Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Regional Approach to Landslide Interpretation and Repair, TR-430, 2001

The objective of this report is to provide Iowa county engineers and highway maintenance personnel with procedures that will allow them to efficiently and effectively interpret and repair or avoid landslides. The research provides an overview of basic slope stability analyses that can be used to diagnose the cause and effect associated with a slope failure. Field evidence for identifying active or potential slope stability problems is outlined. A survey of county engineers provided data for presenting a slope stability risk map for the state of Iowa. Areas of high risk are along the western border and southeastern portion of the state. These regions contain deep to moderately deep loess. The central portion of the state is a low risk area where the surficial soils are glacial till or thin loess over till. In this region, the landslides appear to occur predominately in backslopes along deeply incised major rivers, such as the Des Moines River, or in foreslopes. The south-central portion of the state is an area of medium risk where failures are associated with steep backslopes and improperly compacted foreslopes. Soil shear strength data compiled from the Iowa DOT and consulting engineers files are correlated with geologic parent materials and mean values of shear strength parameters and unit weights were computed for glacial till, friable loess, plastic loess and local alluvium. Statistical tests demonstrate that friction angles and unit weights differ significantly but in some cases effective stress cohesion intercept and undrained shear strength data do not. Moreover, effective stress cohesion intercept and undrained shear strength data show a high degree of variability. The shear strength and unit weight data are used in slope stability analyses for both drained and undrained conditions to generate curves that can be used for a preliminary evaluation of the relative stability of slopes within the four materials. Reconnaissance trips to over fifty active and repaired landslides in Iowa suggest that, in general, landslides in Iowa are relatively shallow [i.e., failure surfaces less than 6 ft (2 m) deep] and are either translational or shallow rational. Two foreslope and two backslope failure case histories provide additional insights into slope stability problems and repair in Iowa. These include the observation that embankment soils compacted to less than 95% relative density show a marked strength decrease from soils at or above that density. Foreslopes constructed of soils derived from shale exhibit loss of strength as a result of weathering. In some situations, multiple causes of instability can be discerned from back analyses with the slope stability program XSTABL. In areas where the stratigraphy consists of loess over till or till over bedrock, the geologic contracts act as surfaces of groundwater accumulation that contribute to slope instability.

Spatial pattern and process at the plant neighbourhood scale: insights from communities dominated by the clonal grass Elymus repens (L.) Gould.

Question: How do clonal traits of a locally dominant grass (Elymus repens (L.) Gould.) respond to soil heterogeneity and shape spatial patterns of its tillers? How do tiller spatial patterns constrain seedling recruitment within the community?Locations: Artificial banks of the River Rhone, France.Material and Methods: We examined 45 vegetation patches dominated by Elymus repens. During a first phase we tested relationships between soil variables and three clonal traits (spacer length, number of clumping tillers and branching rate), and between the same clonal traits and spatial patterns (i.e. density and degree of spatial aggregation) of tillers at a very fine scale. During a second phase, we performed a sowing experiment to investigate effects of density and spatial patterns of E. repens on recruitment of eight species selected from the regional species pool.Results: Clonal traits had clear effects - especially spacer length - on densification and aggregation of E. repens tillers and, at the same time, a clear response of these same clonal traits as soil granulometry changed. The density and degree of aggregation of E. repens tillers was positively correlated to total seedling cover and diversity at the finest spatial scales.Conclusions: Spatial patterning of a dominant perennial grass responds to soil heterogeneity through modifications of its clonal morphology as a trade-off between phalanx and guerrilla forms. In turn, spatial patterns have strong effects on abundance and diversity of seedlings. Spatial patterns of tillers most probably led to formation of endogenous gaps in which the recruitment of new plant individuals was enhanced. Interestingly, we also observed more idiosyncratic effects of tiller spatial patterns on seedling cover and diversity when focusing on different growth forms of the sown species.

Estudi de les aigües salines a la conca del riu Llobregat i Cardener : implicacions ambientals

L’increment de la salinitat a les aigües subterrànies a prop de la zones de les explotacions mineres salines representa un problema ambiental amb moltes implicacions socio-econòmiques. La part mitja de la conca del riu Llobregat i Cardener és un clar exemple d’aquesta problemàtica. En molts casos l’origen de la salinitat és dubtós, ja que pot provenir del contacte de l’aigua de l’aqüífer amb formacions geològiques salines naturals o per l’afectació de les escombreres produïdes per l’explotació minera de potasses que es troba en aquesta regió. L’objectiu d’aquest treball és demostrar que el Ra pot ser un bon traçador per determinar l’origen de la salinitat de les aigües i complementar les analítiques químiques elementals i dels isòtops del sofre i de l’oxigen del sulfat (δ34SSO4 i δ18OSO4). La presència dels diversos isòtops del Ra en les aigües subterrànies dependrà de la geologia i del temps de residència de l’aigua dins l’aqüífer. L’anàlisi de 12 mostres de la comarca indica que el 226Ra és el millor dels isòtops del Ra que permet diferenciar l’origen de les aigües subterrànies.

Evolució dels nitrats analitzats a l'aigua de 87 fonts situades en 28 municipis de la comarca d'Osona

La comarca d’Osona ha disposat sempre d’aigua abundant i de bona qualitat, però en els darrers anys s’ha observat un increment del contingut de nitrats a les aigües subterrànies. Des de 1988 i fins a l’actualitat es mostreja puntualment l’aigua d’algunes fonts i se n’analitzen els nitrats. En aquest estudi s’analitza l’evolució del contingut de nitrats i com ha afectat a la mineralització de l’aigua d’aquestes fonts i en quin estat es troben actualment. La legislació actual (RD 140/2003) considera que valors de nitrats a l’aigua de consum superiors a 50 mg/l poden provocar problemes de salut pública.

Estudi de la contaminació per nitrats a les aigües subterrànies de Catalunya: l'Alt Penedès, el Baix Camp, el Baix Empordà, el Baix Penedès, la Garrotxa, el Maresme, Osona, el Pla de l'Estany, la Segarra, el Segrià, el Tarragonès i l'Urgell

La contaminació per nitrats de les aigües subterrànies és un dels problemes mediambientals i de salut pública que més afecten els nostres aqüífers. És per això que un dels eixos del nostre estudi és fer la màxima difusió de l’estat de la qualitat de l’aigua dels aqüífers de diferents àrees de Catalunya. En el present estudi es tracta la contaminació per nitrats a les aigües de 945 punts de mostreig (sobretot d’aigua procedent de pous, d’algunes mines i d’algunes fonts) de Catalunya, situats en 12 comarques diferents, totes elles amb algun o una gran part dels seus municipis englobats en una zona vulnerable. D’aquests punts de mostreig s’ha fet un recull de dades de la concentració de nitrats des de l’any 2003 fins el 2012 per tal d’estudiar-ne l’evolució i la incidència de la pluviometria, així com conèixer en quines comarques les variables externes: superfície agrària útil (SAU), explotacions agràries i cabana porcina i bovina poden haver incidit directament en la contaminació. També s’estudia fins a quin punt, aquest deteriorament, ha afectat la mineralització de l’aigua o afecta a llocs d’aigües més mineralitzades. A partir dels resultats obtinguts s’ha arribat a les conclusions que la concentració mitjana de nitrats a les aigües subterrànies en la majoria de comarques estudiades és elevada, superior als 50 mg/l que estableix la normativa vigent; que ha tendit a l’estabilitat en els últims deu anys; que afecta llocs d’aigües molt mineralitzades i que la pluviometria incideix notablement en la concentració de nitrats. S’ha observat que les variables externes superfície agrària útil (SAU), explotacions agràries i cabana porcina i bovina incideixen directament en la contaminació, excepte al Maresme. Finalment es presenten diferents usos alternatius als de l’aigua de consum per aquestes aigües contaminades amb nitrats i que han posat en pràctica diferents municipis de les comarques estudiades.

Controls on 13C and 14C variability in soil CO2

14C dating of groundwater depends on the isotopic composition of both the solid carbonate and the soil CO2 and requires the use of 14C age correction models. To better assess the variability of the 14C activity of soil CO2 (A14Csoil-CO2) and the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2), which are two parameters used in 14C age correction models, we studied the different processes involving carbon isotopes in the soil. The approach used experimental data from two sites in France (Fontainebleau sands and Astian sands) and a steady-state transport model. In most cases, the 14C activity (A14C) of atmospheric CO2 is directly used in the 14C age correction models as the A14Csoil-CO2. However, we demonstrate that since 1950, the evolution of the A14Csoil-CO2 reflects the competition between the fluxes of root-derived CO2 and organic matter-derived CO2. Therefore, the A14Csoil-CO2 must be used to date groundwater that is younger than 60 years old. Moreover, the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2) showed large seasonal variations that must be taken into account in selecting the δ13Csoil-CO2 for 14C age correction models.

Ympäristövaikutusten velvoitetarkkailun tulosten epävarmuuden arviointi

Tämä diplomityö tehtiin Neste Oil Oyj:n Kehittäminen ja Laboratoriot yksikön HSE-palveluille. Työn tavoitteena oli arvioida Neste Oilin ympäristövaikutusten velvoitetarkkailujen mittaustulosten epävarmuutta. Tarkastelu koski ilmanlaadun SO2-, NO2-, TRS- sekä O3-mittauksia, ympäristömelumittauksia sekä pohjavesinäytteenottoa. Ympäristönsuojelulaki (86/2000) velvoittaa tuotantolaitoksia selvittämään toimintansa ympäristövaikutukset. Myös esimerkiksi akkreditoitaessa menetelmiä mittausepävarmuus on tunnettava. On arvioitu, että tulevaisuudessa direktiivit tulevat tiukentamaan päästöraja-arvoja ja mittausepävarmuuden käsite tulee käyttöön kaikilla ympäristösektoreilla.Tässä työssä ilmanlaadun mittausepävarmuus arvioitiin vertaamalla Neste Oilin mittaustuloksia Ilmatieteenlaitoksen vertailumittausten ja kalibrointien tuloksiin. Ympäristömelun mittausepävarmuus arvioitiin Ympäristöministeriön ympäristömelunmittausohjeen (1/1995)mukai-sesti. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuus arvioitiin laskemalla haitta-aineiden ajallisen vaihtelun, näytteenottomenetelmien, näytteiden kuljetuksenja säilytyksen aiheuttaman kontaminaation sekä analyysivaiheen epävarmuustekijöiden yhdistetty mittausepävarmuus. Tarkastelussa todettiin, että ilmanlaadunmittaustulokset eivät poikenneet merkittävästi vertai-lumittausten ja kalibrointien tuloksista. Menetelmien laajennetuksi mittausepävarmuudeksi saatiin 6-8 %. Ympäristömelun mittausepävarmuus vastasi ympäristömelunmittausohjeessa esitettyjä arvoja ja vaihtelivat 2-10 dB:n välillä, riippuen mittausetäisyydestä ja mittauskertojen lukumäärästä. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudelle ei ole asetettu laatutavoitteita. Tässä tarkastelussa pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudeksi saatiin 33 %.

Phosphorous and nitrogen changes in compost-amended schist soils in vineyards in the D.O. Priorat wine-producing area (NE Spain)

The impact, on nitrogen and phosphorous dynamics, of applying compost at different rates was investigated in soils developed on schist in new terraced vineyards (NTV) and in undisturbed areas (NC). Repacked soil columns amended with 0 (control), 50 t ha –1 (T1) and 100 t ha–1 (T2) of compost were studied under laboratory conditions simulating both situations. The columns were maintained for 1 year, during which time a total of 300 mm of simulated rainfall was applied in ten 30 mm applications. Soil organic matter (OM), nitrogen and phosphorous contents were analysed at the end of the study period and leachates were analysed after each simulated rainfall event. Significant differences in nitrate leaching were observed between the control and the treated soils and these differences were greater in the NC (control = 1.368 g, T1 = 1.526 g and T2 = 1.686 g) than in the NTV soils (control = 0.61 g, T1 = = 1.068 g and T2 = 1.283 g). The relative effect was greater in the NTV soils (T1/control = 1.11 vs. 1.75 and T2/control = 1.23 vs. 2.1 for NC and NTV, respectively). The nitrate concentration in the leached water reached up to 400 mg L–1, which implied a risk of groundwater pollution. Phosphorous losses through leaching were very low with concentrations of < 0.15 mg L–1, without any significant differences between treatments. The phosphorous concentrations in the surface horizon increased by 50.8% in T1 and by 66.8% in T2 in the NC soils, compared with increases of 20.3% and 38%, respectively, in the NTV soils. Due to the high infiltration capacity of the study soils, leaching effects must be considered in order to prevent groundwater pollution.

Technical Note: Dissolved organic matter fluorescence a finite mixture approach to deconvolve excitation-emission matrices

The analysis of the shape of excitation-emission matrices (EEMs) is a relevant tool for exploring the origin, transport and fate of dissolved organic matter (DOM) in aquatic ecosystems. Within this context, the decomposition of EEMs is acquiring a notable relevance. A simple mathematical algorithm that automatically deconvolves individual EEMs is described, creating new possibilities for the comparison of DOM fluorescence properties and EEMs that are very different from each other. A mixture model approach is adopted to decompose complex surfaces into sub-peaks. The laplacian operator and the Nelder-Mead optimisation algorithm are implemented to individuate and automatically locate potential peaks in the EEM landscape. The EEMs of a simple artificial mixture of fluorophores and DOM samples collected in a Mediterranean river are used to describe the model application and to illustrate a strategy that optimises the search for the optimal output.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Intracellular ATP Decrease Mediates NLRP3 Inflammasome Activation upon Nigericin and Crystal Stimulation.

Activation of the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome initiates an inflammatory response, which is associated with host defense against pathogens and the progression of chronic inflammatory diseases such as gout and atherosclerosis. The NLRP3 inflammasome mediates caspase-1 activation and subsequent IL-1β processing in response to various stimuli, including extracellular ATP, although the roles of intracellular ATP (iATP) in NLRP3 activation remain unclear. In this study, we found that in activated macrophages artificial reduction of iATP by 2-deoxyglucose, a glycolysis inhibitor, caused mitochondrial membrane depolarization, leading to IL-1β secretion via NLRP3 and caspase-1 activation. Additionally, the NLRP3 activators nigericin and monosodium urate crystals lowered iATP through K(+)- and Ca(2+)-mediated mitochondrial dysfunction, suggesting a feedback loop between iATP loss and lowering of mitochondrial membrane potential. These results demonstrate the fundamental roles of iATP in the maintenance of mitochondrial function and regulation of IL-1β secretion, and they suggest that maintenance of the intracellular ATP pools could be a strategy for countering NLRP3-mediated inflammation.

Type II aromatic polyketide biosynthetic tailoring enzymes: diversity and adaptation in Streptomyces secondary metabolism.

Members of the bacterial genus Streptomyces are well known for their ability to produce an exceptionally wide selection of diverse secondary metabolites. These include natural bioactive chemical compounds which have potential applications in medicine, agriculture and other fields of commerce. The outstanding biosynthetic capacity derives from the characteristic genetic flexibility of Streptomyces secondary metabolism pathways: i) Clustering of the biosynthetic genes in chromosome regions redundant for vital primary functions, and ii) the presence of numerous genetic elements within these regions which facilitate DNA rearrangement and transfer between non-progeny species. Decades of intensive genetic research on the organization and function of the biosynthetic routes has led to a variety of molecular biology applications, which can be used to expand the diversity of compounds synthesized. These include techniques which, for example, allow modification and artificial construction of novel pathways, and enable gene-level detection of silent secondary metabolite clusters. Over the years the research has expanded to cover molecular-level analysis of the enzymes responsible for the individual catalytic reactions. In vitro studies of the enzymes provide a detailed insight into their catalytic functions, mechanisms, substrate specificities, interactions and stereochemical determinants. These are factors that are essential for the thorough understanding and rational design of novel biosynthetic routes. The current study is a part of a more extensive research project (Antibiotic Biosynthetic Enzymes; www.sci.utu.fi/projects/biokemia/abe), which focuses on the post-PKS tailoring enzymes involved in various type II aromatic polyketide biosynthetic pathways in Streptomyces bacteria. The initiative here was to investigate specific catalytic steps in anthracycline and angucycline biosynthesis through in vitro biochemical enzyme characterization and structural enzymology. The objectives were to elucidate detailed mechanisms and enzyme-level interactions which cannot be resolved by in vivo genetic studies alone. The first part of the experimental work concerns the homologous polyketide cyclases SnoaL and AknH. These catalyze the closure of the last carbon ring of the tetracyclic carbon frame common to all anthracycline-type compounds. The second part of the study primarily deals with tailoring enzymes PgaE (and its homolog CabE) and PgaM, which are responsible for a cascade of sequential modification reactions in angucycline biosynthesis. The results complemented earlier in vivo findings and confirmed the enzyme functions in vitro. Importantly, we were able to identify the amino acid -level determinants that influence AknH and SnoaL stereoselectivity and to determine the complex biosynthetic steps of the angucycline oxygenation cascade of PgaE and PgaM. In addition, the findings revealed interesting cases of enzyme-level adaptation, as some of the catalytic mechanisms did not coincide with those described for characterised homologs or enzymes of known function. Specifically, SnoaL and AknH were shown to employ a novel acid-base mechanism for aldol condenzation, whereas the hydroxylation reaction catalysed by PgaM involved unexpected oxygen chemistry. Owing to a gene-level fusion of two ancestral reading frames, PgaM was also shown to adopt an unusual quaternary sturucture, a non-covalent fusion complex of two alternative forms of the protein. Furthermore, the work highlighted some common themes encountered in polyketide biosynthetic pathways such as enzyme substrate specificity and intermediate reactivity. These are discussed in the final chapters of the work.

Ferro zero: uma nova abordagem para o tratamento de águas contaminadas com compostos orgânicos poluentes

Anthropogenic pollution of groundwater and surface water has become a very serious environmental problem around the world. A wide range of toxic pollutants is recalcitrant to the conventional treatment methods, thus there is much interest in the development of more efficient remediation processes. Degradation of organic pollutants by zero-valent iron is one of the most promising approaches for water treatment, mainly because it is of low cost, easy to obtain and effective. After a general introduction to water pollution and current treatments, this work highlights the advances, applications and future trends of water remediation by zero-valent iron. Special attention is given to degradation of organochloride and nitroaromatic compounds, which are commonly found in textile and paper mill effluents.