Estudamos, através de modelagem matemática, aspectos estacionários, espaciais e temporais relacionados à propagação e controle de doenças infecciosas de transmissão direta por contato pessoa-a-pessoa. Elaboramos modelos matemáticos determinísticos fundamentados no princípio de ação de massas em Epidemiologia, levando em consideração a simetria no número de contatos entre suscetíveis e infectados, o que nos permitiu estimar a taxa per capita de contatos potencialmente infectantes e, por conseguinte, a força de infecção e os possíveis efeitos de diferentes programas de vacinação. O desenvolvimento do modelo de estado estacionário foi feito com base em dados sorológicos de rubéola (Azevedo Neto 1992) para uma população que ainda não havia sido imunizada por meio de vacinação. Analisamos, então, o efeito de três diferentes esquemas de vacinação para a rubéola, nos seguintes intervalos de idade: de 1 a 2 anos, de 7 a 8 anos e de 14 a 15 anos. A incerteza estatística na idade média de infecção foi estimada com o auxílio do método de Monte Carlo e tal metodologia foi aplicada a dados de varicela e hepatite A. Estudamos também o aspecto espacial, com a inclusão da variável distância na formulação de um modelo SIR e análise da influência do alcance de interação entre indivíduos. E, através do estudo da força de infecção em função da idade e do tempo, pudemos analisar, de modo qualitativo, diferentes cenários na evolução temporal de uma doença infecciosa. / We have studied, based on mathematical modelling, stationary, spatial and temporal features related to the propagation and control of directly transmitted infectious diseases through person-to-person contact. We have developed deterministic mathematical models founded on the mass-action principle of Epidemiology, taking into account the symmetry of contacts among susceptible and infectious individuals. Such symmetry enabled us to estimate the potentially infective per capita contact rate and, therefore, the force of infection and the possible effects of different vaccination programmes. The steady state modelling has been based on rubella serological data of a non-immunized population (Azevedo Neto 1992) and we have analysed three different vaccination schemes against rubella in the following age intervals: from 1 to 2 years of age, from 7 to 8 years of age, and from 14 to 15 years of age. The serological data variability has been considered in the estimation of the statistical uncertainty of the average age at infection by means of the Monte Carlo method and we have applied this methodology to varicella and hepatitis A data. The spatial feature in a SIR model has been studied with the analysis of the influence of the interaction range among individuals. We have also studied the force of infection as a function of age and time and we have analysed, in a qualitative way, different situations in the time evolution of an infectious disease.

O desenvolvimento de movimentos de massa em obras rodoviárias é um grande problema a ser enfrentado tanto nas fases de implantação, como nas etapas de manutenção e conservação das mesmas. Os escorregamentos em rodovias muitas vezes são produtos de projetos mal planejados e executados, e podem provocar danos estruturais e econômicos à estrada, além de transtornos e riscos à comunidade local e ao meio ambiente. Diante desta problemática, o mapeamento geotécnico se apresenta como uma relevante ferramenta de auxílio à concepção do traçado da malha e instrumento de gestão rodoviária. A presente pesquisa buscou estudar a aplicabilidade do modelo determinístico do tipo talude infinito em ambiente SIG na análise da suscetibilidade a escorregamentos em rodovia, e ainda complementar o estudo com análises de estabilidade de taludes pelo método de Bishop Simplificado em seções geológico-geotécnicas de detalhe. O local da pesquisa é um trecho da rodovia Luís Augusto de Oliveira, entre os quilômetros 170 ao 192,5, que engloba os municípios de São Carlos, Ribeirão Bonito e Dourado, compreendendo 23 km de extensão, considerando uma faixa de 500 m para cada lado a partir do eixo da rodovia, o que resultou em uma área de 23,44 km². A modelagem foi executada utilizando-se os softwares ArcGis 10.1 para o estudo em escala 1:10.000, e o GeoStudio (SLOPE/W) nas seções de detalhe. A análise regional apontou que, em sua maioria, o trecho estudado possui muito baixa suscetibilidade a escorregamentos. Já as seções de detalhe auxiliaram na validação do modelo e no ajuste de parâmetros geomecânicos de entrada. O método do talude infinito ainda apresentou limitações relacionadas principalmente aos parâmetros geomecânicos do solo. De uma maneira geral, o modelo se mostrou satisfatório e versátil, refletindo a realidade do local e podendo ser constantemente realimentado à medida que se obtém dados mais precisos da região, tornando-se cada vez mais refinado e condizente com a realidade. / The development of mass movement on road constructions is a big problem to be faced during its implementation, maintenance and conservation stages. Road landslides oftentimes are products of poorly planned and executed projects, and can provoke structural and economic damage to the road, besides disorders and risk to the local community and the environment. Before this problem, geotechnical mapping it is presented as a relevant supporting tool in the conception of the tracing mesh and the management of the road. This research sought to study the applicability of the deterministic infinite slope model in GIS environment in the analyses of slope susceptibility on roads, and complement the study with slope stability analyses through Bishop Simplified method on geological-geotechnical sections of detail. The search location is a stretch of Luís Augusto de Oliveira highway, between kilometer 170 to 192,5, and encompasses the municipalities of São Carlos, Ribeirão Bonito and Dourado, comprising 23 km of extension, considering a 500m range from each side of the road, resulting in a 23,44 km² area. The modeling was executed using softwares ArcGis 10.0 for studies in 1:10.000 scale, and GeoStudio (SLOPE/W) on the detail analyses sections. The regional analyses pointed out that the studied stretch has very low slope susceptibility. The detail sections were helpful in the validation of the model and on the adjustment of the geomechanical parameters of entrance. The infinite slope method presented some limitations related mainly to the geomechanical parameters of the soil. Generally, the model proved satisfactory and versatile, reflecting the local reality, being constantly fed back as user obtain more accurate data of the region, becoming increasingly refined and consistent with reality.

Orientador: Marco Aurélio Cremasco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T08:24:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Castilho_GuilhermeJosede_D.pdf: 4727634 bytes, checksum: 262e7551887344a4d33739e6ac52ca97 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Stringer (1989) sugeriu que um leito fluidizado gás-sólido pode ser um sistema caótico no qual seu comportamento irregular, entretanto determinístico, é causado por suas propriedades não-lineares. Desde então, surgiu uma nova forma de analisar flutuações de sinais em sistemas fluidizados: a análise não linear de séries temporais, comumente referida como análise de caos. A análise de caos é uma técnica muito utilizada no processamento de sinais em sistemas fluidizados, porém pouco difundida a nível nacional. Este tipo de análise baseia-se na reconstrução de atratores imersos em um espaço de fase e no estudo das propriedades deste atrator. Nesta Tese de Doutorado, avalia-se o comportamento fluidodinâmico em leito fluidizado circulante (LFC) operando sob condição de transporte pneumático diluído utilizando a análise de caos e também outras análises no domínio do tempo, como a distribuição de frequência e desvio médio absoluto. Os sinais avaliados foram obtidos por uma sonda de fibras ópticas, gerando séries temporais de flutuação de sinais elétricos que representam concentração de sólidos. A análise de caos demonstrou que os sistemas estudados apresentam comportamento caótico, por apresentar entropia de Kolmogorov positiva para todas as situações. A vantagem deste tipo de análise em comparação com as ferramentas usuais no domínio do tempo e no domínio da frequência (espectro de Fourier) é que a mesma considera o comportamento não-linear que existe neste tipo de reator multifásico. A partir de seus resultados, pôde-se descrever detalhadamente a fluidodinâmica do LFC, permitindo relacionar os parâmetros encontrados com fenômenos físicos como formação e repartição de clusters, turbulência do gás, interações partícula-partícula e partícula-parede e má alimentação. Tal análise permitiu, inclusive, a identificação de três regimes distintos: diluído, resultante de um escoamento mais complexo devido à turbulência da fase gasosa; concentrado, onde a presença de clusters diminui o caminho médio das partículas e por conseqüência reduz o grau de complexidade do sistema; e um terceiro regime ainda não publicado em trabalhos anteriores, referente às condições extremamente diluídas, onde o aumento do fluxo de sólidos provocou o aumento da complexidade. Neste regime, a fase gasosa predomina e o escoamento é mais previsível quando há presença de poucas partículas. Pretende-se, com esta Tese de Doutorado, incentivar a utilização deste método para, pelo menos, servir como complementação da técnica usualmente utilizada na análise de sinais nesta área de pesquisa, que são os espectros de potência de Fourier / Abstract: Stringer (1989) was the first to suggest that a gas-solid fluidized bed may be a chaotic system, in which the irregular, yet deterministic, behavior is caused by its nonlinear properties. Since then, another way to analyze signals fluctuations in fluidized systems came to light: the nonlinear time series analysis commonly referred to as chaos analysis. It is a technique widely used in the signal analysis in fluidized systems, but not very common at national level. This type of analysis is based on the reconstruction of attractors embedded in a phase space and the study of the properties of this attractor. This Ph.D. Thesis evaluates the fluid dynamic behavior of circulating fluidized bed (CFB) operating under conditions of dilute pneumatic conveying using chaos analysis of chaos and also further analysis in the time domain. The signals obtained were measured by an optical fiber probe which generated time series of fluctuating electrical signals representing solids concentration. The chaos analysis showed that the systems studied exhibit chaotic behavior, by having positive Kolmogorov entropy for all situations. The advantage of this type of analysis compared with the usual tools in the time domain and frequency domain (Fourier spectrum) is that it considers the nonlinear behavior that exists in this type of multiphase reactor. From their results, it was possible to describe in detail the fluid dynamics of the CFB, allowing correlating the parameters found with physical phenomena such as cluster formation and breakdown, the gas turbulence, particle-particle and particle-wall interactions and feed maldistribution. This analysis has led to the identification of three distinct regimes: diluted, resulted from a more complex flow due to turbulence of the gas phase; concentrated, where the presence of clusters decreases the average path length of particles and consequently reduces the complexity of the system; and a third regime not yet published in previous works, regarding the extremely dilute conditions, where the increased flow of solids caused the increase in complexity. In this condition, the gas phase and the predominant flow is more predictable when there is presence of a few particles. With this Ph.D. Thesis, it is intended to encourage the use of this method for at least as a complement to the technique usually used in signal analysis in this research area, that is, the Fourier power spectra / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

A análise de texturas tem atraído um crescente interesse em visão computacional devido a sua importância na caracterização de imagens. Basicamente, as pesquisas em texturas podem ser divididas em duas categorias: texturas estáticas e texturas dinâmicas. As texturas estáticas são caracterizadas por variações de intensidades que formam um determinado padrão repetido espacialmente na imagem. Por outro lado, as texturas dinâmicas são padrões de texturas presentes em uma sequência de imagens. Embora muitas pesquisas tenham sido realizadas, essa área ainda se encontra aberta a estudos, principalmente em texturas dinâmicas por se tratar de um assunto recente e pouco explorado. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de pesquisas que abrangem ambos os tipos de texturas nos âmbitos teórico e prático. Em texturas estáticas, foram propostos dois métodos: (i) baseado em caminhadas determinísticas parcialmente auto-repulsivas e dimensão fractal - (ii) baseado em atividade em redes direcionadas. Em texturas dinâmicas, as caminhadas determinísticas parcialmente auto-repulsivas foram estendidas para sequências de imagens e obtiveram resultados interessantes em reconhecimento e segmentação. Os métodos propostos foram aplicados em problemas da biologia e nanotecnologia, apresentando resultados interessantes para o desenvolvimento de ambas as áreas. / Texture analysis has attracted an increasing interest in computer vision due to its importance in describing images. Basically, research on textures can be divided into two categories: static and dynamic textures. Static textures are characterized by intensity variations which form a pattern repeated in the image spatially. On the other hand, dynamic textures are patterns of textures present in a sequence of images. Although many studies have been carried out, this area is still open to study, especially in dynamic textures since it is a recent and little-explored subject. This study aims to develop research covering both types of textures in theoretical and practical fields. In static textures, two methods were proposed: (i) based on deterministic partially self-avoiding walks and fractal dimension - (ii) based on activity in directed networks. In dynamic textures, deterministic partially self-avoiding walks were extended to sequences of images and obtained interesting results in recognition and segmentation. The proposed methods were applied to problems of biology and nanotechnology, presenting interesting results in the development of both areas.

A presente dissertação é composta por três manuscritos originais. O objetivo do estudo (1) foi comparar o desempenho no chute em jogadores de futebol treinados sub-9 até sub-20. Jovens jogadores brasileiros (N = 366) foram avaliados por cinemática 3-D (300 Hz) a fim de mensurar a velocidade da bola, velocidade do pé, razão velocidade bola/pé, comprimento do último passo e distância entre pé de suporte e bola. Um procedimento 2-D (60 Hz) foi conduzido para calcular a acurácia dos chutes. A velocidade da bola aumentou em 103% do sub-11 (48,54±8,31 km/h) até sub-20 (98,74±16,35 km/h). Em contraste a velocidade do pé exibiu aumento de 59% do sub-11 (49,08±5,16 km/h) até sub-20 (78,24±9,49 km/h). Isso foi em decorrência da melhora na qualidade de impacto pé-bola (razão velocidade da bola/pé: sub-11: 0,99±0,13; sub-20: 1,26±0,11 u.a.) (p < 0,001). Erro médio radial e acurácia parecem prejudicados durante o surto de velocidade do crescimento (sub-13-sub-15). Conclui-se que parâmetros Biomecânicos de desempenho chutando apresentam desenvolvimento diferenciado. O objetivo do estudo (2) foi investigar o desempenho chutando (N = 105 selecionados) no sub-11 até sub-20 com foco em velocidades lineares, deslocamento angular e velocidade angular articular do membro inferior. Verificou-se as possíveis diferenças entre idades, status jogando (titulares, reservas e não relacionados) e a influência da maturidade (iPVC) em parâmetros chutando. Pequenos ganhos em termos de velocidade e poucas alterações angulares ocorreram nos mais jovens (sub-11 até sub-13). Na idade sub-15 ocorrem os maiores aumentos de velocidades e transferência próximo-distal. Esse é um período crítico em que o desempenho chutando discriminou o status de jogo. O iPVC não influenciou o desempenho. Conclui-se que a taxa de desenvolvimento do desempenho chutando difere entre sub-11 até sub-20 em jogadores selecionados. O objetivo do estudo 3 foi examinar o desempenho de corrida (ex. distância total percorrida, faixas de velocidade atingidas), relacionado a habilidades técnicas (ex. envolvimento com bola, passes, toques na bola, toques/posse, duelos e chutes) e dinâmicas de movimentos táticos coletivos (área da equipe, espalhamento e frequências medianas) no futebol, desde crianças sub-11 até o profissional (N = 120) durante jogos oficiais (N = 12; Campeonato Paulista de Futebol-FPF). Enquanto a velocidade média, e tática tendem a estabilizar os aumentos a partir do sub-15 (ex. sub-15 > sub-13 > sub-11), velocidade máxima (PRO > sub-17 > sub-15, sub-13, sub-11) e percentual de atividades em alta intensidade (sub-20 > PRO, sub-17 > sub-15 > sub-13 > sub-11) exibem ganhos contínuos. Frequências medianas foram maiores nos mais jovens (sub-13, sub-15, sub- 17 > sub-20, PRO), enquanto o percentual de passes completados foi maior nos mais velhos (PRO > sub-17, sub-15 > sub-13, sub-11). Conclui-se que os grupos de idade sub-11 até profissional apresentam diferentes perfis de desempenho de corrida, distribuição dos jogadores em campo, dinâmica de movimentos coletivos e habilidades técnicas, e que o desenvolvimento desses componentes é diferenciado. Treinadores devem estar cientes dos valores de referência apresentados, para selecionar os conteúdos de treino como a intensidade e o volume, específicos para cada grupo de idade. / This master degree thesis is composed by three original manuscripts. The study 1 aimed to compare the kicking performance in trained soccer players aged U9 to U20. Brazilian young players (N = 366) were evaluated by 3-D kinematics (300 Hz) in order to assess ball speed, foot speed, ratio ball/foot speeds, last stride length and distance between support foot and ball. Two-dimensional procedure (60 Hz) was applied to calculate kicking accuracy. Ball speed increases 103% from U11 (48.54±8.31 km/h) to U20 (98.74±16.35 km/h). In contrast, foot speed exhibited increases of 59% from U11 (49.08±5.16 km/h) o U20 (78.24±9.49 km/h). This is achieved due the improvement on the quality of foot-ball impact (ratio ball/foot speeds U11: 0.99±0.13; U20: 1.26±0.11 a.u.) (p < 0,001). Mean radial error and accuracy appears impaired during the growth spurt (U13-U15). In conclusion, Biomechanical parameters of kicking performance have different developmental characteristics. The study 2 investigated the kicking performance (N = 105 selected players) of U11 to U20 age-groups, focused in linear velocities, angular joint displacement and angular joint velocities of the dominant lower limb. Possible differences between groups were assessed. Within each group, influence of playing status (starters, non-starters and substitutes without participation), and peak height velocity (PHV) index on kicking performance was also examined. Lower changes in terms of speeds angular adjustments occur between U11 and U13. During U15 the greater increases was verified, for both velocities and proximal-distal transference, due to several angular adjustments. Also, this is a critical phase to ensure the continuity of players competing in soccer, in which kicking performance discriminate playing status, favoring starters. PHV did not influenced performance parameters in all age-groups. It was concluded that the development rate is not constant in selected players from U11 to U20. The aim of the study 3 was to evaluate performances regarding match-running (e.g. total distance covered, and percentage at various speed zones), skill-related (e.g. involvements with the ball, passes, ball touches, touches per possession, duels and kicks) and also dynamics of collective movements across the pitch (team surface area, spread and median frequencies of the signal), simultaneously, during official matches (N = 12, São Paulo First Division Championship-FPF), in high-level Brazilian U11 to professional players (N = 120). It found that while mean speed and tactical index tends to stabilize the increases from U15 (e.g. U15 > U13 > U11), maximal sprinting speed (PRO > U17 > U15, U13, U11) and percentage of very high-intensity activities (U20 > PRO, U17 > U15 > U13 > U11) exhibit improvements continuously with the age. Median frequencies were greater in younger (U13, U15, U17 > U20, PRO), while successful passes percentage were greater in older (PRO > U17, U15 > U13, U11). In conclusion, U11 to professional age-groups have different activity profiles (running, tactical and skill-related), and the development of these components are not equal. Coaches should be aware of the reference values presented in order to select training content into a periodization similar to a real competition match (e.g. volume and intensity) specific for each age-group.

Orientador: Marco Aurélio Cremasco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T02:42:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Prieto_WesleyHeleno_M.pdf: 8369038 bytes, checksum: 55099f53f7bd5777f43bda2e728ffb67 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A complexa dinâmica dos leitos fluidizados promove a necessidade de metodologias de análise de sinais que representem, com maior fidelidade, as características destes processos e também de técnicas de solução computacional de modelos matemáticos complexos para promover a implementação de novas ferramentas teóricas na caracterização de regimes fluidodinâmicos em sistemas particulados. Nas últimas décadas, a análise do caos se tornou grande aliada na investigação dos fenômenos cuja evolução temporal, aperiódica e sensível às condições iniciais, exiba determinismo. Neste sentido, o presente trabalho emprega a técnica de análise de caos para avaliar as grandezas entropia de Kolmogorov e dimensão de correlação associadas às flutuações de pressão em leito fluidizado (0,1 m de diâmetro) para partículas de FCC, painço e microesferas de vidro Geldart A, B e D. Esta Dissertação também se propõe a resolver um modelo matemático representativo da fluidodinâmica gás-partícula e dele abstrair séries temporais de perda de pressão para, posteriormente, serem submetidas à análise do caos determinístico e comparação com os resultados experimentais. Na etapa laboratorial, foram utilizados transdutores diferenciais de pressão a taxas de 1.000 Hz. O gás de fluidização foi ar ambiente a 25 °C. Para a solução do modelo foi utilizado o método clássico de Euler implementado no software MatLab R2012b. Dos resultados da primeira etapa, observou-se a presença de regiões típicas em todos os perfis de entropia de Kolmogorov e dimensão de correlação, sendo que para a condição de fluidização incipiente os valores dos invariantes foram máximos, logo em seguida evoluindo para uma condição de transição e estabilizando em uma situação menos caótica para o regime slugging. As curvas de fluidização obtidas pela resolução do modelo demonstraram superestimação da perda de pressão, porém, em termos de perfil, houve reprodutibilidade em relação às curvas experimentais. No que tange à análise caótica, os mesmos fenômenos foram notados para as séries temporais simuladas, constatando-se a presença das regiões de transição do leito fixo-incipiência-transição-slugging. De modo geral, torna-se evidente a relação entre parâmetros caóticos e as características físicas dos sistemas (experimentais e simulados), corroborando os invariantes do caos como auxiliares na classificação dos regimes de fluidização / Abstract: The complex dynamics of fluidized beds promotes the requirement of signals analysis methodologies that faithfully represent the characteristics of these processes and also techniques of computational solution of complex mathematical models to promote the implementation of new theoretical methods for characterizing fluid dynamic regimes in particulate systems. In recent decades, the analysis of chaos has become an important tool in the investigation of phenomena whose temporal evolution, aperiodic and sensitive to initial conditions, show determinism. In this regard, the present study employing the chaos analysis technique to evaluate the invariants Kolmogorov entropy and correlation dimension associated with the pressure fluctuations in the fluidized bed (0.1 m diameter) for particles of FCC, millet and glass microspheres (Geldart A, B and D). This work also proposes to solve a representative mathematical model of gas-particle fluid dynamics to obtain pressure time series to be submitted to the deterministic chaos analysis and compared with experimental results. In the experimental stage, differential pressure transducers at rates of 1,000 Hz were used. Fluidizing gas is ambient air at 25 °C. For the solution of the model the classical Euler method was used implemented in Matlab R2012b software. Through the results of the first step, the presence of typical regions were observed in all profiles of Kolmogorov entropy and correlation dimension, being for the condition of incipient fluidization the values of the chaotic invariants were maximum, shortly thereafter progressing to a transition condition and stabilizing in a less chaotic situation for the slugging regime. Fluidization curves obtained by solving of the mathematical model showed overestimation of pressure loss, however, in terms of profile, there was reproducibility as compared to the experimental curves. Referring to the chaotic analysis, the same phenomena were observed for the simulated time series, the presence of transition regions of fixed-bed-incipient-transition-slugging was observed. Generally, it is clear the relationship between chaotic parameters and physical characteristics of the systems (experimental and simulated), supporting the chaotic invariants as aids in classifying fluidization regimes / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Alberto Vazquez Saa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-20T15:42:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Teles_RenatodeSa_D.pdf: 3942109 bytes, checksum: 7e41b541aa6eb7a186a4956d751a32c5 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Fizemos um estudo sistemático dos aspectos clássicos e quânticos dos sistemas dinâmicos conhecidos como "bilhares". Introduzimos uma nova classe de bilhares classicamente caóticos cuja dinâmica quântica pode ser convenientemente descrita utilizando-se uma aproximação do tipo Galerkin, o que nos permitiu obter com boa precisão um grande numero de autovalores e autofunções e estudar algumas propriedades estatísticas do espectro de energia para esta nova classe de bilhares. Do ponto de vista da implementação numérica, estudamos também os efeitos de tamanho finito da matriz associada ao truncamento dos modos de Galerkin / Abstract: We consider classical and quantum aspects of the dynamical systems dubbed as "billiards". We introduce a new class of classically chaotic billiards for which the quantum dynamics can be conveniently described by a Galerkin type approximation, allowing us to obtain with good accuracy a large number of eigenvalues and eigenfunctions and to study some statistical properties of the energy spectrum of this new class of billiards. From the numerical implementation point of view, we consider also the finite size effects on the matrix corresponding to the truncation of the Galerkin modes / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

Philosophiae Doctor - PhD / This thesis deals with some fundamental aspects of groundwater models. Deterministic mathematical models of groundwater are usually used to simulate flow and transport processes in aquifer systems by means of partial differential equations. Analytical solutions for the deterministic mathematical models of the Theis problem and the transient confined-unconfined flow in a confined aquifer are investigated in the thesis. The Theis equation is a most commonly applied solution for the deterministic mathematical model of the Theis problem. In the thesis, a most simplified similarity transformation method for derivation of the Theis equation is proposed by using the Boltzmann transform. To investigate the transient confined-unconfined flow towards a fully penetrating well in a confined aquifer, a new analytical solution for the deterministic mathematical models of interest is proposed in the thesis. The proposed analytical solution considers a change of hydraulic properties (transmissivity and storativity) during the confined-unconfined conversion. Based on the proposed analytical solution, a practical method to determine distance of the conversion interface from pumping well and diffusivity of the unconfined region is developed by using a constant rate test. Applicability of the proposed analytical solution is demonstrated by a comparison with previous solutions, namely the MP and the Chen models. The results show that the proposed analytical solution can be used to assess the effect of the change of diffusivity on the transient confined-unconfined flow. The MP model is only accepted if the transmissivity during the confined-unconfined conversion is constant. The Chen model, given as a special case of the proposed analytical solution, is limited to the analysis of the transient confined-unconfined flow with a fixed diffusivity. An important application of groundwater models is to estimate parameters, such as hydraulic properties and flow dynamics, of groundwater systems by assessing and analysing field data. For instance, the pumping and the hydrochemistry and environmental tracer tests are two effective ways to obtain such data. To evaluate hydraulic properties of aquifer systems by derivative interpretation of drawdown data from pumping tests, a new diagnostic analysis method is proposed based on a lg-lg drawdown derivative, dlgs/dlgt, and the differentiation algorithm namely Lagrange Interpolation Regression (LIR) in the thesis. Use of a combined plot of dlgs/dlgt and a semi-lg drawdown derivative (ds/dlgt) is made to identify various flow segments during variable discharge tests with infinite conditions, constant rate tests in bounded aquifers and tests involving double-porosity behaviours. These can be applied to further characterize pumped aquifers. Compared to traditional diagnostic analysis method using plot of ds/dlgt alone, the combined drawdown derivative plot possesses certain advantages identified as: (1) the plot of dlgs/dlgt is strikingly sensitive for use in unveiling differences between pumping and its following recovery periods in intermittent variable discharge tests; (2) storativity (S) of pumped aquifers can be evaluated by using the combined plot; and (3) quantitative assessments of double-porosity behaviours can also be achieved. Based on two case studies, advantages and disadvantages of uses of the LIR and other existing differentiation methods in calculations of numerical drawdown derivative are demonstrated in practice. The results suggest that the LIR is a preferred method for numerical differentiation of drawdown data as it can be used to effectively minimise noisy effects. The proposed derivative approach provides hydrologists with an additional tool for characterizing pumped aquifers. Use of hydrochemistry and environmental tracer tests to assess flow dynamics of groundwater systems is demonstrated via a case study in the dolomite aquifer of South Africa. An emphasis is on determining mean residence times (MRTs) of the dolomite aquifer by means of an appropriate box model with time series of 14C values of dissolved inorganic carbon (14C-DIC) and initial 14C activities of spring samples during 1970s and 2010s. To obtain the calibrated 14C MRTs, 13C values of dissolved inorganic carbon (δ13C-DIC) of the spring samples are applied to estimate mineral dissolution in the dolomite aquifer and calculate the initial 14C activities. The results indicate that the spring samples have about 50%-80% initial 14C activities. By using the appropriate box model, the calibrated 14C MRTs of the spring system are given within a range from ≤ 10 to 50 years. Additionally, the flow dynamics, including the recharge source and area, the effect of climate change on the temporal trend of the groundwater MRTs and the groundwater flow circulation, of the dolomitic spring system are also discussed for further possible management interventions in the dolomite aquifer.

Current geocasting algorithms for VANETs are being designed to enable either private or reliable communications, but not both. Existing algorithms preserve privacy by minimizing the information used for routing, and sacrifice message delivery success. On the other hand, reliable protocols often store node information that can be used to compromise a vehicle's privacy. We have designed two private and reliable geocasting protocols for VANETs that ensure confidentiality. One is a probabilistic algorithm that uses direction-based dissemination, while the other is a deterministic algorithm that uses transmission-coverage dissemination. To preserve privacy, we create unlinkable and pseudonymous channels of communication with geocasting. For encryption and authentication, we use a public key technique. Our probabilistic forwarding model depends on message rate and cumulative payload, as well as the value of the angle of spreading of the direction-based scheme. To reduce message duplication, we apply dynamic traffic restriction and probabilistic forwarding techniques. The deterministic forwarding algorithm delays forwarding messages based on its uncovered transmission area after neighbouring nodes have broadcast the message. We prove that both algorithms ensure node privacy with appropriate message encryption security, and we ran simulations to demonstrate that both meet the message delivery requirements. From the gathered data, we observe that both algorithms behave differently depending on the scenario, with node density affecting the deterministic algorithm, while the angle of spreading does have a significant impact on the probabilistic protocol.

Optimization is used in daily practice with fixed input quantities and assuming constancy of all internal and external factors that may affect the results. But the reality that surrounds us is not so straightforward and clear. It is a complex and variable system. We learn new information about it every moment and it changes and evolves constantly. If the variability is included in the optimization model, it will change from the deterministic to stochastic model. Simulation offers a way how to work with the variability of inputs and the risk that the future development will be different from the assumptions. It uses probability distributions of entering risk factors. The most frequent method is Monte Carlo simulation, which is based on the generation of large amount of scenarios of possible future developments. Crystal Ball was used as simulation software program.