Metodi per la stima spaziale della temperatura in territori ad orografia complessa e parametrizzazione di un modello idrologico semi-distribuito su alcuni bacini appenninici

I bacini idrografici appenninici romagnoli rappresentano una fonte idropotabile di essenziale importanza per la Romagna, grazie alla regolazione stagionale svolta dall’invaso artificiale di Ridracoli. Nel presente elaborato si è implementato un modello per lo studio e la valutazione del regime idrologico dei bacini idrografici allacciati all’invaso, affrontando sia gli aspetti relativi alla miglior spazializzazione dei dati metereologici in ingresso al modello (in particolare in relazione alla stima della temperatura, fondamentale per la rappresentazione dei processi di evapotraspirazione e dei fenomeni di accumulo e scioglimento nevoso), sia gli aspetti di calibrazione dei parametri, confrontando le simulazioni ottenute a partire da diverse configurazioni del modello in termini di rappresentazione spaziale e temporale dei fenomeni. Inoltre si è eseguita una regionalizzazione del modello su due sezioni fluviali che sono al momento oggetto di indagini idrologiche, fornendo supporto alla valutazione della possibilità di realizzazione di una nuova opera di presa. A partire dai dati puntuali dei sensori termometrici disponibili si è ricercata la migliore tecnica di interpolazione della temperatura sull’area di studio, ottenendo una discreta precisione, con un errore in procedura di ricampionamento jack-knife raramente superiore al grado centigrado. La calibrazione del modello TUWien in approccio semi-distribuito, sia quando applicato a scala oraria sia quando applicato a scala giornaliera, ha portato a buoni risultati. La complessità del modello, dovuta in gran parte alla presenza di uno specifico modulo per la gestione di accumulo e scioglimento nivale, è stata ripagata dalle buone prestazioni delle simulazioni ottenute, sia sul periodo di calibrazione sia su quello di validazione. Tuttavia si è osservato che l’approccio semi-distribuito non ha portato benefici sostanziali rispetto a quello concentrato, soprattutto in relazione al forte aumento di costo computazionale.

Variabilità spaziale dei parametri di modelli afflussi-deflussi

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.

Un modello spazialmente distribuito per la modellazione fisicamente basata del contributo locale al trasporto solido in sospensione in alvei fluviali

La presente tesi di dottorato si propone lo sviluppo di un modello spazialmente distribuito per produrre una stima dell'erosione superficiale in bacini appenninici. Il modello è stato progettato per simulare in maniera fisicamente basata il distacco di suolo e di sedimento depositato ad opera delle precipitazioni e del deflusso superficiale, e si propone come utile strumento per lo studio della vulnerabilità del territorio collinare e montano. Si è scelto un bacino collinare dell'Appennino bolognese per testare le capacità del modello e verificarne la robustezza. Dopo una breve introduzione per esporre il contesto in cui si opera, nel primo capitolo sono presentate le principali forme di erosione e una loro descrizione fisico-matematica, nel secondo capitolo verranno introdotti i principali prodotti della modellistica di erosione del suolo, spiegando quale interpretazione dei fenomeni fisici è stata data. Nel terzo capitolo verrà descritto il modello oggetto della tesi di dottorando, con una prima breve descrizione della componente afflussi-deflussi ed una seconda descrizione della componente di erosione del suolo. Nel quarto capitolo verrà descritto il bacino di applicazione del modello, i risultati della calibrazione ed un'analisi di sensitività. Infine si presenteranno le conclusioni sullo studio.

Validazione in torrenti appenninici monitorati di un modello fisicamente basato per la stima del deflusso solido sospeso

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.

Groundwater recharge estimation in a data sparse arid catchment of westbank. Stima della ricarica delle falde acquifere in bacini aridi e carenti di osservazioni idrometriche: il Darga in Cisgiordania.

Il seguente elaborato è frutto del lavoro di ricerca, della durata di cinque mesi, svolto presso il Department of Catchment Hydrology del centro di ricerca UFZ (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung) con sede in Halle an der Saale, Germania. L’obiettivo della Tesi è la stima della ricarica della falda acquifera in un bacino idrografico sprovvisto di serie di osservazioni idrometriche di lunghezza significativa e caratterizzato da clima arido. Il lavoro di Tesi è stato svolto utilizzando un modello afflussi-deflussi concettualmente basato e spazialmente distribuito. La modellistica idrologica in regioni aride è un tema a cui la comunità scientifica sta dedicando numerosi sforzi di ricerca, presentando infatti ancora numerosi problemi aperti dal punto di vista tecnico-scientifico, ed è di primaria importanza per il sostentamento delle popolazioni che vi abitano. Le condizioni climatiche in queste regioni fanno sì che la falda acquifera superficiale sia la principale fonte di approvvigionamento; una stima affidabile della sua ricarica, nel tempo e nello spazio, permette un corretta gestione delle risorse idriche, senza la quale il fabbisogno idrico di queste popolazioni non potrebbe essere soddisfatto. L’area oggetto di studio è il bacino idrografico Darga, una striscia di terra di circa 74 km2, situata in Cisgiordania, la cui sezione di chiusura si trova a circa 4 kilometri dalla costa del Mar Morto, mentre lo spartiacque a monte, ubicato a Nord-ovest, dista circa 3 kilometri dalla città di Gerusalemme.

Teoria dell'utilità applicata alla calibrazione di modelli idrologici

Il presente lavoro di tesi affronta il problema della calibrazione dei modelli idrologici afflussi-deflussi tramite un nuovo approccio basato sull'utilizzo di funzioni di utilità. L'approccio classico nella calibrazione dei modelli idrologici prevede la definizione di una misura di discrepanza tra dato osservato e simulato (definizione della funzione obiettivo) per poi procedere ad una sua minimizzazione o massimizzazione. Tradizionalmente, questo processo viene eseguito considerando l'idrogramma nella sua globalità, senza concentrarsi su quegli intervalli dell'idrogramma più utili all'utilizzatore del modello idrologico. Ad esempio, se il modello idrologico viene impiegato in un'ottica di gestione delle risorse idriche, l'utilizzatore sarà interessato ad una “migliore” riproduzione dei deflussi medio/bassi piuttosto che una corretta riproduzione dei colmi di piena. D'altra parte, se l'obiettivo è la riproduzione dei colmi di piena, un modello con alte prestazioni nella riproduzione dei deflussi medi risulta essere di scarsa utilità all'utilizzatore. Calibrando il modello tramite la funzione di utilità più adatta al caso pratico in esame, si può pertanto consentire all'utilizzatore del modello di guidare il processo di calibrazione in modo da essere coerente con il proprio schema decisionale e con le proprie esigenze, e di migliorare le performances del modello (cioè la riproduzione delle portate osservate) negli intervalli di portata per lui di maggiore interesse.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Stima della variabilità intra-annuale del regime dei deflussi idrici superficiali in bacini non strumentati

La curva di durata di lungo periodo (POR) è uno strumento grafico molto efficace che mette in evidenza la relazione fra intensità e frequenza delle portate osservate in un determinato intervallo temporale. Essa è ricavata dall'idrogramma dei deflussi, ma presenta il problema della perdita di informazioni relative alla variabilità annuale e stagionali delle portate. Per tal motivo si è reso necessario l'utilizzo di due nuove interpretazioni delle curve di durate: le curve di durata annuali (alle quali può essere associato il concetto di percentile e quindi di probabilità di superamento di un particolare valore di portata) e le curve a base stagionale. La costruzione di tali curve, come nel caso delle POR complessive, è ostacolata dall'insufficienza di dati di portata, per cui sono utilizzate, a tale scopo, procedure di stima basate sulla regionalizzazione dei deflussi. Tra di esse è stato analizzata la tecnica geostatistica del Top-kriging applicata all'indice TND che sintetizza l'intera curva (Pugliese et al., 2014) nella ricostruzione, in cross-validazione, delle curve di durata annuali e stagionali di 182 bacini della regione sud-orientale degli Stati Uniti.

Semi-active control for structural vibration based on predictive algorithm [Chinese title = 基于预测算法的结构振动半主动控制]

Based on Newmark-β method, a structural vibration response is predicted. Through finding the appropriate control force parameters within certain ranges to optimize the objective function, the predictive control of the structural vibration is achieved. At the same time, the numerical simulation analysis of a two-storey frame structure with magneto-rheological (MR) dampers under earthquake records is carried out, and the parameter influence on structural vibration reduction is discussed. The results demonstrate that the semi-active control based on Newmark-β predictive algorithm is better than the classical control strategy based on full-state feedback control and has remarkable advantages of structural vibration reduction and control robustness.

Semi-analytic method of contact modelling

An algorithm to improve the accuracy and stability of rigid-body contact force calculation is presented. The algorithm uses a combination of analytic solutions and numerical methods to solve a spring-damper differential equation typical of a contact model. The solution method employs the recently proposed patch method, which especially suits the spring-damper differential equations. The resulting semi-analytic solution reduces the stiffness of the differential equations, while performing faster than conventional alternatives.

Semi-supervised intelligent surveillance system for secure environments

This paper proposes a semi-supervised intelligent visual surveillance system to exploit the information from multi-camera networks for the monitoring of people and vehicles. Modules are proposed to perform critical surveillance tasks including: the management and calibration of cameras within a multi-camera network; tracking of objects across multiple views; recognition of people utilising biometrics and in particular soft-biometrics; the monitoring of crowds; and activity recognition. Recent advances in these computer vision modules and capability gaps in surveillance technology are also highlighted.

Analysis of the build-up of semi and non volatile organic compounds on urban roads

Vehicular traffic in urban areas may adversely affect urban water quality through the build-up of traffic generated semi and non volatile organic compounds (SVOCs and NVOCs) on road surfaces. The characterisation of the build-up processes is the key to developing mitigation measures for the removal of such pollutants from urban stormwater. An in-depth analysis of the build-up of SVOCs and NVOCs was undertaken in the Gold Coast region in Australia. Principal Component Analysis (PCA) and Multicriteria Decision tools such as PROMETHEE and GAIA were employed to understand the SVOC and NVOC build-up under combined traffic scenarios of low, moderate, and high traffic in different land uses. It was found that congestion in the commercial areas and use of lubricants and motor oils in the industrial areas were the main sources of SVOCs and NVOCs on urban roads, respectively. The contribution from residential areas to the build-up of such pollutants was hardly noticeable. It was also revealed through this investigation that the target SVOCs and NVOCs were mainly attached to particulate fractions of 75 to 300 µm whilst the redistribution of coarse fractions due to vehicle activity mainly occurred in the >300 µm size range. Lastly, under combined traffic scenario, moderate traffic with average daily traffic ranging from 2300 to 5900 and average congestion of 0.47 was found to dominate SVOC and NVOC build-up on roads.

Modulation of depth-dependent properties in tissue-engineered cartilage with a semi-permeable membrane and perfusion : a continuum model of matrix metabolism and transport

The functional properties of cartilaginous tissues are determined predominantly by the content, distribution, and organization of proteoglycan and collagen in the extracellular matrix. Extracellular matrix accumulates in tissue-engineered cartilage constructs by metabolism and transport of matrix molecules, processes that are modulated by physical and chemical factors. Constructs incubated under free-swelling conditions with freely permeable or highly permeable membranes exhibit symmetric surface regions of soft tissue. The variation in tissue properties with depth from the surfaces suggests the hypothesis that the transport processes mediated by the boundary conditions govern the distribution of proteoglycan in such constructs. A continuum model (DiMicco and Sah in Transport Porus Med 50:57-73, 2003) was extended to test the effects of membrane permeability and perfusion on proteoglycan accumulation in tissue-engineered cartilage. The concentrations of soluble, bound, and degraded proteoglycan were analyzed as functions of time, space, and non-dimensional parameters for several experimental configurations. The results of the model suggest that the boundary condition at the membrane surface and the rate of perfusion, described by non-dimensional parameters, are important determinants of the pattern of proteoglycan accumulation. With perfusion, the proteoglycan profile is skewed, and decreases or increases in magnitude depending on the level of flow-based stimulation. Utilization of a semi-permeable membrane with or without unidirectional flow may lead to tissues with depth-increasing proteoglycan content, resembling native articular cartilage.

Maintenance strategy optimization using a continuous-state partially observable semi-Markov decision process

Due to the limitation of current condition monitoring technologies, the estimates of asset health states may contain some uncertainties. A maintenance strategy ignoring this uncertainty of asset health state can cause additional costs or downtime. The partially observable Markov decision process (POMDP) is a commonly used approach to derive optimal maintenance strategies when asset health inspections are imperfect. However, existing applications of the POMDP to maintenance decision-making largely adopt the discrete time and state assumptions. The discrete-time assumption requires the health state transitions and maintenance activities only happen at discrete epochs, which cannot model the failure time accurately and is not cost-effective. The discrete health state assumption, on the other hand, may not be elaborate enough to improve the effectiveness of maintenance. To address these limitations, this paper proposes a continuous state partially observable semi-Markov decision process (POSMDP). An algorithm that combines the Monte Carlo-based density projection method and the policy iteration is developed to solve the POSMDP. Different types of maintenance activities (i.e., inspections, replacement, and imperfect maintenance) are considered in this paper. The next maintenance action and the corresponding waiting durations are optimized jointly to minimize the long-run expected cost per unit time and availability. The result of simulation studies shows that the proposed maintenance optimization approach is more cost-effective than maintenance strategies derived by another two approximate methods, when regular inspection intervals are adopted. The simulation study also shows that the maintenance cost can be further reduced by developing maintenance strategies with state-dependent maintenance intervals using the POSMDP. In addition, during the simulation studies the proposed POSMDP shows the ability to adopt a cost-effective strategy structure when multiple types of maintenance activities are involved.