[论文解读] 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 8

一句话总结

BRTSim v3.1a 是一种通用计算求解器，用于模拟多孔和非多孔介质中的水文、生物地球化学及生态系统动态过程。它支持用户自定义化学与生物物种、反应及相态相互作用，整合了流体流动、传热与反应性运移，并包含生物阻塞和趋化性等反馈机制，通过四个案例研究得到验证，涵盖含水层动力学、土壤阻塞、硝酸盐降解及除草剂扩散。

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.

研究动机与目标

• 开发一种灵活的通用求解器，用于模拟多孔和非多孔介质中水文、生物地球化学及生态系统系统的反应性运移。
• 使用户能够在单一计算框架内定义任意化学与生物物种、反应及平衡过程。
• 集成针对液相、气相和热传导的相态专用求解器，并结合生物过程（如生物阻塞和趋化性）。
• 通过统一的输入文件接口支持与第三方软件的互操作性。
• 通过涵盖环境系统中多种实验数据支持的案例研究，验证求解器的能力。

提出的方法

• 求解器采用有限体积法对多孔介质中多相流、传热及反应性运移的控制方程进行离散化。
• 支持用户自定义物种与反应，包括动力学反应、平衡反应及表面络合反应，并可自定义速率定律。
• 平台支持液相、气相与热相求解器的耦合，实现多相流与能量传递的同步模拟。
• 通过在运移方程中引入源项，对细胞生长、胞外聚合物生成及趋化性等生物过程进行建模，并反馈影响孔隙度与渗透率。
• 系统使用单一输入文本文件配置复杂的反应网络，并实现跨相态与过程的求解器同步。
• 通过标准化数据交换协议与模块化代码架构，实现与外部软件的互操作性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个通用计算框架，以实现对水文、生物地球化学与生态系统过程的高可配置性耦合模拟？
• RQ2 BRTSim 在不同水文气象条件下，对非均质含水层中水位动态的再现能力如何？
• RQ3 该模型能否有效模拟微生物细胞与胞外聚合物引起的土壤生物阻塞，并预测相关的水力传导率变化？
• RQ4 BRTSim 在自然系统中对生物降解过程中硝酸盐的同位素分馏效应的捕捉能力如何？
• RQ5 该求解器能否在田间相关条件下可靠模拟农业土壤中阿特拉津除草剂的扩散与生物降解？

主要发现

• BRTSim 在不同降雨量与蒸散条件下，成功模拟了非均质含水层中的水位波动，与实测数据高度一致。
• 模型准确再现了因微生物细胞与胞外聚合物累积导致的水力传导率下降实验结果，成功捕捉了随时间演变的生物阻塞动态。
• BRTSim 成功模拟了生物降解过程中硝酸盐的同位素分馏，与实验室实验中测得的 15N 和 18O 富集模式一致。
• 在农业土壤中对阿特拉津扩散与生物降解的模拟，再现了实验研究中观测到的田间尺度浓度趋势与降解速率。
• 求解器在处理包含生物阻塞引起的孔隙度变化及趋化性驱动的微生物迁移等反馈机制的复杂多物种反应网络方面表现出强大性能。
• 与外部工具的互操作性成功实现，支持在多尺度环境模拟中实现无缝数据交换与模型耦合。