Uno de los principales problemas que afectan al medio marino son los repetidos episodios de contaminación por hidrocarburos. A los grandes derrames provocados por petroleros accidentados hay que sumarle un volumen anual prácticamente idéntico, debido a vertidos operacionales, residuales o derivados del creciente uso de los combustibles fósiles. En el caso de las mareas negras, las consecuencias socio-económicas son terribles para las regiones afectadas. Pero por otro lado, la contaminación de tipo crónica acaba causando daños prácticamente irrecuperables en el ecosistema marino y en los recursos costeros. Como respuesta a la inquietud de una sociedad cada vez más sensibilizada con los problemas medioambientales, en la presente Tesis se plantea el desarrollo de herramientas numéricas de previsión que sirvan de apoyo a la gestión de crisis por contaminación marina. En primer lugar, se analizan las principales fuentes de contaminación por hidrocarburos en el mar, así como sus principales consecuencias socio-económicas y medioambientales. Por otra parte, se describen las herramientas disponibles de prevención y previsión, apoyo fundamental en la toma de decisiones durante la gestión de una crisis similar. Existen dos marcos diferentes en los cuales pueden desarrollarse este tipo de herramientas: los Planes de Contingencias y la Oceanografía Operacional. Seguidamente, se revisa el estado actual del conocimiento sobre el conjunto de procesos físico-químicos que afectan a los hidrocarburos derramados en el mar. El objetivo es evaluar los principales procesos de transporte y degradación de los hidrocarburos en el medio marino, en vistas a implementar las formulaciones necesarias en una herramienta numérica de previsión. Los hidrocarburos derramados en el mar se separan en diferentes fases: evaporada, disuelta, dispersada y flotante. Para cada una de estas fases se distinguen, por un lado los principales forzamientos del transporte a tener en cuenta en el modelado hidrodinámico y de transporte; y por otro lado, los procesos físico-químicos que modifican las propiedades del contaminante definidas en el modelo de degradación. Así, los modelos se acoplan introduciendo la evolución de la reología del contaminante y la transferencia de masa entre las distintas fases.Finalmente, se implementa el modelado a varios casos prácticos, a dos escalas de resolución distintas. Para ello, se utilizan dos aproximaciones distintas para el modelado del transporte: el enfoque euleriano para escalas pequeñas y el enfoque lagrangiano, para escalas regionales. Los procesos de transporte y envejecimiento serán mejor o peor reproducidos en el modelado en función de la escala y del enfoque utilizados. / One of the important threats in the marine environment is the pollution due to oil and hydrocarbons spills. In addition to the large volumes accidentally spilled from tankers and vessels in distress, there is a similarly large volume of hydrocarbons that reach the marine environment due to small but continuous releases from the sea (vessels operational discharges), from urban run-off, etc. Large accidental oil spills - Black tides-, typically impact the socio-economic conditions of the costal affected areas. But on the other hand, sustained and continuous discharges can cause ecological damages and disruptions on the coastal resources (fisheries, tourism, etc.). In response of a society more sensitive to environmental issues, the principal objective of this PhD Thesis is the development of a forecasting numerical tool in support of emergency response against marine pollution. In the PhD study, the main sources of hydrocarbon pollution are analysed, typically related with the maritime transport; key socio-economical and environmental consequences are also evaluated. The study also presents an overview of the main available tools of prevention and forecast in support of decision making. Basically, those tools have been developed in the framework of Contingency Plans and in the Operational Oceanography which will define different specifications in the numerical modelling. An overview of the physical and chemical processes that affects oil spills at sea is presented, the objective being to identify the main processes of transport, dispersion and weathering of the hydrocarbons. Hence, corresponding fate and weathering formulations are described to be included in future modelling tools. Just after a spill at sea, the total volume of oil is separated in different phases and components: evaporated, dispersed, dissolved and floating in the water surface. For each phase / component, the numerical hydrodynamic and transport modelling will have to take into account the main forcing agents; the weathering model will have to simulate the physico-chemical processes that modify the properties of the pollutant over time. The inter-action (coupling) between both transport and weathering models will allow to simulate the evolution of rheology and mass transfer between the different phases. In the last Chapter, the implementation of the numerical models will be demonstrated with some realistic cases, at two different resolution / scales. Two modelling approaches will be presented: the eulerian method for small scale, in reduced areas, and the lagrangian method for bigger, regional scale. The present work will conclude that each numerical method will have its benefits and limitations when trying to reproduce the transport and weathering processes at different scales.

In this thesis, the interaction between flow and sediment in alluvial channels is studied from an empirical approach, for conditions close or pertaining to supercritical flow, and for four types of sediment: sand, gravel and two mixtures with sand and gravel in a relative proportion of 70-30 and 55-45, respectively. The objective is to obtain by means of laboratory experiments a data set with the characteristics of flow, sediment transport, bed configurations and sediment sorting patterns in sediment mixtures, for different conditions within upper- and transitional-regimes. From a practical perspective, the aim of this work is to reproduce similar conditions to those likely to occur in torrential ephemeral streams, common in the Mediterranean coast and known in Spain as ¿ramblas¿. The experimental work consisted in searching for mobile-bed equilibrium states, for different water discharges and sediment-feed rates. The definitive data set comprises 22 runs, with durations up to 12 hours. Sediment-feed rates were constant during each run, and they were even higher than 1 kg/s. Dominant bed configurations included transitional bedforms and trains of antidunes, coexisting with alternate bars. Antidunes were mostly three-dimensional rather than two-dimensional, and in contrast to the most referred antidunes in literature, the antidunes herein reported moved in the downstream direction and were stable most of the time. Short-crested stationary waves on the water surface accompanied the antidunes. Characterization of the experimental bedforms allowed identifying the range of Froude numbers in which transitional regime prevails for the studied sediment; also, this characterization allowed assessing the performance of theoretical and empirical diagrams for bedform stability phases. It is here demonstrated that for very coarse sand, fine gravel and mixtures of these two materials, plane bed does not occur in the transition from lower- to upper-regime, and if it would occur, it would be restricted to a very narrow range of Froude numbers. Regarding flow resistance related to bedforms in upper-regime, it has been here probed that for similar geometrical conditions, downstream-migrating antidunes produce less flow resistance than dunes, and more flow resistance than upstream-migrating antidunes. An important concern in this work has been to investigate the effect of the relative sand content of sediment in bedforms, flow resistance and sediment transport. It is here demonstrated that bedforms in sand beds can be higher and they can produce much more drag than bedforms in gravel and sand-gravel mixtures. Regarding sediment transport, it is here shown that for the high sediment-feed rates tested in the experiments, certain ranges of sand content would affect sediment mobility. Besides sand content, it is shown that the ratio between sand and gravel grain sizes would also be relevant in the mobility of sediment in comparison to well-sorted material. A conceptual model is suggested for computation of sediment incipient motion, which model is based on the variation of bed porosity with sand content and on the relative size between particles. Some supplementary themes considered in this work include the study of the required conditions for the formation of three-dimensional stationary waves over antidunes; the hydraulic analysis of flow over antidunes and the morphological consequences of such a flow for the three likely regimes of antidune direction of movement; sediment sorting patterns according to sand content, especially bed surface patches of homogeneous sediment; and finally, the analysis of the process by which fine sediment penetrates into a bed composed of particles of diverse sizes. / En esta tesis se estudia de manera empírica la interacción entre el flujo y el sedimento en canales aluviales, para condiciones cercanas o pertenecientes al régimen rápido y para cuatro tipos de sedimento: arena, grava y dos mezclas con grava y arena, en una proporción relativa de 70-30 y 55-45, respectivamente. El objetivo es obtener de manera experimental en laboratorio un grupo de datos sobre las características del flujo, transporte de sedimento, configuraciones de fondo y patrones de clasificación en mezclas de sedimento, para diferentes condiciones dentro de los regímenes superior y de transición. De manera práctica, la intención de este trabajo es reproducir condiciones comparables a las que pueden ocurrir en ríos efímeros de carácter torrencial, comunes en la costa Mediterránea y conocidos en España como ramblas. El trabajo experimental consistió en la búsqueda de condiciones de equilibrio dinámico en lecho móvil, para diferentes caudales líquidos y tasas de alimentación de sedimento. 22 ensayos, con duraciones de hasta 12 horas, conformaron el grupo de datos definitivo. Las tasas de alimentación fueron constantes durante cada ensayo, y alcanzaron valores de incluso más de 1 kg/s. Las configuraciones de fondo dominantes incluyeron formas de fondo de transición y trenes de antidunas, en coexistencia con barras alternadas. Predominaron las antidunas tridimensionales sobre las bidimensionales y, a diferencia de las antidunas más referidas en la literatura, las aquí descritas migraban hacia aguas abajo y eran bastante estables. En la superficie del agua acompañaban a las antidunas ondas estacionarias de cresta corta. La caracterización de las formas de fondo experimentales permitió identificar el intervalo de números de Froude en el cual prevalece el régimen de transición en el sedimento estudiado y también evaluar diagramas teóricos y empíricos para las regiones de estabilidad de formas de fondo. Se demuestra que en arena muy gruesa, grava fina y mezclas de estos dos materiales, en la transición de régimen inferior a superior no ocurre el fondo plano, y si así fuese, estaría restringido a un intervalo muy estrecho de números de Froude. En cuanto a la resistencia al flujo producida por las formas de fondo en régimen superior, se ha probado que para condiciones geométricas similares las antidunas que migran hacia aguas abajo producen menos resistencia al flujo que las dunas y más resistencia que las antidunas que migran hacia aguas arriba. De particular interés ha sido reconocer el efecto en las formas de fondo, la resistencia al flujo y el transporte de sedimento, del contenido relativo de arena en el sedimento. Se muestra que las formas de fondo desarrolladas en lechos compuestos sólo de arena pueden ser de mayor magnitud y producir mucha mayor resistencia de forma que las formas de fondo en grava y mezclas de grava-arena. En cuanto al transporte de sedimento, se muestra que para las altas tasas de transporte probadas ciertos intervalos de contenido de arena afectan la movilidad del sedimento. Además de la proporción de arena en la mezcla, el grado de afectación en la movilidad estaría relacionado con la relación entre tamaños de la arena y la grava. Se propone un modelo conceptual para el cálculo del inicio de movimiento de las partículas del fondo, el cual considera la variación de la porosidad en el lecho con el contenido de arena y la relación de tamaños de las partículas.

The rescarch is racused on scismic ond flood risk in Algicrs, and cspccill lly in Bah El Oued neighborhood whel'e flood and seismic phcnomcna are important and can gcncrntc disaster. Wc are expccling futurc cvents in Bab El Oued as an carthquakc of7.5 on Richter scale and another Oood disaster as the olle that \Ve had in 101~ November 200 1.Thc fault of Khair El Din is Ihe most dangcrous one in Algiers. It can genemte acccleration of3oo to 800 gal and can produee an intcnsity of 8 or 9 under MSK scale and an important dcstruction of construetions in Bah EL Oued. This fault can also cause landslidcs in Ihe Wcst ofthe city. A rccent study providcs a scenario of disaster thal supposcs Ihat 33% ofbuildings and 33% ofhouscs wi ll bedcstroycd by the ncxt carthquake gcnernled by Khair El Din faull, and it c)(peclS lo cause 500 dealh, 2200 injurcd, 28000 homelcss for a population of 87600 habitant. The name of "Bab El Oued" means "Rivel"'s Door", it c)(plains the situalion ofthe ncighborhood rcgarding the Oood risk. The most importan! evcnt ever happened \Vas in 2001, \Vhen the river "OuedM'Kessel" took back its original place and dcstroyed evcrything things thaL had becn built in its original way to Ihe Mediterranean sea. The most impol1ant urban mistakc tha! cause Ihis disaster \Vas the faCI that a speed\Vay had beeu built on Oucd m'Kessel river bed, and also Lhe situation ofTrioley market that was on the oliginal way ofthe river and under Ihe Trioley Bridge. Even though the authority applicd solutions there is slill the need for urban modifications that we call "Urban Acupuneturc". To reduce thc impacTs ofthese phenomcna, wc have to establish a stralcgy ofrisk prevenlion and managemenL for Bab El Oued and we suggcst the fo llowing mcasures: ¿ 1'0 crcate risk maps and lO cstablish rcsponse and cvacuation plans. ¿ To build network ofmonitOling and alcI1ing and 10 facilitate decision-making processcs. ¿ To crcate stratcgy of intcrvcnlion and cvacualion. To complete this strategy, we made an "Urban AeupWlctllrc" on Bab El Oued neigbborhood with spots interventions to modify the urbanism in order lo reduce risks: ¿ To dl,,'Crease urban density and to Restore old urban zoncs. ¿ Stmctural reinforccmcnL of landslide arcas ami inspcclion of e)(isting COIISllllctions. ¿ Rcorganil'.. .a tion under preventivc urban design I"I,,'Commendations. ¿ To locale safesl zoncs lor population regrouping am.! rehousing of alTccLcd population. Spccific fOI" flood: ¿ Natura li7A11ion ami removal orlhe urbaniz.1tion of "Oued M'kessel" rivcr hec1 ¿ ProtccLion coastal arca fmm flooding. ¿ Close " Jaubcrt queny" and displacement of dcbris. ¿ Monit01ing and maintcnaneeofthe two manifolds ofOucd M' Kcsscl. ¿ To c)(lcnd and promote penncable surfaecs. ¿ Rcinforcement against fload of ground floors. ¿ To use architcctural fomls 10 reduce the impaels of Oood. ¿ In~lallaLion of waler pumps systcm in underground 0001' 01' conslruetions and protcctiol1 of con~lruelions againsl soil erosiono Spccifie for c.arthquake: ¿ Construct ion ofncw buildings undel" earthquake resistanL regulations and intcgratc Ihe high seismic tcchnology into important eonslrucl ions thal must be runclional afier carthquake. ¿ Restoration and reinforcemcnL of old construelions. ¿ To protect the coast against tsunami. Our rcscarch is foeuscd on Bah El Oucd neighborhood in Algicrs city, but Ihe Analyses, rccommcndations and rcsults can be applied in other ncighborhood and cities across Ihe country.

Doñana marshes are a wetland of ecological relevance at an international level. They are located on the right bank of the final Guadalquivir River, in the regions of Huelva and Seville in SW Spain. They occupy an area of 27000 ha and present an extremely flat topography, a Mediterranean climate with influence from the Atlantic Ocean and annual flooding and drying out processes, which normally develop from mid autumn to mid summer and present maximum water depths of about one meter. As a consequence of past anthropic modifications in their natural behaviour, intensive research and monitoring efforts have been conducted since the 1990¿s in order to better understand the natural processes related to the surface hydrology associated to the Doñana marshes. Such activities have been oriented to define the measures and establish the management criteria that allow, as far as possible, the recovering of the natural functionality of the marshes. This thesis studies the hydrometeorology and heat balance of Doñana marshes from field data collected through a network of automated gauging stations, which have been gathering hydrometeorological information for a number of consecutive years. Most part of the work refers to the three hydrological years from September 2006 to August 2009. Special attention has been drawn to the flooding period of 2006/2007, being the product of the development of a most characteristic flooding event. The work essentially focused on the characterization, at different time scales (annual, monthly, daily), of the measured hydrometeorological context and the heat fluxes that define the water heat balance of the flooded marshes. Sensible and latent heat fluxes between water and atmosphere have been estimated by means of the Bowen Ratio ¿ Energy Balance (BREB) method. Moreover, water and sediment temperature regimes have been analyzed, and vertical mean water temperature has been modelled for un entire flooding period through the implementation of a single-layer heat balance model. General results show a fast response of the water temperature to the atmospheric forcing. Net solar radiation constitutes the main source of heat and predominantly determines the net balance of all-wave radiation over the water surface. At an hourly timescale, most of this heat is invested in water heating but, at a daily timescale, heat gains and looses compensate. It results in a reduced heat storage per unit area of marshland. Since water availability is not a limiting factor, available heat is mainly lost by evaporation, which constitutes the main water loss from the marshes and explains to a large extent the rate of water level decrease. Daily thermal stratification and mixing processes have been identified, mostly from March onwards, which modify the marshlands¿ thermal behaviour at a short timescale. As thermal stratification and water depth reduce the importance of flooded sediment in the global water heat balance, water-sediment heat flux appeared negligible during most of the time of the study. Finally, the modelling of Doñana marshes¿ water temperature pointed out the necessity to include the vertical dimension despite the limited water depths registered. / La marisma natural de Doñana es un humedal de relevancia ecológica a nivel internacional situado sobre la margen derecha del tramo final del río Guadalquivir, en las provincias de Huelva y Sevilla (SO de España). Se extiende sobre unas 27000 ha y se caracteriza por una topografía extremadamente llana sujeta a un clima de tipo mediterráneo subhúmedo con influencia atlántica y a procesos anuales de inundación y secado, típicamente prolongados entre mediados de otoño y mediados de verano, con calados máximos del orden de un metro. Como consecuencia de las alteraciones antrópicas sufridas en su comportamiento natural, desde los años 90 del siglo XX se ha realizado un esfuerzo extraordinario de seguimiento e investigación sobre los procesos naturales relacionados con la hidrología superficial de este ecosistema. Este esfuerzo está orientado a definir las actuaciones y establecer los criterios de gestión que permitan recuperar en la medida de lo posible la funcionalidad natural de la marisma. En esta tesis se estudia la hidrometeorología y el balance térmico de la marisma de Doñana a partir de información de campo registrada por una red de estaciones automáticas, que han tomado medidas de alta resolución temporal durante varios años consecutivos. La mayor parte del trabajo se refiere a los tres años hidrológicos comprendidos entre los meses de septiembre de 2006 y agosto de 2009, con especial atención al periodo de inundación 2006/2007 por sus características cercanas al proceso idóneo de inundación y secado. El trabajo se ha orientado principalmente a la caracterización, a diferente escala temporal (anual, mensual y diaria), del marco hidrometeorológico medido y de los flujos de calor que definen el balance térmico del agua en la marisma inundada. La estimación del intercambio de calor sensible y latente con la atmósfera se ha realizado mediante la metodología de la Razón de Bowen – Balance de Energía. Asimismo, se ha estudiado el régimen de temperatura de la columna de agua y del suelo inundado, y se ha realizado una modelización de la temperatura media del agua mediante la implementación de un modelo de balance térmico de una capa durante un periodo completo de inundación. Los resultados muestran una rápida respuesta de la temperatura del agua de la marisma a las condiciones atmosféricas. El principal aporte de calor al sistema es la radiación solar neta, la cual determina en gran medida la radiación neta de onda corta y onda larga sobre la superficie del agua. A escala temporal horaria, este aporte se invierte principalmente en el calentamiento de la columna de agua, pero la compensación de las ganancias y pérdidas de calor producen valores netos diarios reducidos de calor acumulado por unidad de superficie. Al no ser la disponibilidad de agua un factor limitante, el calor restante se invierte en su mayor parte en evaporación, la cual constituye la principal salida de agua en la marisma y explica en gran medida su ritmo de vaciado. A partir del mes de marzo, se identifican procesos diarios de estratificación térmica y mezcla, que modifican el comportamiento térmico de la marisma a corto plazo. El papel del suelo inundado en el balance térmico del agua se reduce con la estratificación y la profundidad del agua, siendo despreciable la mayor parte del tiempo analizado. Finalmente, la modelización térmica de la marisma ha puesto de manifiesto la necesidad de contemplar la dimensión vertical, a pesar de la escasa profundidad de agua

The dynamic response of any structure submerged in water is significantly modified by the effect of added mass. The inertia of the fluid that the body must accelerate during its vibrational motion decreases its natural frequencies. This frequency shift between the air and still water conditions must be taken into account during the design phase to foresee any resonance problems. However, if cavitation takes place, which is a rather common phenomenon when dealing with submerged systems or machinery, the variability in the structural response remains unknown. This thesis presents an experimental study of the influence of sheet cavitation and supercavitation on the added mass effects experienced by a 2-D NACA0009 hydrofoil. A High Speed Cavitation Tunnel was used to generate and control the cavitation, and an innovative non-intrusive excitation and measuring system based on piezoelectric patches mounted on the hydrofoil surface was used to determine the natural frequencies of the fluid-structure system. The appropriate hydrodynamic conditions were selected to generate a range of stable partial cavities of various sizes and to minimize the effects of other sources of flow-induced noise and vibrations. The main tests were performed for different sigma values under a constant flow velocity of 14 m/s and for incidence angles of both 1º and 2º. Additionally, a series of complementary experiments and numerical simulations were performed to assure the validity of the results and to clearly separate the effects of cavitation from other factors that may also affect the hydrofoil's natural frequencies. In this context, mode shape visualization was performed under different flow conditions to guarantee the equivalence among the tests. In addition, the effects of the lateral wall in the test section and the obtained results indicate that the maximum added mass effect occurs under conditions of still water. When cavitation occurs, the added mass decreases as the cavity length is increased. Consequently, the added mass reaches a minimum under supercavitation conditions. This behavior is well characterized by the linear correlation found between the added mass coefficient and the entrained mass of fluid that accounts for the mean density of the cavity, its dimensions and its location relative to the specific mode shape deformation.

Els Contaminants Organic Persistents (COPs), tals com PCB, PCDD/FS i PAHs, són un grup de compostos químics regulats per a la seva reducció o ja prohibits a causa de la seva persistència, potencial per a ser transportat llargues distàncies i la capacitat de bioacumular en xarxes tròfiques. El transport atmosfèric i la posterior deposició s'han descrit com els processos claus pels quals impacten àrees oceàniques remotes. Així mateix, en la interfície atmòsfera-oceà, que correspon al 70% de la superfície de la Terra, tenen lloc molts processos vitals que determinen el paper dels oceans com a dipòsit i reservori de COPs. La interpretació d'aquests processos no és senzilla a causa de la manca de mesures en àrees remotes de l'oceà i el desconeixement dels mecanismes dominants a diferents escales espacials i temporals. Aquesta tesi doctoral està centrada en la modelització dels processos de transferència de COPs entre l'atmòsfera i els oceans a escales regionals i globals. Per primera vegada, dades derivades de satèl·lits s'han acoblat amb models multimèdia de contaminants i de caixes de nivell I-III, donant lloc a estimacions d'acord amb un factor de dos amb les measures en molts dels casos. Així mateix, s'ha mostrat la variabilitat dels processos de deposició i la importància de considerar processos biogeoquímics a gran escala quan s'avalua la dinàmica dels COPs. Estimacions globals del procés de deposició atmosfèrica dominant, i fluxes d'enfonsament i subducció també s'han dut a terme. S'ha vist que la difusió aire-aigua és la ruta predominant de introducció de contaminants a oceans per a COPs predominantment en la fase gas. En canvi, la deposició seca i humida és dominant per certes regions i per a contaminants que tendeixen a sorbir-se fortament a aerosols. D'altra banda, la metodologia desenvolupada s'ha implementat per a estimar els bescanvis atmosfera-oceà de carboni orgànic total. Sorprenentment aquestes estimacions apunten a fluxes elevats que podrien ajudar a tancar els balanços globals de carboni.El destí dels contaminants a curta escala i un cop han entrat a la columna d'aigua s'ha investigat mitjançant un model dinàmic 0-D i un model acoblat hidrodinàmic-contaminant 1-D. S'ha recalcat el paper dels sediments en el reciclatge de contaminants i dels fluxes atmosfèrics. Així mateix s'ha vist que la influència dels sediments és especialment important per a aigües poc profundes (< 20 m) i la profunditat a la qual difonen en la columna d'aigua s'explica amb la interacció entre fluxes turbulents i d'enfonsament. Així doncs, en aquesta tesi i per primera vegada s'ha dut a terme un analisi exhaustiu de la turbulència vertical en la dinàmica dels COPsTots aquests resultats es presenten en forma d'articles científics que han estat ja publicats o en procés de publicació. / Persistent organic pollutants (POPs), such as PCB, PCDD/FS and PAHs, are a group of chemicals targeted for reduction, or already banned, because of their persistence, potential for long-range transport and their ability to bioaccumulate in food-webs. Atmospheric transport and subsequent deposition has been described as the major process by which they impact remote oceanic areas. Additionally in the air-water interface, which accounts about the 70% of the Earth surface, take place many vital processes that determine the role of the oceans as a sink and as a reservoir of POPs. However the interpretation of these processes encounters difficulties because of the lack of measurements in the remote oceanic areas, and the lack of understanding of the dominant mechanisms at different spatial and temporal scales.This PhD-thesis focuses on the modelling of the transfer processes of POPs between the atmosphere and the oceans at regional and global scales. Satellite derived data has been coupled with multimedia box-contaminant models of level I-III for the first time, yielding estimations in agreement within a factor of two with measurements, in most cases. Moreover, it is shown the noteworthy variability of atmospheric depositional fluxes and the importance of considering large biogeochemical processes in the oceans when evaluating the dynamics of POPs. Global estimations of the dominant atmospheric depositional, sinking and subduction fluxes have been also performed. It is seen that diffusive air-water exchange is the predominant route of introduction of contaminants to the oceans for POPs predominantly in the gaseous phase. However, dry and wet deposition become dominant in certain ocean regions and for compounds that sorb strongly to aerosols. Furthermore the developed methodology has also been implemented to estimate the atmosphere-ocean exchanges of total organic carbon. Surprisingly, these estimations point to high fluxes which could help to close the carbon budgets in the global carbon models. The fate of contaminants on the short-time scale and once they enter the water column has been investigated by means of a 0-D dynamic model and a 1-D dynamic coupled contaminant-hydrodynamic model. It is stressed the role of sediments recycling contaminants and the atmospheric based fluxes. The influence of sediments is especially important for shallow water columns (< 20 m). The extent to which they diffuse in the water column is explained by the interplay between sinking and turbulent fluxes. In this thesis and for the first time a novel and comprehensive analysis of the vertical turbulence to the dynamics of POPs has been performed. All these results have been published in scientific literature, are in press for publication or under review.

A les turbomàquines pot haver una forta interacció entre els àleps del rodet i les directrius del difusor que afecten la dinàmica del flux i el rendiment estructural de les màquines. Aquest fenomen s’anomena interacció rotor-estator (RSI), i te una gran influencia en el comportament de la màquina. Aquestes interaccions tenen impacte significant en les característiques de les vibracions i de l’acústica de la màquina i en algunes ocasions aquestes interaccions han portat a la fallada de l’àlep o la directriu. Les inestabilitats i la turbulència juguen un paper fonamental en el RSI i l’ús de la dinàmica de fluids computacional (CFD) s’ha convertit en un requeriment habitual en el disseny de turbomàquines degut a la dificultat i elevat cost de l’experimentació necessària per identificar el fenomen RSI. Actualment els anàlisis de CFD basats en les equacions de Navier-Stokes amb mitjanes de Reynolds (RANS) i un model acoblat de viscositat de turbulència de remolí (EVM), es utilitzat habitualment en el disseny de turbomàquines. Per tant l’elecció de un model de turbulència i del tractament de capa límit apropiat es lluny de ser trivial, donat que un modelat adequat de la turbulència te un paper important per la obtenció de bons resultats en CFD. Per un millor coneixement del fenomen RSI, en la primera part d’aquest treball es realitza amb CFD un estudi no estacionari del flux sobre perfils aïllats, amb l’objectiu de determinar les habilitats dels models RANS en determinar les característiques del flux a la capa límit i el deixant. Es determinen numèricament les velocitats, les fluctuacions de velocitat i les freqüències del despreniment de vòrtex en el deixant en quatre perfils, comparant els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Amb l’objectiu de poder conèixer millor la interacció RSI produïda per el moviment dels deixants del rotor sobre la capa límit de l’estator, en una segona part d’aquest treball, s’estudia amb CFD una cascada lineal d’àleps desplaçant-se davant una placa plana. Es determinen les velocitats i les fluctuacions de velocitat a la capa límit, així com les freqüències representatives de la interacció RSI sobre la placa, quan el sistema treballa a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, i es comparen els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Com a objectiu final es modela amb CFD una bomba centrífuga amb difusor, amb un rodet amb alta càrrega d’àleps. Aquesta màquina s’estudia treballant a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, amb l’objectiu de conèixer el complicat patró del flux que es produeix en aquest tipus de bomba. S’han determinat les fluctuacions de pressió degudes a la interacció entre el rodet i el difusor de la bomba, així com les seves freqüències característiques. Els resultats numèrics de CFD son comparats amb resultats experimentals. / In turbomachinery, a strong interaction between the impeller blades and the diffuser vanes may occur. This interaction affects the flow dynamics and the structural performance of the machine. This phenomenon is called rotor–stator interaction (RSI), and it has a significant impact on the characteristics of the vibrations and noise of the machine, and in some cases these interactions have led to the failure of the blades or vanes. Instabilities and turbulence play a fundamental role in the RSI and the use of computational fluid dynamics (CFD) has become a standard in the design of turbomachinery due to the difficulty and high cost of experimentation necessary to identify the RSI phenomenon. Currently CFD analysis based on the Navier-Stokes Reynolds Averaging (RANS) and a coupled model of turbulent eddy viscosity (EVM) is commonly used in the design of turbomachinery. Therefore the choice of a turbulence model and the appropriate treatment of the boundary layer is far from trivial, because a suitable turbulence model is primordial for obtaining accurate numerical results using CFD. For a better understanding of the RSI phenomenon, a CFD study on unsteady flow around isolated foils is presented, aiming to benchmark the capabilities of several turbulence models predicting the boundary layer and wake flow characteristics. Flow velocities, velocity fluctuations and vortex shedding frequency in the wake are numerically estimated for four different profiles, and these results are validated against experimental results. In order to gain insight on how the RSI generated by the wakes of moving rotor blades affect the stator vanes boundary layer flow, a numerical study of a linear cascade of blades moving in front of a flat plate is presented. Flow velocity and velocity fluctuations in the plate’s boundary layer and the RSI characteristic frequencies are studied for design and off-design operating conditions. The final chapters of the thesis deal with the modeling of a high blade load centrifugal pump with diffuser. Complex flow patterns within the machine are analyzed by means of CFD in design and offdesign conditions. Pressure fluctuations generated as a result of RSI between the impeller and the diffuser are obtained, as well as the characteristic RSI frequencies. An experimental data set is used to validate the numerical results.

Constructed wetlands are alternative systems to conventional wastewater treatment for small communities (up to 2000 PE). This is mainly due to that operation and maintenance costs are reduced. Despite the advantages, the clogging of the bed is the most important trouble encountered by the managers of subsurface flow wetlands treatment systems. The solids accumulation in the interstitial spaces of the gravel over time causes the decrease of both, hydraulic conductivity and porosity. This leads in the development of preferential paths and short-circuiting of the water through the wetland, which converge in overland flow and contaminant removal efficiency decrease. Therefore, clogging is the main limiting factor of the life span of a subsurface flow constructed wetland. The strategies to reverse clogging imply important economic investments. Generally, the most widespread option is the replacement of gravel. Hence the need to measure realibly the degree of clogging of a system in order to identify the factors that influence this phenomenon and to search new configurations and strategies to delay its progress, thus operations needed to reverse it. Therefore, the aims of this thesis must contribute to establish new design criteria and operation of horizontal subsurface flow constructed wetlands to minimize clogging processes without reducing the contaminant removal efficiency. Then, the objectives were to compare a method to measure hydraulic conductivity in situ, based on falling head permeameter, in order to determine the state of clogging of wetlands and its horizontal distribution; to determine the most suitable indicator to assess clogging in horizontal subsurface flow wetlands; to identifie new design and operation parameters likely to cause or encourage the clogging of the filter medium; and to analyse two new configurations in a pilot scale system in terms of contaminant removal and clogging development. Among the different clogging indicators analysed (drenable porosity, hydraulic conductivity, accumulated solids and effective volume from a tracer test), hydraulic conductivity seems to be the best one. Firstly, because hydraulic conductivity provides information about the hydraulic behaviour inside the bed, and linked appropriately with the accumulated solids (a correlation of 74.5% was found between both indicators). Secondly, because its application in full-scale wetlands is more straightforward than other techniques. / Los humedales construidos son una alternativa al tratamiento convencional de agua residual para pequeños municipios (hasta 2000 hab-eq) ya que son fáciles de operar y mantener y tienen un coste de explotación bajo. El mayor inconveniente a que se enfrentan los explotadores de sistemas de tratamiento con humedales subsuperficiales es la colmatación del lecho. Con el tiempo, la acumulación de sólidos de diversa naturaleza en los espacios intersticiales del medio filtrante, provoca la disminución de la conductividad hidráulica y la porosidad iniciales de la grava. Esto conduce al desarrollo de caminos preferenciales y cortocircuitos en el curso del agua que convergen en la aparición de agua en superficie. A la larga, esto puede comprometer la capacidad depurativa del sistema. Por ello, la colmatación supone el factor limitante de la vida útil de un humedal construido. Las estrategias para solventar la colmatación, una vez se ha producido, son costosas y pasan por realizar inversiones no despreciables. Generalmente la opción más extendida es el cambio del material granular. De ahí la necesidad de medir, de manera fiable, en qué grado un sistema está colmatado, identificar los factores que influyen en el fenómeno e indagar en nuevas configuraciones y estrategias que permitan retrasar el avance de la colmatación y consigo, aplazar las intervenciones necesarias para devolver al sistema un estado óptimo de funcionamiento. Los objetivos de esta tesis doctoral han de contribuir a establecer nuevos criterios de diseño y operación de humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal para minimizar, o cuanto menos retrasar, la colmatación de estos sistemas, sin mermar la eficiencia de eliminación de contaminantes del agua residual. Por ello, los objetivos son cuantificar la precisión y exactitud de un método de medición in situ de la conductividad hidráulica, basado en el permeámetro de carga variable, para la determinación del grado de colmatación de un lecho y la distribución horizontal de la misma; estudiar la idoneidad de diferentes indicadores de la colmatación de un humedal de flujo subsuperficial horizontal; evaluar la incidencia de diferentes factores de diseño y operación de humedales de flujo subsuperficial horizontal en el proceso de la colmatación; y caracterizar (en términos de eficiencia de eliminación de contaminantes y de evolución de la colmatación) dos nuevas configuraciones de humedales construidos a escala piloto. / Els aiguamolls construïts són una alternativa al tractament convencional d’aigua residual per a petits municipis (fins 2000 hab-eq) degut, principalment, a la facilitat en llur operació i manteniment y a les reduïdes despeses d’explotació. L’inconvenient més important amb què es troben els explotadors de sistemes de tractament amb aiguamolls subsuperficials és la colmatació del llit. Al llarg del temps, l’acumulació de sòlids de diversa natura en els espais intersticials de la grava, provoca la disminució de la conductivitat hidràulica i la porositat inicials. Això condueix al desenvolupament de camins preferencials i curtcircuits en el curs de l’aigua a través de l’aiguamoll, que convergeixen en l’aparició d’aigua en superfície, i que, a llarg termini pot comprometre la capacitat depurativa del sistema. Per això, la colmatació suposa el factor limitant de la vida útil d’un aiguamoll construït. Les estratègies per a fer front a la colmatació, un cop s’ha produït, passen per realitzar inversions econòmiques gens menyspreables. Generalment, l’opció més extesa és la reposició del material granular. D’aquí neix la necessitat de mesurar, de manera fiable, el grau de colmatació d’un sistema, d’identificar aquells factors que influeixen en el fenomen y qüestionar noves configuracions y estratègies que permetin retardar l’avenç de la colmatació, i per tant ajornar les intervencions necessàries per tornar al sistema a l’estat òptim de funcionament. Per tot això els objectius d’aquesta tesi doctoral han de contribuir a establir nous criteris de disseny i operació d’aiguamolls construïts de flux subsuperficial horitzontal per tal de minimitzar la colmatació d’aquests sistemes, sense minvar l’eficiència d’eliminació de contaminants de l’aigua residual. Els objectius específics són quantificar la precisió i exactitud d’un mètode de mesura in situ de la conductivitat hidràulica, basat en el permeàmetre de càrrega variable, per a la determinació de l’estat de colmatació d’un llit així com la distribució horitzontal d’aquesta; determinar l’indicador més adecuat per avaluar la colmatació d’un aiguamoll construït de flux subsuperficial horitzontal; identificar nous paràmetres de disseny y operación susceptibles de causar o afavorir la colmatación del medi filtrant; i caracteritzar (en termes d’eliminació de contaminants i d’evolució de la colmatación) dues noves configuracions d’aiguamolls construïts a escala pilot.

Saving water is an economic and ecological need. One way to save water is to reduce losses in irrigation networks by canal automation. The goal of canal automation is to make the right amount of water to at arrive in the right time. In order to achieve this goal, one of the ways is controlling the gates in the irrigation network by some control algorithm. In this work the control of a specific type of canal pools is studied: short and flat pools that are prone to resonance. The downstream water level control of this type of canals is investigated using the example of the 3-reach laboratory canal of the Technical University of Catalonia. Numerical and experimental studies are carried out to investigate the following: the choice of models for predictive control, the possibility to achieve offset-free control while using gravity offtakes and the best choice of control action variables. The objective of this work is to develop a well performing centralized model predictive controller (MPC) for the laboratory canal that is able to handle known and unknown setpoint changes and disturbances, and also to draw further conclusions about controller design for this type of canals. A recently developed model for resonant canals, the Integrator Resonance, is implemented and successfully tested experimentally for the first time. A new method to achieve offset free control for model predictive control is developed and tested numerically and experimentally. A choice of control variables are tested: As opposed to the discharge which is generally used as the control action variable, a state space model is formulated by using the gate opening as control variable without the need of water level measurement downstream of the gates. The results are summarized and conclusions are presented for control of short and flat canals that are prone to resonance.

La heterogeneidad de la conductividad hidráulica es bien conocida, pudiendo cambiar varios órdenes de magnitud en poca distancia. Esto afecta nuestras observaciones de los procesos naturales. Para poder explicar la realidad normalmente nos basamos en modelos simplificados. Pero para incorporar correctamente en ellos las propiedades de los acuíferos, se debe pasar de escala local a escala de soporte y a escala de la malla del modelo numérico. Este proceso se llama Upscaling y puede comportar cambiar los parámetros de la ecuación conocida a escala local, o bien la derivación de una nueva ecuación de Upscaling. El Upscaling dependede la complejidad de los procesos que se consideran. El objetivo de esta tesis es investigar estos cambios de escala a partir de diferentes procesos subterráneos, incrementando la complejidad: flujo radial, transporte conservativo y transporte reactivo. Se investiga el Upscaling de flujo por medio de la interpretación de un ensayo hidráulico en un medio heterogéneo. Los ensayos de recuperación se basan en la estimación de la transmisividad, T, a partir de la recuperación de los niveles una vez parado el bombeo. Este tipo de ensayo se puede realizar en pozos donde no es posible llevar a cabo un ensayo convencional a caudal constante. La interpretación del ensayo de recuperación se basa en el modelo simplificado de Jacob. Pero, a menudo los datos de campo no se pueden interpretar usando la teoría basada en la homogeneidad. Se muestra que la heterogeneidad de T puede explicar estas observaciones de campo. También se muestra que el valor local de T alrededor del pozo puede ser deducido de los primeros tiempos de la recuperación del bombeo, asumiendo condiciones ideales, mientras que los datos de los últimos tiempos de la recuperación corresponden a valores representativos a escala regional. Se considera el Upscaling en transporte conservativo a partir de la interpretación de las colas de curvas de llegada (BTC) de un ensayo de trazadores. La cola se atribuye a la heterogeneidad del acuífero, y no puede ser modelada por medio de la ecuación de advección-dispersión (ADE) en medio homogéneo. Para reproducir las colas observadas se han aplicado ampliamente los modelos de transferencia de masa utilizando memoria (e.g, CTRW, MRMT o fADE). La relación entre los parámetros de memoria obtenidos del ajuste de las BTC y los parámetros que caracterizan la heterogeneidad de las propiedades hidráulicas aun esta por aclarar. En esta tesis se investiga bajo qué condiciones la heterogeneidad produce el tipo de colas observadas en campo, y como las funciones de memoria están influenciadas por parámetros de la heterogeneidad que se pueden medir (e.g, varianza de los campos de transmisividad). Se ha observado que la pendiente de una BTC en un log-log plot está mayoritariamente influenciada por la conectividad del campo de permeabilidades, pero es insensible a su varianza. La pendiente del BTC llega asindóticamente a un valor de 2 cuando aumenta la conectividad. El modelo expuesto anteriormente se extiende al transporte reactivo multi-componente controlado por la mezcla. A escala de campo, las ecuaciones de transporte reactivo basadas en la ADE sobrestiman las reacciones. El objetivo es ensayar si un modelo MRMT derivado de las observaciones de transporte reactivo, puede ser utilizado para describir el transporte reactivo en medio heterogéneo. La solución numérica del MRMT de transporte conservativo se extiende al caso reactivo. Las tasas de reacción se comparan, entre un modelo heterogéneo y su correspondiente modelo MRMT. Se ha encontrado un excelente acuerdo entre los dos modelos en términos de masa precipitada acumulada y el acuerdo es también muy bueno en relación a la distribución espacial del mineral precipitado. Estos resultados indican que los modelos de transferencia de masa son una herramienta excelente para el Upscaling del transporte reactivo controlado por la mezcla. / Heterogeneity of hydraulic conductivity is known to vary orders of magnitudes within small distances. This affects our observations of natural processes. To explain reality we usually rely on simplified models. But to apply them properly information of aquifer properties has to be transferred from local scale where the process can be described directly to the support scale of the measurement and to the grid scale of a numerical model. This procedure is termed upscaling and might involve changing the parameters of the known local scale equation or derivation of a new upscaled equation. Upscaling depends strongly on the complexity of the process under consideration. The objective of this thesis is to investigate these changes of scales for different subsurface processes with increasing complexity: radial flow, conservative transport and reactive transport.First, flow upscaling is investigated for the example of the interpretation of a hydraulic test in a heterogeneous aquifer. Recovery tests are based on estimating transmissivity, T, from the heads that rebound after pumping has stopped. Recovery tests can be performed in wells where conventional constant-rate pumping tests would not be possible. Test interpretation is based on the simple Jacob’s method, related to late time drawdown in an infinite homogeneous aquifer. Yet, field data often cannot be explained by the homogeneous theory. Numerical simulations are performed to show that heterogeneity in T can explain these field observations. It is also shown that the local T value around the well can be inferred from early time recovery data, assuming ideal conditions, whereas late time data yield a large scale (regional) representative value. Even when recovery is observed for a short time, indirect information about the regional value can also be obtained.Second, conservative transport upscaling is considered by interpreting the tailing of breakthrough curves of tracer tests. Tailing is attributed to heterogeneity of aquifer properties and cannot be properly modelled by means of the homogeneous advection-dispersion equation (ADE). Mass-transfer models (e.g., CTRW, MRMT or fADE) using memory have been widely applied for reproducing observed tails. The relationship between memory parameters obtained from BTC fitting and the parameters characterizing the heterogeneity of hydraulic properties is still unclear. Here, the conditions are investigated under which heterogeneity produces the type of tailing observed in the field and how memory functions are influenced by measurable heterogeneity parameters (e.g., variance of the underlying transmissivity field). The slope of a BTC in a log-log plot is found to be mainly influenced by the connectivity of the underlying permeability field, but insensitive to its variance. The slope BTC reaches asymptotically 2 as connectivity increases.And finally, the above model is extended to mixing controlled multi-component reactive transport. At the field scale, reactive transport equations based on the ADE are known tooverestimate reactions. The objective is to test whether a model based on effective dynamics, such as e.g. the Multi-Rate Mass Transfer Method (MRMT), derived from conservative transport observations, can be used to describe effective reactive transport in heterogeneous media. The numerical solution of conservative transport MRMT is extended to the reactive case. The reaction rates are then compared for a binary system computed with the heterogeneous transport model to those corresponding to the reactive MRMT. An excellent agreement is found between the two models in terms of cumulative precipitated mass, and depending on the local heterogeneous structure the match is also very good regarding the spatial distribution of precipitated mineral. These results indicate that mass transfer models are an excellent tool for upscaling of mixing controlled reactive transport.