Symposium Tijdreeksanalyse – promotie Jos von Asmuth

Morning symposium on Hydrogeological Time Series Modeling

KWR Watercycle Research Institute and the Delft University of technology are pleased to announce a morning symposium on the occasion of ir. J.R. von Asmuth’s PhD graduation. Jos von Asmuth is well known as the main developer of Menyanthes, the computer program for hydrogeological time series analysis that is widely used by governments at all levels, water boards, conservationists and consultants. We also say goodbye to our retiring employee Kees Maas, who worked closely with Von Asmuth for ten years and proposed the physical basis of Menyanthes.

We welcome the participation of prof. Keith Hipel, the foremost pioneer on hydrological time series modeling of water resources, as one of our esteemed speakers.

The morning symposium aims to serve those that are interested in the scientific background of time series analysis, and the developments that have been and still are taking place in this respect. The lectures may be of interest for both scientists and practitioners of time series analysis.

Lezingenmiddag ‘Tijdreeksanalyse in hydrologisch toepassingsperspectief’
Aansluitend op het wetenschappelijke mini-symposium organiseert de NHV werkgroep de lezingenmiddag ‘Tijdreeksanalyse in hydrologisch toepassingsperspectief’. In zes lezingen komen verschillende aspecten van tijdreeksen en tijdreeksanalyse aan de orde, met een nadruk op het praktische hydrologische toepassingsperspectief. De lezingen geven een beeld van verschillende toepassingsmogelijkheden. Daarnaast komen er ook aandachtspunten aan bod bij het verantwoord toepassen van tijdreeksanalyse. Hierbij gaat het om vragen als: ‘hoe weten we of we een tijdreeksmodel kunnen vertrouwen’ en ‘wanneer is een tijdreeksmodel goed genoeg’? Na elke lezing zal er gelegenheid zijn om vragen te stellen en met de inleiders te discussiëren.

Doelgroep
De lezingenmiddag was bedoeld voor iedereen die is geïnteresseerd in de praktische hydrologische toepassing van tijdreeksanalyse. Dit kunnen zowel potentiële tijdreeksmodelleurs zijn, als mensen die al ervaring met tijdreeksmodellen hebben.

Program morning symposium
Chairman: Theo Olsthoorn (TU Delft / Waternet)

• 9:15 – 9:45 Well over a quarter century of time-series analysis: From esoteric novelty to indispensable tool for groundwater hydrologists
  Speaker: Theo Olsthoorn (TU Delft / Waternet)
  It took well over a quarter century before time-series analysis developed from what seemed an exotic, somewhat esoteric technology to the indispensable tool it has now become. Why has taken so long? What is the contribution of Pirfict and Menyanthes in pushing time-series analysis forward in groundwater hydrology? Are we ready? What can we expect in the rest of this decade? What role can Jos play in it?
• 9:45 – 10:15 Menyanthes 2.0: from time series analysis to system identification.
  Speaker: Jos von Asmuth (KWR)
  In the initial objectives of the speaker\’s PhD research, a specific, large scale application of ARMA models was foreseen. This, however, proved to come with both theoretical and practical problems. In the process of trying to solve these, it turned out that time series models may be approached from two different angles. From a \’black box\’ viewpoint, the focus lies on the data itself and the correlations in and between time series. Fom a physical viewpoint, it lies on identifying the key parameters that control the dynamics of a system, and its response to excitations imposed to it. As an alternative, a continuous time framework and method of time series analysis was developed, which provides a more direct link with physically based methods and models. It is proposed that the term ‘system identification’ better fits the physical viewpoint, and that the further integration of data and physically based methods may well be the motto for Menyanthes 2.0 and research activities related to it.
• 10:15 – 10:45 The Application of Time Series Models in Regular Groundwater Models
  Speaker: Mark Bakker (TU Delft)
  Heads are commonly measured in an observation well. Time series models of head measurements are restricted to the specific observation well where the measurements are taken. This presentation focuses on how results from these time series models can be used in spatial models such as regular groundwater models.
• 11:00 – 11:30 The Decision Support System GMCR II in Negotiations over Groundwater Contamination
  Speaker: Keith Hipel (University of Waterloo)
  A groundwater contamination conflict is employed as an illustrative case study to clearly demonstrate how the decision support system GMCR II can be conveniently applied to environmental negotiations as well as other kinds of disputes. The controversy, systematically studied using GMCR II, is the strategic conflict that arose after the discovery of a carcinogen in the aquifer supplying water to the town of Elmira, located in Southern Ontario, Canada, about 100 km west of Toronto. At the model formulation stage, GMCR II is utilized to describe the Elmira dispute in terms of decision makers, options or courses of action available to each decision maker, feasible states or scenarios that could take place, allowable moves available to each decision maker, and relative preferences among states for each of the disputants. At the subsequent analysis step, GMCR II generates a range of useful analytical results that may assist an interested party in better understanding the strategic aspects of the conflict and envisioning possible pathways for optimal decision making. For the Elmira dispute, potential equilibria or compromise resolutions are suggested and the reasons for the decision of two of the disputants to form a coalition and bring about a dramatic resolution to the conflict are explained. Moreover, the role of data and time series analysis of the physical systems aspects of the problem and how it influenced the political decision making surrounding this conflict, are discussed.
• 11:30 – 12:00 Simple stochastic differential equations to analyze non-linear hydrological systems
  Speaker: Marc Bierkens (UU / TNO)
  Time series models in hydrology work so well because hydrology is all about solving a water balance. Previous work has shown that the parameters of time series models are related to physical parameters of the hydrological systems they try to model and that this relation often follows from the water balance. Much of the analyses that lead to the derivation of physically-based time series models can also lead to the derivation of simple stochastic differential equations, as long as the step to discrete time is not made. This continous representation is particularly advantageous if the equations describing the hydrological system are non-linear functions of the system state. Here I will provide two examples: the first being the modelling of shallow water table dynamics and the second the modelling of continental scale effects of groundwater on multi-year rainfall persistence.
• 12:00 – 12:30 Groundwater models are only another type of time series model
  Speaker: Kees Maas (KWR / TU Delft)
  During the 2004 NHV-workshop on time series modeling the speaker proposed that time series models are only another type of groundwater model. This being the speaker’s last presentation before he retires, he will turn that around and reflect on the role groundwater models play in our profession; how they came to supersede classical hydrological expertise and how they are eventually bound to merge with time series models.

Programma lezingenmiddag
Dagleider: Marc Bierkens

• 13.30 – 14.00 Tijdreeksanalyse: Introductie en aandachtspunten.
  Spreker: Frans van Geer (TNO/UU)
  Basis principes van het analyseren en modelleren van tijdreeksen, met een focus op transfer/ruis modellen. Vervolgens komen algemene aandachtspunten bij het beoordelen van tijdreeksmodellen aan de orde. Vragen als: 1. Waar kijken we naar als we beoordelen of we een tijdreeksmodel wel of niet accepteren? 2. Waarom vinden we het ene tijdreeksmodel beter dan het andere? 3. Wat zijn de belangrijkste valkuilen?
• 14.00 – 14.30 Evaluatie Waterproject Ruinen – een praktijktoepassing van interventieanalyse met Menyanthes.
  Spreker: Koen van der Hauw (Grontmij Nederland B.V.)
  In het Waterproject Ruinen is één van de toegepaste maatregelen het afkoppelen van hemelwater via een infiltratie-transportsysteem (IT-riool). Op een twintigtal locaties in de Gemeente Ruinen zijn grondwaterstanden gemeten in een periode vóór en ná de maatregel. Middels tijdreeksanalyse is vervolgens gekeken in hoeverre er een effect zichtbaar is op de grondwaterstanden. Tijdens deze presentatie zullen de belangrijkste stappen worden toegelicht die voor dit project zijn uitgevoerd voor de tijdreeksreeksanalyse met Menyanthes. Onderwerpen die daarbij aan de orde komen zijn: de aanwezigheid van ondiepe keileem, lineairiteit vs niet-lineairiteit, betrouwbaarheid, hydrologische en fysische plausibliteit, het ruismodel en uiteraard de resultaten en conclusies.
• 14.30 – 15.00 Validatie van tijdreeksmodellen.
  Spreker: Martin Knotters (Alterra)
  Tijdreeksmodellen maak je meestal met een bepaald doel voor ogen. Hoe beoordeel je of het tijdreeksmodel goed genoeg is voor het doel waarvoor je het wilt gebruiken? Hoe neem je de proef op de som? Wanneer spreek je van validatie, wanneer van verificatie? Wat zeggen restvariantie, percentage verklaarde variantie etc. over de kwaliteit van het model?
• 15.30 – 16.00 Grondwatermodellen versus tijdreeksmodellen: het geval Tewisscha.
  Spreker: Cees Maas (KWR)
  Tijdens een onderzoek naar de invloed van de winning Terwisscha op de grondwaterstijghoogten in de omgeving bleek dat met tijdreeksmodellen systematisch een grotere invloed gevonden werd dan met grondwatermodellen. Onderling stemden de tijdreeksmodellen met elkaar overeen, en hetzelfde gold voor de grondwatermodellen. In deze voordracht wordt naar de verklaring gezocht.
• 16.00 – 16.30 Trendanalyse van een meetnet waterkwaliteit.
  Spreker: Paul Baggelaar (Icastat)
  Toelichting op een werkwijze die automatische trendanalyse mogelijk maakt van duizenden meetreeksen, zoals van een meetnet waterkwaliteit. Hiermee kan met relatief weinig inspanning worden vastgesteld waar en voor welke parameters er statistisch significante verbeteringen, dan wel verslechteringen optreden in het gemonitorde gebied. De methode houdt rekening met specifieke kenmerken van waterkwaliteitsgegevens, zoals een scheve kansverdeling, seizoenseffecten, autocorrelatie, gecensureerde waarden en ontbrekende waarden. Ondanks de grootschalige aanpak wordt per meetreeks maatwerk geleverd, zodat er geen verlies aan onderscheidend vermogen is bij de trenddetectie en geen verlies aan precisie bij de trendschatting.
• 16.30 – 17.00 Weerstand en wegzijging in natte natuurgebieden
  Spreker: Jos von Asmuth (KWR)
  In natte natuurgebieden staat de grondwaterstand logischerwijze doorgaans hoog, of zelfs aan maaiveld. Dit maakt dat natte natuurgebieden niet-lineair gedrag vertonen, dat beschreven kan worden met een tijdreeksmodel met drempelovergangen. Dergelijke modellen zijn eenvoudig, maar fysisch gebaseerd. Hoe goed voldoet die benadering, en hoe goed kun je parameters als de weerstand en de wegzijging daarmee schatten?