×
斯特凡妮娅·舍勒;阿琳·施费尔·罗德里格斯·席尔瓦;法里德·穆罕默德;约翰内斯·霍梅尔;谢尔盖·奥拉迪什金;伯恩德·弗莱米什;沃尔夫冈·诺瓦克

计算昂贵模型的基于替代的贝叶斯比较：应用于微生物诱导的方解石沉淀。 （英语） 兹比尔1477.86031

计算。地质科学。 1899-1917年（2021年）第6期第25号.
摘要：受微生物活动影响的地下储层地球化学过程改变了多孔介质的材料特性。这是地下储层中一个复杂的生物地球化学过程，目前在概念上存在很大的不确定性。这意味着，描述生物地球化学过程的几种建模方法是合理的，建模者面临着选择最合适方法的不确定性。所考虑的模型在关于过程结构的基本假设方面有所不同。一旦观测数据可用，可采用严格的贝叶斯模型选择以及贝叶斯模式合理性分析来选择最合适的模型，即根据可用数据最准确地描述潜在物理过程的模型。然而，生物地球化学建模的计算要求很高，因为它概念化了不同阶段、生物量动力学、地球化学、多孔介质中的沉淀和溶解。因此，贝叶斯框架不能直接基于完整的计算模型，因为这需要太多昂贵的模型评估。为了避免这个问题，我们建议在为竞争的生物地球化学模型构建代理后，进行贝叶斯模型选择和合理性分析。这里，我们将使用任意多项式混沌展开。考虑到代理表示仅是所分析原始模型的近似值，我们通过为所得到的模型权重引入新的校正因子来说明贝叶斯分析中的近似误差。因此，我们扩展了贝叶斯模型的合理性分析，并评估了计算成本较高的模型的相似性。我们在多孔介质中微生物诱导方解石沉淀的典型场景中演示了该方法。我们对合理性分析的扩展为比较计算要求高的模型提供了一种合适的方法，并提供了可靠模型性能所需的必要数据量。

引用于三文件

理学硕士：

86A32型 地理统计学

关键词：

微生物诱导方解石沉淀;贝叶斯模型选择;贝叶斯模型合理性分析;任意多项式混沌展开;基于代理的模型选择与比较;基于代理的贝叶斯模型合理性分析

软件：

个人电脑;TOUGHREACT公司;巴西石油公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{S.Scheurer}等人，计算。地质科学。1899年6月25日--1917年（2021年；Zbl 1477.86031）
全文： 内政部 arXiv公司
OA许可证

参考文献：

[1] Alpaydin，E.，《机器学习导论》。自适应计算和机器学习（2004），马萨诸塞州：麻省理工学院出版社
[2] JE巴特曼；洛杉矶梅尔森；摩尔，D。；范德普洛格，MJ，《论模型复杂性的复杂性：跨地球科学的观点》，CATENA，18610426（2020）
[3] Babu，GJ，模型拟合和模型选择的重采样方法，J.Biopharm。统计，21，6，1177-1186（2011）
[4] 巴赫曼，RT；约翰逊，AC；Edyvean，RG，《石油工业中的生物技术：概述》，《国际生物降解剂》。生物降解。，86, 225-237 (2014)
[5] Barkouki，T。；马丁内斯，B。；莫滕森，B。；威瑟斯，T。；De Jong，J。；金氏，T。；Spycher，N。；史密斯，R。；Fujita，Y.，《半米柱实验中微生物诱导方解石沉淀的正向和反向生物地球化学模拟》，交通部。多孔介质，90，1，23（2011）
[6] 贝克斯，F。；Heredia，A。；Noack，M。；诺瓦克，W。；Wieprecht，S。；Oladyshkin，S.，《大尺度和时间需求泥沙运移模型的贝叶斯校准和验证》，水资源。研究，56，7，e2019WR026966（2020）
[7] 布拉特曼，G。；Sudret，B.，建立随机有限元分析稀疏多项式混沌展开的自适应算法，Probab。机械工程师。，25, 2, 183-197 (2010)
[8] 波特罗，S。；斯托克，T。；TJ海莫瓦拉；van Loosdrecht，MC；恩齐恩，MV；Picioreanu，C.，《多孔介质中生物膜的发展和优先流动路径的动力学》，《生物污垢》，29，9，1069-1086（2013）
[9] 布鲁内蒂，G。；Šimůringnek J。；格勒克尔，D。；Stumpp，C.，用简约处理模型复杂性：受控含水层模型设置中氮周转的数值分析，J.Hydrol。，584, 124681 (2020)
[10] KP伯纳姆；安德森博士，《实用信息理论方法》。模型选择和多模型推理（2002），纽约：Springer，纽约·兹比尔1005.62007
[11] Cremers，KJM，《股票收益可预测性：贝叶斯模型选择视角》，Rev.Financ。螺柱，15、4、27（2002）
[12] 坎宁安，AB；等级，H。；埃比博，A。；Gerlach，R。；AJ菲利普斯；Hommel，J.，微生物诱导方解石沉淀的现场尺度模拟，计算。地理学会。，23, 2, 399-414 (2019)
[13] 密苏里州卡斯伯特；洛杉矶麦克米兰；Handley-Sidhu，S。；莱利，理学硕士；Tobler，DJ；Phoenix，VR，《利用微生物诱导方解石沉淀降低裂缝性岩石渗透率的现场和模型研究》，Environ。科学。技术。，47, 23, 13637-13643 (2013)
[14] Dupraz，S。；帕门蒂尔，M。；梅内兹，B。；Guyot，F.，《含盐含水层中细菌引起的pH值升高和方解石沉淀的实验和数值模拟》，化学。地质。，265, 1-2, 44-53 (2009)
[15] 埃比博，A。；AJ菲利普斯；Gerlach，R。；赫尔米格，R。；坎宁安，AB；等级，H。；Spangler，LH，Darcy-scale砂柱中微生物诱导碳酸盐矿物沉淀模型，水资源。研究，48，7，W07519（2012）
[16] Enemark，T。；皮特斯，LJ；Mallants，D。；Batelaan，O.，《水文地质概念模型构建和测试：综述》，J.Hydrol。，569, 310-329 (2019)
[17] MG戈麦斯；CM安德森；梯度，CMR；德容，JT；尼尔森特区；Ginn，TR，《砂土生物胶结的生物强化和生物刺激方法的大尺度比较》，《岩土工程地质环境杂志》。工程师，14304016124（2017）
[18] Gupta，H.V.、Clark，M.P.、Vrugt，J.A.、Abramowitz，G.、Ye，M.：模型结构充分性的综合评估。水资源。第48（8）号决议。doi:10.1029/2011WR011044（2012）
[19] Hamdan，N.、Kavazanjian，E.Jr、Rittmann，B.E.：通过微生物诱导的碳酸盐沉淀来清除放射性核素和金属污染物。In：程序。第14届泛美土壤力学大会。岩土工程。，工程师。，多伦多（2011）
[20] IM负责人，《生物修复：走向可靠技术》，微生物学，144，3，599-608（1998）
[21] Helmig，R.，《地下多相流和输运过程——对水文系统建模的贡献》（1997），柏林：斯普林格出版社，柏林
[22] Höjberg，A。；Refsgaard，J.，《模型不确定性——参数不确定性与概念模型》，《水科学》。技术。，52, 6, 177-186 (2005)
[23] Höge，M。；Wöhling，T。；Nowak，W.，《模型选择入门：模型复杂性的决定性作用》，《水资源》。第54、3、1688-1715号决议（2018年）
[24] Höge，M。；Guthke，A。；Nowak，W.，《水文学家贝叶斯模型选择、平均和组合指南》，J.Hydrol。，572, 96-107 (2019)
[25] 霍梅尔，J。；Lauchnor，E。；菲利普斯，A。；Gerlach，R。；坎宁安，AB；赫尔米格，R。；埃比博，A。；H·Class，《微生物诱导方解石沉淀的修正模型：基于最近实验的改进和新见解》，《水资源》。研究，51，5，3695-3715（2015）
[26] 霍梅尔，J。；埃比博，A。；Gerlach，R。；坎宁安，AB；赫尔米格，R。；Class，H.，《寻找生物矿化建模准确性和工作量之间的平衡》，《能源媒体》，97，379-386（2016）
[27] 霍梅尔，J。；Lauchnor，EG公司；Gerlach，R。；坎宁安，AB；埃比博，A。；赫尔米格，R。；Class，H.，研究初始生物量分布和注入策略对多孔介质中生物膜介导方解石沉淀的影响，Transp。多孔介质，114，2557-579（2016）
[28] Hooten，MB；Hobbs，NT，生态学家贝叶斯模型选择指南，Ecol。单声道。，85, 1, 3-28 (2015)
[29] 黄，S。；Cao先生。；Cheng，L.，海上稠油中多热流体提高采收率机理的实验研究，国际热质传递杂志。，122, 1074-1084 (2018)
[30] 堪萨斯州亨特；Wang，Y。；Van Cappellen，P.，《地下环境微生物驱动氧化还原化学动力学建模：耦合传输、微生物代谢和地球化学》，J.Hydrol。，209, 1-4, 53-80 (1998)
[31] 威廉·杰弗里斯；JO Berger，Ockham剃刀和贝叶斯分析，美国科学。，80, 1, 64-72 (1992)
[32] 卡斯，RE；Raftery，AE，Bayes factors，J.Amer。Stat.Assoc.，90，430，773-795（1995）·Zbl 0846.62028号
[33] 柯克兰，CM；Thane，A。；希伯特，R。；凯悦酒店。；Kirksey，J。；坎宁安，AB；Gerlach，R。；斯潘格勒，L。；Phillips，AJ，《利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）解决井筒完整性和漏失层渗透率：现场演示》，J.Pet。科学。工程，190107060（2020）
[34] 科佩尔，M。；Franzelin，F。；科洛克，I。；Oladyshkin，S。；Santin，G。；Wittwar，D。；Barth，A。；Haasdonk，B。；诺瓦克，W。；Pflüger，D。；Rohde，C.，二氧化碳储存基准情景的数据驱动不确定性量化方法的比较，Comput。地质科学。，23, 2, 339-354 (2019) ·Zbl 1414.76058号
[35] Landa-Marbán，D.、Tveit，S.、Kumar，K.、Gasda，S.E.：现场规模下微生物诱导方解石沉淀研究的实用方法。arXiv:201104744（2020）
[36] 杠杆，J。；Krzywinski，M。；Altman，N.，模型选择和过度拟合，自然方法，13，9703-704（2016）
[37] Lovley，DR；查佩尔，FH，《深层次微生物过程》，地球物理学评论。，33, 3, 365-381 (1995)
[38] 麦夸里，KTB；KU Mayer，《断裂岩石中的反应迁移模型：科学现状综述》，《地球科学》。修订版，72、3-4、189-227（2005）
[39] McInerney，M.J.、Nagle，D.P.、Knapp，R.M.：微生物提高石油采收率：过去、现在和未来。《石油微生物学》215-237（2005）
[40] Megharaj，M。；拉马克里希南，B。；英国文卡特斯瓦鲁。；北卡罗来纳州Sethunathan。；Naidu，R.，《有机污染物的生物修复方法：关键观点》，《环境》。国际，37，8，1362-1375（2011）
[41] Minto，JM；伦恩，RJ；El Mountassir，G.，《微生物诱导碳酸盐沉淀现场尺度模拟反应传输模型的开发》，《水资源》。研究，55，8，7229-7245（2019）
[42] AC米切尔；AJ菲利普斯；舒尔茨，L。；Parks，S。；扳手，左侧；坎宁安，AB；Gerlach，R.，实验模拟超临界CO2高压盐水含水层中的微生物CaCO3矿物形成和稳定性，《国际温室气体控制杂志》，第15期，第86-96页（2013年）
[43] Mohammadi，F。；科普曼，R。；Guthke，A。；Oladyshkin，S。；Nowak，W.，计算时间约束下水文形态动力学模型的贝叶斯选择，高级水资源。，117, 53-64 (2018)
[44] Mujah，D。；马萨诸塞州沙欣；Cheng，L.，《微生物诱导方解石沉淀（MICP）生物胶结用于土壤稳定的最新进展》，Geomicrobiol。J.，34，6，524-537（2017）
[45] Mulligan，中国；Galvez-Cloutier，R.，《金属污染的生物修复》，环境。莫尼特。评估。，84, 1-2, 45-60 (2003)
[46] Nassar，MK；古龙，D。；巴斯塔尼，M。；Ginn，TR；沙菲，B。；MG戈麦斯；梯度，CM；尼尔森特区；DeJong，JT，微生物诱导方解石沉淀（MICP）的大规模实验：反应传输模型开发和预测，水资源。研究，54，1，480-500（2018）
[47] 附近，GS；古普塔，HV，《集成与信息理论：不确定性下的支持科学》，《地球科学前沿》，第12、4、653-660页（2018年）
[48] Neuman，SP，不确定模型预测的最大似然贝叶斯平均，Stoch。环境。风险研究A，17，5，291-305（2003）·Zbl 1036.62113号
[49] Oladyshkin，S:aPC Matlab工具箱：数据驱动的任意多项式混沌，Matlab中央文件交换。https://www.mathworks.com/matlabcentral/fieexchange/72014-apc-matlab-toolbox-data-driven-arbitary-polynomial-chaos（2020年）
[50] Oladyshkin，S:BaPC Matlab工具箱：贝叶斯任意多项式混沌，Matlab中央文件交换。https://www.mathworks.com/matlabcentral/fieexchange/74006-bapc-matlab-toolbox-bayesian-arridry-polynomial-chaos（2020亿）
[51] Oladyshkin，S。；Nowak，W.，使用任意多项式混沌展开的数据驱动不确定性量化，Reliab。工程系统。安全。，106, 179-190 (2012)
[52] Oladyshkin，S。；德·巴罗斯，F。；Nowak，W.，《全球敏感性分析：一个灵活有效的框架，以随机水文地质为例》，《高级水资源》。，37, 10-22 (2012)
[53] 奥拉迪什金，S。；等级，H。；Nowak，W.，通过自举滤波结合数据驱动多项式混沌展开进行贝叶斯更新：地质构造中二氧化碳储存历史匹配的方法和应用，计算。地质科学。，17, 4, 671-687 (2013) ·Zbl 1382.86022号
[54] 奥拉迪什金，S。；施罗德，P。；等级，H。；Nowak，W.，《基于混沌膨胀的Bootstrap过滤器校准CO2注入模型》，《能源媒体》，第40期，第398-407页（2013年）
[55] Oladyshkin，S。；Mohammadi，F。；Kroeker，I。；Nowak，W.，《利用信息论对高斯过程模拟器进行贝叶斯主动学习》，《熵》，22，8，890（2020）
[56] 路易斯安那州范帕森；Ghose，R。；范德林登，TJM；万德星，WRL；van Loosdrecht，MCM，《通过尿素分解量化生物改良地面：大规模生物灌浆试验》，《岩土工程地质环境杂志》。工程，136、12、1721-1728（2010）
[57] 帕金森。；穆克吉，P。；Liddle，AR，wMAP3的贝叶斯模型选择分析，Phys Rev D，73，123523（2006）
[58] AJ菲利普斯；Lauchnor，E。；Eldring，J。；Esposito，R。；AC米切尔；Gerlach，R。；坎宁安，AB；Spangler，LH，《通过生物膜诱导的碳酸钙沉淀减少潜在CO2泄漏》，环境。科学。技术。，47, 1, 142-149 (2013)
[59] AJ菲利普斯；坎宁安，AB；Gerlach，R。；希伯特，R。；黄，C。；英国石油公司洛曼斯；J.韦斯特里奇。；曼蒂拉，C。；柯克西，J。；Esposito，R。；Spangler，LH，《微生物诱导碳酸钙沉淀裂缝封堵：现场研究》，环境。科学。技术。，50, 4111-4117 (2016)
[60] Raftery，A.E.：社会研究中的贝叶斯模型选择。社会学。Methodol公司。111-163 (1995)
[61] Refsgaard，JC；Christensen，S。；Sonnenborg，TO；塞弗特，D。；阿拉巴马州Höjberg；Troldborg，L.，《地下水流动和运移建模中地质不确定性处理策略综述》，水资源高级研究所。，36, 36-50 (2012)
[62] Renard，B.，Kavetski，D.，Kuczera，G.，Thyer，M.，Franks，S.W.：理解水文建模中的预测不确定性：识别输入和结构误差的挑战。水资源。第46（5）号决议。doi:10.1029/2009WR008328（2010）
[63] Rojas，R.，Feyen，L.，Dassargues，A.：地下水建模中的概念模型不确定性：结合广义似然不确定性估计和贝叶斯模型平均。水资源。第44（12）号决议。doi:10.1029/2008WR006908（2008）
[64] 罗哈斯，R。；Kahunde，S。；皮特斯，L。；O.巴特拉安。；Feyen，L。；Dassargues，A.，《应用多模方法解释地下水建模中的概念模型和情景不确定性》，J.Hydrol。，394, 3-4, 416-435 (2010)
[65] Schäfer Rodrigues Silva，A.、Guthke，A.、Höge，M.、Cirpka，O.A.、Nowak，W.：简化反应性运输模型的策略——贝叶斯模型比较。水资源研究p e2020 WR028100。doi:10.1029/2020WR028100（2020）
[66] Schmidt，E.：线性和非线性积分理论。收录：Integralgleichungen und Gleichungen mit unendlich vielen Unbekannten，第190-233页。斯普林格（1989）
[67] Schöniger，A。；Wöhling，T。；Samaniego，L。；Nowak，W.，《坚实基础上的模型选择：评估贝叶斯模型证据的九种方法的严格比较》，水资源。第50、12、9484-9513号决议（2014年）
[68] Schöniger，A。；伊尔曼，W。；Wöhling，T。；Nowak，W.，《通过贝叶斯模型选择在地下水模型复杂性和实验努力之间找到正确平衡》，J.Hydrol。，531, 96-110 (2015)
[69] Schöniger，A。；Wöhling，T。；Nowak，W.，评估贝叶斯模型权重的不确定性及其对模型排名的影响的统计概念，水资源。研究，51，9，7524-7546（2015）
[70] Steefel，C.，MacQuarrie，K.：多孔介质中的反应传输。美国矿物学学会矿物学评论。华盛顿，chap多孔介质中反应传输建模方法82-129（1996）
[71] 斯蒂费尔，C。；德帕奥洛，D。；Lichtner，P.，《反应输运模型：地球科学的基本工具和新研究方法，地球-行星》。科学。莱特。，240, 3-4, 539-558 (2005)
[72] Stocks-Fischer，S。；加林纳，JK；Bang，SS，CaCO3的微生物沉淀，土壤生物。生物化学。，31, 1563-1571 (1999)
[73] 苏利曼，F。；法语，H。；豪根，L。；Sövik，A.，生物生长导致的水平潜流人工湿地中的流动和运输模式变化，生态学。工程，27，2，124-133（2006）
[74] Terzis，D。；Laloui，L.，《理解生物改良土壤的十年进展和转折点：综述》，《地质力学》。能源、环境。，19, 100116 (2019)
[75] Troldborg，L。；Refsgaard，JC；延森，KH；Engesgaard，P.，《替代概念模型对模拟多quifer系统中浓度的重要性》，Hydrogeol。J.，15，5，843-860（2007）
[76] 奥马尔，M。；卡西姆，KA；Chiet，KTP，《土木工程土壤改良的生物过程：综述》，J.Rock Mechan。岩土工程。工程师，8，5，767-774（2016）
[77] 维拉德森，J。；Michelsen，M.，《多项式近似求解微分方程模型》，第7卷（1978年），Englewood Cliffs:Prentice Hall，Englewood Cliffs·Zbl 0464.34001号
[78] van der Vorst，HA，BI-CGSTAB：非对称线性系统解的BI-CG快速平滑收敛变体，SIAM J.Sci。统计计算。，13, 2, 631-644 (1992) ·Zbl 0761.65023号
[79] Wasserman，L.，贝叶斯模型选择和模型平均，J.Math。心理医生。，44, 1, 92-107 (2000) ·Zbl 0946.62032号
[80] 威芬，VS；La，vanPaassen；Harkes，MP，微生物碳酸盐沉淀作为土壤改良技术，Geomicrobiol J.，24，5，417-423（2007）
[81] Wöhling，T。；Schöniger，A。；盖勒，S。；Nowak，W.，贝叶斯模型平均法，用于探索土壤模型选择和预测的数据价值，《水资源》。研究，51，4，2825-2846（2015）
[82] Wiener，N.，《齐次混沌》，美国数学杂志。，60, 4, 897-936 (1938)
[83] van Wijngaarden，WK；路易斯安那州范帕森；弗格森州Vermolen；van Meurs，GAM；Vuik，C.，生物路由的反应性传输模型与实验数据的比较，Transp。多孔介质，111，3，627-648（2016）
[84] 秀，D。；Karniadakis，GE，通过广义多项式混沌建模稳态扩散问题中的不确定性，计算。方法应用。麦坎。工程，191，43，4927-4948（2002）·Zbl 1016.65001号
[85] 秀，D。；Karniadakis，GE，随机微分方程的wiener-askey多项式混沌，SIAM J.Scientif。计算。，24, 2, 619-644 (2002) ·Zbl 1014.65004号
[86] 徐，T。；Sonnenthal，E。；Spycher，N。；Pruess，K.，TOUGHREACT-可变饱和地质介质中非等温多相反应地球化学传输的模拟程序：地热注入和CO2地质封存的应用，计算。地质科学。，32, 2, 145-165 (2006)
[87] Yang，Y。；Chu，J。；曹，B。；刘，H。；Cheng，L.，利用活性污泥中的非无菌富集产脲酶细菌进行土壤生物胶结，J.Clean。生产，262121315（2020）
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。