Tesis por compendio / [ES] Actualmente, la mayor parte de la población mundial vive en ciudades y se espera que esta tendencia continúe, trasladando cada año más población rural hacia las áreas urbanas. Este fenómeno se debe principalmente al desarrollo económico que se genera en las ciudades. Estas condiciones plantean desafíos importantes para las ciudades en cuanto a su planificación y gestión. Si el crecimiento de la urbanización se gestiona adecuadamente puede contribuir al crecimiento sostenible, aumentando la productividad y el nivel de vida de las personas. Sin embargo, no se puede pasar por alto que el crecimiento de las ciudades implica una afectación al medioambiente. Uno de los problemas que más preocupación causa es la expansión de las ciudades que sustituyen los espacios verdes y agrícolas que rodean a las ciudades por calles y estructuras impermeables. Este proceso disminuye la capacidad del suelo para absorber el agua en un evento de lluvia, incrementando la escorrentía y el riesgo de inundaciones. Si a este problema particular de las ciudades, le sumamos el innegable cambio climático que aumenta la frecuencia de eventos de lluvias extremas en ciertas zonas del planeta, la adaptación de la infraestructura de las ciudades para hacerlas más seguras es una necesidad imperiosa. Los sistemas de drenaje son infraestructuras esenciales, concebidos para captar y transportar el agua producto de las precipitaciones, su buen funcionamiento genera seguridad y bienestar a las personas mientras que un funcionamiento inadecuado se asocia al riesgo y a la vulnerabilidad. Bajo escenarios de cambio climático estas estructuras que fueron diseñadas para caudales menores no garantizan la efectiva evacuación de las aguas, volviendo a las ciudades vulnerables a las inundaciones que pueden generar pérdidas sociales y económicas. Para mitigar estos impactos se han desarrollado diferentes medidas como las denominadas buenas prácticas de manejo o la instalación de sistemas de drenaje con tecnología de bajo impacto, entre otras. Sin embargo, estas medidas no son suficientes para controlar el caudal pico de una lluvia extrema. Adaptar la red existente a las nuevas condiciones climáticas, se presenta como una alternativa idónea para el control de las inundaciones en el entorno urbano. Ampliar la capacidad de la red cambiando el tamaño de las tuberías por otras de mayor diámetro ha sido el enfoque tradicional que se ha venido usando desde hace muchos años. La inclusión de tanques de tormenta en el sistema es una medida que se adoptó posteriormente para dotarlo de mayor resiliencia a los picos de lluvias extremas. Desafortunadamente la construcción de estas estructuras en el entorno conlleva una gran dificultad por el tamaño de la intervención, el tiempo y el coste. En este contexto, el presente trabajo, presenta una novedosa forma de mejorar las redes de drenaje combinando el cambio de tuberías, la instalación de tanques de tormenta en la red de drenaje e incluye también elementos de control hidráulico en la red de drenaje. Con estas acciones se considera que la rehabilitación de la red será más eficiente en términos técnicos y económicos. Para lograrlo, se usa un modelo de optimización creado a partir de un algoritmo genético modificado conectado al modelo SWMM mediante una toolkit. El modelo de optimización se enfoca en minimizar el coste de la infraestructura requerida y de los costes asociados a las inundaciones. Planteado así el problema, se define una función objetivo compuesta por funciones de coste que será evaluada para encontrar las mejores soluciones. El desarrollo de diferentes pasos para la obtención de una metodología eficiente, las estrategias para reducir los tiempos de cálculo y el esfuerzo computacional, el análisis económico de las inundaciones y las estructuras requeridas se detalla en cada capítulo de esta tesis. / [CA] Actualment, la major part de la població mundial viu en ciutats i s'espera que aquesta tendència continue, traslladant cada any més població rural cap a les àrees urbanes. Aquest fenomen es deu principalment al desenvolupament econòmic que es genera a les ciutats. Aquestes condicions plantegen desafiaments importants per a les ciutats quant a la seua planificació i gestió. Si el creixement de la urbanització es gestiona adequadament pot contribuir al creixement sostenible, augmentant la productivitat i el nivell de vida de les persones. No obstant això, no es pot passar per alt que el creixement de les ciutats implica una afectació al medi ambient. Un dels problemes que més preocupació causa és l'expansió de les ciutats que substitueixen els espais verds i agrícoles que envolten a les ciutats per carrers i estructures impermeables. Aquest procés disminueix la capacitat del sòl per a absorbir l'aigua en un esdeveniment de pluja, incrementant l'escolament i el risc d'inundacions. Si a aquest problema particular de les ciutats, li sumem l'innegable canvi climàtic que augmenta la freqüència d'esdeveniments de pluges extremes en unes certes zones del planeta, l'adaptació de la infraestructura de les ciutats per a fer-les més segures és una necessitat imperiosa. Els sistemes de drenatge són infraestructures essencials, concebuts per a captar i transportar l'aigua producte de les precipitacions, el seu bon funcionament genera seguretat i benestar a les persones mentre que un funcionament inadequat s'associa al risc i a la vulnerabilitat. Sota escenaris de canvi climàtic aquestes estructures que van ser dissenyades per a cabals menors no garanteixen l'efectiva evacuació de les aigües, tornant a les ciutats vulnerables a les inundacions que poden generar pèrdues socials i econòmiques. Per a mitigar aquests impactes s'han desenvolupat diferents mesures com les denominades bones pràctiques de maneig o la instal·lació de sistemes de drenatge amb tecnologia de baix impacte, entre altres. No obstant això, aquestes mesures no són suficients per a controlar el cabal pique d'una pluja extrema. Adaptar la xarxa existent a les noves condicions climàtiques, es presenta com una alternativa idònia per al control de les inundacions en l'entorn urbà. Ampliar la capacitat de la xarxa canviant la grandària de les canonades per altres de major diàmetre ha sigut l'enfocament tradicional que s'ha vingut usant des de fa molts anys. La inclusió de tancs de tempesta en el sistema és una mesura que es va adoptar posteriorment per a dotar-lo de major resiliència als pics de pluges extremes. Desafortunadament la construcció d'aquestes estructures en l'entorn comporta una gran dificultat per la grandària de la intervenció, el temps i el cost. En aquest context, el present treball, presenta una nova manera de millorar les xarxes de drenatge combinant el canvi de canonades, la instal·lació de tancs de tempesta en la xarxa de drenatge i inclou també elements de control hidràulic en la xarxa de drenatge. Amb aquestes accions es considera que la rehabilitació de la xarxa serà més eficient en termes tècnics i econòmics. Per a aconseguir-ho, s'usa un model d'optimització creat a partir d'un algorisme genètic modificat connectat al model SWMM mitjançant una toolkit. El model d'optimització s'enfoca a minimitzar el cost de la infraestructura requerida i dels costos associats a les inundacions. Plantejat així el problema, es defineix una funció objectiu composta per funcions de cost que serà avaluada per a trobar les millors solucions. El desenvolupament de diferents passos per a l'obtenció d'una metodologia eficient, les estratègies per a reduir els temps de càlcul i l'esforç computacional, l'anàlisi econòmica de les inundacions i les estructures requerides es detalla en cada capítol d'aquesta tesi. / [EN] Currently, most of the world's population lives in cities and this trend is expected to continue, moving more rural population to urban areas every year. This phenomenon is mainly due to the economic development that is generated in the cities. These conditions pose significant challenges for cities in terms of planning and management. If the growth of urbanization is properly managed, it can contribute to sustainable growth, increasing productivity and people's standard of living. However, it cannot be overlooked that the growth of cities implies an impact on the environment. One of the problems that causes the most concern is the expansion of cities that replace the green and agricultural spaces that surround the cities with streets and impermeable structures. This process decreases the capacity of the soil to absorb water in a rain event, increasing runoff and the risk of flooding. If adding to this problem of cities the undeniable climate change that increases the frequency of extreme rainfall events in certain areas of the planet, the adaptation of the infrastructure of cities to make them safer is an urgent need. Drainage systems are essential infrastructures, designed to capture and transport water produced by precipitation, their proper functioning generates security and wellness for people, while inadequate functioning is associated with risk and vulnerability. Under climate change scenarios, these structures, which were designed for lower flows, do not guarantee the effective evacuation of water, making cities vulnerable to floods that can generate social and economic losses. To mitigate these impacts, different measures have been developed, such as the so-called Best Management Practices or the installation of Low Impact Development etc. However, these measures are not enough to control the peak flow of extreme rainfall. Adapting the existing network to the new climatic conditions is presented as an ideal alternative for flood control in the urban environment. Expanding the capacity of the network by changing the size of the pipes for others with a larger diameter has been the traditional approach that has been used for many years. The inclusion of storm tanks in the system is a measure that was later adopted to provide it with greater resilience to extreme rainfall peaks. Unfortunately, the construction of these structures in the environment entails great difficulty due to the size of the intervention, the time, and the cost. In this context, the present work presents a novel way of improving drainage networks combining the replacement of pipes, the installation of storm tanks in the drainage network and also includes elements of hydraulic control in the drainage network. With these actions it is considered that the rehabilitation of the network will be more efficient in technical and economic terms. To achieve this, an optimization model created from a modified genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit is used. The optimization model focuses on minimizing the cost of the required infrastructure and the costs associated with flooding. Posing the problem in this way, an objective function is defined composed of cost functions that will be evaluated to find the best solutions. The development of different steps to obtain an efficient methodology, the strategies to reduce calculation times and computational effort, the economic analysis of floods and the required structures are detailed in each chapter of this thesis. / I want to mention the support for the realization of this thesis from the Program Fondecyt through Project No. 1210410 and Project No. 1180660 of the National Agency for Research and Development (ANID) of Chile. From the program PAID 12-21 of the Polytechnic University of Valencia and the program E+/EU Erasmus+ Traineeship. / Bayas Jiménez, LA. (2023). Flood control in urban areas through the rehabilitation of drainage networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199234 / Compendio

[ES] En esta tesis doctoral se desarrollan modelos de programación matemática para el diseño estratégico-táctico de una red de transporte intermodal que combina dos tipos de problemas de decisiones: la localización de instalaciones y el diseño de la red de transporte. Esta combinación se reconoce en la literatura como problemas combinados LI-DR. El problema combinado se estudia para una situación real y se analizan el comportamiento de la solución óptima, a partir de distintos aspectos como: la disponibilidad del presupuesto de inversión, capacidad de las instalaciones intermodales, múltiples periodos de decisiones, interdependencia en la priorización de las decisiones, múltiples fuentes de financiación y criterios de optimización para las tres dimensiones de sostenibilidad. Para la situación real se referencian las condiciones de acceso y conectividad de la Zona de Desarrollo Económico y Social (ZODES) Magdalena Medio del departamento de Bolívar en Colombia, y el potencial de la industria agroalimentaria para esta subregión. Con el propósito de identificar factores clave que perfilen la formulación respecto a la composición y funcionamiento de los sistemas intermodales y en los problemas combinados LI-DR se analiza la literatura desde estas dos perspectivas. El análisis de la literatura ha permitido aportar dos clasificaciones novedosas e identificar retos para la investigación futura. Para la formulación de los modelos se lleva a cabo la sistemática de pasos definidos para la aplicación de las técnicas de programación matemática. Con estos pasos se logra transformar el problema del mundo real a un problema manejable con estas técnicas. La transformación favorece la interpretación matemática del problema combinado LI-DR intermodal, la modelación de los datos y la definición de una estructura de red de entrada para indexar las decisiones estratégicas y tácticas. Los modelos de programación matemática se construyen de manera gradual. En concreto, se proponen 2 versiones que se representan en 5 variantes. Se comienza formulando un modelo de programación lineal entero-mixto (MPLEM) mono-periodo para analizar, desde un enfoque económico, la sensibilidad de las capacidades del sistema intermodal, la capacidad financiera de los tomadores de decisiones y la variación de la demanda. A continuación, sobre la base de este modelo se propone un MPLEM multi-periodo y dos variantes para validar las condiciones de interdependencia en la toma de decisiones estratégica y la participación de múltiples actores en la financiación de los proyectos de inversión. Finalmente, se formula un MPLEM multi-objetivo para optimizar simultáneamente las tres dimensiones de sostenibilidad. Para resolver y validar los modelos se implementaron dos esquemas de resolución. En los esquemas se utilizan los lenguajes de programación R y Python con el software de optimización matemática Gurobi Optimizer. Se realizan experimentos numéricos para distintos escenarios y se analiza el comportamiento de las soluciones considerando distintos valores a los parámetros. Los resultados obtenidos permiten comprobar la utilidad de los modelos matemáticos e identificar las principales limitaciones y futuras líneas de trabajo. / [CA] En aquesta tesi doctoral es desenvolupen models de programació matemàtica per al disseny estratègic-tàctic d'una xarxa de transport intermodal que combina dos tipus de problemes de decisions: la localització d'instal·lacions i el disseny de la xarxa de transport. Aquesta combinació es reconeix en la literatura com problemes combinats LI-DR. El problema combinat s'estudia per a una situació real i s'analitzen el comportament de la solució òptima, a partir de diferents aspectes com: la disponibilitat de l'pressupost d'inversió, capacitat de les instal·lacions intermodals, múltiples períodes de decisions, interdependència en la priorització de les decisions, múltiples fonts de finançament i criteris d'optimització per a les tres dimensions de sostenibilitat. Per a la situació real es referencien les condicions d'accés i connectivitat de la Zona de Desenvolupament Econòmic i Social (ZODES) Magdalena Medio de el departament de Bolívar a Colòmbia, i el potencial de la indústria agroalimentària per a aquesta subregió. Amb el propòsit d'identificar factors clau que perfilin la formulació respecte a la composició i funcionament dels sistemes intermodals i en els problemes combinats LI-DR s'analitza la literatura des d'aquestes dues perspectives. L'anàlisi de la literatura ha permès aportar dues classificacions noves i identificar reptes per a la investigació futura. Per a la formulació dels models es porta a terme la sistemàtica de passos definits per l'aplicació de les tècniques de programació matemàtica. Amb aquests passos s'aconsegueix transformar el problema de l'món real a un problema manejable amb aquestes tècniques. La transformació afavoreix la interpretació matemàtica de el problema combinat LI-DR intermodal, la modelació de les dades i la definició d'una estructura de xarxa d'entrada per indexar les decisions estratègiques i tàctiques. Els models de programació matemàtica es construeixen de manera gradual. En concret, es proposen 2 versions que es representen en 5 variants. Es comença formulant un model de programació lineal sencer-mixt (MPLEM) mono-període per analitzar, des d'un enfocament econòmic, la sensibilitat de les capacitats de sistema intermodal, la capacitat financera dels prenedors de decisions i la variació de la demanda. A continuació, sobre la base d'aquest model es proposa un MPLEM multi-període i dues variants per validar les condicions d'interdependència en la presa de decisions estratègica i la participació de múltiples actors en el finançament dels projectes d'inversió. Finalment, es formula un MPLEM multi-objectiu per optimitzar simultàniament les tres dimensions de sostenibilitat. Per resoldre i validar els models es van implementar dos esquemes de resolució. En els esquemes s'utilitzen els llenguatges de programació R i Python amb el programari d'optimització matemàtica Gurobi Optimizer. Es realitzen experiments numèrics per a diferents escenaris i s'analitza el comportament de les solucions considerant diferents valors als paràmetres. Els resultats obtinguts permeten comprovar la utilitat dels models matemàtics i identificar les principals limitacions i futures línies de treball. / [EN] In this doctoral thesis, mathematical programming models are developed aiming at the strategic-tactical design of an intermodal transport network that combines two types of decision problems: the location of facilities and the transport network design. In the literature, this combination is recognized as combined LI-DR problems. The combined problem is studied for a real situation and the performance of the optimal solution is analyzed in relation to different aspects such as the investment budget availability, the intermodal facilities capacity, multiple decision periods, interdependence in the prioritization of the decisions, multiple sources of funding and optimization criteria for the three dimensions of sustainability. In what concern to the real situation, the access and connectivity conditions of the Magdalena Medio Economic and Social Development Zone (ZODES, for its acronym in Spanish) of the Bolívar department in Colombia, and the potential of the agri-food industry for this subregion, are considered. Aiming the identification of key factors that outlines the formulation regarding the composition and operation of intermodal systems and, in combined LI-DR problems, the literature is reviewed from these two perspectives. The literature analysis has made it possible to provide two novel classifications and to identify challenges for future research. The formulation of models follows the systematic steps already defined for the application of mathematical programming techniques. Following these steps, it is possible to transform the problem from a real-world problem to a manageable one. The transformation promotes the mathematical interpretation of the intermodal LI-DR combined problem, the data modeling, and the definition of an input network structure to index strategic and tactical decisions. Mathematical programming models are built gradually. Specifically, 2 versions are proposed, which are represented by 5 variants. Firstly, it is formulated a single-period mixed-integer linear programming model (MILPM) in order to analyze, from an economic perspective, the sensitivity of the intermodal system capacities, the financial capacity of the decision-makers, and the demand changes. Based on the aforementioned model, a multi-period MILPM and two variants are proposed aiming to validate the conditions of interdependence in strategic decision-making and the participation of multiple actors in the investment projects financing. Finally, a multi-objective MILPM is formulated to simultaneously optimize all three dimensions of sustainability. To solve and validate the models, two resolution schemes were implemented. The schematics use the R and Python programming languages with the mathematical optimization software Gurobi Optimizer. Numerical tests are carried out for different scenarios and the performance of the solutions is analyzed considering different values for the parameters. The results obtained allow us to verify the usefulness of the models proposed and identify the main limitations and future lines of work. / Agamez Arias, ADM. (2021). Modelos de optimización para el diseño estratégico-táctico de una red de transporte intermodal [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177015