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.

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.

La eutrofización de las lagunas litorales constituye uno de los problemas ambientales que ha despertado mayor interés en la comunidad científica durante los últimos años. Los modelos de eutrofización disponibles en el estado actual del conocimiento han sido desarrollados para ser aplicados a masas de agua de diferente naturaleza pero, en el caso de las lagunas litorales, éstos presentan carencias en cuanto a la simplificación de algunos procesos especialmente importantes en este tipo de medios como la limitación del silicio o del hierro al crecimiento del fitoplancton por ejemplo. En esta tesis, se ha desarrollo un nuevo modelo (EnvHydrEM) capaz de reflejar todos aquellos procesos considerados en los modelos existentes, además de una serie de reacciones propias de este tipo de medios. Dicho modelo ha sido validado en dos lagunas litorales de diferente naturaleza: La marisma de Victoria en Cantabria y la Albufera de Valencia, habiéndose mostrado su capacidad para reproducir las tendencias de la concentración de clorofila-a y otras sustancias en ambos medios acuáticos. / Eutrophication in coastal lagoons is one of the environmental problems that have attracted more interest in the scientific community in recent years. Eutrophication models that exist in the current state of the art have been developed to be applied to various types of water bodies, but in the case of coastal lagoons, they exhibit deficiencies due to the simplification of some important processes such as silica o iron limitation of phytoplankton growth. In this thesis, the development of a new model (EnvHydrEM) has been carried out. This is able to reflect all considered processes in the other existing models and also a series of reactions for this type of water bodies. To validate this model, it has been applied to two coastal lagoons of different nature: Victoria Marsh in the North of Spain and Albufera of Valencia in the Mediterranean Costs, and has shown to be able to reproduce the trends of the chlorophyll-a and other substances concentrations in both media.

La determinació de cabals ecològics en rius regulats s'ha convertit en un dels principals problemes a tenir en compte en l'ordenació i gestió de recursos hídrics als països desenvolupats de l'àmbit mediterrani. Existeixen nombroses metodologies per a la determinació de cabals ecològics, però per a la seva correcta aplicació normalment requereixen d'una extensa base de dades amb registres complets de cabals (moltes vegades inexistents, sobretot en conques no instrumentades) i/o de un treball de camp per aconseguir-los que de vegades pot ser molt exigent en temps i costos associats, especialment en l'ordenació de recursos hídrics de grans conques. En la present memòria es pretén avançar en el coneixement de dos dels principals problemes que envolten el concepte i determinació del cabals ecològics. En primer lloc, la recerca de una metodologia que pugui arribar a ser de general acceptació, a través de l'anàlisi del Mètode del Cabal Bàsic. Així, s'han avaluat els principals aspectes del mètode en termes d'objectivitat, senzillesa, universalitat i fonamentació científica, contrastant els resultats obtinguts des d'un punt de vista hidrològic i hidràulic. En segon lloc, es busca l'aplicació d'aquesta metodologia d'una forma extensiva a la Conca Hidrogràfica de l'Ebre, incloent situacions on no es tinguin estacions d'aforament ni un altre tipus de dades de camp. Per a això, s'ha realitzat primer una regionalització de la conca en zones homogènies, identificant en cada una d'elles les principals variables relacionades amb el Cabal Bàsic i obtenint equacions de predicció del mateix. Finalment, s'han examinat alguns models i/o eines que han donat bons resultats en la predicció i modelització de variables (en concret les xarxes neuronals artificials), per veure la seva possible validesa en l'estimació del Cabal Bàsic. / La determinación de caudales ecológicos en ríos regulados se ha convertido en uno de los principales problemas a tener en cuenta en la ordenación y gestión de recursos hídricos en los países desarrollados del ámbito mediterráneo. Existen numerosas metodologías para la determinación de caudales ecológicos, pero para su correcta aplicación normalmente requieren de una extensa base de datos con registros completos de caudales (muchas veces inexistentes, sobre todo en cuencas no instrumentadas) y/o de un trabajo de campo para conseguirlos que a veces puede ser muy exigente en tiempo y costes asociados, especialmente en la ordenación de recursos hídricos de grandescuencas. En la presente memoria se pretende avanzar en el conocimiento de dos de los principales problemas que rodean el concepto y determinación de los caudales ecológicos. En primer lugar, la búsqueda de una metodología que pueda llegar a ser de general aceptación, a través del análisis del Método del Caudal Básico. Así, se han evaluado los principales aspectos del método en términos de objetividad, sencillez, universalidad y fundamentación científica, contrastando los resultados obtenidos desde un punto de vista hidrológico e hidráulico. En segundo lugar, se busca la aplicación de esta metodología de una forma extensiva a la Cuenca Hidrográfica del Ebro, incluyendo situaciones donde no se tengan estaciones de aforo ni otro tipo de datos de campo. Para ello, se ha realizado primero una regionalización de la cuenca en zonas homogéneas, identificando en cada una de ellas las principales variables relacionadas con el Caudal Básico y obteniendo ecuaciones de predicción del mismo. Por último, se han examinado algunos modelos y/o herramientas que han dado buenos resultados en la predicción y modelización de variables (en concreto las redes neuronales artificiales), para ver su posible validez en la estimación del Caudal Básico. / Environmental flow determination in regulated rivers has become a major issue for watershed management in Mediterranean developed countries. There are many existing methodologies for environmental flows determination, but they usually require accurate hydrological long-term flow records, which sometimes are unavailable (ungauged catchments), and/or extensive field measurement campaigns, which can be very costly especially when managing water resources in large basins. The aim of this memory is to advance in the knowledge of two of the main problems related to the concept and determination of environmental flows. First, the search for a worldwide accepted technique to establish environmental flows, through the analysis of the Basic Flow Methodology. So, the main aspects of this methodology concerning objectivity, simplicity, universality and scientific bases have been evaluated. Results were also tested for hydraulic and hydrological significance. Second, the operational application of this methodology to the Ebro River basin, including river reaches without gauging stations or another type of field data. A previous regionalization of the watershed in homogenous zones was made, identifying the main variables related to the Basic Flow in each zone and obtaining separated equations for environmental flow prediction. Finally, some models and/or tools which have shown good results in the prediction and modelling of variables (in particular the artificial neuronal networks) have been examined, to test their possible application in Basic Flow estimation.

L'objectiu d'aquesta tesi ha estat la caracterització de la resposta de les bandes en els números de manera d'alta. Tres experiments separats van ser executats per crear un conjunt de dades de resposta model per a matiners relació de massa realista baixes, i la determinació de les característiques deixant de bandes flexibles sotmesos a vibracions multimode. Es van utilitzar un conjunt de models verticals. Dues bandes llargues 3m van ser fabricats per a aquesta finalitat. Les bandes es classifiquen d'acord a la relació de massa, un model tenia una relació de massa de 2,7, i l'altre tenia relació de massa menor de 1,1. Els models van ser provats en un flux uniforme, amb una velocitat de fins a 2 m / s. Respostes tant en línia i de flux creuat es van mesurar utilitzant calibradors de tensió, i les dades es converteixen en desplaçaments. L'alta relació de pujada massiva indica oscil·lacions fins a quart manera. La resposta de baixa proporció de pujada massiva es va limitar a segon mode de flux creuat. Les contribucions modals es van determinar i es va observar la presència simultània de múltiples maneres en múltiples freqüències. Coeficients de resistència obtinguts van indicar similitud amb l'oscil·lació de flux transversal, amb valors d'arribar a 2,5 per al cilindre de relació de massa baixa. La resposta d'un tub vertical flexible en el deixant d'un cilindre rígid es va determinar utilitzant diferent distància de la cilindros. / El objetivo de esta tesis ha sido la caracterización de la respuesta de las bandas en los números de modo de alta. Tres experimentos separados fueron ejecutados para crear un conjunto de datos de respuesta modelo para madrugadores relación de masa realista bajas, y la determinación de las características estela de bandas flexibles sometidos a vibraciones multimodo. Se utilizaron un conjunto de modelos verticales. Dos bandas largas 3m fueron fabricados. Las bandas se clasifican de acuerdo a la relación de masa, un modelo tenía una relación de masa de 2,7, y el otro tenía relación de masa menor de 1,1. Los modelos fueron probados en un flujo uniforme, con una velocidad de hasta 2 m / s. Respuestas tanto en línea y de flujo cruzado se midieron usando calibradores de tensión, y los datos se convierten en desplazamientos. La alta relación de subida masiva indica oscilaciones hasta cuarto modo. La respuesta de baja proporción de subida masiva se limitó a segundo modo de flujo cruzado. Las contribuciones modales se determinaron y se observó la presencia simultánea de múltiples modos en múltiples frecuencias. Coeficientes de resistencia obtenidos indicaron similitud con la oscilación de flujo transversal, con valores de llegar a 2,5 para el cilindro de relación de masa baja. La respuesta de un tubo vertical flexible en la estela de un cilindro rígido se determinó usando diferente distancias. / The objective of this thesis was the characterization of the response of risers at high mode numbers. Three separate experiments were executed to create a set of model response data for realistically low mass ratio risers, and the determination of wake characteristics of flexible risers undergoing multi-mode vibrations. A set of riser models were used. Two 3m long risers were fabricated for this purpose. The risers were categorized according to the mass ratio, one model had a mass ratio of 2.7, and the other had lower mass ratio of 1.1. The models were tested in a uniform flow, with speeds up to 2m/s. Both in-line and cross-flow responses were measured using strain gages, and data was converted to displacements. The high mass ratio riser indicated oscillations up to 4th mode. The low mass ratio riser response was limited to 2nd mode in cross-flow. The modal contributions were determined and simultaneous presence of multiple modes at multiple frequencies were observed. Drag coefficients obtained indicated similarity with the cross-flow oscillation, with values reaching 2.5 for the low mass ratio cylinder. The response of a flexible riser in the wake of a rigid cylinder was determined using different separation distance from the leading cylinder. Significant similarities to those of an isolated flexible cylinder were observed, in form of response regimes at each structural mode of oscillation, with contribution from adjacent modes.

Tradicionalmente la construcción de aliviaderos escalonados en presas de hormigón compactado con rodillo (HCR) se caracteriza por la presencia de muretes guías que imponen un ancho constante a lo largo del aliviadero y que conducen el flujo desde la coronación hasta el pie. Dichos cajeros son construidos con encofrados trepantes específicos, utilizando hormigón vibrado y suponen una unidad de obra de costes y tiempos de ejecución significativos. En la literatura especializada se puede encontrar una amplia descripción del comportamiento hidráulico de rápidas escalonadas con cajeros laterales. Más recientemente se han encontrado algunos ejemplos de diseño de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales. En este contexto, surge el proyecto ALIVESCA que ha sido el marco de la presente tesis doctoral. El proyecto ALIVESCA, y por tanto esta tesis, se iniciaron con el principal objetivo de caracterizar el comportamiento hidráulico de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales en presas de HCR. El proyecto se plantea en base al estudio en modelo físico. El modelo ubicado en los laboratorios del Instituto Flumen, opera bajo la semejanza de Froude. Se construyó representando un aliviadero prototipo de altura de presa de 75 m, altura de escalón de 1.20 m, pendiente 0.8 y un paramento de ancho de 45 m, (escala 1:15). Los resultados del estudio se presentan en tres fases: la puesta a punto de la instalación experimental, el análisis del comportamiento hidráulico en ausencia de cajeros, y la definición de criterios de diseño de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales. En la primera parte, se determina que el comportamiento del modelo es bidimensional, y que no existe un efecto de la rugosidad del modelo en la distribución lateral del caudal. Asimismo, se estudia la necesidad de un muro de acompañamiento del flujo en cabecera, cuya longitud se establece igual a la de una pila sobre la coronación de la presa (del orden de unos 10 m). Adicionalmente, como mayor aportación de esta fase de investigación, se define la existencia de dos zonas: una zona (cercana al eje de vertido) a lo largo del aliviadero donde el caudal específico se mantiene constante e igual al de vertido, es decir, su comportamiento es análogo al caso de la existencia de cajeros laterales, y una segunda zona afectada por la ausencia de los mismos. La coexistencia de estas dos regiones depende del caudal específico de vertido y del ancho del aliviadero. En la segunda parte, referente al comportamiento hidráulico del aliviadero sin cajeros, se analiza el efecto de su ausencia en la expansión lateral de la lámina de agua que se produce y, por tanto, en la disminución del caudal específico a lo largo y ancho de la rápida escalonada. Se determina que las variables que condicionan la expansión del flujo son: el caudal específico de vertido y la posición (altura) considerada. En base a ello, se propone un ajuste para predecir la distribución lateral del caudal en función de estas variables. En cuanto a la caracterización del flujo en la expansión lateral de la lámina de agua, se compara el comportamiento de diferentes variables hidráulicas en esta zona respecto del comportamiento que tiene lugar en la zona que no se ve afectada por la ausencia de cajeros. Las variables analizadas son: concentración media de aire, calado equivalente, campos de velocidad, concentración de aire y presión. Finalmente, se definen los criterios para el diseño de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales en presas de hormigón compactado con rodillo y se plantean soluciones a la recogida al pie del aliviadero. Mención adicional merece la comparación de los resultados experimentales con los datos obtenidos del modelo numérico en 3D. El modelo numérico se basa en el método SPH y fue elaborado dentro del proyecto ALIVESCA por parte del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX. / Traditionally the construction of stepped spillways in roller compacted concrete dams (RCC) is characterized by the presence of sidewalls that imposes a constant width along the spillway and guides the flow from the crest to the toe. These sidewalls are built using vibrated concrete with a special climbing formwork, and therefore, imply significant time and cost of execution. In the specialized literature there is a comprehensive description of the hydraulic behavior of stepped chutes with sidewalls. More recently few examples of stepped spillways designed without sidewalls have been found. In this context arises the ALIVESCA project that has been the framework of the present thesis. The ALIVESCA project, and consequently this thesis, started with the main objective of characterizing the hydraulic behavior of stepped spillways without sidewalls in RCC dams. The main experimental project is based on the physical model study. The model located in Flumen Institute's laboratories, operates under the Froude similarity. It was constructed representing a 75 m dam height, 1.20 m step height, 0.8 slope and 45 m dam width (scale 1:15). The results of the study are presented in three phases: the initial phase of the experimental setup, the analysis phase with the aim of characterizing the hydraulic behavior the absence of sidewalls, and finally, a design criteria phase of stepped spillways without sidewalls. In the first part, the two-dimensional behavior of the model is determined, as well as, that there is no effect of the model roughness on the lateral distribution of flow. Also, the need of a guiding wall at the dam crest is studied; the length of this element corresponds to that of a pile on the crest of the dam (approximately 10 m). Moreover, an important contribution of this research phase was the definition of two areas: an area along the spillways (near the discharge axis) where the specific discharge remains constant and equal to the specific discharge at the entrance, i.e. the behavior of this area is analogous to the case with sidewalls, and a second area affected by the absence sidewalls. The coexistence of these two regions depends on the specific discharge and the spillway width. In the second part, the hydraulic behavior of the spillway without sidewalls is analyzed, as well as, the decrease of the specific discharge along and across the chute due to the flow lateral expansion. The variables that determine such decrease are: the specific discharge at the entrance and the position (height) considered. Thus, an adjustment is proposed to predict the flow distribution in terms of these variables. Regarding the flow characterization in absence of sidewalls, a comparison between behavior of this area and the not affected area is presented. The analyzed variables are: mean air concentration, equivalent water depth, velocity, air concentration and pressure fields. Finally, the design criteria of stepped spillways without sidewalls in RCC dams are defined, and collection solutions at the spillway toe are proposed. Additionally, the experimental results are compared with the data simulations of a 3D numerical model. The numerical model is based on SPH method and was developed within the ALIVESCA project by the Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX. / Tradicionalment la construcció de sobreeixidors esglaonats en preses de formigó compactat amb corró es caracteritza per la presència de murets guia que imposen un ample constant al llarg del sobreeixidor i que condueixen el flux des de la coronació fins al peu de presa. Aquests caixers es construeixen amb encofrats trepants específics, utilitzant formigó vibrat i per tant suposen una unitat d'obra de costos i temps d'execució significatius. A la literatura especialitzada es pot trobar una àmplia descripció del comportament hidràulic de ràpides esglaonades amb murets laterals. Més recentment s'han localitzat alguns exemples de disseny de sobreeixidors esglaonats sense aquests. En aquest context sorgeix el projecte ALIVESCA que ha estat el marc de la present tesi doctoral. El projecte ALIVESCA, i per tant aquesta tesi, es van iniciar amb el principal objectiu de caracteritzar el comportament hidràulic de sobreeixidors esglaonats sense murets laterals en preses de formigó compactat amb corró. El projecte es plantejà sobre la base de l'estudi en model físic. El model situat als laboratoris de l'Institut Flumen, opera sota la semblança de Froude. Es va construir representant un sobreeixidor prototip d'altura de presa de 75 m, altura de graó d'1.20 m, pendent 0.8 i un parament de ample de 45 m, (escala 1:15). Els resultats de l'estudi es presenten en tres fases: la posta a punt de la instal·lació experimental, el anàlisi del comportament hidràulic en absència de murets, i la definició de criteris de disseny de sobreeixidors esglaonats sense caixers laterals. En la primera part, es determina que el comportament del model és bidimensional, i que no existeix un efecte de la rugositat del model en la distribució lateral del cabal. Igualment, s'estudia la necessitat d'un mur d'acompanyament del flux en capçalera, la longitud de la qual s'estableix igual a la d'una pila sobre la coronació de la presa (de l'ordre d'uns 10 m). Addicionalment, com a major aportació d'aquesta fase de recerca, es defineix l'existència de dues zones: una (propera a l'eix de vessament) al llarg del sobreeixidor en què el cabal específic es manté constant i igual al de vessament, és a dir, el seu comportament és anàleg al cas de l'existència de caixers laterals, i una segona zona afectada per la seva absència. La coexistència d'aquestes dues regions depèn del cabal específic de vessament i de l'ample del sobreeixidor. En la segona part, referent al comportament hidràulic del sobreeixidor sense caixers laterals, s'analitza l'efecte de la seva absència en l'expansió lateral de la làmina d'aigua que es produeix i, per tant, en la disminució del cabal específic al llarg de la ràpida esglaonada. Es determina que les variables que condicionen l'expansió del flux són: el cabal específic de vessament i la posició (altura) considerada. Així, es proposa un ajust per predir la distribució lateral del cabal en funció d'aquestes variables. Quant a la caracterització del flux en l'expansió lateral de la làmina d'aigua, es compara el comportament de diferents variables hidràuliques en aquesta zona respecte del comportament que té lloc a la zona que no es veu afectada per l'absència de caixers. Les variables analitzades són: concentració mitjana d'aire, calat equivalent, camps de velocitat, concentració d'aire i pressió. Finalment, es defineixen els criteris per al disseny de sobreeixidors esglaonats sense caixers laterals en preses de formigó compactat amb corró i es plantegen solucions per la recollida al peu del sobreeixidor. La comparació dels resultats experimentals amb les dades obtingudes del model numèric en 3D mereix una menció addicional. El model numèric es basa en el mètode SPH i va ser elaborat dins del projecte ALIVESCA per part del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX.

The main objective of this thesis is to determine the possibility to install in the Port of Palma a redistribution centre of Ro-Ro Cargo in the Occidental Mediterranean, and that needs to analyze different partial objectives, that are important for the main objective. - Determination of the different bilateral commercial fluxes between the different coastal countries. - Localization of the production and reception sources that intervene on the bilateral exchange, or of third countries that use those ports to develop their merchant activities. - Analysis of the nowadays short sea shipping routes for Ro-Ro Ships, evaluating the type of ship and her average occupation. - Analysis of the optimization of the existing routes, with new proposals explained on this thesis. - Describe and evaluate the nowadays and projected facilities in the Port of Palma. - Determine the viability of the project with an evaluation methodology proposed by the author, according to the study scenario and based on the partial objectives explained before. As an initial hypothesis we should evaluate the strategic situation that the Port of Palma has on the analysis context, because it is located between the existing routes. In the light of the analysis of all the parameters referred before, the final objective of the thesis is to evaluate, as an alternative of the Occidental Mediterranean Short Sea Shipping, the establishment of a new Hub Port in Palma. We tried to analyze the possibilities of the Port of Palma to become a HUB future port in the hard market of the Short Sea Shipping Lines. On the present paper we tried to analyze the different factors that could affect the situation of a redistribution centre of cargo, considering as positives: - Geographical situation. - Facility of landfalls. - Availability of berths. - Appropriate port facilities. - Complementary developed services. - Touristic centre on a global level. - Possibility to expand the infrastructures in a mid-term period. - Great occupation, great profitability for the shipping companies. - Development of the Magreb countries. As negative aspects, we could find: - Deficit on the development on the Short Sea Shipping Lines. - Very low activity of the Spanish shipping companies on the Short Sea Shipping Lines. - A HUB Port is not a priority for the Port Authority. - Higher trip cost, because of the duration of the layovers. - Longer distance, growth of the combustible costs. - Increase of the speed to maintain the rotation. - Higher crew costs, because of the increase of the occupation. As a result of our analysis we consider that Palma could have, according to its conditions, a pioneer Hub Port for Ro-Ro cargo on the Occidental Mediterranean, advantage that we should use according to the limited development opportunities that has the Port of Palma. / El objetivo principal de la presente tesis es determinar la posibilidad de instalar en el puerto de Palma un centro de redistribución de carga rodada en el Mediterráneo Occidental, para ello es necesario llegar a analizar distintos objetivos parciales imprescindibles para el objetivo principal. - La determinación de los flujos comerciales bilaterales entre los distintos países que componen la cuenca. - Localización de las fuentes de producción o recepción que intervienen en el intercambio bilateral, o de terceros países, que utilizan estos puertos para desarrollar su actividad mercantil. - Análisis de las actuales líneas de corta distancia para buques de carga rodada, valorando el tipo de buque y su ocupación media. - Análisis de optimización de las rutas ya existentes, con nuevas propuestas presentadas en las presente tesis. - Describir y evaluar las infraestructuras actuales y proyectadas en el puerto de Palma. - Determinar la viabilidad del proyecto, mediante una metodología de valoración propuesta por el autor, adecuada al escenario de estudio y basándose en los objetivos parciales indicados anteriormente. Como hipótesis inicial debemos valorar la situación estratégica que el puerto de Palma tiene en el contexto del análisis, ya que se encuentra a medio camino y centrado en las rutas ya existentes. Basándonos en el análisis de todos los parámetros referenciados anteriormente el objetivo final de la presente tesis es valorar, como alternativa al transporte de corta distancia en el Mediterráneo Occidental, la instalación de un puerto Hub en Palma. Durante la elaboración del presente trabajo hemos intentado analizar las posibilidades de que el Puerto de Palma se pueda convertir en un futuro puerto HUB en el duro mercado de las líneas de corta distancia. En el transcurso del trabajo hemos intentado analizar distintos factores que podrían afectar a la instalación de un centro de redistribución de cargas, considerando como positivas: Situación geográfica, facilidad de recalada, disponibilidad de atraques, infraestructuras portuarias adecuadas, servicios complementarios desarrollados, centro turístico a nivel mundial, posibilidad a medio plazo de ampliación de infraestructuras, mayor ocupación, mayor rentabilidad para las navieras, desarrollo de los países del Magreb. En el anverso podríamos considerar: Déficit en el desarrollo de líneas S.S.S., escasa actividad de empresas españolas en líneas de corta distancia, no entrar en las prioridades de la Autoridad Portuaria el desarrollo de un puerto HUB, mayor coste del trayecto, por duración de las escalas, mayor distancia, incremento del coste de combustible, aumento de la velocidad para mantener rotaciones, costes de tripulación mayores al aumentar la ocupación. A raíz de nuestro análisis consideramos que Palma podría albergar, dadas sus condiciones, un puerto HUB para carga rodada pionero en el Mediterráneo Occidental, ventaja que deberíamos aprovechar dadas las escasas oportunidades de desarrollo que tiene el Puerto de Palma. Se deben de citar entre los potenciales factores positivos, la casi inexistencia de flujos comerciales entre países del Magreb, los cuales podrían crecer, mediante la utilización del puerto de Palma como hub intermedio.

Esta tesis doctoral se ha dedicado al estudio de la hidrodinámica asociada a los procesos de resonancia en dominios semi-encerrados. El esfuerzo fundamental se ha centrado en la caracterización de los elementos forzadores, las características no lineales del forzamiento y de la respuesta de los puertos, la transitoriedad del fenómeno y de la incidencia sobre la respuesta del potencial acoplamiento de la respuesta de recintos adyacentes. Es decir, la generación, la no linealidad, la transitoriedad y el acoplamiento geométrico. Los objetivos planteados son tres: 1) ampliar el conocimiento sobre el fenómeno; 2) mejorar la capacidad para reproducir el fenómeno a través de la aplicación de un modelo en elemento finito basado en las ecuaciones modificadas de Boussinesq Nwogu (1993), Liu & Woo (2004); 3) integrar toda la investigación, técnicas y herramientas elaboradas en una metodología capaz de mejorar sustancialmente la aproximación que se hace hoy en día al problema. Para ello, se hace uso de una metodología que integra la aproximación teórica para caracterizar las oscilaciones de baja frecuencia existentes en los registros instrumentales de oleaje tomando información de medidas en el campo, se plantea una exhaustiva campaña de modelado físico en laboratorio para diferentes características de oscilación resonante no lineal y acoplamiento geométrico, y finalmente se valida el modelo numérico con las series temporales obtenidas en laboratorio y con dos situaciones resonantes reales tomando series reales de onda larga atmosférica y onda larga vinculada a grupos de oleaje, encontrando excelentes correlaciones. / This Thesis is dedicated to study the hydrodynamic processes associated to the harbour resonance phenomena. The study was focused to the characterization of the transient, non-linear, and coupled effects associated to the forcing mechanisms and to the response of the oscillations outside and inside the harbour facilities. The aim of this thesis was divided into tree main branches: 1) increase the harbour resonance phenomena knowledge; 2) improve the capacity to reproduce the phenomena through the implementation of an advanced finite-element numerical model, based on the modified Boussinesq equations Nwogu (1993), Liu & Woo (2004); and 3) Integrate the different techniques and tools into a methodology, able to improve the approximation of any future harbour resonance study. For these, first a spectral analysis has been developed to characterize the infragravity waves at the entrance of short wave field data, second an extensive laboratory campaign was proposed for different degrees of non-linearity and coupled resonance oscillations, and third the numerical model was validated with the laboratory data, as well as data measured in two real harbours, for both atmospheric long wave and bound long wave acting as forcing mechanism, obtaining excellent correlations.