Data-Driven Multiscale Model Identification and Scaling via Random Renormalization Group Operators for Subsurface Transport

通过随机重整化群算子进行数据驱动的多尺度模型识别和缩放用于地下传输

基本信息

  • 批准号:
    1314828
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.08万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-07-15 至 2017-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

One of the major contributors to enhanced dispersion (mixing) of anthropogenic contaminants in hydrogeological formations is multiscale heterogeneity, which in many cases leads to anomalous dispersion (anomalous means non-Brownian, i.e., the process does not possess at least one of the following: stationary increments, Gaussian increments or independent increments.) Heterogeneity may be associated with spatial/temporal variations in hydraulic conductivity, porosity, sorbtivity, fractures, and differential swelling to name a few contributors. Natural and man-made (such as occurs during fracking) heterogeneity makes accurate modeling of contaminant movement in the subsurface an extremely challenging problem. A number of disparate models have been proposed to capture behavior associated with hydrologic transport. These include Brownian and Levy motion and fractional versions of these processes. Additionally, these models have been conditioned on other random processes (subordination) and non-linear clocks (time transformations) have been introduced. When two or more of these models are combined (summed), multiscale heterogeneity that drives anomalous dispersion can be accounted for. The proposed research will employ tools from statistical physics, identify optimal models and develop user friendly software which relies on available data for a given site. If a very rich model is used, it can be easy to over fit data. If a less rich model is used, it may not be fully capable of capturing the behavior under consideration. The proposed techniques circumvent this problem by considering a cascade of models that range from the very simple to the extremely complex and many models in between. The codes developed to identify data with models will be released under open source software licenses and tutorials will be written and made available to make the use of the codes as easy as possible.A large portion of the world?s fresh water resources reside in the upper portion of the Earth?s crust; approximately 30 times the volume of the world?s fresh surface water. Most importantly, half of the U.S. population relies on ground water for domestic use. Thus to protect this precious natural resource it is imperative that we understand and can predict how anthropogenic contaminants spread in the subsurface. The proposed research addresses this fundamental problem by creating an optimal model identification scheme based on available data for natural geologic formations and subsequently making the resulting software open source.
水文地质构造中人为污染物扩散(混合)增强的主要因素之一是多尺度异质性,这在许多情况下会导致异常扩散(异常意味着非布朗,即该过程不具备以下至少一项:稳态增量、高斯增量或独立增量。)异质性可能与水力传导率、孔隙度、吸附率、骨折和差异性肿胀仅举几例。 自然和人为(例如水力压裂过程中发生的)异质性使得地下污染物运动的精确建模成为一个极具挑战性的问题。 已经提出了许多不同的模型来捕获与水文输送相关的行为。 其中包括布朗运动和列维运动以及这些过程的分数版本。 此外,这些模型还以其他随机过程(从属)为条件,并引入了非线性时钟(时间变换)。 当两个或多个这些模型组合(求和)时,可以解释驱动异常色散的多尺度异质性。 拟议的研究将采用统计物理学的工具,确定最佳模型并开发用户友好的软件,该软件依赖于给定站点的可用数据。 如果使用非常丰富的模型,则很容易过度拟合数据。如果使用不太丰富的模型,它可能无法完全捕获所考虑的行为。 所提出的技术通过考虑一系列从非常简单到极其复杂的模型以及介于两者之间的许多模型来规避这个问题。 用于通过模型识别数据而开发的代码将在开源软件许可下发布,并且将编写并提供教程,以使代码的使用尽可能简单。世界上很大一部分淡水资源位于地壳的上部;大约是世界地表淡水体积的 30 倍。 最重要的是,一半的美国人口依赖地下水作为家庭用水。 因此,为了保护这一宝贵的自然资源,我们必须了解并预测人为污染物如何在地下传播。 拟议的研究通过基于自然地质构造的可用数据创建最佳模型识别方案并随后将所得软件开源来解决这一基本问题。

项目成果

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  • 通讯作者:
    M. Piñeros

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