Deliverable D2.5: Decision grid for best approach in terms of modelling concepts/contaminants

FRAC-WECO : Flux-based risk assessment of contaminants on water resources and ecosystems (projet SD/TE/02A

Simulation of site-specific irrigation control strategies with sparse input data

Crop and irrigation water use efficiencies may be improved by managing irrigation application timing and volumes using physical and agronomic principles. However, the crop water requirement may be spatially variable due to different soil properties and genetic variations in the crop across the field. Adaptive control strategies can be used to locally control water applications in response to in-field temporal and spatial variability with the aim of maximising both crop development and water use efficiency. A simulation framework ‘VARIwise’ has been created to aid the development, evaluation and management of spatially and temporally varied adaptive irrigation control strategies (McCarthy et al., 2010). VARIwise enables alternative control strategies to be simulated with different crop and environmental conditions and at a range of spatial resolutions. An iterative learning controller and model predictive controller have been implemented in VARIwise to improve the irrigation of cotton. The iterative learning control strategy involves using the soil moisture response to the previous irrigation volume to adjust the applied irrigation volume applied at the next irrigation event. For field implementation this controller has low data requirements as only soil moisture data is required after each irrigation event. In contrast, a model predictive controller has high data requirements as measured soil and plant data are required at a high spatial resolution in a field implementation. Model predictive control involves using a calibrated model to determine the irrigation application and/or timing which results in the highest predicted yield or water use efficiency. The implementation of these strategies is described and a case study is presented to demonstrate the operation of the strategies with various levels of data availability. It is concluded that in situations of sparse data, the iterative learning controller performs significantly better than a model predictive controller

Air pollution and livestock production

The air in a livestock farming environment contains high concentrations of dust particles and gaseous pollutants. The total inhalable dust can enter the nose and mouth during normal breathing and the thoracic dust can reach into the lungs. However, it is the respirable dust particles that can penetrate further into the gas-exchange region, making it the most hazardous dust component. Prolonged exposure to high concentrations of dust particles can lead to respiratory health issues for both livestock and farming staff. Ammonia, an example of a gaseous pollutant, is derived from the decomposition of nitrous compounds. Increased exposure to ammonia may also have an effect on the health of humans and livestock. There are a number of technologies available to ensure exposure to these pollutants is minimised. Through proactive means, (the optimal design and management of livestock buildings) air quality can be improved to reduce the likelihood of risks associated with sub-optimal air quality. Once air problems have taken hold, other reduction methods need to be applied utilising a more reactive approach. A key requirement for the control of concentration and exposure of airborne pollutants to an acceptable level is to be able to conduct real-time measurements of these pollutants. This paper provides a review of airborne pollution including methods to both measure and control the concentration of pollutants in livestock buildings

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Identifying Advantages and Disadvantages of Variable Rate Irrigation – An Updated Review

Variable rate irrigation (VRI) sprinklers on mechanical move irrigation systems (center pivot or lateral move) have been commercially available since 2004. Although the number of VRI, zone or individual sprinkler, systems adopted to date is lower than expected there is a continued interest to harness this technology, especially when climate variability, regulatory nutrient management, water conservation policies, and declining water for agriculture compound the challenges involved for irrigated crop production. This article reviews the potential advantages and potential disadvantages of VRI technology for moving sprinklers, provides updated examples on such aspects, suggests a protocol for designing and implementing VRI technology and reports on the recent advancements. The advantages of VRI technology are demonstrated in the areas of agronomic improvement, greater economic returns, environmental protection and risk management, while the main drawbacks to VRI technology include the complexity to successfully implement the technology and the lack of evidence that it assures better performance in net profit or water savings. Although advances have been made in VRI technologies, its penetration into the market will continue to depend on tangible and perceived benefits by producers

A review of assessment methods for river hydromorphology

The work leading to this paper has received funding for the EU’s FP7 under Grant Agreement No. 282656 (REFORM

Landslide risk management through spatial analysis and stochastic prediction for territorial resilience evaluation

Natural materials, such as soils, are influenced by many factors acting during their formative and evolutionary process: atmospheric agents, erosion and transport phenomena, sedimentation conditions that give soil properties a non-reducible randomness by using sophisticated survey techniques and technologies. This character is reflected not only in spatial variability of properties which differs from point to point, but also in multivariate correlation as a function of reciprocal distance. Cognitive enrichment, offered by the response of soils associated with their intrinsic spatial variability, implies an increase in the evaluative capacity of the contributing causes and potential effects in failure phenomena. Stability analysis of natural slopes is well suited to stochastic treatment of uncertainty which characterized landslide risk. In particular, this study has been applied through a back- analysis procedure to a slope located in Southern Italy that was subject to repeated phenomena of hydrogeological instability (extended for several kilometres in recent years). The back-analysis has been carried out by applying spatial analysis to the controlling factors as well as quantifying the hydrogeological hazard through unbiased estimators. A natural phenomenon, defined as stochastic process characterized by mutually interacting spatial variables, has led to identify the most critical areas, giving reliability to the scenarios and improving the forecasting content. Moreover, the phenomenological characterization allows the optimization of the risk levels to the wide territory involved, supporting decision-making process for intervention priorities as well as the effective allocation of the available resources in social, environmental and economic contexts