Unsaturated flow plays an important role in numerous environmental phenomena. It is complex in arid regions, where liquid water fluxes are small and vapor fluxes become relevant, so that heat, water and solute mass transport are needed to understand evaporation. This thesis aims at gaining insight evaporation and vapor flow mechanisms and the relevance of matric potential, temperature and osmotic gradients. These issues are especially relevant for soil salinization, whose mechanisms are poorly understood despite their global impact. We studied them in open soil evaporation column experiments. We found that a water separation process occurs in the soil. Above a very narrow evaporation front, the soil contains high salt concentrations due the solutes transported by the upward liquid flux and concentrated by evaporation. Below, concentrations are lower than the initial ones, because vapor flows downwards below the evaporation front driven by temperature gradients. Condensation of this downward vapor flux dilutes upflowing water, improving soil conditions and providing an area where root plants could live. We modeled nonisothermal multiphase flow and reactive transport during the experiments to quantify the actual processes and to understand the nature of the downward vapor flux. Modeling required modifying the retention curve to represent oven dry conditions. Our model supports the traditional division of soil, by an evaporation front, into a dry region and a moist region. This view may suffice for evaluating evaporation rates and water mass balances, but not for assessing salt processes, which require acknowledging that not only liquid water flow but also vapor diffusion occur below the evaporation front. Unsaturated flow concepts control the design of covers to isolate solid waste. Their goal is to protect the waste from infiltration during long periods of time by promoting surface runoff and lateral drainage and by hindering biointrusion. Two cover designs were built, both consisting of an evapotranspiration layer, a biointrusion barrier and an infiltration barrier. We analyzed their performance for two years (2009 and 2010, which was very wet) by a thorough monitoring system. We conclude that the upper portion of one cover did work as planned, but the lower infiltration barrier did not, which suggests some design improvements: increase the retention capacity of the sand layers, include filter layers and facilitate lateral drainage by increasing the slope in the top area. We studied the daily and annual variations of vapor fluxes using data from the covers. We find that most water flow in the top portion of the soil occurs in the gas phase. Vapor fluxes are controlled by temperature and follow its fluctuations, switching direction with a daily frequency and a depth dependent lag. Downward vapor fluxes are dominant during the summer and upward fluxes during the winter. Deeper into the soil, vapor fluxes vary seasonally, flowing almost constantly upwards during the cold season, and vice versa. Rainfall events have a cooling effect, reversing summer vapor fluxes. Yet, the net annual flux is downwards. Furthermore, an approximate analytical solution to calculate diffusive vapor fluxes at any depth, is presented. While vapor fluxes are quantitatively small, they may still represent a significant source of water during summer for shallow roots. Plants may attract water from hot zones around to the root zone, kept colder by the plant shadow and by transpiration. Numerical modeling is also used to simulate one of the covers. Model output is compared to observations (suction and temperature), which are well reproduced in the top soil layers. The model does not reproduce the failure of the capillary barrier because it did not include gravity fingering, which explains flow through the coarse layer. / La zona no saturada juga un paper important en nombrosos fenòmens ambientals. És complex en zones àrides, on els fluxos d'aigua líquida són petits i els fluxos de vapor adquireixen rellevància. El transport de calor, d'aigua i de soluts és necessari per entendre l'evaporació. Aquesta tesi vol millorar el coneixement sobre l'evaporació i els mecanismes de flux de vapor, i analitzar la rellevància dels gradients de succió, de temperatura i osmòtics. Aquestes qüestions són especialment rellevants per la salinització de sòls, els mecanismes són poc coneguts malgrat el seu impacte global. Hem estudiat experiments de columna d'evaporació on s'ha trobat un procés de separació d'aigua al sòl. Per sobre del front d'evaporació, que és molt estret, el sòl conté altes concentracions a causa dels soluts transportats pel flux ascendent de líquid i la seva posterior evaporació. Per sota, les concentracions són inferiors a les inicials, perquè el vapor flueix cap avall des del front d'evaporació impulsat per gradients de temperatura. Allà condensa, causant la dilució del flux ascendent d'aigua, millorant les condicions del sòl i proporcionant una àrea on les arrels de les plantes podrien viure. Mitjançant un model de flux multifàsic no isoterm i transport reactiu dels experiments, s'han quantificat els processos per entendre la naturalesa del flux descendent de vapor. S'ha modificat la corba de retenció per representar condicions molt seques del sòl. El nostre model és compatible amb la divisió tradicional del sòl, per un front d'evaporació, en una regió seca i una regió humida. Aquest punt de vista pot ser suficient per a l'avaluació de tases d'evaporació i balanços de massa d'aigua, però no per a l'avaluació dels processos de sals, que requereixen no només el coneixement del flux d'aigua líquida, sinó també la difusió de vapor per sota del front d'evaporació. Conceptes de flux no saturat controlen el disseny de cobertures per aïllar residus sòlids. El seu objectiu és protegir els residus de la infiltració durant llargs períodes de temps mitjançant la promoció de l¿escorrentia superficial i el drenatge lateral, i evitant la biointrusió. Dos dissenys de cobertura, basats en una capa per l'evapotranspiració, una barrera de biointrusió i una barrera d'infiltració, van ser construïts. Analitzem el seu funcionament durant dos anys a través d'un complet sistema de monitorització. Es conclou que la part superior de la cobertura va funcionar com estava previst, però no així la barrera d'infiltració inferior. Es suggereixen millores de disseny: augmentar la capacitat de retenció de les capes de sorra, incloure capes de filtre i facilitar el drenatge lateral augmentant el pendent a la zona superior. S'han estudiat les variacions diàries i anuals dels fluxos de vapor a partir de dades de la cobertura i de modelació numèrica. Trobem que la major part del flux d'aigua a la part superior del sòl es produeix en la fase gasosa. Els fluxos de vapor són controlats per la temperatura i segueixen les seves fluctuacions, canviant de direcció diàriament i amb un desfasament que augmenta amb la profunditat. Els fluxos de vapor descendent són dominants durant l'estiu i els ascendents durant l'hivern. A més profunditat, els fluxos de vapor varien estacionalment, i flueixen gairebé constantment cap amunt durant les èpoques fredes, i viceversa. Les pluges tenen un efecte de refredament, revertint els fluxos de vapor a l'estiu. El flux net anual és descendent. El model demana simular flux a través de vies preferencials. Si bé els fluxos de vapor són quantitativament petits, poden representar una important font d'aigua durant l'estiu per a les arrels poc profundes. S'ha presentat també, una solució analítica per al càlcul de fluxos difusius de vapor al sòl. / La zona no saturada juega un papel importante en numerosos fenómenos ambientales. Es complejo en zonas áridas, donde los flujos de agua líquida son pequeños y los flujos de vapor adquieren relevancia. El transporte de calor, de agua y de solutos es necesario para entender la evaporación. Esta tesis quiere mejorar el conocimiento sobre la evaporación y los mecanismos de flujo de vapor, y analizar la relevancia de los gradientes de succión, temperatura y osmóticos. Estas cuestiones son especialmente relevantes para la salinización de suelos, cuyos mecanismos son poco conocidos a pesar de su impacto global. Hemos estudiado experimentos de columna de evaporación en los que se ha encontrado un proceso de separación de agua en el suelo. Por encima del frente de evaporación, que es muy estrecho, el suelo contiene altas concentraciones de sal debido a los solutos transportados por el flujo ascendente de líquido y su posterior evaporación. Por debajo, las concentraciones son inferiores a las iniciales, porque el vapor fluye hacia abajo desde el frente de evaporación impulsado por gradientes de temperatura. Allí condensa, causando la dilución del flujo ascendente de agua, mejorando las condiciones del suelo y proporcionando un área donde las raíces de las plantas podrían vivir. Mediante un modelo de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo de los experimentos, se han cuantificado los procesos, para entender la naturaleza del flujo descendente de vapor. Se ha modificado la curva de retención para representar condiciones muy secas del suelo. Nuestro modelo es compatible con la división tradicional del suelo, por un frente de evaporación, en una región seca y una región húmeda. Este punto de vista puede ser suficiente para la evaluación de tasas de evaporación y balances de masa de agua, pero no para la evaluación de los procesos de sales, que requieren no sólo el conocimiento del flujo de agua líquida, sino también la difusión de vapor por debajo del frente de evaporación. Conceptos de flujo no saturado controlan el diseño de coberturas para aislar residuos sólidos. Su objetivo es proteger los residuos de la infiltración durante largos periodos de tiempo mediante la promoción de la escorrentía superficial y el drenaje lateral, y evitando la biointrusión. Dos diseños de cobertura, basados en una capa para la evapotranspiración, una barrera de biointrusión y una barrera de infiltración, fueron construidos. Analizamos su funcionamiento durante dos años a través de un completo sistema de monitorización. Se concluye que la parte superior de la cobertura funcionó como estaba previsto, pero no así la barrera de infiltración inferior. Se sugieren algunas mejoras de diseño: aumentar la capacidad de retención de las capas de arena, incluir capas de filtro y facilitar el drenaje lateral aumentando la pendiente en la zona superior. Se han estudiado las variaciones diarias y anuales de los flujos de vapor a partir de datos de la cobertura y de modelación numérica. Encontramos que la mayor parte del flujo de agua en la parte superior del suelo se produce en la fase gaseosa. Los flujos de vapor son controlados por la temperatura y siguen sus fluctuaciones, cambiando de dirección diariamente y con un desfase que va en aumento con la profundidad. Los flujos de vapor descendente son dominantes durante el verano y los ascendentes durante el invierno. A mayor profundidad, los flujos de vapor varían estacionalmente, y fluyen casi constantemente hacia arriba durante las épocas frías, y viceversa. Las lluvias tienen un efecto de enfriamiento, revirtiendo los flujos de vapor en verano. El flujo neto anual es descendente. El modelo necesita simular flujo a través de vías preferenciales. Si bien los flujos de vapor son cuantitativamente pequeños, pueden representar una importante fuente de agua durante el verano para las raíces poco profundas. Se ha presentado también, una solución analítica para el cálculo de flujos difusivos de vapor en el suelo

El riesgo sísmico y en general los desastres futuros que puede sufrir una ciudad, una región o un país significan una obligación o pasivo contingente no explícito que puede afectar, desde el punto de vista macroeconómico, la sostenibilidad fiscal del Estado. En otras palabras, del riesgo de desastre se deriva una exposición fiscal que debe ser dimensionada de acuerdo con la responsabilidad del Estado, el cual es un tomador de riesgo, consciente o no, que debe formular una estrategia para afrontar dicho riesgo y, así, evitar efectos económicos adversos que afecten su sostenibilidad económica. En esta investigación se ilustra el porqué tanto los desastres extremos como los desastres menores recurrentes significan una exposición fiscal y son pasivos contingentes que deben tenerse en cuenta en el balance contable de las naciones. La evaluación de la vulnerabilidad fiscal frente a desastres depende del potencial de pérdidas económicas que puede llegar a tener un país y de la capacidad o resiliencia económica que tiene para afrontarlas y llevar a cabo la reposición o reconstrucción postdesastre. Aquí se sustenta que la forma más apropiada para llevar a cabo dicha evaluación es utilizando modelos probabilistas de riesgo que den cuenta del potencial de pérdidas máximas esperadas para un período de retorno y de modelos analíticos que permitan determinar la capacidad o el acceso a recursos económicos que permitan cubrir el déficit que puede generar un desastre. El presente documento presenta el tipo de técnicas actuariales con las cuales se puede dimensionar la exposición fiscal, evaluando en forma probabilista el daño estructural y las pérdidas que se derivan sobre los activos o bienes inmuebles de responsabilidad del Estado. La modelización probabilista del riesgo catastrófico y el inventario de efectos económicos de los eventos menores recurrentes son insumos fundamentales para proyectar mecanismos financieros factibles y estructuras alternativas de retención y transferencia del riesgo de acuerdo con análisis de optimización financiera. Dicha modelización actuarial permite proponer índices para asignar la prioridad de rehabilitación o refuerzo estructural de inmuebles utilizando la relación beneficio-costo de este tipo de intervenciones. Se presenta una descripción de los instrumentos financieros que se podrían explorar para definir una estrategia óptima de protección financiera. Se describe la aplicación de la modelización probabilista del riesgo sísmico a nivel urbano para el caso de Manizales, Colombia, con el propósito de ilustrar el diseño del seguro colectivo voluntario por terremoto para las edificaciones privadas, que actualmente está operando, cubriendo a los estratos sociales de bajos ingresos de la ciudad a través de un subsidio cruzado. También se presenta el cálculo del riesgo sísmico y las estrategias financieras de gestión del riesgo para Bogotá, Colombia, y la evaluación del riesgo sísmico de Barcelona, España, utilizando métricas probabilistas. Finalmente se incluye el análisis de riesgo sísmico del portafolio de edificaciones públicas de Colombia, para ilustrar un análisis de riesgo a nivel de un país y los resultados de riesgo, utilizando indicadores, para los países de las Américas y a nivel mundial, con el fin de dar cuenta del riesgo nacional (i.e. para el sector público y privado) y el riesgo soberano (i.e. de responsabilidad fiscal) de los países del mundo. / Seismic risk and in general the potential disasters that a city, a region or a country can suffer mean a non-explicit contingent liability that can affect, from a macroeconomic perspective, the fiscal sustainability of the State. In other words, disaster risk derives in a fiscal exposure that has to be measure according to the responsibility of the State, which is a risk taker, conscious or not, that must develop a strategy to face that risk, thus, to avoid adverse economic effects that affect its economic sustainability. This research illustrates why both, extreme disasters and recurrent small disasters meand a fiscal exposure and why they are contingen liabilities that must be considered in the national balance of the countries. Fiscal vulnerability evaluation due to disasters depends on the potential economic losses that a country could have, and the ability or economic resilience that it has, to face them and carry out a post disaster recovery and reconstruction. It is explained the most appropriate way to develop an evaluation using probabilistic risk models that provides the potential maximum expected losses for a specific return period and describes how analytical models allow determining the ability to access economic resources to cover deficit that a disaster could generate. This document presents the kinds of actuarial techniques useful to measure fiscal exposure or fiscal vulnerability, evaluation, in a probabilistic way, structural damage and losses produced over the assets that are a fiscal responsibility of the government. Probabilistic catastrophe risk modeling and inventory of economic impact of recurrent small events are fundament supplies to propose feasible financial mechanisms and alternative structures of risk retention and risk transfer according to financial optimization analysis. This actuarial modeling allows proposing indices to prioritize, using cost/benefit rates, rehabilitation or structural reinforcement of assets. This thesis also presents a description of the financial instruments that can be explored to define an optimal strategy of financial protection. The document also presents the application of probabilistic seismic risk moddeling at urban level in three cities: The case of Manizales, Colombia illustrates the desighno of the voluntary collective earhtquake insurance of private buildings, which currentlycovers low-income homeowners of the city through a cross subsidy strategy; the seismic risk estimation and financial risk strategies for Bogota, Colombia; and the sismic risk evaluation of Barcelona, Spain. Finally, this thesis illustrates risk analysis at country level through presenting seismic risk analysis of public buildings portfolio of Colombia. Also, it describes a risk analysis at regional level in the Americas and at global level, using indicators to represent national risk (of public and private sectors) and sovereign risk (fiscal responsibility) of the whole countries of the world.

This thesis is the initial stage in the development of a range-resolving Doppler wind lidar. Atmospheric lidars emit pulsed laser radiation that after being scattered by air molecules and suspended aerosol particles is partly collected by a telescope, detected by a photoreceiver and analyzed for obtaining information about the state of the illuminated region. The speed of these elements with respect the instrument can be identified with the speed of the wind and it can be therefore measured ¿and this is the way the Doppler wind lidars do it¿¿ from the detection of the frequency shift that due to Doppler effect is undergone by the scattered signal. The selection of the technique used to measure this optical frequency shift ¿the so-called edge-technique¿¿ has been determined in this case mainly by the available laser, the location of the site where the system will be placed and by simplicity considerations. With this technique, the frequency difference between the emitted pulses and the receiver signal is obtained by measuring the change produced in the transmission of an optical filter. In the first part of this work the design of the optical filter devoted to discriminate frequencies and a complete analysis of the performance of a Doppler wind lidar based on the edge-technique operating from the signal scattered by the atmospheric aerosols is proposed. In the first place, a method that permits to calculate, using the precision of the measurements as indicator and the range of measurable velocities as constraint, the best configuration of the optical filter used in the system, in this case a Fabry-Perot interferometer, has been established. Afterwards, the precision, the time resolution, the range resolution and the accuracy of the velocity measurements are analyzed with detail in different typical measuring scenarios and are compared with the performance of other systems currently in operation. Also, the effects on the quality parameters of the velocity measurements of the interfering molecular return component that is unavoidably present in the analyzed aerosol signal is studied. The second part of the thesis is devoted to the design, implementation and assessment of a laboratory prototype based on the edge-technique. The objective of this development is to assess in convenient conditions the implementation of the selected detection technique. This preliminary assembly also permits to characterize and adjust the operation of some of the critical elements and subsystems that will be part of the Doppler wind lidar, such as the Fabry-Perot interferometer, the cavity tuning control subsystem (essential to compensate the relative frequency drifts between the laser and the filter), the elements for guiding and conditioning the light beams, the signal detection and amplification modules or the routines for calibrating and controlling the system and for processing the information. The prototype implemented to achieve these objectives is designed to measure the speed of hard targets using a laser emitting in continuous-wave regime. These operating conditions allow avoiding some difficulties related with the use of pulsed atmospheric lidar signals: in the first place, their duration is very short and their power is neither constant nor predictable; furthermore, it is not easy to obtain independent values of the speed of the wind for assessing the quality of the measurements.

En los materiales carbonáticos marinos del Triásico de la Península Ibérica se han muestreado 23 secciones, que de Norte a Sur son: en la Cordillera Pirenaica, Usseu, Sant Sebastià, Hostalets-Cadí y Alós de Balaguer; en la Cordillera Costero-Catalana, L'Ametlla, Olessa, Rasquera- Benifallet y Tivissa; en la Cordillera Ibérica, Calanda, Tramacastilla Libros, Henarejos, Moya, Bugarra y Montserrat; en la Cordillera Bética, Espejeras, Calasparra, Canara, Arroyo Hurtado, Valdepeñas de Jaén, Salmerón, Boyar y Cabo Cope.En conjunto para los materiales del Triásico de la Península Ibérica se han identificado doce especies. En el Anisiense: Neogondolella basisymetrica Budurov & Stefanov, Neogondolella constricta (Mosher & Clark), Neogondolella cornuta Budurov & Stefanov, Neogondolella excentrica Budurov & Stefanov, Neogondolella longa Budurov & Stefanov, Paragondolella bifurcata Budurov & Stefanov, Paragondolella bulgarica Budurov & Stefanov y Paragondolella hanbulogi Sudar & Budurov. De edad Ladiniense se registran los taxones Sephardiella truempyi (Hirsch), Sephardiella mungoensis (Diebel) y Pseudofurnishius murcianus van den Boogaard. Finalmente, de edad Carniense, Sephardiella cf. mostleri (Kozur).En el Ladiniense de la Península Ibérica, la especie más abundante es Pseudofurnishius murcianus. De esta especie se propone su desarrollo ontogénico y se puede reconstruir su aparato conodontal, que es de tipo septimembrado. El estudio de su variabilidad morfológica nos ha llevado a considerar que P. huddlei van den Boogaard & Simon debe de ser incluida dentro de esa variabilidad y a rechazar las diferentes subespecies de P. murcianus. De Sephardiella mungoensis se ha propuesto un modelo de su desarrollo ontogénico y se ha reconstruido también su aparato conodontal.Ha sido propuesto un mecanismo funcional para diferentes elementos P1. Así, para Neogondolella-Paragondolella se interpreta que realizaban una función de corte, para Pseudofurnishius una función principal de machacamiento del alimento y para Sephardiella se propone una función de corte-desgarramiento y también machacador del alimento.En cuanto a los aspectos tafonómicos, se ha comprobado que existe una preservación diferencial claramente favorable a los elementos P1 frente al resto de multielementos, siendo el elemento P2 el más raro en el registro. El estudio del estado de preservación del material ha permitido observar cinco tipos de alteración tafonómica.Mediante la revisión de cerca de 500 artículos relacionados con conodontos del Pérmico Superior al Triásico Superior se han desarrollado varias bases de datos, que se han utilizado para diferentes discusiones: primero, tras una revisión crítica se han aceptado 184 especies de conodontos como válidas. Segundo, se ha considerado la distribución paleogeográfica de las especies de conodontos en cada piso del Triásico, figurando los principales taxones en distintos paleomapas. Tercero, se han calculado las tasas de especiación, extinción e incremento neto para los distintos pisos del Triásico. El grupo muestra una rápida recuperación en el Triásico Inferior, seguido por una estabilización durante el Triásico Medio. Durante el inicio del Triásico Superior se observa una reducción en la biodiversidad, seguida por una liguera recuperación durante el Noriense. La diversidad del Rhaetiense se reduce rápidamente, extinguiéndose el grupo justo antes del fin del Triásico. / In the Iberian Peninsula Triassic marine strata, twenty-three sections have been studied. Usseu, Sant Sebastià, Hostalets-Cadí and Alós de Balaguer (Pyrenees); L'Ametlla, Olessa, Rasquera- Benifallet and Tivissa (Costero-Catalonian Ranges); Calanda, Tramacastilla Libros, Henarejos, Moya, Bugarra and Montserrat (Iberian Range); Espejeras, Calasparra, Canara, Arroyo Hurtado, Valdepeñas de Jaén, Salmerón, Boyar and Cabo Cope (Betic Range).Twelve species have been identified: Neogondolella basisymmetrica Budurov & Stefanov, Neogondolella constricta (Mosher & Clark), Neogondolella cornuta Budurov & Stefanov, Neogondolella excentrica Budurov & Stefanov, Neogondolella longa Budurov & Stefanov, Paragondolella bifurcata Budurov & Stefanov, Paragondolella bulgarica Budurov & Stefanov, Paragondolella hanbulogi Sudar & Budurov, Sephardiella truempyi (Hirsch), Sephardiella mungoensis (Diebel), Pseudofurnishius murcianus van den Boogaard and Sephardiella cf. mostleri (Kozur).The most common species is Pseudofurnishius murcianus, and we propose a model of its ontogenetic development and reconstruct its septimembrate apparatus. The morphological variability study points out that P. huddlei must be included into its variability and leads to reject the different subspecies of P. murcianus. A model of the ontogenetic development and apparatus recnstruction of Sephardiella mungoensis is also proposed.A functional mechanism is proposed for the P1 element of Neogondolella-Paragondolella (cutting function), Pseudofurnishius (crushing function) and Sephardiella (cut-tearing and crushing function).From a taphonomical point of view a differential preservation of P1 element has been observed, with P2 element being the rarest in the conodont fossil record. Five types of taphonomic alterations have been observed.With the revision of circa 500 Upper Permian to Upper Triassic papers, several databases have been developed and used for discussions. First, after a critical review we have accepted 184 conodont species as valid. Second, the paleogeographical distribution of Triassic conodont species has been summarized, with the main ones represented in different paleomaps. Finally, we have calculated the speciation, extinction and net rates for the Triassic stages. The group show a quick recovery during Early Triassic followed by stabilization during the Middle Triassic. A richness reduction is observed during early Upper Triassic followed by a light Norian recovery. The Rhaetian diversity is quickly reduced and its extinction happened just before the Triassic end.

En una situación de grandes cambios climáticos, el conocimiento de el sistema Tierra ha devenido, en los últimos años, una de las tareas mas importantes para la comunidad científica. En los últimos diez años, el incremento de la potencia de cálculo de los superordenadores, así como un mejor entendimiento de los procesos físicos subyacentes la dinámica de la Tierra (como por ejemplo la formación de nubes o el intercambio de humedad entre el suelo y el atmósfera) han mejorado grandemente la cualidad de los modelos climáticos. Además, un incremento en la cobertura satelital, ha consentido la generación de bases de datos muy detalladas, llamadas "reanalysis data", que dan el estado de las variables mas importantes por la dinámica de la Tierra con una alta resolución espaciotemporal por lo menos en los últimos 40 años. La grande cantidad da datos ha sido utilizada por la comunidad científica de los climatólogos para investigar la naturaleza de los procesos de el sistema Tierra. El incremento de esas base de datos motiva el desarrollo de un nuevo análisis. En particular, dado que en primera aproximación el comportamiento climatológico de la atmósfera puede ser descrito por modelos lineales relativamente simples, el análisis no lineal ha sido muy subestimado hasta ahora. De todas maneras, muchos procesos climáticos de hecho tienen una fuerte componente no lineal. Un ejemplo emblemático es El Niño Southern Oscillation, un sistema donde el emparejamiento entre el océano y la atmósfera puede ser representado en primera aproximación como un oscilador con retroalimentación retrasada. Otro fenómeno de el sistema climático en lo cual las no linealidades juegan un papel es, sin duda alguna, la corriente a en chorro barotrópica, que está mantenida por los esfuerzos no lineales producidos por sus mismos "eddies" (remolinos). De esta forma, se establece un sistema de retroalimentaciones positivas y negativas, influenciando la variabilidad sinóptica a las altas latitudes. Dado esto, es muy importante estudiar estos fenómenos con herramientas propia de la teoría de los sistemas complejos. En particular, en esta tesis, presentaremos nuevas técnicas de análisis de datos basadas en la teoría de la información y en las redes complejas, que toman en cuenta las características no lineales de los procesos climáticos en análisis, y además aportan un nuevo punto de vista en el campo de la análisis de datos climatológicos. Las redes complejas aparecieron en los últimos años como una técnica potente para investigar una grande variedad de fenómenos donde sea posible identificar un cierto numero de componentes entre las cuales se puede establecer una relación. Siendo esto un concepto muy genérico, no es sorprendente que haya sido aplicado con éxito en muchos campos distintos, como la sociología, la biología, etcétera En particular, en esta tesis, nos enfocaremos en la construcción le redes climáticas, o sea redes donde los nodos describen áreas de la Tierra y los enlaces están dados por las relaciones entre ellas. Consideraremos enlaces computados a partir de las similitudes estadísticas de las dinámicas de una variable climatológica (como la temperatura de el aire a la superficie) en cada uno de los nodos. Este es una técnica muy general que, dependiendo de la definición de similitud estadística utilizada, permite de investigar distintas características de las variables en análisis. Definiremos la similitud estadística utilizando conceptos propios de la teoría de la información. / In a scenario of major global climatic changes, the understanding of the Earth system has become in recent years an impelling task of the scientific community. In the last decade, an increased performance of supercomputers as well as a better understanding of the physical processes underlying Earth dynamics (such as cloud formation, moist exchange between soil and atmosphere, and so on) improved dramatically the quality of climate models. Moreover, an increasing satellite coverage allowed the generation of very detailed databases, called reanalysis data, that give with good precision the state of the most important dynamical variables at high spatio-temporal resolution for at least the past 40 years. This huge amount of data is being used by the climatological scientific community to investigate the nature of the ongoing physical processes in the Earth system. The increasing of such datasets motivates the development of new analysis. In particular, since in first approximation the climatological behaviour of the atmosphere can be described by relatively simply linear models, the non-linear data analysis has been largely overlooked so far. However, many relevant climatic processes have a strong non-linear component. A paradigmatic example is the so-called El Niño-Southern Oscillation, a coupled ocean-atmosphere process that can be sketched in first approximation as a non-linear oscillator with delayed feedback. Another phenomenon of the Earth system in which the non-linearities play a major role is doubtlessly the barotropic polar jet, that is maintained by the non-linear stress produced by its own eddies. In this way a complex system of positive and negative feedbacks is established, influencing the dynamics of the major actor in the synoptical variability in the high latitudes. Given these considerations, it is important to study such phenomena with tools coming from the field of complex systems. In particular, in this thesis we present new data analysis techniques based on information theory and complex networks that take into account the non-linear nature of the climate processes under examination, as well as give a new perspective to climatological data analysis. Complex networks have emerged in the recent years as a useful and powerful tool to investigate a large variety of phenomena in which it is possible to identify a discrete number of components among which relations can be established. Being this a very general concept, it is not surprising that it found successful application in very different field such as sociology, biology, epidemics, geophysics, and so on. In particular in this thesis we will focus in the construction of what are called climate networks, i. e. networks in which the nodes are composed by geographical locations on Earth and the links are given by relations among them. We will generally consider links computed from the statistical similarity of the dynamics of a climatological variable available at each geographical location, such as the surface air temperature (SAT). This is a quite general approach that, depending on the definition of the statistical similarity employed, allows to investigate different characteristics of the variable under examination. We will define the statistical similarity using concepts that are adopted from information theory.

El presente trabajo de tesis doctoral tiene como objetivos generales: a) Determinar el balance hídrico del humedal identificando los elementos hidrológicos que intervienen y su respuesta ante las variaciones temporales. b) Caracterizar la hidroquímica de las aguas superficiales del humedal y analizar su variación espacial en base a los principales impactos que sufre. c) Explorar la capacidad de retención de nutrientes y materia orgánica que son transportados a través del humedal. El estudio se compone de una introducción general, descripción del área de estudio, tres capítulos que responden a cada uno de los objetivos planteados y las conclusiones generales. En la Introducción General se revisa la importancia, función y servicios de los humedales, la dificultad de definir y clasificar a los humedales, y el estado del arte sobre el conocimiento actual de los humedales mexicanos. El área de estudio sitúa al humedal sur de Pátzcuaro en un contexto geográfico, ambiental y socio-económico. Los tres capítulos siguientes cubren los objetivos planteados: Capítulo 1: Hidrología y balance hídrico del humedal: Dado que no existen estudios que cuantifiquen los cambios anuales de los componentes hidrológicos del humedal sur de Pátzcuaro en este capítulo se analiza, por un lado, la dinámica de los componentes hidrológicos (precipitación, evapotranspiración, escorrentía y agua subsuperficial) que determinan la cantidad y variación anual del agua en el humedal, y, por otro, se establece una aproximación al balance hídrico anual. Capítulo 2: Variación espacial de la hidroquímica del humedal sur de Pátzcuaro: En este capítulo se realiza, por un lado, un diagnóstico general del estado hidroquímico de las aguas superficiales del humedal. Por otro y, teniendo en cuenta los flujos del agua naturales del humedal, se analiza la variación espacial de los parámetros físico-químicos y el efecto de los cambios de uso del suelo sobre la hidroquímica superficial. Capítulo 3: Retención de nutrientes y materia orgánica en el humedal: Este capítulo aborda la capacidad de retención de los nutrientes (nitratos, nitritos, fósforo reactivo soluble y fósforo total) y materia orgánica del humedal sur de Pátzcuaro a lo largo de un ciclo anual, enfatizando sobre los efectos de la variabilidad hidrológica temporal y determinando el papel de los factores ambientales sobre dicha retención. Las conclusiones más importantes son: a) El balance de agua anual del humedal Sur de Pátzcuaro fue positivo (ganancia de agua) y funciona como un sistema de amortiguación hidrológica, transfiriendo aproximadamente el 32.55% de agua a la zona sur del lago de Pátzcuaro, con el que forma una unidad funcional. b) Las aguas superficiales del humedal sur de Pátzcuaro son cálidas durante todo el año, de mineralización elevada, duras, alcalinas y como todos los humedales subtropicales ricas en nutrientes, materia orgánica y sólidos y, en consecuencia, eutróficas. c) Los análisis multivariantes realizados sobre las variables hidroquímicas medidas en las aguas superficiales del humedal, permitieron delimitar cuatro grupos diferentes que responden, por un lado al enriquecimiento de nutrientes y sales derivado de las alteraciones antrópicas del humedal y, por otro, a los procesos biológicos relacionados con la actividad fotosintética de los productores primarios d) A pesar de los efectos provocados por las actividades antrópicas que impacta una parte del humedal, en este estudio se evidencia que el humedal Sur de Pátzcuaro parece mantener su funcionalidad con capacidad para procesar nutrientes, materia orgánica y sólidos. e) El humedal es muy eficiente en retirar nutrientes, aunque su efectividad difiere según la fase del ciclo hidrológico. f) El humedal resultó ser más eficiente en la retirada de fósforo que de nitrógeno, tal vez por el almacenamiento de fósforo en el sedimento debido a las condiciones geoquímicas del humedal. / The main objectives of this doctoral thesis are: a) To determine the water balance of wetland identifying the hydrological elements involved and their response to seasonal variations. b) To characterize the hydrochemistry of surface water from the wetland and to analyze their spatial variation based on key impacts suffering. c) To explore the retention capacity of nutrients and organic matter transporting through the wetland. The study consists of a general introduction, description of the study area, three chapters corresponding to each of the objectives and general conclusions. In the general introduction the importance, role and services of wetlands, the difficulty of defining and classifying wetlands, and state of the art on current knowledge of Mexican wetlands is reviewed. The study area contextualizes south wetland Patzcuaro in a geographical, environmental and socio-economic context. The next three chapters cover the objectives Chapter 1: Hydrology and water balance of wetland: Since there are no studies that quantify the annual changes in the hydrological components of southern wetland Patzcuaro in this chapter looks at, first, the dynamics of hydrological components (precipitation, evapotranspiration, runoff and subsurface water) to determine the amount and annual variation of water in the wetland, and, second, an approximation of the annual water balance is established. Chapter 2: Spatial variation of hydrochemical in the South wetland Patzcuaro: This chapter is performed, firstly, a general analysis of hydrochemical status of surface waters of the wetland. On the other and, taking into account the natural flow of water from the wetland, the spatial variation of physical-chemical parameters and the effect of changes in land use on the surface hydrochemical is analyzed. Chapter 3: Nutrients and organic matter retention in the wetland: This chapter addresses the retention capacity of nutrients (nitrates, nitrites, soluble reactive phosphorus and total phosphorus) and organic matter in the south wetland Patzcuaro over an annual cycle emphasizing on the effects of temporal hydrological variability and determining the role of environmental factors on the retention. The main conclusions are: a) The annual water balance South wetland Patzcuaro was positive (gain of water) and it functions as a buffer hydrological system, transferring approximately 32.55% water to the south of Lake Patzcuaro, with which it forms a unit functional. b) The surface waters of southern wetland Patzcuaro are warm year-round, mineralization high, hard, alkaline and like all subtropical wetlands rich in nutrients and organic matter and, consequently, eutrophics. c) The multivariate analysis performed on the hydrochemical variables measured in surface waters of the wetland, helped to determine four different groups. These groups respond, first to the enrichment of nutrients and salts derived from anthropogenic disturbances and, secondly, to the process related biological photosynthetic activity of primary producers. d) Although the effects caused by human activities impacting on the wetland, in this study is evidence that South Patzcuaro wetland appears to maintain its functionality with ability to process nutrients, organic matter and solids. e) The wetland is very efficient in removing nutrients, although their effectiveness varies according to the phase of the hydrologic cycle. f) The wetland was more efficient in removing phosphorus than nitrogen, perhaps for the storage of phosphorus in the sediment due to the geochemical conditions of the wetland.

The predictability of beach inundation is mainly related to wave runup and most of the formulations that have been developed focus on the hydrodynamics, disregarding the morphological changes caused during storms. For these reasons, the aim of this thesis is to provide more insight into beach inundation processes at embayed and open beaches and to determine how morphological changes can interfere with these processes. To this end, video measurements of beach inundation and the characteristic morphological changes were carried out at two stretches of coast with different wave climates: the stretch comprising La Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, which are three artificial, tideless embayed beaches located in Barcelona, Spain (NW Mediterranean); and Noordwijk beach, which is an open, microtidal multibarred beach located in Noordwijk, the Netherlands (North Sea). The effects of a submerged and a detached breakwaters on the morphological and hydrodynamic changes occurring at La Barceloneta during storms is examined in chapter 2. The shoreline response before and after the beach nourishment and the construction of the protective structures was compared using a ten-year video-recorded dataset and hydrodynamics modelled using the SMC model. As a result of the protection works, La Barceloneta was divided into two beaches separated by a salient. A new methodological approach to analyzing beach rotation which eliminates the morphological effect is presented. Results indicate that the beach rotation process has been modified caused by a change in the wave-induced current system from a single dominant alongshore current to one composed of two dominant alongshore currents with opposite directions. In chapter 3, beach inundation affecting the three embayed beaches of Barcelona during the 17 strongest storm events of the period 2001-2008 is analyzed using daily time-exposure images. The shoreline variability due to storms was split into beach planform and morphological features in order to determine its influence on beach inundation measurements. The characterization of the inundation depended on the orientation with respect to the wave direction approach and the morphological features. Beach planform changes are the foremost influence on the inundation of Barcelona beaches. The inundation at the multibarred beach of Noordwijk during the seven strongest storms in the period between 1998 and 2005 is estimated, also using video monitoring techniques in chapter 4. Additionally, the influence of subtidal sandbars on the inundation is analyzed using the XBeach model. To this end, six simulations were carried out using barred profiles measured at Noordwijk but differing in sandbar height and location, and one simulation using a synthetic barless profile. Inundation values ranged from 22 to 105 m, with considerable alongshore variation before the peak of each storm because of the presence of the intertidal bars. The mean inundation values along the beach are well estimated using a simple inundation parameter. The XBeach model shows that the inundation is only affected by the morphology close to the shoreline (i.e. by the intertidal bars or the inner bar if it is wide and closer to shoreline). The outer bar does not seem to influence Beach inundation prediction at Somorrostro beach is evaluated in chapter 5. To this end, inundation measurements using video observations are compared with estimations including the tidal variations and the wave runup formulation of Stockdon et. al (2006) introducing deep water and local wave measurements and computations. The inundation is overestimated if any of the wave heights in the formulation are used. Estimations improved if a local wave height is used, in particular for waves approaching the shore obliquely. Finally, the alongshore variability of the inundation is better captured if the wave runup is assumed proportional to the breaking wave heightBARCELONA07 / Las costas están expuestas a la erosión y la inundación producida por los temporales, los cuales son muy frecuentes y pueden producir grandes daños y pérdidas económicas. La inundación producida por los temporales es debida a la marea astronómica y meteorológica y al remonte del oleaje. La predicción de la inundación de la playa está principalmente relacionada con el remonte y la mayoría de las formulaciones propuestas se centran en parámetros hidrodinámicos sin tener en cuenta los cambios morfológicos causados durante los temporales. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis es proporcionar un mayor conocimiento de los procesos de inundación en playas encajadas y abiertas y determinar cómo los cambios morfológicos pueden interferir con estos procesos. Para ello, se han llevado a cabo medidas de la inundación y de los cambios morfológicos característicos utilizando imágenes de video en dos tramos de costa con climas de oleaje diferente: el tramo que comprende las playas de La Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, las cuales son tres playas artificiales, encajadas y sin marea localizadas en Barcelona, España (NO Mediterráneo); y la playa de Noordwijk, la cual es una playa abierta, multibarrada y micromareal localizada en Noordwijk, Holanda (Mar del Norte). Los efectos de un dique sumergido y un dique exento en los cambios morfológicos e hidrodinámicos ocurridos en la playa de La Barceloneta durante temporales se examinan en el capítulo 2. La respuesta de la línea de orilla antes y después de la regeneración de la playa y de la construcción de las estructuras de protección se compara utilizando 10 años de video imágenes y la hidrodinámica modelada utilizando el Sistema de Modelado Costero (SMC). Como resultado de estas obras de protección, La Barceloneta quedó dividida en dos playas independientes separadas por un saliente. Una nueva metodología para analizar la rotación de la playa que elimina los cambios morfológicos es propuesta. Los resultados indican que la tendencia erosiva previamente observada en la zona noreste de la playa sigue estando presente en la actual playa noreste y está relacionada con el nuevo dique sumergido. Además, el proceso de rotación de la playa se ha modificado, produciéndose solamente en sentido contrario a las agujas del reloj en la playa noreste y en sentido horario en la playa suroeste. Este nuevo comportamiento es debido al cambio en el patrón de corrientes previamente formado por una corriente longitudinal dominante, a un sistema de corrientes compuesto por dos corrientes longitudinales en direcciones opuestas. En el capítulo 3, la inundación producida en las tres playas encajadas de Barcelona durante los 17 temporales más energéticos del periodo 2001-2008 es analizada utilizando imágenes diarias promediadas. La variabilidad de la línea de orilla debida a los temporales es discriminada en cambios en la forma en planta y morfologías (cúspides de playa, megacúspides, ondulaciones y saliente) para determinar su influencia en las medidas de inundación de la playa. La caracterización de la inundación dependió de la orientación respecto de la dirección de aproximación del oleaje y de las morfologías. Los cambios en la forma en planta de la playa son la máxima influencia en la inundación de las playas de Barcelona. Los cambios en la forma en planta hacia tierra y los cambios en el saliente suponen casi un 50% de la máxima inundación medida, mientras que las megacúspides y la ondulación suponen aproximadamente el 25%. El efecto de las cúspides de playa en la inundación es despreciable. Consecuentemente, la variación en la línea de orilla durante temporales influye significativamente los valores de inundación, especialmente en playas con pendientes fuertes. Pequeñas variaciones en la pendiente de la playa pueden sin embargo afectar sustancialmente la inundación en playas con pendientes suaves. La inundación de la playa multibarrada de Noordwijk durante los 7 temporales más fuertes ocurridos en el periodo comprendido entre 1998 y 2005 es también estimada utilizando medidas de video monitorización en el capítulo 4. Además, la influencia de las barras submareales en la inundación es analizada utilizando el modelo XBeach. Para ello, se realizaron siete simulaciones 1-D sin considerar los cambios morfológicos; seis simulaciones utilizando perfiles barrados medidos en la playa de Noordwijk pero que difieren en altura y localización de las barras, y una simulación utilizando un perfil ideal sin barras. Los valores de inundación oscilaron entre 22 y 105 m, con variaciones considerables a lo largo de la playa antes del pico del temporal debido a la presencia de barras intermareales. La inundación promedio a lo largo de la playa es estimada considerablemente bien utilizando un parámetro de inundación sencillo que incluye la pendiente intermareal y supramareal, la altura de ola y la longitud de onda en aguas profundas y la marea meteorológica. El modelo XBeach muestra que la inundación está solamente afectada por la morfología próxima a la línea de orilla, esto es, por las barras intermareales o por la barra interna si es ancha y próxima a la orilla. La barra externa no parece tener influencia en el comportamiento de la inundación. La predicción de la inundación en la playa de Somorrostro es evaluada en el capítulo 5. Para ello, medidas de la inundación utilizando observaciones de imágenes de video se comparan con estimaciones de la inundación incluyendo las variaciones de la marea y el fórmula del remonte de Stockdon et al. (2006), introduciendo medidas locales y en aguas profundas del oleaje así como oleaje modelado. Debido a que las observaciones corresponden a un remonte medio y las estimaciones usan el remonte excedido un 2% (R2%), la inundación es sobreestimada para cualquier altura de ola utilizada en la fórmula. Sin embargo, las estimaciones mejoran si una altura de ola medida a 10 m es utilizada en la fórmula en particular para oleajes con una aproximación oblicua a la línea de orilla. Finalmente, las diferencias entre las observaciones y las estimaciones varían a lo largo de la playa, siendo mayores en la zona de curvatura de la playa. La variabilidad de la inundación a lo largo de la playa es mejor caracterizada si el remonte se asume igual que la altura de ola en rotura.

Characterization of aquifers hydraulic parameters is a difficult task that requires field information. Most of the time the hydrogeologist relies on a group of values coming from different test to interpret the hydrogeological setting and possibly, generate a model. However, getting the best from this information can be challenging. In this thesis, three cases are explored. First, hydraulic conductivities associated with measurement scale of the order of 10−1 m and collected during an extensive field campaign near Tübingen, Germany, are analyzed. Estimates are provided at coinciding locations in the system using: the empirical Kozeny-Carman formulation, providing conductivity values, based on particle size distribution, and borehole impeller-type flowmeter tests, which infer conductivity from measurements of vertical flows within a borehole. Correlation between the two sets of estimates is virtually absent. However, statistics of the natural logarithm of both sets at the site are similar in terms of mean values and differ in terms of variogram ranges and sample variances. This is consistent with the fact that the two types of estimates can be associated with different (albeit comparable) measurement (support) scales. It also matches published results on interpretations of variability of geostatistical descriptors of hydraulic parameters on multiple observation scales. The analysis strengthens the idea that hydraulic conductivity values and associated key geostatistical descriptors inferred from different methodologies and at similar observation scales (of the order of tens of cm) are not readily comparable and should not be embedded blindly into a flow (and eventually transport) prediction model. Second, a data-adapted kernel regression method, originally developed for image processing and reconstruction is modified and used for the delineation of facies. This non-parametric methodology uses both the spatial and the sample value distribution, to produce for each data point a locally adaptive steering kernel function, self-adjusting the kernel to the direction of highest local spatial correlation. The method is shown to outperform the nearest-neighbor classification (NNC) in a number of synthetic aquifers whenever the available number of data is small and randomly distributed. Still, in the limiting case, when the domain is profusely sampled, both the steering kernel method and the NNC method converge to the true solution. Simulations are finally used to explore which parameters of the locally adaptive kernel function yield optimal reconstruction results in typical field settings. It is shown that, in practice, a rule of thumb can be used to get suboptimal results, which are best when key prior information such as facies proportions is used. Third, the effect of water temperature fluctuation on the hydraulic conductivity profile of coarse sediments beneath an artificial recharge facility is model and compared with field data. Due to the high permeability, water travels at a high rate, and therefore also water with different temperature is also present on the sediment under the pond at different moments, this translates into different hydraulic conductivity values within the same layer, even though all the other parameters are the same for this layer. Differences of almost 79% in hydraulic conductivity were observed for the model temperatures (2 °C – 25 °C). This variation of hydraulic conductivity in the sediment below the infiltration pond when water with varying temperature enters the sediment, causes the infiltration velocity to change with time and produces the observed fluctuation on the field measurements. / La caracterización de los parámetros hidráulicos de los acuíferos es una tarea difícil que requiere información de campo. La mayoría de las veces el hidrogeólogo se basa en un grupo de valores procedentes de diferentes pruebas para interpretar la configuración hidrogeológica y posiblemente , generar un modelo . Sin embargo, obtener lo mejor de esta información puede ser un reto. En esta tesis se analizan tres casos. Primero, se analizan las conductividades hidráulicas asociadas a una escala de medición del orden de 10 m− 1 y obtenidas durante una extensa campaña de campo cerca de Tübingen, Alemania. Las estimaciones se obtuvieron en puntos coincidentes en el sitio, mediante: la formulación empírica de Kozeny - Carman, proporcionando valores de conductividad, con base en la distribución de tamaño de partículas y las pruebas del medidor de caudal de tipo impulsor en el pozo, el cual infiere las medidas de conductividad a partir de los flujos verticales dentro de un pozo. La correlación entre los dos conjuntos de estimaciones es prácticamente ausente. Sin embargo, las estadísticas del logaritmo natural de ambos conjuntos en el lugar son similares en términos de valores medios y difieren en términos de rangos del variograma y varianzas de muestra. Esto es consecuente con el hecho de que los dos tipos de estimaciones pueden estar asociados con escalas de apoyo de medición diferentes (aunque comparables). También coincide con los resultados publicados sobre la interpretación de la variabilidad de los descriptores geoestadísticos de parámetros hidráulicos en múltiples escalas de observación . El análisis refuerza la idea de que los valores de conductividad hidráulica y descriptores geoestadísticos clave asociados al inferirse de diferentes metodologías y en las escalas de observación similares (en el caso del orden de decenas de cm) no son fácilmente comparables y debe ser utilizados con cuidado en la modelación de flujo (y eventualmente, el transporte) del agua subterránea. En segundo lugar, un método de regresión kernel adaptado a datos, originalmente desarrollado para el procesamiento y la reconstrucción de imágenes se modificó y se utiliza para la delimitación de las facies. Esta metodología no paramétrica utiliza tanto la distribución espacial como el valor de la muestra, para producir en cada punto de datos una función kernel de dirección localmente adaptativo, con ajuste automático del kernel a la dirección de mayor correlación espacial local. Se demuestra que este método supera el NNC (por su acrónimo en inglés nearest-neighbor classification) en varios casos de acuíferos sintéticos donde el número de datos disponibles es pequeño y la distribución es aleatoria. Sin embargo, en el caso límite, cuando hay un gran número de muestras, tanto en el método kernel adaptado a la dirección local como el método de NNC convergen a la solución verdadera. Las simulaciones son finalmente utilizadas para explorar cuáles parámetros de la función kernel localmente adaptado dan resultados óptimos en la reconstrucción de resultados en escenarios típicos de campo. Se demuestra que, en la práctica, una regla general puede ser utilizada para obtener resultados casi óptimos, los cuales mejoran cuando se utiliza información clave como la proporción de facies. En tercer lugar, se modela el efecto de la fluctuación de la temperatura del agua sobre la conductividad hidráulica de sedimentos gruesos debajo de una instalación de recarga artificial y se compara con datos de campo. Debido a la alta permeabilidad, el agua se desplaza a alta velocidad alta, y por lo tanto, agua con temperatura diferente también está presente en el sedimento bajo el estanque en diferentes momentos, esto se traduce en diferentes valores de conductividad hidráulica dentro de la misma capa, a pesar de que todos los demás parámetros son los mismos para esta capa. Se observaron diferencias de casi 79 % en la conductividad hidráulica en el modelo, para las temperaturas utilizadas (2 º C - 25 º C ). Esta variación de la conductividad hidráulica en el sedimento por debajo de la balsa de infiltración cuando el agua de temperatura variable entra en el sedimento, causa un cambio en la velocidad de infiltración con el tiempo y produce las fluctuacciones observadas en las mediciones de campo.

A complete and reliable Seismic Soil Response prediction requires a thorough knowledge of the Geotechnical and Geological structure, as well as algorithms to find the transfer function. This fact entails a significant complexity and, consequently, strengthens empiric methods, as for instance the well-known Horizontal to Vertical Spectral Ratios (HVSR). Moreover, the long return periods of earthquakes, especially in low- to-moderate-seismicity regions as Barcelona, hinder the comparison between predictive studies and observations in case of earthquake. In these sites, methods based on ambient vibration (seismic noise) become important. In this PhD thesis the Seismic Soil Response phenomenon is approached trough new theoretical contributions and applications. The main purpose has been to provide new insights and to generate new tools to improve the comprehension and the resolution of Seismic Soil Response related problems. In this way, innovative theories as Surface Sources (DSS) and Diffuse Fields (DFA) have been applied to solve the HVSR direct problem in horizontal layered media, among others. Also, specific field studies have been performed on test sites of the Barcelona plain with three main purposes: i) to improve the knowledge of the soil by means of array techniques based on ambient vibration, ii) to provide new techniques to allow an easy and fast analysis of the lateral heterogeneities and to accurately locate soil anomalies; iii) to suggest and apply smart techniques to densify HVSR measurement sites. Thus, an innovative outcome of this work has been using Ground Penetrating Radar (GPR) for preliminary detection and characterization of anomalous subsoil sections, with special emphasis in those due to paleochannels and to seasonal streams draining rainwater in mountain-sea direction. The observed HVSR curves (one station measurements) are compared with the theoretical ones obtained from DSS and DFA. Moreover, empiric dispersion curves of the Surface Waves (array measurements) are compared with the theoretical ones corresponding to the soil layered structure. Both procedures allow to check for the suitability of the new proposed tools and, to establish the reliability of the found parameters. Thus, we have been able to increase the knowledge, resolution and reliability of the soil parameters in test sites of the Barcelona plain leading to a better knowledge of the Transfer Functions. From different configurations of the DFA formulation it has been shown that, for a specific site, the HVSR response for ambient vibration is linked to HVSR response when the source is a wave-field where every spectral component is obtained by averaging the spectral components of the records of a great number of earthquakes. When lateral homogeneity assumption fails, the horizontal layered formulations are not suitable and discrepancies between empirical and theoretical responses appear. These differences have been attributed to lateral effects. In this sense, analytical results have been obtained for a constant-section valley illuminated by a two-dimensional diffuse field. This approximation enables finding specific properties of HVSR due to lateral contacts. Finally, this work has shown the need for taking into account the detailed subsoil structure in seismic micro-zonation and risk studies, as these heterogeneities may have significant importance on seismic response. So several advanced tools based on GPR have been provided, allowing, in an easy and quick way, detecting and sizing the heterogeneous areas and suggesting sections where ambient vibration measurement should be intensified. / La predicción detallada de la respuesta sísmica del suelo requiere un conocimiento fino de la estructura geológica/geotécnica y el uso de algoritmos que permitan predecir su función de transferencia. Esto presenta una complejidad significativa y ha otorgado un peso importante a métodos empíricos, entre los que destacan las razones espectrales entre componentes horizontal y vertical (HVSR). Además, los largos períodos de recurrencia del fenómeno sísmico, especialmente en entornos de peligrosidad moderada o baja como Barcelona, complican el contraste entre los estudios predictivos y su observación en caso de terremoto. Entonces, el estudio del subsuelo basado en el análisis de la vibración ambiental (ruido) adquiere un especial interés. En esta Tesis se aborda el problema de la respuesta sísmica de suelos con nuevas contribuciones teóricas y aplicadas a la ciudad de Barcelona, que tienen por objetivo aportar nuevo conocimiento y nuevas herramientas para mejorar su comprensión y resolución. Se han presentado aplicaciones de las novedosas teorías de fuentes en superficie (DSS) y de campos difusos (DFA) para resolver el problema directo HVSR en un modelo de capas plano-paralelas, entre otras. Por otra parte se han realizado estudios experimentales específicos sobre zonas test del llano de Barcelona con tres propósitos: i) aumentar el conocimiento del subsuelo usando técnicas de estación múltiple basadas en el ruido ambiental ii) proponer técnicas nuevas que permitan analizar de forma relativamente rápida y simple la heterogeneidad lateral y localizar y dimensionar anomalías del subsuelo y iii) proponer y aplicar técnicas inteligentes de densificación de los puntos de medida HVSR. Así, un aspecto novedoso de este trabajo ha sido el uso de radar de subsuelo (GPR) para la detección y caracterización preliminar de secciones anómalas del subsuelo, con especial énfasis en las debidas a paleocanales y a cauces de riera que drenan las aguas pluviales en la dirección montaña-mar. Así, se ha obtenido modelos de suelo a partir del ajuste simultáneo de las curvas experimentales HVSR (estación simple) a la respuesta de las teorías DSS y la DFA, y de las curvas experimentales de dispersión de las ondas superficiales (redes de estaciones) a la respuesta teórica del modelo por las principales técnicas. Por un lado se ha comprobado la idoneidad de las herramientas teóricas usadas, y por otro la confiabilidad de los parámetros del subsuelo. De este modo se han obtenido los parámetros del subsuelo en las zonas test del llano de Barcelona con una buena resolución y fiabilidad, lo que, a su vez,repercute en un mejor conocimiento de las funciones de transferencia. La teoría DFA, en sus diversas configuraciones, ha permitido vincular experimentalmente las respuestas HVSR de un sitio concreto cuando se usa como fuente: i) la vibración ambiental y ii) el campo de ondas resultante de sumar un gran número de registros de sismo en el sitio, construyendo cada componente espectral a partir del promedio de las componentes de cada registro. Cuando el subsuelo no presenta homogeneidad lateral las formulaciones plano-paralelas no son válidas y aparecen discrepancias entre las respuestas, experimentales y teóricas, que se han atribuido a efectos laterales. En este sentido, se han obtenido resultados analíticos para un valle de sección constante, iluminado por un campo difuso bidimensional que muestran propiedades específicas de HVSR debidas a contactos laterales. Por último, se ha determinado la necesidad de tener en cuenta la estructura fina del subsuelo en estudios de microzonificación y riesgo sísmico, ya que sus heterogeneidades tienen una importancia significativa en la respuesta sísmica. Para ello se ha proporcionando herramientas avanzadas basadas en GPR que permiten, de forma relativamente sencilla, detectar y dimensionar las zonas heterogéneas y sugerir secciones donde sea aconsejable una densificación de los puntos de medida.

Els patrons d'eixams de dics aporten evidències sobre les condicions de paleoesforços, cinemàtica cortical i règims tectònics. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és discernir i caracteritzar en tres dimensions els patrons estructurals d‘eixams de dics magmàtics. Amb aquest objectiu s'ha dut a terme l'estudi de casos de quatre diferents escenaris geològics i dues sèries d'experiments de modelització analògica. La comparació entre els resultats obtinguts a partir dels diferents estudis de camp i de modelització ha permès avançar en el coneixement dels factors mecànics i tectònics associats a l'emplaçament i deformació de dics. Es pot fer una distinció entre patrons simples i més complexos mitjançant la comparació entre contextos geològics i tectònics diferents i mitjançant l'ajut de la modelització analògica. Els casos més simples s'han observat en contextos extensionals en l'escorça mitja-superior. Els eixams es caracteritzen per intrusions paral·leles que es propaguen al llarg de fractures perpendiculars a σ3. No obstant això, les heterogeneïtats presents en les roques encaixants, com ara diàclasis, produeixen modificacions en els patrons d'intrusió, ja que el magma utilitza determinades fractures preexistents per a la intrusió. Aquesta situació caracteritza en diferent grau els eixams d'Aiguablava (Serralada Costanera Catalana) i del SE de Sardenya. Com a conseqüència, en cada situació es dóna un patró de segmentació de dics diferent. Els models analògics reprodueixen aquest tipus de relacions i permeten comprovar aquestes diferències. Els altres dos contextos regionals estudiats (Independence Dyke Swarm a Sierra Nevada, Califòrnia, i diversos eixams de dics màfics de l'Anti-Atlas del Marroc) revelen patrons estructurals més complexos. La seva intrusió en l'escorça mitjana i, sobretot, subsegüent deformació, van tenir lloc durant esdeveniments orogènics sota condicions de major pressió litostàtica i esforços diferencials menors. Tot i que de la mateixa manera que en els casos precedents el mecanisme d'intrusió fonamental va ser la hidrofractura, les condicions tectòniques orogèniques i les propietats mecàniques del sistema dic-roca encaixant (comportament fràgil-dúctil) mostren una influència important en el desenvolupament d'estructures. És relativament comú en aquestes situacions l'aparició de sistemes conjugats de dics híbrids, així com de patrons en echelon. A més, a causa dels contrastos de competència entre dics i roques encaixants, la deformació tendeix a localitzar-se durant i després de l'emplaçament, generant foliacions i zones de cisalla. Aquest fenomen ha estat reproduït en una sèrie d'experiments analògics de deformació fràgil-dúctil al voltant de dics parcialment fosos. / Los patrones de enjambres de diques aportan evidencias sobre las condiciones de paleoesfuerzos, cinemática cortical y regímenes tectónicos. El objetivo principal de esta Tesis es discernir y caracterizar en tres dimensiones los patrones estructurales de enjambres de diques magmáticos. Para ese propósito, se ha llevado a cabo el estudio de casos de cuatro diferentes escenarios geológicos y dos series de experimentos de modelización analógica. La comparación entre los resultados obtenidos a partir de los diferentes estudios de campo y de modelización ha permitido avanzar en el conocimiento de los factores mecánicos y tectónicos asociados al emplazamiento y deformación de diques. Se puede realizar una distinción entre patrones simples y más complejos mediante la comparación entre contextos geológicos y tectónicos distintos y mediante la ayuda de la modelización analógica. Los casos más simples se han observado en contextos extensionales en la corteza media-superior. Los enjambres se caracterizan por intrusiones paralelas que se propagan a lo largo de fracturas perpendiculares a 3. Sin embargo, las heterogeneidades presentes en las rocas encajantes, tales como diaclasas, producen modificaciones en los patrones de intrusión, puesto que el magma utiliza ciertas fracturas pre-existentes para la intrusión. Esta situación caracteriza en diferente grado los enjambres de Aiguablava (Cordillera Costera Catalana) y del SE de Cerdeña. Como consecuencia, en cada situación se da un patrón de segmentación de diques distinto. Los modelos analógicos recrean este tipo de relaciones y permiten comprobar dichas diferencias. Los otros dos contextos regionales estudiados (Independence Dyke Swarm en Sierra Nevada, California, y varios enjambres de diques máficos del Anti-Atlas de Marruecos) revelan patrones estructurales más complejos. Su intrusión en la corteza media y, sobretodo, subsiguiente deformación, tuvieron lugar durante eventos orogénicos bajo condiciones de mayor presión litostática y esfuerzos diferenciales menores. Aunque del mismo modo que en los casos precedentes el mecanismo de intrusión fundamental fue la hidrofractura, las condiciones tectónicas orogénicas y las propiedades mecánicas del sistema dique-roca encajante (comportamiento frágil-dúctil) muestran una influencia importante en el desarrollo de estructuras. Es relativamente común en estas situaciones la aparición de sistemas conjugados de diques híbridos, así como de patrones en echelon. Además, debido a contrastes de competencia entre diques y rocas encajantes, la deformación tiende a localizarse durante y después del emplazamiento, generando foliaciones y zonas de cizalla. Dicho fenómeno ha sido reproducido en una serie de experimentos analógicos de deformación frágil-dúctil alrededor de diques parcialmente fundidos. / Patterns of dyke swarms provide evidences about paleostress, crustal kinematics and geotectonic regimes. The main aim of this Thesis is to discern and characterize the three-dimensional structural patterns of magmatic dyke swarms. For this purpose, case studies on four different field reference areas and two series of analogue modelling experiments have been carried out. Comparison of the results obtained from different field-based and modelling studies has allowed gaining insight into the mechanical and tectonic factors associated with the emplacement and deformation of dykes. A distinction from simple to more complex patterns could be made by comparing different tectonic cases and also with the help of analogue modelling. The simplest cases have been observed in mid- to upper-crustal extensional settings. Swarms are characterized by sub-parallel intrusions which propagate along fractures normal to 3. However, heterogeneities in the granitoid host rocks, as joints, produce modifications in the intrusion patterns, since magma may use these pre-existing anisotropies to intrude. To different extents, this situation characterizes the Aiguablava (Catalan Coastal Ranges) and SE Sardinia cases. In consequence, particular dyke segmentation patterns are characteristic of each region. Analogue models recreate this type of relations and test the differences in segmentation associated with diverse previously fractured basements. More complex structural patterns have been recognized in the other studied dyke swarms (Independence Dyke Swarm in Sierra Nevada, California and various swarms of mafic dykes in the Anti-Atlas of Morocco). Their intrusion into the mid-crust and subsequent deformation took place under higher confining pressures and lower differential stresses during orogenic events. Although the main intrusion mechanism was also hydrofracturing as in the other study cases, the particular orogenic tectonic conditions and mechanical properties of the dyke-host rock system (brittle-ductile behavior) had a large influence on the developed structures. Arrays of conjugate sets of hybrid dykes and en echelon dykes are more common in these cases. Moreover, as an effect of competence contrasts between dykes and host rocks, deformation localization structures (foliations, shear zones) developed during or after the emplacement. This situation has been reproduced in series of analogue experiments of ductile deformation around partially molten dykes in isotropic rocks.