222.580 Modelling and simulation methods in water resource systems
Diese Lehrveranstaltung ist in allen zugeordneten Curricula Teil der STEOP.
Diese Lehrveranstaltung ist in mindestens einem zugeordneten Curriculum Teil der STEOP.

2024W, VU, 3.0h, 4.0EC

Merkmale

  • Semesterwochenstunden: 3.0
  • ECTS: 4.0
  • Typ: VU Vorlesung mit Übung
  • Format der Abhaltung: Präsenz

Lernergebnisse

Nach positiver Absolvierung der Lehrveranstaltung sind Studierende in der Lage, Simulationsmethoden in Wasserressourcensystemen zu verstehen, zu bewerten und anzuwenden. Die Lehrveranstaltung besteht aus den folgenden Einheiten:

1. Einführung und allgemeiner Ansatz: Was ist ein Modell, typische Probleme, Zeitskalen, deterministische und stochastische Modelle, Block- und verteilte Modelle, Abstraktionsebene mikroskalige und makroskalige Modelle, Modellkomplexität, Reduktionismus und Holismus, typisches Vorgehen bei einer Modellierungsstudie: Modellierung, Überprüfung des Codes, Kalibrierung, Validierung des Modells

2. Stochastische Modelle (1) Grundlagen: Zufallszahlen, Häufigkeit, Wahrscheinlichkeit, Stichprobe und Grundgesamtheit, Verteilungsfunktionen, Parameterschätzung, Zufallszahlengeneratoren, Realisierungen

3. Stochastische Modelle (2) Zeitreihenmodelle: kontinuierlich-diskrete Prozesse: Autokorrelation, autoregressive Modelle, Markov-Prozess, Parameterschätzung

4. Deterministische Modelle (1) Dynamische Modelle: Kausalschleifendiagramme, 7 Schritte zur Erstellung dynamischer Modelle, gekoppelte lineare Modelle, Räuber-Beute-Modell, Anwendungen in Wasserressourcensystemen.

5. Deterministische Modelle (2) Grundgleichungen: Bilanzgleichungen: Masse, Energie, Impuls; Kontrollvolumen, Kontrollintervall, Newtonsches Gesetz; Transportgleichungen; Fick, Fourier, Newton; Stoffgesetze: Hook, Zerfall, Abfluss, chemische Reaktionen

6. Deterministische Modelle (3) Differentialgleichungen: gewöhnliche Differentialgleichungen erster Ordnung (Beispiel: Konzentration in einem See, ...), Anfangs- und Randbedingungen; Diffusionsgleichung (Beispiel: Grundwasserströmung, ...), Anfangs- und Randbedingungen; Konvektions-Diffusionsgleichung (Beispiel: Transport von gelösten Stoffen), Anfangs- und Randbedingungen

7. Deterministische Modelle (4) Lösung von Differentialgleichungen: analytisch-direkt, Methode der Merkmale, explizite Differenzmethode, Stabilität und Genauigkeit; implizite Differenzmethode; finite Elemente

8. Kombinierte stochastisch-deterministische Modelle: Monte-Carlo-Simulationen erster Art, zweiter Art; kombinierte erste und zweite Art; Beispiel: Zuverlässigkeit von Wasserwirtschaftssystemen; Beispiel: advektiver Transport von gelösten Stoffen

9. Modellkalibrierung und Parameteridentifizierbarkeit; Modellkalibrierung, Aktualisierung, Parameter aus externen Informationen; Parameterschätzung, Zielfunktion, Optimierungsmethoden, Dimensionalität und Nichtlinearität; Methoden: Gradientenmethode, Simulated Annealing

10. Modellunsicherheit und Modellvalidierung: Daten-, Modell- und Parameterfehler; Methoden zur Schätzung der Unsicherheit: Plausibilitätstests, Fehlerrechnung, Gaußsche Fehlerfortpflanzung, Monte-Carlo-Simulationen zweiter Art, Sensitivitätsanalysen, Szenarien, Split-Sample-Tests, Kreuzvalidierung

Inhalt der Lehrveranstaltung

Siehe oben

Methoden

Modellierungs- und Simulationsmethoden für wasserwirtschaftliche Systeme

Prüfungsmodus

Mündlich

Weitere Informationen

222.580 Modelling and Simulation Methods in Water Resource Systems

2024W, VU, 3.0h, 4.0EC

 

 

Lecturers: Günter Blöschl, Peter Valent

 

Mon 7 Oct. 2024, 10:00 - 13:00 SR222 AD03-1 (G. Blöschl)

Tue 8 Oct. 2024, 13:00 - 15:00 SR222 AD03-1 (G. Blöschl)

Mon 14 Oct. 2024, 10:00 - 13:00 SR222 AD03-1 (G. Blöschl)

Tue 15 Oct. 2024, 13:00 - 15:00 SR222 AD03-1 (P. Valent)

Wed 16 Oct. 2024, 15:00 - 18:00 SR222 AA02-1 (P. Valent)

Mon 21 Oct. 2024, 10:00 - 13:00 SR222 AD03-1 (P. Valent)

Tue 22 Oct. 2024, 13:00 - 15:00 SR222 AD03-1 (P. Valent)

Wed 23 Oct. 2024, 15:00 - 18:00 SR222 AA02-1 (P. Valent)

Mon 2 Dec. 2024, 10:00 - 13:00 SR222 AD03-1: Examination

Mon 9 Dec. 2024, 10:00 - 13:00 SR222 AD03-1: Examination

 

 

The course consists of

 

- Lectures (according to lecture programme)

 

- Homework project: Students develop a simulation model for a water resource system, either a stochastic model or a deterministic dynamic model (for deterministic dynamic models also see course 105.730 VU Modellierung dynamischer Umweltsysteme)

 

E.g.

Stochastic: Design of an irrigation reservoir

Deterministic: Daisy world or snow ball world

 

Examination: Oral

 

Homework project is presented during the oral examination (explain R code, present and interpret results)

 

 

 

222.580 Modelling and Simulation Methods in Water Resource Systems

2024W, VU, 3.0h, 4.0EC

1. Introduction and general approach: What is a model, typical problems, time scales, deterministic and stochastic models, lumped and distributed models, level of abstraction microscale and macroscale models, model complexity, reductionism and holism, typical approach in a modelling study: Modelling, verification of code, calibration, validation of the model

2. Stochastic models (1) basics: random numbers, frequency, probability, sample and population, distribution functions, parameter estimation, random number generators, realisations

3. Stochastic models (2) time series models: continuous-discrete processes: autocorrelation, autoregressive models, Markov process, parameter estimation

4. Deterministic models (1) dynamic models: Causal loop diagrams, 7 steps to building dynamic models, coupled linear models, predator-prey model, applications in water resource systems.

5. Deterministic models (2) basic equations: balance equations: mass, energy, momentum; control volume, control interval, Newton's law; transport equations; Fick, Fourier, Newton; material laws: Hook, decay, runoff, chemical reactions

6. Deterministic models (3) differential equations: first order ordinary differential equations (example: concentration in a lake, ..), initial and boundary conditions; Diffusion equation (example: groundwater flow, ..), initial and boundary conditions; convection-diffusion equation (example: transport of solutes), initial and boundary conditions

7. Deterministic models (4) solving differential equations: analytical-direct, method of characteristics, explicit differences method, stability and accuracy; implicit differences method; finite elements

8. Combined stochastic-deterministic models: Monte Carlo simulations of the first kind, second kind; combined first and second kind; example: reliability of water resource systems; example: advective transport of solutes

9. Model calibration and parameter identifiability; model calibration, updating, parameter from external information; parameter estimation, objective function, optimisation methods, dimensionality and non-linearity; methods: gradient method, simulated annealing

10. Model uncertainty and model validation: data, model, and parameter errors; methods for estimating uncertainty: plausibility tests, error calculus, Gaussian error propagation, Monte Carlo simulations of the second kind, sensitivity analyses, scenarios, split sample testing, cross validation

 

 

Vortragende Personen

Institut

LVA Termine

TagZeitDatumOrtBeschreibung
Mo.10:00 - 13:0007.10.2024 - 09.12.2024Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Di.13:00 - 15:0008.10.2024 - 22.10.2024Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mi.15:00 - 18:0016.10.2024 - 23.10.2024Seminarraum AA 02 – 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Modelling and simulation methods in water resource systems - Einzeltermine
TagDatumZeitOrtBeschreibung
Mo.07.10.202410:00 - 13:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Di.08.10.202413:00 - 15:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mo.14.10.202410:00 - 13:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Di.15.10.202413:00 - 15:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mi.16.10.202415:00 - 18:00Seminarraum AA 02 – 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mo.21.10.202410:00 - 13:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Di.22.10.202413:00 - 15:00Seminarraum AD 03 - 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mi.23.10.202415:00 - 18:00Seminarraum AA 02 – 1 Modelling and simulation methods in water resource systems
Mo.02.12.202410:00 - 13:00Seminarraum AD 03 - 1 Prüfung
Mo.09.12.202410:00 - 13:00Seminarraum AD 03 - 1 Prüfung

Leistungsnachweis

 Mündliche Prüfung und Modellierungsprojekt

LVA-Anmeldung

Nicht erforderlich

Curricula

StudienkennzahlVerbindlichkeitSemesterAnm.Bed.Info
066 505 Bauingenieurwissenschaften Gebundenes Wahlfach
066 566 Umweltingenieurwesen Gebundenes Wahlfach

Literatur

Es wird kein Skriptum zur Lehrveranstaltung angeboten.

Sprache

Englisch