Field-based measurement of hydrodynamics associated with engineered in-channel structures: the example of fish pass assessment

The construction of fish passes has been a longstanding measure to improve river ecosystem status by ensuring the passability of weirs, dams and other in- channel structures for migratory fish. Many fish passes have a low biological effectiveness because of unsuitable hydrodynamic conditions hindering fish to rapidly detect the pass entrance. There has been a need for techniques to quantify the hydrodynamics surrounding fish pass entrances in order to identify those passes that require enhancement and to improve the design of new passes. This PhD thesis presents the development of a methodology for the rapid, spatially continuous quantification of near-pass hydrodynamics in the field. The methodology involves moving-vessel Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurements in order to quantify the 3-dimensional water velocity distribution around fish pass entrances. The approach presented in this thesis is novel because it integrates a set of techniques to make ADCP data robust against errors associated with the environmental conditions near engineered in-channel structures. These techniques provide solutions to (i) ADCP compass errors from magnetic interference, (ii) bias in water velocity data caused by spatial flow heterogeneity, (iii) the accurate ADCP positioning in locales with constrained line of sight to navigation satellites, and (iv) the accurate and cost-effective sensor deployment following pre-defined sampling strategies. The effectiveness and transferability of the methodology were evaluated at three fish pass sites covering conditions of low, medium and high discharge. The methodology outputs enabled a detailed quantitative characterisation of the fish pass attraction flow and its interaction with other hydrodynamic features. The outputs are suitable to formulate novel indicators of hydrodynamic fish pass attractiveness and they revealed the need to refine traditional fish pass design guidelines

Automated identification of river hydromorphological features using UAV high resolution aerial imagery

European legislation is driving the development of methods for river ecosystem protection in light of concerns over water quality and ecology. Key to their success is the accurate and rapid characterisation of physical features (i.e., hydromorphology) along the river. Image pattern recognition techniques have been successfully used for this purpose. The reliability of the methodology depends on both the quality of the aerial imagery and the pattern recognition technique used. Recent studies have proved the potential of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to increase the quality of the imagery by capturing high resolution photography. Similarly, Artificial Neural Networks (ANN) have been shown to be a high precision tool for automated recognition of environmental patterns. This paper presents a UAV based framework for the identification of hydromorphological features from high resolution RGB aerial imagery using a novel classification technique based on ANNs. The framework is developed for a 1.4 km river reach along the river Dee in Wales, United Kingdom. For this purpose, a Falcon 8 octocopter was used to gather 2.5 cm resolution imagery. The results show that the accuracy of the framework is above 81%, performing particularly well at recognising vegetation. These results leverage the use of UAVs for environmental policy implementation and demonstrate the potential of ANNs and RGB imagery for high precision river monitoring and river management

Zukünftige maritime Treibstoffe und deren mögliche Importkonzepte

Weltweit werden etwa 90 % des internationalen Güterverkehrs per Schiff abgewickelt. Die meisten Schiffe nutzen dabei Schweröl und sind für ungefähr 3 % des weltweiten Anteils an den CO2-Emissionen verantwortlich. Die Dekarbonisierung des Schiffverkehrs spielt eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung einer klimaneutralen Transportwirtschaft. Daher hat sich die International Maritime Organisation (Internationale Seeschifffahrtsorganisation, IMO) das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2050 im Vergleich zu 2008 zu halbieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen pro Tonnenmeile bis 2050 um 70 % zu senken. Um diese Ziele zu erfüllen besteht ein Bedarf an erneuerbaren Kraftstoffen, um die Umwelt- und Klimaauswirkungen der Schifffahrt kurz- und langfristig zu verringern. In dieser Kurzstudie werden alternative Kraftstoffe für die Zukunft des maritimen Sektors wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) unter Berücksichtigung ihrer Produktion sowie Lagerung und Transports dargestellt. Zu Beginn der vorliegenden Kurzstudie werden Wasserstofftechnologien und Herstellungs-verfahren synthetischer Kraft- und Brennstoffe erläutert, die an Standorten mit viel Potenzial für die Erzeugung erneuerbarer Energien eingesetzt werden. Es wird ein Überblick über die Speicherung, den internationalen Transport, sowie die Binnenverteilung von Kraftstoffen zur Versorgung der Endverbraucher gegeben. Insgesamt werden die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Kraftstoffen nach Deutschland und Europa unter technischen, ökonomischen und Sicherheitsaspekten bewertet, und anschließend werden mögliche Kandidaten für die Versorgung mit und die Anwendungsfälle von wasserstoffbasierten Kraftstoffen erläutert

Kurzstudie: Zukünftige maritime Treibstoffe und deren mögliche Importkonzepte

Weltweit werden etwa 90 % des internationalen Güterverkehrs per Schiff abgewickelt. Die meisten Schiffe nutzen dabei Schweröl und sind für ungefähr 3 % des weltweiten Anteils an den CO2-Emissionen verantwortlich. Die Dekarbonisierung des Schiffverkehrs spielt eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung einer klimaneutralen Transportwirtschaft. Daher hat sich die International Maritime Organisation (Internationale Seeschifffahrtsorganisation, IMO) das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen bis 2050 im Vergleich zu 2008 zu halbieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen pro Tonnenmeile bis 2050 um 70 % zu senken. Um diese Ziele zu erfüllen besteht ein Bedarf an erneuerbaren Kraftstoffen, um die Umwelt- und Klimaauswirkungen der Schifffahrt kurz- und langfristig zu verringern. In dieser Kurzstudie werden alternative Kraftstoffe für die Zukunft des maritimen Sektors wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) unter Berücksichtigung ihrer Produktion sowie Lagerung und Transports dargestellt. Zu Beginn der vorliegenden Kurzstudie werden Wasserstofftechnologien und Herstellungs-verfahren synthetischer Kraft- und Brennstoffe erläutert, die an Standorten mit viel Potenzial für die Erzeugung erneuerbarer Energien eingesetzt werden. Es wird ein Überblick über die Speicherung, den internationalen Transport, sowie die Binnenverteilung von Kraftstoffen zur Versorgung der Endverbraucher gegeben. Insgesamt werden die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Kraftstoffen nach Deutschland und Europa unter technischen, ökonomischen und Sicherheitsaspekten bewertet, und anschließend werden mögliche Kandidaten für die Versorgung mit und die Anwendungsfälle von wasserstoffbasierten Kraftstoffen erläutert

An improved wavelet-ARIMA approach for forecasting metal prices

Metal price forecasts support estimates of future profits from metal exploration and mining and inform purchasing, selling and other day-to-day activities in the metals industry. Past research has shown that cyclical behaviour is a dominant characteristic of metal prices. Wavelet analysis enables to capture this cyclicality by decomposing a time series into its frequency and time domain. This study assesses the usefulness of an improved combined wavelet-autoregressive integrated moving average (ARIMA) approach for forecasting monthly prices of aluminium, copper, lead and zinc. The performance of ARIMA models in forecasting metal prices is demonstrated to be increased substantially through a wavelet- based multiresolution analysis (MRA) prior to ARIMA model fitting. The approach demonstrated in this paper is novel because it identifies the optimal combination of the wavelet transform type, wavelet function and the number of decomposition levels used in the MRA and thereby increases the forecast accuracy significantly. The results showed that, on average, the proposed framework has the potential to increase the accuracy of one month ahead forecasts by $53/t for aluminium,$126/t for copper, $50/t for lead and$51/t for zinc, relative to classic ARIMA models. This highlights the importance of taking into account cyclicality when forecasting metal prices

Acoustic Doppler Current Profiler measurements near a weir with fish pass: assessing solutions to compass errors, spatial data referencing and spatial flow heterogeneity

There has been an increasing interest in the use of Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) to characterise the hydraulic conditions near river engineering structures such as dams, fish passes and groins, as part of ecological and hydromorphological assessments. However, such ADCP applications can be limited by compass errors, obstructed view to navigation satellites, frequent loss of bottom tracking and spatially heterogeneous flow leading to erroneous water velocity measurements. This study addresses these limitations by (i) developing a heading sensor integration algorithm that corrects compass errors from magnetic interference, (ii) testing a Total Station based technique for spatial ADCP data referencing and (iii) evaluating a recently proposed data processing technique that reduces bias from spatial flow heterogeneity. The integration of these techniques on a radio control ADCP platform is illustrated downstream of a weir with fish pass on the River Severn, UK. The results show that each of the techniques can have a statistically significant effect on the estimated total water velocities and can strongly affect measures of vorticity. The obtained three-dimensional flow maps are suitable to describe the magnitude and orientation of the fish pass attraction flow in relation to competing flows and to highlight areas of increased vorticity