[논문 리뷰] BRTSim, a general-purpose computational solver for hydrological, biogeochemical, and ecosystem dynamics

Federico Maggi|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 17.

Groundwater flow and contamination studies참고 문헌 40인용 수 8

한 줄 요약

BRTSim v3.1a는 다孔성 및 비다공성 매질 내 수문학적, 생지구화학적, 생태계 역학을 시뮬레이션하기 위한 일반 목적의 수치 해석 솔버이다. 사용자가 정의한 화학 및 생물 종, 반응, 상 간 상호작용을 가능하게 하며, 유체 흐름, 열전달, 반응성 이동을 피드백 메커니즘(예: 생물막 막힘 및 화학유도성 운동)과 통합하여, 지하수 순환, 토양 막힘, 질산염 분해, 농약 확산을 포함한 네 가지 사례 연구를 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 수문학적, 생지구화학적, 생태계 시스템에서 다공성 및 비다공성 매질 내 반응성 이동을 위한 유연하고 일반적인 목적의 솔버를 개발하기 위해.
• 사용자가 단일 계산 프레임워크 내에서 임의의 화학 및 생물 종, 반응, 평형 과정을 정의할 수 있도록 하기 위해.
• 액체, 기체, 열 흐름의 상별 별도의 솔버를 통합하여 다상 흐름 및 에너지 전달을 동시에 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 통일된 입력 파일 인터페이스를 통해 외부 소프트웨어와의 상호운용성을 지원하기 위해.
• 다양하고 실험적으로 기반을 둔 사례 연구를 통해 솔버의 능력을 검증하기 위해.

제안 방법

• 솔버는 다상 흐름, 열전달, 반응성 이동에 대한 지배 방정식을 이산화하기 위해 유한체적 방법을 사용한다.
• 사용자 정의 가능한 종과 반응(속도론적, 평형, 표면 복합체 반응 포함)을 지원하며, 사용자 정의 가능한 속도 법칙을 제공한다.
• 액체, 기체, 열 상의 솔버를 결합하여 다상 흐름 및 에너지 전달을 동시에 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 세포 성장, 외부폴리머 생성, 화학유도성 운동과 같은 생물학적 과정은 다중 상의 다중 물질 이동 방정식에 소스 항으로 모델링되며, 다공성 및 투수도에 피드백 효과를 제공한다.
• 복잡한 반응 네트워크 구성과 다상 및 과정 간의 솔버 동기화를 위한 단일 입력 텍스트 파일을 사용한다.
• 표준화된 데이터 교환 프로토콜과 모듈러한 코드 아키텍처를 통해 외부 소프트웨어와의 상호운용성을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 목적의 계산 프레임워크는 어떻게 높은 설정 가능성으로 수문학적, 생지구화학적, 생태계 과정을 상호연결하여 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 BRTSim은 다양한 수문기상 조건 하에서 비균질 지하수층의 관측된 수위 변동을 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 모델은 미생물 세포와 외부폴리머에 의한 토양 생물학적 막힘과 관련된 수리 전도도 변화를 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 BRTSim은 자연계에서 생물학적 질산염 분해 동안 동위원소 분리현상을 얼마나 잘 포착할 수 있는가?
• RQ5 BRTSim은 현장 조건을 반영한 농업 토양에서 아트라진 농약의 확산 및 생분해를 신뢰성 있게 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• BRTSim은 강우 및 증산산화량 변화에 따라 비균질 지하수층 내 수위 변동을 성공적으로 시뮬레이션하였으며, 관측 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 미생물 세포 및 외부폴리머 축적에 의한 수리 전도도 감소를 실험 관측과 정확하게 재현하였으며, 시간에 따른 생물막힘 동역학을 포착하였다.
• 실험실 실험에서 관측된 15N 및 18O 농축 패턴과 일치하는 질산염의 동위원소 분리현상을 BRTSim이 정확히 포착하였다.
• 농업 토양 내 아트라진의 확산 및 생분해를 시뮬레이션한 결과, 현장 규모의 농도 변화 추세와 분해 속도가 실험 연구에서 관측된 바와 유사하게 재현되었다.
• BRTSim은 다공성 변화가 생물막힘과 화학유도성 운동에 의해 유도되는 복잡한 다종 반응 네트워크를 포함한 피드백 메커니즘을 효과적으로 처리하는 데에 뛰어난 성능을 보였다.
• 외부 도구와의 상호운용성은 성공적으로 입증되었으며, 다스케일 환경 시뮬레이션에서 원활한 데이터 교환 및 모델 결합이 가능함을 확인하였다.