Spatial Association from the Perspective of Mutual Information

Measures of spatial association are important to reveal the spatial structures and patterns in geographical phenomena. They have utility for spatial interpolation, stochastic simulation, and causal inference, among others. Such measures are abundantly available for continuous spatial variables, whereas for categorical spatial variables they are less well developed. In this research, we developed a measure of spatial association for categorical spatial variables coined the entropogram, quantifying its spatial association using mutual information. Mutual information concerns information shared by pairs of random variables at different locations as revealed by their observed joint frequency distribution and marginal frequency distributions. The developed new measure is modeled as a function of lag in analogy to the variogram. Whereas existing measures focus mainly on interstate relationships, the entropogram models the spatial correlation in categorical spatial variables holistically. In this way, the entropogram imparts multiple advantages, for example, simplifying the representation of spatial structure for categorical variables and facilitating communication. The entropogram also reflects variation in the spatial correlation between different states. We first explored the properties of the entropogram in a simulation study. Then, we applied the entropogram to analyze the spatial association of land cover types in Qinxian, Shanxi, China. We conclude that the entropogram provides a suitable addition to existing measures of spatial association for applications in a wide range of disciplines where the categorical spatial variable is of interest.</p

Principles and methods of scaling geospatial Earth science data

The properties of geographical phenomena vary with changes in the scale of measurement. The information observed at one scale often cannot be directly used as information at another scale. Scaling addresses these changes in properties in relation to the scale of measurement, and plays an important role in Earth sciences by providing information at the scale of interest, which may be required for a range of applications, and may be useful for inferring geographical patterns and processes. This paper presents a review of geospatial scaling methods for Earth science data. Based on spatial properties, we propose a methodological framework for scaling addressing upscaling, downscaling and side-scaling. This framework combines scale-independent and scale-dependent properties of geographical variables. It allows treatment of the varying spatial heterogeneity of geographical phenomena, combines spatial autocorrelation and heterogeneity, addresses scale-independent and scale-dependent factors, explores changes in information, incorporates geospatial Earth surface processes and uncertainties, and identifies the optimal scale(s) of models. This study shows that the classification of scaling methods according to various heterogeneities has great potential utility as an underpinning conceptual basis for advances in many Earth science research domains. © 2019 Elsevier B.V

Expérimentations et modélisations tridimensionnelles de l’hydrodynamique, du transport particulaire, de la décantation et de la remise en suspension en régime transitoire dans un bassin de retenue d’eaux pluviales urbaines

Stormwater detention basins are used to preserve the quality of receiving waters by sedimentation during the wet weather. However, the removal efficiencies of basin were not satisfactory due to the not well understanding of the sedimentation processes. In order to further understand these processes in the real facilities, this thesis therefore focuses both on in situ experiments and modeling of the hydrodynamic and sediment transport in field detention basin and in small scale basin in laboratory. This research was supported by large part on the Django Reinhardt basin (DRB) in Chassieu within the OTHU program and the experimental data deriving from Dufresne (2008) and Vosswinkel et al. (2012). Samples of sediments accumulated in the basin were collected and their physical characteristics were analyzed in order to determine their spatial distribution. Concerning numerical modeling, the hydrodynamic simulations in steady state were performed using CFD software Fluent and were evaluated by the correlation analysis between the hydrodynamic behavior of DRB and the spatial distribution of the physical characteristics of sediments. The bed boundary conditions used in the literatures were tested in order to represent the spatial distribution of sediments and removal efficiency of DRB. The conditions tested were: i) critical bed shear stress - BSS and ii) critical bed turbulent kinetic energy - BTKE. Because of the failure prediction of DRB deposit zones with usual bed boundary conditions, a new relationship based on particle settling velocities has been proposed to estimate the BTKE threshold for the bed boundary condition. The proposed boundary condition was tested in a pilot basin (Dufresne, 2008) and the DRB using the Euler-Lagrange approach under steady flow conditions. The results were not very satisfactory regarding the DRB deposit zones, even considering non-uniform grain size. In order to better predict the deposit zones and settling efficiency in field detention basins, a new method has been proposed accounting for the sediment transport, settling and erosion under unsteady conditions. Based on this proposed method for representing the particle transport, settling and erosion processes under unsteady conditions, various simulations with different bed boundary conditions were carried out in a pilot rectangular basin (Vosswinkel et al., 2012). The predictions of removal efficiencies and deposition zones are satisfactory. Hence, taking into account transient effects on both hydrodynamics and sediment transport leads to drastically improve the spatial and temporal distributions of sediments in settling detention basins.Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s’est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l’OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l’hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l’analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l’efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress – BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L’approche Euler-Lagrange dite « particle tracking » a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l’aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n’étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l’efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisante

Experiments and 3D modelling of hydrodynamics, sediment transport, settling and resuspension under unsteady conditions in an urban stormwater detention basin

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s’est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l’OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l’hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l’analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l’efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress – BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L’approche Euler-Lagrange dite « particle tracking » a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l’aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n’étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l’efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantesStormwater detention basins are used to preserve the quality of receiving waters by sedimentation during the wet weather. However, the removal efficiencies of basin were not satisfactory due to the not well understanding of the sedimentation processes. In order to further understand these processes in the real facilities, this thesis therefore focuses both on in situ experiments and modeling of the hydrodynamic and sediment transport in field detention basin and in small scale basin in laboratory. This research was supported by large part on the Django Reinhardt basin (DRB) in Chassieu within the OTHU program and the experimental data deriving from Dufresne (2008) and Vosswinkel et al. (2012). Samples of sediments accumulated in the basin were collected and their physical characteristics were analyzed in order to determine their spatial distribution. Concerning numerical modeling, the hydrodynamic simulations in steady state were performed using CFD software Fluent and were evaluated by the correlation analysis between the hydrodynamic behavior of DRB and the spatial distribution of the physical characteristics of sediments. The bed boundary conditions used in the literatures were tested in order to represent the spatial distribution of sediments and removal efficiency of DRB. The conditions tested were: i) critical bed shear stress - BSS and ii) critical bed turbulent kinetic energy - BTKE. Because of the failure prediction of DRB deposit zones with usual bed boundary conditions, a new relationship based on particle settling velocities has been proposed to estimate the BTKE threshold for the bed boundary condition. The proposed boundary condition was tested in a pilot basin (Dufresne, 2008) and the DRB using the Euler-Lagrange approach under steady flow conditions. The results were not very satisfactory regarding the DRB deposit zones, even considering non-uniform grain size. In order to better predict the deposit zones and settling efficiency in field detention basins, a new method has been proposed accounting for the sediment transport, settling and erosion under unsteady conditions. Based on this proposed method for representing the particle transport, settling and erosion processes under unsteady conditions, various simulations with different bed boundary conditions were carried out in a pilot rectangular basin (Vosswinkel et al., 2012). The predictions of removal efficiencies and deposition zones are satisfactory. Hence, taking into account transient effects on both hydrodynamics and sediment transport leads to drastically improve the spatial and temporal distributions of sediments in settling detention basins

Effects of Sulfate, Chloride, and Bicarbonate on Iron Stability in a PVC-U Drinking Pipe

In order to describe iron stability in plastic pipes and to ensure the drinking water security, the influence factors and rules for iron adsorption and release were studied, dependent on the Unplasticized poly (vinyl chloride) (PVC-U) drinking pipes employed in this research. In this paper, sulfate, chloride, and bicarbonate, as well as synthesized models, were chosen to investigate the iron stability on the inner wall of PVC-U drinking pipes. The existence of the three kinds of anions could significantly affect the process of iron adsorption, and a positive association was found between the level of anion concentration and the adsorption rate. However, the scaling formed on the inner surface of the pipes would be released into the water under certain conditions. The Larson Index (LI), used for a synthetic consideration of anion effects on iron stability, was selected to investigate the iron release under multi-factor conditions. Moreover, a well fitted linear model was established to gain a better understanding of iron release under multi-factor conditions. The simulation results demonstrated that the linear model was better fitted than the LI model for the prediction of iron release

2D Modelling and energy analysis of entrapped air-pocket propagation and spring-like geysering in the drainage pipeline system

Transient (highly unsteady) air–water two-phase flows and spring-like geysers have been one of the critical concerns in drainage pipeline systems, which may cause or exacerbate drainage flooding problems and associated damage consequences. In this paper, the flow dynamics and energy evolution mechanism of the induced spring-like geysers are innovatively investigated through a two-phase full-2D numerical model developed in this study. After full validation by laboratory experimental tests conducted in this study, the proposed 2D model is systematically applied to simulate transient air–water flows in drainage pipelines. The results have shown acceptable accuracy of this full-2D model to capture the complex flow interactions between the air and water phases, and indicated that the velocity and pressure distribution patterns are highly relevant to the air–water interface deformation and energy exchange. The in-depth energy analysis demonstrates that the intermittent eruption of geysers could be attributed to the conservation and release of different energy forms during the transient air–water two-phase flow process. Besides, the numerical applications for the systems with different boundaries and initial conditions indicate that the different ventilation conditions and initially entrapped air volume may significantly affect the velocity distribution of the air phase, thereby playing an essential role to provide effective measures to mitigate unexpected geyser events and pressure oscillations in the system. The results and findings of this paper could provide insights to improve the theory and practice of transient air–water two-phase flows in drainage pipeline systems

Modélisation numérique 3D de la décantation et de la remise en suspension des polluants particulaires en régime transitoire dans un bassin de retenue-décantation des eaux pluviales

Les bassins de retenue des eaux pluviales peuvent être utilisés pour contrôler les polluants particulaires des rejets urbains par temps de pluie. Pour améliorer leur fonctionnement, il est indispensable de maîtriser et mieux modéliser les phénomènes liés au transport des particules (décantation, remise en suspension, dispersion). En général, le débit et les rejets polluants varient en fonction du temps au cours des événements pluvieux. Cependant, la majorité des études faisant appel à la CFD pour simuler le transport particulaire dans les bassins de décantation n'a pas accordé suffisamment d'attention à l'effet des variations temporelles sur les mécanismes de transport. Cet article présente une nouvelle démarche de modélisation du transport particulaire à l'aide de l'approche Euler-Lagrange afin de prendre en compte la remise en suspension en conditions transitoires. Pour ce faire, plusieurs conditions limites au fond ont été développées et implémentées dans un code de calcul afin de représenter l'interaction entre les particules et le fond du bassin. La comparaison des résultats des simulations avec les données expérimentales sur l'efficacité de décantation et les zones de dépôt montre que les conditions de type BTKE et BSS estimées à partir des caractéristiques des particules sont satisfaisantes

Modélisation numérique 3D des écoulements turbulents à surface libre chargés en polluants particulaires dans un bassin de retenue-décantation des eaux pluviales

Une fraction importante des charges polluantes des eaux pluviales est fixée sur les particules solides souvent véhiculées en suspension et qui décantent facilement lorsque les conditions hydrodynamiques le permettent (faible vitesse d’écoulement en général). C’est pourquoi la connaissance du transport solide et de la décantation est indispensable à la conception et à la gestion d’un bassin. Une nouvelle méthode permettant de simuler les processus de décantation est présentée dans cet article. Elle est fondée sur la comparaison de l’énergie transportée par la particule lorsqu’elle décante à l’énergie cinétique turbulente près du fond. L’énergie liée à la particule qui décante est calculée à partir de sa vitesse de chute. Sur cette base, un programme a été développé et intégré dans le logiciel Ansys Fluent. Le modèle développé a ensuite été testé dans le but d’identifier les zones préférentielles de dépôt dans un bassin pilote. Les résultats obtenus montrent que les zones de dépôt observées et simulées sont similaires. Cette méthode permet de prendre en compte simultanément les caractéristiques de la particule (principalement la vitesse de chute) et celles de l’écoulement près du fond (en particulier l’énergie cinétique turbulente)

Phylogenetic relationship of Chinese pangolin (Manis pentadactyla aurita) revealed by complete mitochondrial genome

The Chinese pangolin (Manis pentadactyla) is an extremely endangered species, it has been banned from international trade due to a sharp decline of the population number in China. It is difficult to distinguish among subspecies, thus making it entangled in law enforement. In order to clarify this chaos, we determined and annotated the whole mtDNA genome of the Chinese pangolin. The complete mitogenome is 16 573 bp in length, includeing 13 protein-coding genes, 22 tRNA genes, 2 rRNA genes, and one control region. We built the phylogenetic tree of Chinese pangolinand other 7 most related Manis species