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

Affine arithmetic-based methodology for energy hub operation-scheduling in the presence of data uncertainty

In this study, the role of self-validated computing for solving the energy hub-scheduling problem in the presence of multiple and heterogeneous sources of data uncertainties is explored and a new solution paradigm based on affine arithmetic is conceptualised. The benefits deriving from the application of this methodology are analysed in details, and several numerical results are presented and discussed

Quality measures for ETL processes: from goals to implementation

Extraction transformation loading (ETL) processes play an increasingly important role for the support of modern business operations. These business processes are centred around artifacts with high variability and diverse lifecycles, which correspond to key business entities. The apparent complexity of these activities has been examined through the prism of business process management, mainly focusing on functional requirements and performance optimization. However, the quality dimension has not yet been thoroughly investigated, and there is a need for a more human-centric approach to bring them closer to business-users requirements. In this paper, we take a first step towards this direction by defining a sound model for ETL process quality characteristics and quantitative measures for each characteristic, based on existing literature. Our model shows dependencies among quality characteristics and can provide the basis for subsequent analysis using goal modeling techniques. We showcase the use of goal modeling for ETL process design through a use case, where we employ the use of a goal model that includes quantitative components (i.e., indicators) for evaluation and analysis of alternative design decisions.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Uncertainty Quantification of geochemical and mechanical compaction in layered sedimentary basins

In this work we propose an Uncertainty Quantification methodology for sedimentary basins evolution under mechanical and geochemical compaction processes, which we model as a coupled, time-dependent, non-linear, monodimensional (depth-only) system of PDEs with uncertain parameters. While in previous works (Formaggia et al. 2013, Porta et al., 2014) we assumed a simplified depositional history with only one material, in this work we consider multi-layered basins, in which each layer is characterized by a different material, and hence by different properties. This setting requires several improvements with respect to our earlier works, both concerning the deterministic solver and the stochastic discretization. On the deterministic side, we replace the previous fixed-point iterative solver with a more efficient Newton solver at each step of the time-discretization. On the stochastic side, the multi-layered structure gives rise to discontinuities in the dependence of the state variables on the uncertain parameters, that need an appropriate treatment for surrogate modeling techniques, such as sparse grids, to be effective. We propose an innovative methodology to this end which relies on a change of coordinate system to align the discontinuities of the target function within the random parameter space. The reference coordinate system is built upon exploiting physical features of the problem at hand. We employ the locations of material interfaces, which display a smooth dependence on the random parameters and are therefore amenable to sparse grid polynomial approximations. We showcase the capabilities of our numerical methodologies through two synthetic test cases. In particular, we show that our methodology reproduces with high accuracy multi-modal probability density functions displayed by target state variables (e.g., porosity).Comment: 25 pages, 30 figure

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