Service Life Performance

A special focus of this chapter is directed into assessing the performance of facades along the service life of the building. Influence of biotic and abiotic factors and their effect on materials physical and aesthetical properties are discussed. Principles of protection by design and their role in building performance during use phase are briefly introduced. Various approaches for the prediction of service life performance are supported with real case study data

Soft computing approaches to uncertainty propagation in environmental risk mangement

Real-world problems, especially those that involve natural systems, are complex and composed of many nondeterministic components having non-linear coupling. It turns out that in dealing with such systems, one has to face a high degree of uncertainty and tolerate imprecision. Classical system models based on numerical analysis, crisp logic or binary logic have characteristics of precision and categoricity and classified as hard computing approach. In contrast soft computing approaches like probabilistic reasoning, fuzzy logic, artificial neural nets etc have characteristics of approximation and dispositionality. Although in hard computing, imprecision and uncertainty are undesirable properties, in soft computing the tolerance for imprecision and uncertainty is exploited to achieve tractability, lower cost of computation, effective communication and high Machine Intelligence Quotient (MIQ). Proposed thesis has tried to explore use of different soft computing approaches to handle uncertainty in environmental risk management. The work has been divided into three parts consisting five papers. In the first part of this thesis different uncertainty propagation methods have been investigated. The first methodology is generalized fuzzy α-cut based on the concept of transformation method. A case study of uncertainty analysis of pollutant transport in the subsurface has been used to show the utility of this approach. This approach shows superiority over conventional methods of uncertainty modelling. A Second method is proposed to manage uncertainty and variability together in risk models. The new hybrid approach combining probabilistic and fuzzy set theory is called Fuzzy Latin Hypercube Sampling (FLHS). An important property of this method is its ability to separate randomness and imprecision to increase the quality of information. A fuzzified statistical summary of the model results gives indices of sensitivity and uncertainty that relate the effects of variability and uncertainty of input variables to model predictions. The feasibility of the method is validated to analyze total variance in the calculation of incremental lifetime risks due to polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/F) for the residents living in the surroundings of a municipal solid waste incinerator (MSWI) in Basque Country, Spain. The second part of this thesis deals with the use of artificial intelligence technique for generating environmental indices. The first paper focused on the development of a Hazzard Index (HI) using persistence, bioaccumulation and toxicity properties of a large number of organic and inorganic pollutants. For deriving this index, Self-Organizing Maps (SOM) has been used which provided a hazard ranking for each compound. Subsequently, an Integral Risk Index was developed taking into account the HI and the concentrations of all pollutants in soil samples collected in the target area. Finally, a risk map was elaborated by representing the spatial distribution of the Integral Risk Index with a Geographic Information System (GIS). The second paper is an improvement of the first work. New approach called Neuro-Probabilistic HI was developed by combining SOM and Monte-Carlo analysis. It considers uncertainty associated with contaminants characteristic values. This new index seems to be an adequate tool to be taken into account in risk assessment processes. In both study, the methods have been validated through its implementation in the industrial chemical / petrochemical area of Tarragona. The third part of this thesis deals with decision-making framework for environmental risk management. In this study, an integrated fuzzy relation analysis (IFRA) model is proposed for risk assessment involving multiple criteria. The fuzzy risk-analysis model is proposed to comprehensively evaluate all risks associated with contaminated systems resulting from more than one toxic chemical. The model is an integrated view on uncertainty techniques based on multi-valued mappings, fuzzy relations and fuzzy analytical hierarchical process. Integration of system simulation and risk analysis using fuzzy approach allowed to incorporate system modelling uncertainty and subjective risk criteria. In this study, it has been shown that a broad integration of fuzzy system simulation and fuzzy risk analysis is possible. In conclusion, this study has broadly demonstrated the usefulness of soft computing approaches in environmental risk analysis. The proposed methods could significantly advance practice of risk analysis by effectively addressing critical issues of uncertainty propagation problem.Los problemas del mundo real, especialmente aquellos que implican sistemas naturales, son complejos y se componen de muchos componentes indeterminados, que muestran en muchos casos una relación no lineal. Los modelos convencionales basados en técnicas analíticas que se utilizan actualmente para conocer y predecir el comportamiento de dichos sistemas pueden ser muy complicados e inflexibles cuando se quiere hacer frente a la imprecisión y la complejidad del sistema en un mundo real. El tratamiento de dichos sistemas, supone el enfrentarse a un elevado nivel de incertidumbre así como considerar la imprecisión. Los modelos clásicos basados en análisis numéricos, lógica de valores exactos o binarios, se caracterizan por su precisión y categorización y son clasificados como una aproximación al hard computing. Por el contrario, el soft computing tal como la lógica de razonamiento probabilístico, las redes neuronales artificiales, etc., tienen la característica de aproximación y disponibilidad. Aunque en la hard computing, la imprecisión y la incertidumbre son propiedades no deseadas, en el soft computing la tolerancia en la imprecisión y la incerteza se aprovechan para alcanzar tratabilidad, bajos costes de computación, una comunicación efectiva y un elevado Machine Intelligence Quotient (MIQ). La tesis propuesta intenta explorar el uso de las diferentes aproximaciones en la informática blanda para manipular la incertidumbre en la gestión del riesgo medioambiental. El trabajo se ha dividido en tres secciones que forman parte de cinco artículos. En la primera parte de esta tesis, se han investigado diferentes métodos de propagación de la incertidumbre. El primer método es el generalizado fuzzy α-cut, el cual está basada en el método de transformación. Para demostrar la utilidad de esta aproximación, se ha utilizado un caso de estudio de análisis de incertidumbre en el transporte de la contaminación en suelo. Esta aproximación muestra una superioridad frente a los métodos convencionales de modelación de la incertidumbre. La segunda metodología propuesta trabaja conjuntamente la variabilidad y la incertidumbre en los modelos de evaluación de riesgo. Para ello, se ha elaborado una nueva aproximación híbrida denominada Fuzzy Latin Hypercube Sampling (FLHS), que combina los conjuntos de la teoría de probabilidad con la teoría de los conjuntos difusos. Una propiedad importante de esta teoría es su capacidad para separarse los aleatoriedad y imprecisión, lo que supone la obtención de una mayor calidad de la información. El resumen estadístico fuzzificado de los resultados del modelo generan índices de sensitividad e incertidumbre que relacionan los efectos de la variabilidad e incertidumbre de los parámetros de modelo con las predicciones de los modelos. La viabilidad del método se llevó a cabo mediante la aplicación de un caso a estudio donde se analizó la varianza total en la cálculo del incremento del riesgo sobre el tiempo de vida de los habitantes que habitan en los alrededores de una incineradora de residuos sólidos urbanos en Tarragona, España, debido a las emisiones de dioxinas y furanos (PCDD/Fs). La segunda parte de la tesis consistió en la utilización de las técnicas de la inteligencia artificial para la generación de índices medioambientales. En el primer artículo se desarrolló un Índice de Peligrosidad a partir de los valores de persistencia, bioacumulación y toxicidad de un elevado número de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Para su elaboración, se utilizaron los Mapas de Auto-Organizativos (SOM), que proporcionaron un ranking de peligrosidad para cada compuesto. A continuación, se elaboró un Índice de Riesgo Integral teniendo en cuenta el Índice de peligrosidad y las concentraciones de cada uno de los contaminantes en las muestras de suelo recogidas en la zona de estudio. Finalmente, se elaboró un mapa de la distribución espacial del Índice de Riesgo Integral mediante la representación en un Sistema de Información Geográfico (SIG). El segundo artículo es un mejoramiento del primer trabajo. En este estudio, se creó un método híbrido de los Mapas Auto-organizativos con los métodos probabilísticos, obteniéndose de esta forma un Índice de Riesgo Integrado. Mediante la combinación de SOM y el análisis de Monte-Carlo se desarrolló una nueva aproximación llamada Índice de Peligrosidad Neuro-Probabilística. Este nuevo índice es una herramienta adecuada para ser utilizada en los procesos de análisis. En ambos artículos, la viabilidad de los métodos han sido validados a través de su aplicación en el área de la industria química y petroquímica de Tarragona (Cataluña, España). El tercer apartado de esta tesis está enfocado en la elaboración de una estructura metodológica de un sistema de ayuda en la toma de decisiones para la gestión del riesgo medioambiental. En este estudio, se presenta un modelo integrado de análisis de fuzzy (IFRA) para la evaluación del riesgo cuyo resultado depende de múltiples criterios. El modelo es una visión integrada de las técnicas de incertidumbre basadas en diseños de valoraciones múltiples, relaciones fuzzy y procesos analíticos jerárquicos inciertos. La integración de la simulación del sistema y el análisis del riesgo utilizando aproximaciones inciertas permitieron incorporar la incertidumbre procedente del modelo junto con la incertidumbre procedente de la subjetividad de los criterios. En este estudio, se ha demostrado que es posible crear una amplia integración entre la simulación de un sistema incierto y de un análisis de riesgo incierto. En conclusión, este trabajo demuestra ampliamente la utilidad de aproximación Soft Computing en el análisis de riesgos ambientales. Los métodos propuestos podría avanzar significativamente la práctica de análisis de riesgos de abordar eficazmente el problema de propagación de incertidumbre

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

Current Air Quality Issues

Air pollution is thus far one of the key environmental issues in urban areas. Comprehensive air quality plans are required to manage air pollution for a particular area. Consequently, air should be continuously sampled, monitored, and modeled to examine different action plans. Reviews and research papers describe air pollution in five main contexts: Monitoring, Modeling, Risk Assessment, Health, and Indoor Air Pollution. The book is recommended to experts interested in health and air pollution issues

The Development of Bridge Inspection Strategies Based on a Statistical Analysis of Deterioration in Underwater Structures.

A comprehensive statistical analysis was performed on the condition data generated by a statewide underwater inspection of bridges in Louisiana. The research defined pertinent underwater structural decay characteristics and established a method for establishing a bridge\u27s propensity for underwater deterioration based upon those relevant factors. The inspection results were reviewed to ascertain the impact of human-bias on the consistency in the bridge condition ratings. Using a set of importance factors obtained through a questionnaire submitted to a group of inspectors, the fuzzy set theory was employed to assist in the removal of data incongruities. A combination of pure fuzzy set theory and classical binary weighting was found to produce optimal results. Bridge age, material-type, and location were found to be significant in defining the rate of deterioration in Louisiana bridges. Linear least-squares, piece-wise linear least-squares, and polynomial regression curves were matched to the overall underwater condition ratings, with the piece-wise linear least-square curves providing the optimal fit for concrete and steel bent bridges and linear least-squares best describing the regression of timber bent bridges. For concrete and steel bent bridges, significant changes in deterioration rates were found at ages of 20 and 40 years. Comparisons of regression curves for neighboring states indicated reasonable consistency in results for different inspection programs if similar inspection methodologies are employed. The correlation between above-water and subsurface inspection ratings was found to be poor for concrete and steel bent bridges, but acceptable for timber bent bridges within a given age group. Additionally, a poor correlation was found between water quality data and underwater bridge deterioration rates. A methodology for determining the frequency and detail of future underwater inspection projects was developed based upon the deterioration trends and available bridge decay-defining characteristics discovered in this research

Contemporary environmental issues of landfill leachate: assessment & remedies

AbstractLandfills are the primary option for waste disposal all over the world. Most of the landfill sites across the world are old and are not engineered to prevent contamination of the underlying soil and groundwater by the toxic leachate. The pollutants from landfill leachate have accumulative and detrimental effect on the ecology and food chains leading to carcinogenic effects, acute toxicity and genotoxicity among human beings. Management of this highly toxic leachate presents a challenging problem to the regulatory authorities who have set specific regulations regarding maximum limits of contaminants in treated leachate prior to disposal into the environment to ensure minimal environmental impact. There are different stages of leachate management such as monitoring of its formation and flow into the environment, identification of hazards associated with it and its treatment prior to disposal into the environment. This review focuses on: (i) leachate composition, (ii) Plume migration, (iii) Contaminant fate, (iv) Leachate plume monitoring techniques, (v) Risk assessment techniques, Hazard rating methods, mathematical modeling, and (vi) Recent innovations in leachate treatment technologies. However, due to seasonal fluctuations in leachate composition, flow rate and leachate volume, the management approaches cannot be stereotyped. Every scenario is unique and the strategy will vary accordingly. This paper lays out the choices for making an educated guess leading to the best management option