefaction. The results show a significant degradation of hemicellulose already at 240 °C, while cellulose degradation becomes significant above 270 °C torrefaction. Several methods including Klason lignin method, solid state NMR and Py-GC-MS analyses were applied to measure the changes in lignin during torrefaction. The changes in the ratio of phenyl, guaiacyl and syringyl units show that lignin degrades already at 240 °C to a small extent. To investigate the changes in the extractives from acetone extraction during torrefaction, gravimetric method, HP-SEC and GC-FID followed by GC-MS analysis were performed. The content of acetone-extractable material increases already at 240 °C torrefaction through the degradation of carbohydrate and lignin. The molecular weight of the acetone-extractable material decreases with increasing the torrefaction temperature. The formation of some valuable materials like syringaresinol or vanillin is also observed which is important from biorefinery perspective. To investigate the change in the chemical association of ash-forming elements in birch wood during torrefaction, chemical fractionation was performed on the original and torrefied birch samples. These results give a first understanding of the changes in the association of ashforming elements during torrefaction. The most significant changes can be seen in the distribution of calcium, magnesium and manganese, with some change in water solubility seen in potassium. These changes may in part be due to the destruction of carboxylic groups. In addition to some changes in water and acid solubility of phosphorous, a clear decrease in the concentration of both chlorine and sulfur was observed. This would be a significant additional benefit for the combustion of torrefied biomass. Another objective of this work is studying the impact of organically bound K, Na, Ca and Mn on mass loss of biomass during torrefaction. These elements were of interest because they have been shown to be catalytically active in solid fuels during pyrolysis and/or gasification. The biomasses were first acid washed to remove the ash-forming matters and then organic sites were doped with K, Na, Ca or Mn. The results show that K and Na bound to organic sites can significantly increase the mass loss during torrefaction. It is also seen that Mn bound to organic sites increases the mass loss and Ca addition does not influence the mass loss rate on torrefaction. This increase in mass loss during torrefaction with alkali addition is unlike what has been found in the case of pyrolysis where alkali addition resulted in a reduced mass loss. These results are important for the future operation of torrefaction plants, which will likely be designed to handle various biomasses with significantly different contents of K. The results imply that shorter retention times are possible for high K-containing biomasses. The mass loss of spruce wood with different content of K was modeled using a two-step reaction model based on four kinetic rate constants. The results show that it is possible to model the mass loss of spruce wood doped with different levels of K using the same activation energies but different pre-exponential factors for the rate constants. Three of the pre-exponential factors increased linearly with increasing K content, while one of the preexponential factors decreased with increasing K content. Therefore, a new torrefaction model was formulated using the hemicellulose and cellulose content and K content. The new torrefaction model was validated against the mass loss during the torrefaction of aspen, miscanthus, straw and bark. There is good agreement between the model and the experimental data for the other biomasses, except bark. For bark, the mass loss of acetone extractable material is also needed to be taken into account. The new model can describe the kinetics of mass loss during torrefaction of different types of biomass. This is important for considering fuel flexibility in torrefaction plants.

Utilisation des TIC dans l'enseignement universitaire : influence des facteurs individuels et des facteurs liés à la discipline et à l'organisation

La littérature montre que plusieurs aspects du travail d’universitaire sont influencés tant par la discipline et l’organisation, que par les caractéristiques individuelles des professeurs. Cette recherche vise à explorer l’impact de ces deux premiers facteurs sur l’utilisation des technologies de l’information et des communications (TIC) par les professeurs d’une université de recherche. Les données, recueillies par sondage, ont été analysées à l’aide d’un modèle hiérarchique comprenant deux niveaux, dans lequel 350 professeurs sont nichés dans 42 départements. Le statut professoral, le profil d’adoption des innovations technologiques et la perception de la compétence technologique ont été placés au niveau 1 (individus), alors que le secteur disciplinaire et quatre facteurs organisationnels liés à l’enseignement et à la recherche, ont été placés au niveau 2 (départements). Les résultats montrent que ces variables indépendantes n’influencent pas de la même façon l’utilisation des différentes technologies. Une plus grande partie des différences d’utilisation se situe entre les départements lorsqu’on considère l’utilisation du projecteur en salle de classe. L’utilisation d’équipements en salle de classe relève davantage de facteurs organisationnels que celle des environnements numériques d’apprentissage (ENA). Les résultats montrent par ailleurs que la perception de la compétence technologique et le profil d’adoption des innovations technologiques mesurent des choses différentes. Alors que le profil d’adoption influence dans une plus ou moins grande mesure toutes les utilisations, la perception de la compétence n’a d’impact que sur l’utilisation plus poussée des ressources, soit l’utilisation d’une page web personnelle ou d’une plateforme autre que WebCT. Un clivage entre disciplines molles pures et disciplines dures pures existe, mais seulement lorsqu’on considère l’utilisation des ENA et de la page web personnelle. La plateforme WebCT est associée au secteur des sciences humaines alors que l’utilisation de la page web ou d’ENA autre que WebCT est liée au secteur des sciences pures. Dans les deux cas, l’utilisation des ENA est liée à l’enseignement de premier cycle, c’est à dire à un enseignement de masse.

Modélisation d'arythmies auriculaires modulées par le système nerveux autonome

La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente et représente environ un tiers des hospitalisations attribuables aux troubles du rythme cardiaque. Les mécanismes d’initiation et de maintenance de la FA sont complexes et multiples. Parmi ceux-ci, une contribution du système nerveux autonome a été identifiée mais son rôle exact demeure mal compris. Ce travail cible l’étude de la modulation induite par l’acétylcholine (ACh) sur l’initiation et le maintien de la FA, en utilisant un modèle de tissu bidimensionnel. La propagation de l’influx électrique sur ce tissu est décrite par une équation réaction-diffusion non-linéaire résolue sur un maillage rectangulaire avec une méthode de différences finies, et la cinétique d'ACh suit une évolution temporelle prédéfinie qui correspond à l’activation du système parasympathique. Plus de 4400 simulations ont été réalisées sur la base de 4 épisodes d’arythmies, 5 tailles différentes de région modulée par l’ACh, 10 concentrations d’ACh et 22 constantes de temps de libération et de dégradation d’ACh. La complexité de la dynamique des réentrées est décrite en fonction de la constante de temps qui représente le taux de variation d’ACh. Les résultats obtenus suggèrent que la stimulation vagale peut mener soit à une dynamique plus complexe des réentrées soit à l’arrêt de la FA en fonction des quatre paramètres étudiés. Ils démontrent qu’une décharge vagale rapide, représentée par des constantes de temps faibles combinées à une quantité suffisamment grande d’ACh, a une forte probabilité de briser la réentrée primaire provoquant une activité fibrillatoire. Cette activité est caractérisée par la création de plusieurs ondelettes à partir d’un rotor primaire sous l’effet de l’hétérogénéité du gradient de repolarisation causé par l’activité autonomique.

Limited sampling strategies for estimation of cyclosporine exposure in pediatric hematopoietic stem cell transplant recipients : methodological improvement and introduction of sampling time deviation analysis.

Le suivi thérapeutique est recommandé pour l’ajustement de la dose des agents immunosuppresseurs. La pertinence de l’utilisation de la surface sous la courbe (SSC) comme biomarqueur dans l’exercice du suivi thérapeutique de la cyclosporine (CsA) dans la transplantation des cellules souches hématopoïétiques est soutenue par un nombre croissant d’études. Cependant, pour des raisons intrinsèques à la méthode de calcul de la SSC, son utilisation en milieu clinique n’est pas pratique. Les stratégies d’échantillonnage limitées, basées sur des approches de régression (R-LSS) ou des approches Bayésiennes (B-LSS), représentent des alternatives pratiques pour une estimation satisfaisante de la SSC. Cependant, pour une application efficace de ces méthodologies, leur conception doit accommoder la réalité clinique, notamment en requérant un nombre minimal de concentrations échelonnées sur une courte durée d’échantillonnage. De plus, une attention particulière devrait être accordée à assurer leur développement et validation adéquates. Il est aussi important de mentionner que l’irrégularité dans le temps de la collecte des échantillons sanguins peut avoir un impact non-négligeable sur la performance prédictive des R-LSS. Or, à ce jour, cet impact n’a fait l’objet d’aucune étude. Cette thèse de doctorat se penche sur ces problématiques afin de permettre une estimation précise et pratique de la SSC. Ces études ont été effectuées dans le cadre de l’utilisation de la CsA chez des patients pédiatriques ayant subi une greffe de cellules souches hématopoïétiques. D’abord, des approches de régression multiple ainsi que d’analyse pharmacocinétique de population (Pop-PK) ont été utilisées de façon constructive afin de développer et de valider adéquatement des LSS. Ensuite, plusieurs modèles Pop-PK ont été évalués, tout en gardant à l’esprit leur utilisation prévue dans le contexte de l’estimation de la SSC. Aussi, la performance des B-LSS ciblant différentes versions de SSC a également été étudiée. Enfin, l’impact des écarts entre les temps d’échantillonnage sanguins réels et les temps nominaux planifiés, sur la performance de prédiction des R-LSS a été quantifié en utilisant une approche de simulation qui considère des scénarios diversifiés et réalistes représentant des erreurs potentielles dans la cédule des échantillons sanguins. Ainsi, cette étude a d’abord conduit au développement de R-LSS et B-LSS ayant une performance clinique satisfaisante, et qui sont pratiques puisqu’elles impliquent 4 points d’échantillonnage ou moins obtenus dans les 4 heures post-dose. Une fois l’analyse Pop-PK effectuée, un modèle structural à deux compartiments avec un temps de délai a été retenu. Cependant, le modèle final - notamment avec covariables - n’a pas amélioré la performance des B-LSS comparativement aux modèles structuraux (sans covariables). En outre, nous avons démontré que les B-LSS exhibent une meilleure performance pour la SSC dérivée des concentrations simulées qui excluent les erreurs résiduelles, que nous avons nommée « underlying AUC », comparée à la SSC observée qui est directement calculée à partir des concentrations mesurées. Enfin, nos résultats ont prouvé que l’irrégularité des temps de la collecte des échantillons sanguins a un impact important sur la performance prédictive des R-LSS; cet impact est en fonction du nombre des échantillons requis, mais encore davantage en fonction de la durée du processus d’échantillonnage impliqué. Nous avons aussi mis en évidence que les erreurs d’échantillonnage commises aux moments où la concentration change rapidement sont celles qui affectent le plus le pouvoir prédictif des R-LSS. Plus intéressant, nous avons mis en exergue que même si différentes R-LSS peuvent avoir des performances similaires lorsque basées sur des temps nominaux, leurs tolérances aux erreurs des temps d’échantillonnage peuvent largement différer. En fait, une considération adéquate de l'impact de ces erreurs peut conduire à une sélection et une utilisation plus fiables des R-LSS. Par une investigation approfondie de différents aspects sous-jacents aux stratégies d’échantillonnages limités, cette thèse a pu fournir des améliorations méthodologiques notables, et proposer de nouvelles voies pour assurer leur utilisation de façon fiable et informée, tout en favorisant leur adéquation à la pratique clinique.

Étude de l’attribution de la responsabilité chez des adolescents auteurs d’agression sexuelle : facteurs explicatifs et prise en charge

La présente recherche porte sur « l’attribution de la responsabilité » auprès d’une population de 166 adolescents auteurs d’agression sexuelle âgés de 12 à 19 ans. Le but premier de cette investigation est de déterminer quels aspects psychologiques (âge, stress post-traumatique, distorsion cognitive, estime de soi, aliénation, immaturité) influencent trois types d’attributions de la responsabilité, soit la culpabilité, l’attribution externe et l’attribution interne, et ainsi sur quels niveaux focaliser le traitement. Les résultats des régressions multiples ont mis en avant deux modèles. Pour le modèle prédisant la culpabilité, une seule composante est retenue, le stress post-traumatique. Ce modèle explique 26% (ajusté) de la variance de la culpabilité (R2=0,29, F(6,120)=8,35, p<0,01). Le modèle prédisant l’attribution externe est composé de l’âge et des distorsions cognitives et permet d’expliquer 25% (ajusté) de la variance (R2=0,28, F(6,122)=8,03, p<0,01). L’attribution interne ne présente aucune corrélation avec les variables étudiées. Le deuxième objectif est d’estimer l’efficacité de la prise en charge du jeune pour modifier l’attribution de responsabilité, selon les différentes modalités qui sont le « milieu de prise en charge », la « durée du traitement » et « l’approche thérapeutique » afin de choisir le programme le plus adéquat. En utilisant l’analyse de la variance (ANOVA), il a été possible de déterminer qu’aucune de ces modalités n’influence l’attribution de la responsabilité. Cette étude présente des limites, notamment la puissance statistique. Comme piste pour de futures recherches, le lien entre l’attribution de la responsabilité et la récidive pourrait être examiné.

Identification des résidus essentiels à l’interaction du récepteur CXCR7 avec ses ligands SDF-1 et ITAC

Les chimiokines sont des petites protéines secrétées dont la fonction principale est la stimulation de la migration de cellules immunitaires vers différents organes et tissus. Elles sont souvent impliquées lors des maladies inflammatoires, auto-immunes et des cancers. Ainsi, les chimiokines et leurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont la cible pharmacologique de plusieurs molécules, actuellement testées en essais cliniques. Nous avons pris comme modèle, lors de notre étude, le récepteur atypique CXCR7. Ce récepteur est dit atypique, car il ne signalise pas via la voie classique des protéines G, mais plutôt via la voie de la β-arrestine. CXCR7 est impliqué dans de nombreux cancers, favorise la progression métastatique et est un co-récepteur pour le virus de l’immunodéficience humaine (VIH). Cependant, aucune donnée sur son mode de liaison avec ses ligands CXCL11/ITAC et CXCL12/SDF-1 n’existe à date. Nous pensons que cette information est essentielle pour le développement efficace d’agonistes et d’antagonistes, et nous nous sommes intéressés à identifier les résidus essentiels à la liaison des deux ligands de CXCR7 et à son activation par ces derniers. Pour cela, nous avons créé une série de mutants par substitution ou délétion d’acides aminés de la partie N-terminale, des boucles extracellulaires et des domaines transmembranaires du récepteur. Nous avons testé leur marquage en surface cellulaire par cytométrie en flux, leur liaison des deux ligands par expériences de radio-liaison, et leur capacité à recruter la β-arrestine en réponse aux ligands par essais BRET. Les résultats obtenus ont permis d’identifier des résidus importants à l’interaction des systèmes CXCR7/SDF-1 et CXCR7-ITAC et suggèrent des modes de liaison à CXCR7 différents entre ITAC et SDF-1. Tout comme la liaison d’ITAC à son autre récepteur CXCR3, sa liaison à CXCR7 suivrait le mode conventionnel de liaison en deux étapes des récepteurs de chimiokines. Cependant, la liaison de SDF-1 à CXCR7 suivrait un autre mode de liaison, contrairement à sa liaison à son autre récepteur, CXCR4.

Essays in resource economics

Cette thèse comporte trois essais en économie des ressources naturelles. Le Chapitre 2 analyse les effets du stockage d’une ressource naturelle sur le bien-être et sur le stock de celle-ci, dans le contexte de la rizipisciculture. La rizipisciculture consiste à élever des poissons dans une rizière en même temps que la culture du riz. Je développe un modèle d’équilibre général, qui contient trois composantes principales : une ressource renouvelable à accès libre, deux secteurs de production et le stockage du bien produit à partir de la ressource. Les consommateurs stockent la ressource lorsqu’ils spéculent que le prix de cette ressource sera plus élevé dans le futur. Le stockage a un effet ambigu sur le bien-être, négatif sur le stock de ressource au moment où le stockage a lieu et positive sur le stock de ressource dans le futur. Le Chapitre 3 étudie les effects de la migration de travailleurs qualifiés dans un modèle de commerce international lorsqu’il y a présence de pollution. Je développe un modèle de commerce à deux secteurs dans lequel j’introduis les questions de pollution et de migration dans l’objectif de montrer que le commerce interrégional peut affecter le niveau de pollution dans un pays composé de régions qui ont des structures industrielles différentes. La mobilité des travailleurs amplifie les effets du commerce sur le capital environnemental. Le capital environnemental de la région qui a la technologie la moins (plus) polluante est positivement (négativement) affecté par le commerce. De plus, je montre que le commerce interrégional est toujours bénéfique pour la région avec la technologie la moins polluante, ce qui n’est pas toujours le cas pour la région qui a la technologie la plus polluante. Finalement, le Chapitre 4 est coécrit avec Yves Richelle. Dans ce chapitre, nous étudions l’allocation efficace de l’eau d’un lac entre différents utilisateurs. Nous considérons dans le modèle deux types d’irréversibilités : l’irréversibilité d’un investissement qui crée un dommage à l’écosystème et l’irréversibilité dans l’allocation des droits d’usage de l’eau qui provient de la loi sur l’eau (irréversibilité légale). Nous déterminons d’abord la valeur de l’eau pour chacun des utilisateurs. Par la suite, nous caractérisons l’allocation optimale de l’eau entre les utilisateurs. Nous montrons que l’irréversibilité légale entraîne qu’il est parfois optimal de réduire la quantité d’eau allouée à la firme, même s’il n’y a pas de rivalité d’usage. De plus, nous montrons qu’il n’est pas toujours optimal de prévenir le dommage créé par un investissement. Dans l’ensemble, nous prouvons que les irréversibilités entraînent que l’égalité de la valeur entre les utilisateurs ne tient plus à l’allocation optimale. Nous montrons que lorsqu’il n’y a pas de rivalité d’usage, l’eau non utilisée ne doit pas être considérée comme une ressource sans limite qui doit être utilisée de n’importe quelle façon.

Statistical Object Recognition

Two formulations of model-based object recognition are described. MAP Model Matching evaluates joint hypotheses of match and pose, while Posterior Marginal Pose Estimation evaluates the pose only. Local search in pose space is carried out with the Expectation--Maximization (EM) algorithm. Recognition experiments are described where the EM algorithm is used to refine and evaluate pose hypotheses in 2D and 3D. Initial hypotheses for the 2D experiments were generated by a simple indexing method: Angle Pair Indexing. The Linear Combination of Views method of Ullman and Basri is employed as the projection model in the 3D experiments.

The frequency and dynamics of stratospheric sudden warmings in the 21st century

Changes to stratospheric sudden warmings (SSWs) over the coming century, as predicted by the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) chemistry climate model [Atmospheric Model With Transport and Chemistry (AMTRAC)], are investigated in detail. Two sets of integrations, each a three-member ensemble, are analyzed. The first set is driven with observed climate forcings between 1960 and 2004; the second is driven with climate forcings from a coupled model run, including trace gas concentrations representing a midrange estimate of future anthropogenic emissions between 1990 and 2099. A small positive trend in the frequency of SSWs is found. This trend, amounting to 1 event/decade over a century, is statistically significant at the 90% confidence level and is consistent over the two sets of model integrations. Comparison of the model SSW climatology between the late 20th and 21st centuries shows that the increase is largest toward the end of the winter season. In contrast, the dynamical properties are not significantly altered in the coming century, despite the increase in SSW frequency. Owing to the intrinsic complexity of our model, the direct cause of the predicted trend in SSW frequency remains an open question.

Calibration of uncertain flood inundation models using remotely sensed water levels

A traditional method of validating the performance of a flood model when remotely sensed data of the flood extent are available is to compare the predicted flood extent to that observed. The performance measure employed often uses areal pattern-matching to assess the degree to which the two extents overlap. Recently, remote sensing of flood extents using synthetic aperture radar (SAR) and airborne scanning laser altimetry (LIDAR) has made more straightforward the synoptic measurement of water surface elevations along flood waterlines, and this has emphasised the possibility of using alternative performance measures based on height. This paper considers the advantages that can accrue from using a performance measure based on waterline elevations rather than one based on areal patterns of wet and dry pixels. The two measures were compared for their ability to estimate flood inundation uncertainty maps from a set of model runs carried out to span the acceptable model parameter range in a GLUE-based analysis. A 1 in 5-year flood on the Thames in 1992 was used as a test event. As is typical for UK floods, only a single SAR image of observed flood extent was available for model calibration and validation. A simple implementation of a two-dimensional flood model (LISFLOOD-FP) was used to generate model flood extents for comparison with that observed. The performance measure based on height differences of corresponding points along the observed and modelled waterlines was found to be significantly more sensitive to the channel friction parameter than the measure based on areal patterns of flood extent. The former was able to restrict the parameter range of acceptable model runs and hence reduce the number of runs necessary to generate an inundation uncertainty map. A result of this was that there was less uncertainty in the final flood risk map. The uncertainty analysis included the effects of uncertainties in the observed flood extent as well as in model parameters. The height-based measure was found to be more sensitive when increased heighting accuracy was achieved by requiring that observed waterline heights varied slowly along the reach. The technique allows for the decomposition of the reach into sections, with different effective channel friction parameters used in different sections, which in this case resulted in lower r.m.s. height differences between observed and modelled waterlines than those achieved by runs using a single friction parameter for the whole reach. However, a validation of the modelled inundation uncertainty using the calibration event showed a significant difference between the uncertainty map and the observed flood extent. While this was true for both measures, the difference was especially significant for the height-based one. This is likely to be due to the conceptually simple flood inundation model and the coarse application resolution employed in this case. The increased sensitivity of the height-based measure may lead to an increased onus being placed on the model developer in the production of a valid model

A comparison of diatom phosphorus transfer functions and export coefficient models as tools for reconstructing lake nutrient histories

1. We compared the baseline phosphorus (P) concentrations inferred by diatom-P transfer functions and export coefficient models at 62 lakes in Great Britain to assess whether the techniques produce similar estimates of historical nutrient status. 2. There was a strong linear relationship between the two sets of values over the whole total P (TP) gradient (2-200 mu g TP L-1). However, a systematic bias was observed with the diatom model producing the higher values in 46 lakes (of which values differed by more than 10 mu g TP L-1 in 21). The export coefficient model gave the higher values in 10 lakes (of which the values differed by more than 10 mu g TP L-1 in only 4). 3. The difference between baseline and present-day TP concentrations was calculated to compare the extent of eutrophication inferred by the two sets of model output. There was generally poor agreement between the amounts of change estimated by the two approaches. The discrepancy in both the baseline values and the degree of change inferred by the models was greatest in the shallow and more productive sites. 4. Both approaches were applied to two lakes in the English Lake District where long-term P data exist, to assess how well the models track measured P concentrations since approximately 1850. There was good agreement between the pre-enrichment TP concentrations generated by the models. The diatom model paralleled the steeper rise in maximum soluble reactive P (SRP) more closely than the gradual increase in annual mean TP in both lakes. The export coefficient model produced a closer fit to observed annual mean TP concentrations for both sites, tracking the changes in total external nutrient loading. 5. A combined approach is recommended, with the diatom model employed to reflect the nature and timing of the in-lake response to changes in nutrient loading, and the export coefficient model used to establish the origins and extent of changes in the external load and to assess potential reduction in loading under different management scenarios. 6. However, caution must be exercised when applying these models to shallow lakes where the export coefficient model TP estimate will not include internal P loading from lake sediments and where the diatom TP inferences may over-estimate TP concentrations because of the high abundance of benthic taxa, many of which are poor indicators of trophic state.

Estimating discharge from inundation imagery

Remote sensing from space-borne platforms is often seen as an appealing method of monitoring components of the hydrological cycle, including river discharge, due to its spatial coverage. However, data from these platforms is often less than ideal because the geophysical properties of interest are rarely measured directly and the measurements that are taken can be subject to significant errors. This study assimilated water levels derived from a TerraSAR-X synthetic aperture radar image and digital aerial photography with simulations from a two dimensional hydraulic model to estimate discharge, inundation extent, depths and velocities at the confluence of the rivers Severn and Avon, UK. An ensemble Kalman filter was used to assimilate spot heights water levels derived by intersecting shorelines from the imagery with a digital elevation model. Discharge was estimated from the ensemble of simulations using state augmentation and then compared with gauge data. Assimilating the real data reduced the error between analyzed mean water levels and levels from three gauging stations to less than 0.3 m, which is less than typically found in post event water marks data from the field at these scales. Measurement bias was evident, but the method still provided a means of improving estimates of discharge for high flows where gauge data are unavailable or of poor quality. Posterior estimates of discharge had standard deviations between 63.3 m3s-1 and 52.7 m3s-1, which were below 15% of the gauged flows along the reach. Therefore, assuming a roughness uncertainty of 0.03-0.05 and no model structural errors discharge could be estimated by the EnKF with accuracy similar to that arguably expected from gauging stations during flood events. Quality control prior to assimilation, where measurements were rejected for being in areas of high topographic slope or close to tall vegetation and trees, was found to be essential. The study demonstrates the potential, but also the significant limitations of currently available imagery to reduce discharge uncertainty in un-gauged or poorly gauged basins when combined with model simulations in a data assimilation framework.