Abteilung Systemanalyse, Integrated Assessment und Modellierung

Software

Santiago.jl: Sanitation System Alternative Generator

Santiago is a Julia package to generate appropriate sanitation system options. Given a set of sanitation technologies it

  • finds all compatible systems
  • assesses the appropriateness of a technology for the given case (context)
  • assesses the overall appropriateness of the generated sanitation systems for the  given context
  • calculates the mass flows for each system for total phosphor, total nitrogen, totalsolids, and water (optionally with uncertainly quantification)
  • selects a meaningful subset of suitable systems for the given context for further evaluation

github.com/santiago-sanitation-systems/Santiago.jl

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adaptMCMC: Adaptive Monte Carlo Markov Chain Sampler

User friendly R package to sample from unnormalized probability distributions as often needed for Bayesian inference. It implements the adaptive sampling algorithm proposed by Vihola (2012).

cran.r-project.org/package=adaptMCMC

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timedeppar: Infer Constant and Stochastic, Time-Dependent Model Parameters

R package for inferring constant and stochastic, time-dependent parameters to consider intrinsic stochasticity of a dynamic model and/or to analyze model structure modifications that could reduce model deficits. The concept is based on inferring time-dependent parameters as stochastic processes in the form of Ornstein-Uhlenbeck processes jointly with inferring constant model parameters and parameters of the Ornstein-Uhlenbeck processes. The package also contains functions to sample from and calculate densities of Ornstein-Uhlenbeck processes.

cran.r-project.org/package=timedeppar

References:

Tomassini, L., Reichert, P., Kuensch, H.-R. Buser, C., Knutti, R. and Borsuk, M.E. (2009) "A smoothing algorithm for estimating stochastic, continuous-time model parameters and its application to a simple climate model." Journal of the Royal Statistical Society: Series C (Applied Statistics) 58, 679-704, doi.org/10.1111/j.1467-9876.2009.00678.x

Reichert, P., and Mieleitner, J. (2009) "Analyzing input and structural uncertainty of nonlinear dynamic models with stochastic, time-dependent parameters." Water Resources Research, 45, W10402, doi.org/10.1029/2009WR007814

Reichert, P., Ammann, L. and Fenicia, F. (2021) "Potential and challenges of investigating intrinsic uncertainty of hydrological models with stochastic, time-dependent parameters", Water Resources Research 57(3), e2020WR028400, doi.org/10.1029/2020WR028400

Reichert, P. (2022) "timedeppar: An R package for inferring stochastic, time-dependent model parameters", in preparation.

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utility: Construct, Evaluate and Plot Value and Utility Functions

R package for constructing and plotting objective hierarchies and associated value and utility functions. Evaluate the values and utilities and visualize the results as colored objective hierarchies or tables. Visualize uncertainty by plotting median and quantile intervals within the nodes of objective hierarchies. Get numerical results of the evaluations in standard R data types for further processing.

cran.r-project.org/package=utility

References:

Reichert, P., Schuwirth, N. and Langhans, S. Constructing, evaluating and visualizing value and utility functions for decision support. Environmental Modelling & Software 46, 283-291, 2013, doi.org/10.1016/j.envsoft.2013.01.017

Reichert, P., Langhans, S., Lienert, J. and Schuwirth, N. The Conceptual Foundation of Environmental Decision Support. Journal of Environmental Management 154, 316-332, 2015, doi.org/10.1016/j.jenvman.2015.01.053

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ecosim: Toolbox for Aquatic Ecosystem Modeling

R package with classes and methods for implementing aquatic biogeochemical-ecological models, for running these models, and for visualizing their results.

cran.r-project.org/package=ecosim

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stoichcalc: R Functions for Solving Stoichiometric Equations

Given a list of substance compositions, a list of substances involved in a process, and a list of constraints in addition to mass conservation of elementary constituents, the R package contains functions to build the substance composition matrix, to analyze the uniqueness of process stoichiometry, and to calculate stoichiometric coefficients if process stoichiometry is unique.

cran.r-project.org/package=stoichcalc

Reference:

Reichert, P. and Schuwirth, N., “A generic framework for deriving process stoichiometry in enviromental models”, Environmental Modelling and Software 25, 1241-1251, 2010, doi.org/10.1016/j.envsoft.2010.03.002

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Frühere Computerprogramme

SPUX

SPUX - “Scalable Package for Uncertainty Quantification”

SPUX is a modular framework for Bayesian inference and uncertainty quantification.
SPUX can be coupled with linear and nonlinear, deterministic and stochastic models.
SPUX supports model in any programming language (e.g. Python, R, Julia, C/C++, Fortran, Java).
SPUX scales effortlessly from serial run to parallel high performance computing clusters.
SPUX is application agnostic, with current examples in environmental data sciences.

SPUX is actively developed at Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, by researchers in the High Performance Scientific Computing Group, https://www.eawag.ch/sc.

Scientific website of the SPUX project

Documentation

Source code respository

 

You are welcome to browse through the results gallery of the models already coupled to spux.This is free software, distributed under Apache (v2) License.If you use this software, please cite (preprint available at arxiv.org/abs/1711.01410)

Publikationen

Šukys, J.; Kattwinkel, M. (2018) SPUX: scalable particle Markov Chain Monte Carlo for uncertainty quantification in stochastic ecological models, In: Bassini, S.; Danelutto, M.; Dazzi, P.; Joubert, G. R.; Peters, F. (Eds.), Parallel computing is everywhere, 159-168, doi:10.3233/978-1-61499-843-3-159, Institutional Repository

AQUASIM

Computer Program for the Identification and Simulation of Aquatic Systems

Short Program Description

In order to support environmental scientists in finding an «adequate» model of the system they are investigating, a computer program is necessary, which allows its users to perform simulations using different models, to assess the identifiability and to estimate the values of model parameters (using measured data), and to estimate prediction uncertainty. The computer program AQUASIM was developed to perform such analyses for technical and natural aquatic systems.

AQUASIM allows its users to define the spatial configuration of the system to be investigated as a set of compartments, which can be connected to each other by links. The available compartment types are mixed reactors, biofilm reactors (consisting of a biofilm and a bulk fluid phase), advective-diffusive reactors (plug flow reactors with or without dispersion), saturated soil columns (with sorption and pore volume exchange), river sections (describing water flow and substance transport and transformation in open channels) and lakes (describing stratification and substance transport and transformation in the water column of the lake and in adjacent sediment layers). Compartments can be connected by two types of links (lakes cannot be linked to other compartments). Advective links represent water flow and advective substance transport between compartments, including bifurcations and junctions. Diffusive links represent boundary layers or membranes, which can be penetrated selectively by certain substances. The user of the program is free in specifying any set of state variables and transformation processes to be active within the compartments. For the model as defined by the user, the program is able to perform simulations, sensitivity analyses and parameter estimations using measured data. These features make the program a very useful research tool. Calculated results can be plotted to the screen (window interface version only), written to a Post-Script file for transfer to a printer, or written to a text file for external post-processing.

Due to the possibility of starting with a simple model and gradually increasing model complexity later on by considering additional variables and processes, AQUASIM is also well suited for application by students in exercises accompanying a lecture on environmental modelling. The possibility of comparing different models and the capability of the program to estimate the uncertainty of calculated results (for a given, certain model) also stimulate discussions on the limits of the reliability of model predictions.

Three versions of the program are available. The window interface version uses the graphical user interface of the Microsoft Windows operating system, the character interface version can be run on a primitive teletype terminal, and the batch version is designed for long calculations to be submitted as batch jobs. The batch and character interface versions can be compiled on any operating system with any C++ compiler.

References

Please cite the use of the program by referring to one of the following publications. Besides acknowledging our work, this also allows the program users to identify other groups that use AQUASIM.

Survey of program features

Reichert, P., «AQUASIM - A tool for simulation and data analysis of aquatic systems», Water Sci. Tech., 30(2), 21-30, 1994. http://wst.iwaponline.com/content/30/2/21 (open access)

Survey of programming techniques

Reichert, P., «Design techniques of a computer program for the identification of processes and the simulation of water quality in aquatic systems», Environmental Software 10(3), 199-210, 1995. doi:10.1016/0266-9838(95)00010-Ihttp://dx.doi.org/10.1016/0266-9838%2895%2900010-I

Technical Documentation

Detailed technical report including manual for version 1.0

Reichert, P., Concepts underlying a computer program for the identification and simulation of aquatic systems, Schriftenreihe der EAWAG Nr. 7, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), CH-8600 Dübendorf, Switzerland, 386 p., 1994. pdf

Manual and tutorial for version 2.0/2.1:

Reichert, P., AQUASIM 2.0 - User Manual, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), CH-8600 Dübendorf, Switzerland, 214 p., 1998. pdf

Reichert, P., AQUASIM 2.0 - Tutorial, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), CH-8600 Dübendorf, Switzerland, 213 p., 1998. pdf

Software

Since 2013 AQUASIM is freely available to interested users.

The following zip file contains the executables for the three program versions and the required initialization file:

aquasim.zip

The following zip file contains the complete source code of all versions:

aquasim-source.zip

Examples

AQUASIM files of Tutorial Version 1.0: tutor10.zip

AQUASIM files of Tutorial Version 2.0: tutor20.zip

AQUASIM files of additional examples: examples.zip

AQUASIM users mailing list

We don't provide any technical support. We maintain an electronic user group list that facilitates contacts among AQUASIM users. If you send a request to aquasim-users@lists.eawag.ch it is distributed to all members of the user group. These persons may give answers directly to the sender of the request or let the answer again be distributed to all user group members by sending it to aquasim-users@lists.eawag.ch . The latter method should be preferred because other readers of the list may also be interested in the answer.

To subscribe to the AQUASIM user group list send an email with the subject "subscribe" (without quotation marks) to aquasim-users-join@lists.eawag.ch. To unsubscribe send an email with the subject "unsubscribe" (without quotation marks) to aquasim-users-request@lists.eawag.ch.

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SIMBOX

Programm zur Simulation von Materie-, Stoff-, Energie- und Geldflüssen in anthropogenen Systemen

Die Erfassung, Modellierung, Steuerung und Bewertung von Stoffflüssen ist von zentraler Bedeutung im Umweltmanagement.

Das Ziel von SIMBOX war die Entwicklung eines massgeschneiderten Computerprogrammes zur Simulation und Analyse von beliebigen anthropogenen Stoffflüssen und zwar zeitunabhängigen (stationären) als auch zeitabhängigen (dynamischen).

SIMBOX Eingabemodul

SIMBOX bietet verschiedene Möglichkeiten der Systemdefinition und Dateneingabe:

  • Systemdefinition graphisch interaktiv oder via Systemgenerator
  • Dateneingabe : direkte graphische Zuordnung zu den Systemelementen oder Dateninput aus EXCEL File via Schnittstelle
  • Datenkontrolle: tabellarisch und graphisch
  • Definition der Modellgleichungen Eingebaute Standardmodelle oder benützerdefinierte Modellgleichungen für beliebige stationäre als auch für dynamische Systeme via User Interface.

SIMBOX Berechnungsmodul:

SIMBOX stellt eine ganze Reihe von Berechnungsmodulen zur Verfügung:

  • Standardrechnungen wie Berechnung der Transferkoeffizienten aus Massenflüssen, Bestimmung fehlender Flüsse, Stoffsummen etc jeweils inklusive Unsicherheiten.
  • Ausgleichsrechungen: Berechnung der optimalen Schätzwerte zu einem Datensatz.
  • Modellrechnungen: Lösung der Modellgleichungen inklusive Unsicherheiten, Sensitivitätsanalyse sowie Parametervariation.


SIMBOX Ausgabe- und Darstellungsmodul:

SIMBOX bietet viele verschiedene Darstellungsmöglichkeiten für die Resultate:

  • Visualisierung der Stoffflüsse inklusive Unsicherheiten.
  • Tabellarische Ausgabe der Resultate.
  • Resultataustausch via Exportdateien.
  • Graphische Darstellung von Kennzahlen und Kennfunktionen.
  • Zeitreihenanalyse, Gütekriterien

SIMBOX wurde seit 1991 immer weiterentwickelt und benützt von zahlreiche Firmen, Instituten und Universitäten. Studien wurden in zahlreichen Publikationen und Berichten veröffentlicht, siehe MMFA Framework.

Hardware Anforderungen:

SIMBOX wurde in Rocky-Mountain-BASIC (HP-BASIC) programmiert. Die Programmierungsumgebung HTBasic wird von der Firma TransEra Corporation 1049 South Orem Blvd. Orem, UT 84058, USA produziert. In der Schweiz wird HTBasic durch Niederer Electronic AG, Gehrenacker 25, CH-9030 Abtwil vertrieben.

Windows-Version:

  • Benötigt Windows XP, Vista, Windows 7
  • 256 MB RAM
  • Benötigt 100 MB freier Platz auf der Harddisk

Literatur:

Mathematical Material Flow Analysis Framework: MMFA Framework

Baccini P., Bader H.-P.: Regionaler Stoffhaushalt, Heidelberg Spektrum Verlag, 1996

Spezielle Publikationen und dann Suche nach Autoren Bader, Scheidegger in den Eawag Publikationen

Eawag-News 62d

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IRRM

Das Integrative Flussrevitalisierungsmodell - Ein neues Werkzeug für die Praxis der Fliessgewässer-Revitalisierung

Zur Unterstützung von Planung und Entscheidungsfindung in Fliessgewässer-Revitalisierungsprojekten wurde an der Eawag ein integratives Vorhersagemodell (IFRM) entwickelt. Im IFRM werden die wichtigsten Effekte von Revitalisierungsmassnahmen modelliert bezüglich:

  • Morphologie & Hydraulik
  • Fische
  • Benthos (Wirbellose & Algen)
  • Uferfauna
  • lokale Wirtschaft

Da die genaue Topographie nach einer Flussrevitalisierungsmassnahme nicht bekannt ist, betrachten alle Teilmodelle des IFRM den Projekt Perimeter als ein einheitliches System, ohne dabei die räumliche Auflösung (Topographie) explizit zu berücksichtigen. Das IFRM ist deshalb ein räumlich gesehen 1-dimensionales Modell, das Folgendes simuliert:

  • die grundlegende Flussmorphologie
  • Abschnittsmittelwerte (z.B. mittlere Fliessgeschwindigkeit im Flussabschnitt),
  • zeitliche Dynamiken (z.B. die zeitliche Entwicklung der Sohlenkolmation oder der Fische) und erwartete Mittelwerte (z.B. mittlere Wiederkehrzeit für Vorlandüberflutung) und
  • die räumliche (allerdings ohne konkreten topographischen Bezug) Verteilung ökologisch relevanter Grössen (z.B. die bivariate Verteilung von Fliessgeschwindigkeit und Abflusstiefe oder die relative Uferlänge)

Lizenzen

Das Herunterladen und die Verwendung des IFRM sind kostenfrei. Allerdings wird zur Benützung des IFRM die Software Analytica benötigt pdf.

Modelldokumentationen


Tabelle mit geplanten und bereits implementierten Modell-Updates

Anwendungsbeispiele des IFRM

  • Fallstudie Moesa bei Grono (Pascoletto)
  • Fallstudie Thur bei Niederneunforn (Schäffäuli)
  • Fallstudie Thur bei Weinfelden (Aufweitung in Planung)
  • Fallstudie Rhone bei Sion (Kurzfassung Diplomarbeit von Christel Dischinger)

Publikationen

  • Reichert, P., Borsuk, M.E., Hostmann, M., Schweizer, S., Spörri, C., Tockner, K. and Truffer, B. Concepts of decision support for river rehabilitation. Environmental Modelling & Software 22, 188-201, 2007. http://dx.doi.org/10.1016/j.envsoft.2005.07.017
  • Schweizer, S., Borsuk, M.E., Jowett, I. and Reichert, P. Predicting Joint Frequency Distributions of Depth and Velocity for Instream Habitat Assessment. River. Res. Applic. 23, 287–302, 2007. http://dx.doi.org/10.1002/rra.980
  • Schweizer, S., Borsuk, M.E., and Reichert, P. Predicting the Morphological and Hydraulic Consequences of River Rehabilitation. River. Res. Applic. 23,303–322, 2007. http://dx.doi.org/10.1002/rra.981
  • Schweizer, S. and Reichert, P. Predicting the Biomass of Periphyton and Macroinvertebrate Functional Feeding Groups in Stream Reaches. 2007. (pdf)
  • Borsuk, M.E., Reichert, P.,  Peter, A., Schager, E. and Burkhardt-Holm, P. Assessing the decline of brown trout (Salmo trutta) in Swiss
    rivers using a Bayesian probability network. Ecological Modelling 192, 224–244, 2006. http://dx.doi.org/10.101/j.ecolmodel.2005.07.006
  • Paetzold, A. Yoshimura, C., Tockner, K. Riparian Arthropod Responses to Flow Regulation and River Channelisation. 2007. (pdf)
  • Spörri, C., Borsuk, M.E., Peters, I. and Reichert, P. The Economic Impacts of River Rehabilitation: A Regional Input–Output Analysis. Ecological Economics 62, 341-351, 2007. http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolecon.2006.07.001


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SWAT

SWAT-CUP ist ein Computerprogramm zur Kalibrierung von SWAT-Modellen. SWAT-CUP ist ein public Domain Programm und kann daher kostenlos benutzt und kopiert werden. Das Programm verbindet GLUE, ParaSol, SUFI2, MCMC und PSO Abläufe mit SWAT. Es können Sensitivitätsanalysen, Kalibrierung, Validierung und Unsicherheitsanalysen eines SWAT-Modells durchgeführt werden. Die Gesamtstruktur des Programms ist in der unten stehenden Grafik dargestellt.

 

In der neuen Version, SWATCUP_4.3.1., steht ein leistungsstärkeres SWAT_Edit Programm mit ALL SWAT Parametern zur Verfügung. Es können verschiedenen Bodenschichten, Rotationsverfahren der Bewirtschaftung, Niederschlagsdaten, etc. einbezogen werden. Die Benutzer können für ihre mit SWAT verlinkten Programme am Ende von *.gw Files 20 „freie“ Parameter setzen. Die Version verfügt auch über eine Parallelverarbeitung, (die lizenziert ist, aber zu Testzwecken 20 Simulationen zulässt), Visualisierung des Standorts mit Bing Map, Erstellen von multi_objective Zielfunktionen, Extrahierung und Kalkulation von 95PPU für alle Variablen in output.rch, output.hru, und output.sub Files ohne Messungen und nacheinander geschaltete Sensitivitätsanalysen.

Funktionen im nächsten SWAT-CUP werden die Visualisierung von kalibrierten Variablen, eingeblendet auf Bing Map, sowie die Flusskarte von ArcSWAT und Teileinzugsgebiete enthalten.

Publikationen

  • Abbaspour et al. 2007 (Application of SUFI2 to Thur Watershed in Switzerland) [pdf, 465 KB]
  • Abbaspour et al. 2004 (Application of SUFI2 to two landfills in Switzerland) [pdf, 1.9 MB]
  • Schuol et al. 2008 (Application of SWAT in Western Africa) [pdf, 4.6 MB]
  • Yang et al. 2008 (Comparison of five optimization programs) [pdf, 1.6 MB]
  • Schuol et al. 2008 (Application of SWAT to Continent of Africa) [pdf, 2.1 MB]
  • Faramarzi et al. 2009 (Application of SWAT in Iran) [pdf, 1.2 MB]

Downloads

Die Programmsoftware and das Handbuch können heruntergeladen werden unter
https://www.2w2e.com.

 

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MODAWEC

MODAWEC ist ein täglicher Wettergenerator. Er kann tägliche Niederschlagsmengen und Maximal- und Minimaltemperatur basierend auf monatlichen Wetterdaten generieren. MODAWEC ist die Abkürzung von MOnthly to Daily WEather Convertor.

Die aktuelle Version ist Version 1.0. Sie unterstützt das Generieren täglicher Wetterdaten für EPIC (Environmental Policy Integrated Climate), GEPIC (GIS based EPIC) und für weitere Umweltmodelle.

MODAWEC ist ein allgemein zugängliches Programm und kann kostenlos genutzt und kopiert werden für nicht-kommerzielle Verwendung.

Publikationen

  • Liu J. et al. 2009 (Development of the MODAWEC model) [pdf]
  • Liu J. et al. 2008 (Application of MODAWEC and GEPIC in Sub-Saharan Africa)  [pdf)
  • Liu et al. 2007a (Development of the GEPIC model) [pdf]
  • Liu et al. 2007b (Application of GEPIC to China)  [pdf]
  • Liu J., 2009 (Development and application of GEPIC on a global scale)  [pdf]

Downloads

  • Programm Handbuch: MODAWEC Benutzer Handbuch  [pdf], GEPIC Benutzerhandbuch [pdf]
  • Programm Version 1.0 (zip)

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GEPIC

GEPIC ist ein GIS basiertes Agro-Ökosystemmodell, das ein bio-physikalisches EPIC Modell (Environmental Policy Integrated Climate) mit einem geographischen Informationssystem (GIS) integriert. Das GEPIC Modell kann zur Simulation von räumlichen und zeitlichen Dynamiken der wichtigsten Prozesse des Boden-Ertrag-Atmosphäre-Managementsystems genutzt werden.

Das Model wurde für Untersuchungen auf grosser Skalenebene (global, national und auf Einzugsgebietsebene) genutzt für Anbau landwirtschaftlicher Produkte, landwirtschaftliche Wassernutzung, Einfluss des Klimawandels auf den Wasserhaushalt und die Landwirtschaft, virtuelles Wasser und den Wasser-Footprint sowie den Zusammenhang zwischen Biotreibstoff und Wasser. Es kann auch in anderen Forschungsgebieten verwendet werden, z.B. für Wasserqualität,  den N-Kreislauf, den C-Kreislauf, Wasser- und Winderosion, etc.

 

GEPIC ist ein Public domain Programm und kann daher für nicht-kommerzielle Verwendung kostenlos genutzt und kopiert werden.

Publikationen

  • Liu et al. 2007a (Development of the GEPIC model) [pdf]
  • Liu et al. 2007b (Application of GEPIC to China) [pdf]
  • Liu J. et al. 2008 (Application of GEPIC to Sub-Saharan Africa) [pdf]
  • Liu J. 2009 (Development and application of GEPIC on a global scale) [pdf]

Downloads

  • Program Handbuch: GEPIC Benutzerhandbuch [pdf]
  • Programm Version 1.0 [zip, 11.5MB]

Bemerkung

Einige Antivirusprogramme melden eine falsche Positive beim Programmdownload. Die ausführende Datei "replace_NaN.exe" meldet "Unwanted program". Diese falsche Positive kann ignoriert werden.

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