[論文レビュー] BRTSim, a general-purpose computational solver for hydrological, biogeochemical, and ecosystem dynamics

Federico Maggi|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2019

Groundwater flow and contamination studies参考文献 40被引用数 8

ひとこと要約

BRTSim v3.1a は、多孔質および非多孔質媒体における水文的・生物地球化学的・エコシステム動態をシミュレートする汎用計算ソルバである。ユーザーが定義した化学種および生物学的種、反応、相間相互作用を可能とし、流体の流れ、熱伝達、反応輸送を、バイオクロージングやキモタクシスなどのフィードバック機構と統合する。4つの事例研究（地下水圏のダイナミクス、土壌のつまり、亜硝酸塩の分解、除草剤の拡散）を通じて検証された。

ABSTRACT

This paper introduces the recent release v3.1a of BRTSim (BioReactive Transport Simulator), a general-purpose multiphase and multi-species liquid, gas and heat flow solver for reaction-advection-dispersion processes in porous and non-porous media with application in hydrology and biogeochemistry. Within the philosophy of the BRTSim platform, the user can define (1) arbitrary chemical and biological species; (2) arbitrary chemical and biological reactions; (3) arbitrary equilibrium reactions; and (4) combine solvers for phases and heat flows as well as for specialized biological processes such as bioclogging and chemotaxis. These capabilities complement a suite of processes and process-feedback solvers not currently available in other general-purpose codes. Along with the flexibility to design arbitrarily complex reaction networks, and setup and synchronize solvers through one input text file, BRTSim can communicate with third-party software with ease. Here, four cases study that combine experimental observations and modeling with BRTSim are reported: (i) water table dynamics in a heterogeneous aquifer for variable hydrometeorological conditions; (ii) soil biological clogging by cells and exopolymers; (iii) biotic degradation and isotopic fractionation of nitrate; and (iv) dispersion and biodegradation of atrazine herbicide in agricultural crops.

研究の動機と目的

• 多孔質および非多孔質媒体における水文的・生物地球化学的・エコシステム系の反応輸送を、柔軟で汎用的な計算フレームワークとして実装すること。
• ユーザーが単一の計算フレームワーク内で任意の化学種および生物学的種、反応、平衡プロセスを定義できるようにすること。
• 液体、気体、熱の各相に特化したソルバを統合し、生物的プロセス（バイオクロージングやキモタクシスなど）を含めた同時シミュレーションを可能とすること。
• 統一された入力ファイルインターフェースを通じて、外部ソフトウェアとの相互運用性を支援すること。
• 多様で実験的根拠を持つ事例研究を通じて、ソルバの能力を検証すること。

提案手法

• ソルバは、多相流、熱伝達、反応輸送の支配方程式を離散化するための有限体積法を採用している。
• 反応速度則をカスタマイズ可能な反応速度則とともに、反応速度、平衡、表面錯体形成反応を含む、ユーザー定義可能な種および反応をサポートする。
• 液体、気体、熱の各相のソルバを結合し、多相流とエネルギー移動を同時にシミュレート可能である。
• 細胞増殖、エキストラクセル・ポリマー生成、キモタクシスといった生物学的プロセスは、輸送方程式における源項としてモデル化され、孔隙率および透水率へのフィードバックを反映する。
• 複雑な反応ネットワークの構成と、各相およびプロセス間のソルバ同期化を、1つの入力テキストファイルで行える。
• 標準化されたデータ交換プロトコルとモジュラーなコードアーキテクチャにより、外部ソフトウェアとの相互運用性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、高設定性を備えた汎用計算フレームワークが、水文的・生物地球化学的・エコシステム過程の連成をシミュレートできるか？
• RQ2 BRTSim は、変動する水文気象的条件下での不均一な地下水圏における水位変動をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 微生物細胞およびエキストラクセル・ポリマーによる土壌の生物学的つまりを、モデルが効果的にシミュレートでき、関連する水はく度変化を予測できるか？
• RQ4 BRTSim は、自然系における生物的亜硝酸塩分解に伴う同位体分離をどれほど正確に捉えられるか？
• RQ5 BRTSim は、現実の農業土壌条件下におけるアトラジン除草剤の拡散および生物分解を信頼性高くシミュレートできるか？

主な発見

• BRTSim は、降雨および蒸発散の変動する条件下で不均一な地下水圏における水位変動を成功裏にシミュレートし、観測データと良好に一致した。
• 微生物細胞およびエキストラクセル・ポリマーの蓄積に起因する水はく度低下の実験的観測を正確に再現し、時間経過に伴うバイオクロージングダイナミクスを捉えた。
• 実験室での測定結果と一致する15Nおよび18Oの酸素同位体の増加パターンを、生物的亜硝酸塩分解中の同位体分離として正しく再現した。
• 農業土壌におけるアトラジンの拡散および生物分解のシミュレーションは、実験的調査で観測されたスケールの濃度トレンドおよび分解速度を再現した。
• バイオクロージングに起因する孔隙率変化やキモタクシス駆動の微生物移動を含む、複雑な多種反応ネットワークとフィードバックを、ソルバは安定して処理した。
• 外部ツールとの相互運用性が成功裏に実証され、マルチスケール環境シミュレーションにおけるシームレスなデータ交換およびモデル結合が可能となった。