×

二氧化碳储存基准情景数据驱动不确定性量化方法的比较。 (英语) Zbl 1414.76058号

总结:有多种方法可用于量化二氧化碳储存流动和运输建模中产生的不确定性,但缺乏彻底的比较。通常,来自这些存储站点的原始数据很难用理论统计分布来描述,因为只有非常有限的数据可用。因此,在实际应用中,关于所有不确定参数的分布形状的准确信息非常罕见。我们讨论并比较了基于二氧化碳储存基准情景的数据驱动不确定性量化的四种不同测试方法。在我们提供数据和代码的基准中,二氧化碳被注入盐水含水层,该含水层由两个不可压缩流体相(即二氧化碳和盐水)的非线性无毛细分数流公式模拟。为了涵盖不确定性量化的不同方面,我们纳入了各种不确定性来源,例如边界条件的不确定性、本构关系和材料特性。我们考虑了以下非侵入式和侵入式不确定性量化方法的最新版本:任意多项式混沌、空间自适应稀疏网格、基于核的贪婪插值和混合随机Galerkin。根据基于蒙特卡罗抽样的参考统计量,评估二氧化碳饱和度的期望值和标准偏差,证明了每种方法的性能。我们比较了在模型运行次数和分辨率方面报告准确性的所有方法的收敛性。最后,我们对这些方法的优缺点提出了建议,可以指导建模者对二氧化碳储存和其他方面的不确定性进行量化。

MSC公司:

76S05号 多孔介质中的流动;过滤;渗流
60华氏35 随机方程的计算方法(随机分析方面)
第60页 统计学在工程和工业中的应用;控制图
76T10型 液气两相流,气泡流
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Abramowitz,M.,Stegun,I.A.:《数学函数与公式、图形和数学表格手册》。纽约多佛(1965)
[2] Ahlfeld,R.,Belkouchi,B.,Montomoli,F.:SAMBA:基于动量的任意多项式混沌的稀疏近似。J.计算。物理学。320, 1-16 (2016) ·Zbl 1349.65417号
[3] Alkhateeb,O.,Ida,N.:传感器不确定性量化的数据驱动多元任意多项式混沌。IEEE Trans-Magn(2017)
[4] Alpert,B.K.:l2中的一类基,用于积分算子的稀疏表示。SIAM J.数学。分析。24(1), 246-262 (1993) ·Zbl 0764.42017年
[5] Barth,A.,Bürger,R.,Kröker,I.,Rohde,C.:具有几个随机扰动的澄清池-浓缩器模型的计算不确定性量化:一种混合随机Galerkin方法。计算。化学。工程89,11-26(2016)
[6] Birkholzer,J.T.,Zhou,Q.,Tsang,C.F.:深层盐水含水层中CO2储存的大规模影响:分层系统中压力响应的敏感性研究。国际J.格林。气体控制3181-194(2009)
[7] Blatman,G.,Sudret,B.:稀疏多项式混沌展开和使用回归方法的自适应随机有限元。C.R.Mécanique梅卡尼克336(6),518-523(2008)·Zbl 1138.74046号
[8] Bungartz,H.J.:稀疏网格上的高阶有限元。慕尼黑理工大学(1998年)
[9] Bungartz,H.J.,Dirnstorfer,S.:自适应稀疏网格上的多元求积。计算71(1),89-114(2003)·Zbl 1031.65037号
[10] Bürger,R.,Kröker,I.,Rohde,C.:一种用于不确定性量化的混合随机Galerkin方法,应用于守恒定律建模澄清浓缩装置。ZAMM Z.Angew公司。数学。机械。77(10), 793-817 (2014) ·Zbl 1301.65126号
[11] Celia,M.,Bachu,S.,Nordbotten,J.,Bandilla,K.:深层含盐含水层中CO2储存状况,重点是建模方法和实际模拟。水资源。第51(9)号决议,6846-6892(2015)
[12] Class,H.、Ebigbo,A.、Helmig,R.、Dahle,H.,Nordbotten,J.N.、Celia,M.A.、Audigane,P.、Darcis,M.、Ennis-King,J.、Fan,Y.、Flemisch,B.、Gasda,S.、Jin,M.,Krug,S.,Labregere,D.、Naderi,A.、Pawar,R.J.、Sbai,A.,Sunil,G.T.、Trenty,L.、Wei,L.:Abenchmark-地质构造中CO2储存相关问题的研究。计算。地质科学。13, 451-467 (2009)
[13] Court,B.,Bandilla,K.W.,Celia,M.A.,Janzen,A.,Dobossy,M.,Nordbotten,J.M.:CO2垂直平衡和sharp界面假设在固碳建模中的适用性。国际J.格林。气体控制10,134-147(2012)
[14] De Marchi,S.、Schaback,R.、Wendland,H.:径向基函数插值的近最优数据相关点位置。高级计算。数学。23(3), 317-330 (2005) ·Zbl 1070.65008号
[15] Dell'Oca,A.,Riva,M.,Guadagnini,A.:水文系统全球敏感性分析的基于矩的度量。水文学。地球系统。科学。21(12),6219-6234(2017)
[16] Ebigbo,A.,Class,H.,Helmig,R.:废弃油井的二氧化碳泄漏:面向问题的基准。计算。地质科学。11(2), 103-115 (2007) ·Zbl 1147.86316号
[17] Elsheikh,A.H.,Hoteit,I.,Wheeler,M.F.:使用嵌套采样和稀疏多项式混沌代理对地下水流模型进行高效贝叶斯推断。计算。应用程序中的方法。机械。工程269、515-537(2014)
[18] Foo,J.,Karniadakis,G.:高维多元素概率配置方法。J.计算。物理学。229(5), 1536-1557 (2010) ·Zbl 1181.65014号
[19] Franzelin,F.,Diehl,P.,Pflüger,D.:用稀疏网格对多元动力学模拟进行非侵入性不确定性量化。在:Griebel,M.,Schweitzer,M.A.(编辑)偏微分方程的无网格方法VII,计算科学与工程讲义,第100卷,第115-143页。施普林格国际出版公司(2015)·Zbl 1343.74047号
[20] Franzelin,F.,Pflüger,D.:从数据到不确定性:传播不确定性的有效集成数据驱动稀疏网格方法,第29-49页。施普林格国际出版社,商会(2016)·Zbl 1339.65018号
[21] Ghanem,R.G.,Spanos,P.D.:随机有限元:谱方法。纽约施普林格-弗拉格出版社(1991年)·Zbl 0722.73080号
[22] Haasdonk,B.,Santin,G.:稀疏代理建模的贪婪核近似,第21-45页。柏林施普林格国际出版公司(2018)·Zbl 1416.65059号
[23] Hansson,A.和Bryngelsson,M.:关于二氧化碳捕获和存储的专家意见:不确定性和可能性的框架。能源政策37,2273-2282(2009)
[24] Helton,J.,Davis,F.:拉丁超立方体采样和复杂系统分析中不确定性的传播。Reliab公司。工程系统。安全。81(1), 23-69 (2003)
[25] IPCC:关于二氧化碳捕获和储存的特别报告,技术报告,政府间气候变化专门委员会(IPCC),第三工作组编写,剑桥大学出版社,剑桥(2005)
[26] Isukapalli,S.S.、Roy,A.、Georgopoulos,P.G.:不确定性传播的随机响应面方法:在环境和生物系统中的应用。风险分析。18(3), 351-363 (1998)
[27] Jakeman,J.D.,Archibald,R.,Xiu,D.:自适应稀疏网格上高维随机问题中不连续性的表征。J.计算。物理学。230(10), 3977-3997 (2011) ·Zbl 1218.65010号
[28] Keese,A.,Matthies,H.G.:稀疏求积作为随机有限元技术中蒙特卡罗的替代方法。程序。申请。数学。机械。3, 493-494 (2003) ·Zbl 1354.65013号
[29] Kopp,A.,Class,H.,Helmig,H.:含盐含水层中CO2储存容量的调查——第1部分:流量过程和储层特征的量纲分析。国际J.格林。气体控制3263-276(2009)
[30] Köppel,M.,Franzelin,F.,Kröker,I.,Oladyshkin,S.,Santin,G.,Wittwar,D.,Barth,A.,Haasdonk,B.,Nowak,W.,Pflüger,D.,Rohde,C.:二氧化碳储存中数据驱动不确定性量化基准的数据集和可执行文件。https://doi.org/10.5281/zenodo.933827 ·Zbl 1414.76058号
[31] Köppel,M.,Kröker,I.,Rohde,C.:非均质多孔介质中控制两相流的双曲椭圆系统的侵入性不确定性量化。计算。地质科学。21(4), 807-832 (2017) ·Zbl 1396.76058号
[32] Kröker,I.,Nowak,W.,Rohde,C.:用于不确定和非线性两相流问题的随机和空间自适应并行方案。计算。地质科学。18(2), 269-284 (2015) ·Zbl 1396.65126号
[33] Kurganov,A.,Petrova,G.:双曲守恒律系统三角形网格上的中心逆风格式。数字。方法。第部分。D.E.21(3),536-552(2005)·Zbl 1071.65122号
[34] LeVeque,R.:守恒定律的数值方法。数学讲座ETH zürich。柏林施普林格出版社(1992年)·Zbl 0847.65053号
[35] Li,H.,Zhang,D.:多孔介质中流动的概率配置方法:与其他随机方法的比较。水资源。第43、44-48号决议(2007年)
[36] Lin,G.,Tartakovsky,A.:一种在稀疏网格上高效的高阶概率配置方法,用于随机非均质多孔介质中的三维流动和溶质运移。《高级水资源研究》32(5),712-722(2009)
[37] Ma,X.,Zabaras,N.:用于求解随机微分方程的自适应分层稀疏网格配置算法。J.计算。物理学。228(8), 3084-3113 (2009) ·Zbl 1161.65006号
[38] 马蒂斯,H.G.,基斯。线性和非线性椭圆随机偏微分方程的Galerkin方法。公司。方法。申请。机械。工程1941295-1331(2005)·Zbl 1088.65002号
[39] Moritz,H.:最小二乘配置。地球物理学评论。16(3), 421-430 (1978)
[40] Müller,S.,Schaback,R.:核空间的牛顿基础。《近似理论杂志》161(2),645-655(2009)·Zbl 1185.41004号
[41] Namhata,A.,Oladyshkin,S.,Dilmore,R.M.,Zhang,L.,Nakles,D.V.:地质碳储存现场上述区域压力预测的概率评估。科学。代表6(39),536(2016)
[42] Nordbotten,J.,Celia,M.,Bachu,M.:深层盐水含水层中CO2的注入和储存:注入过程中CO2羽流演变的分析解决方案。运输。多孔医学58(3),339-360(2005)
[43] Nordbotten,J.M.,Dahle,H.K.:二氧化碳储存垂直整合模型中毛细管边缘的影响。水资源。第47(2)号决议,W02537(2011)
[44] Oladyshkin,S.,Class,H.,Helmig,R.,Nowak,W.:数据驱动的不确定性量化概念及其在地质构造二氧化碳储存中的应用。《高级水资源研究》34,1508-1518(2011)
[45] Oladyshkin,S.,Class,H.,Helmig,R.,Nowak,W.:地质构造CO2封存稳健设计和概率风险评估的综合方法。计算。地质科学。15(3), 565-577 (2011)
[46] Oladyshkin,S.,Class,H.,Nowak,W.:通过Bootstrap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) ·兹比尔1382.86022
[47] 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公司。工程系统。安全。106, 179-190 (2012)
[48] Oladyshkin,S.,Nowak,W.:不完整的统计信息限制了高阶多项式混沌展开的效用。Reliab公司。工程系统。安全。169, 137-148 (2018)
[49] Oladyshkin,S.,Schroeder,P.,Class,H.,Nowak,W.:基于混沌扩展的Bootstrap滤波器,用于校准CO2注入模型。《能源媒体》40,398-407(2013)
[50] Peherstorfer,B.:使用稀疏网格学习技术对参数化系统进行模型降阶。慕尼黑技术大学博士论文(2013)
[51] Pettersson,P.,Tchelepi,H.A.:非均质地层中非线性两相输运的随机Galerkin框架和局部简化基础。计算。方法。申请。机械。工程310367-387(2016)·Zbl 1439.65129号
[52] Pfander,D.,Heinecke,A.,Pflüger,D.:一种新的基于子空间的算法,用于高效的空间自适应稀疏网格回归、分类和多重估值。收录于:Garcke,J.,Pflüger,D.(编辑)《稀疏网格和应用——斯图加特》,2014年,第221-246页。施普林格国际出版公司(2016)·Zbl 1338.65025号
[53] Pflüger,D.:高维问题的空间自适应稀疏网格。Verlag dr hut(2010年)·Zbl 1200.65100号
[54] Pflüger,Dirk,《空间自适应优化》,243-262(2012),柏林,海德堡
[55] Poötte,G.,Després,B.,Lucor,D.:守恒定律系统的不确定性量化。J.计算。物理学。228(7), 2443-2467 (2009) ·Zbl 1161.65309号
[56] Santin,G.,Haasdonk,B.:基于核近似的数据相关P-贪婪算法的收敛速度。白云石研究注释约10,68-78(2017)·Zbl 1370.94401号
[57] Schaback,R.,Wendland,H.:大型RBF系统近似解的自适应贪婪技术。数字。算法。24(3), 239-254 (2000) ·兹比尔0957.65021
[58] Scheuer,M.、Schaback,R.、Schlather,M.:空间数据插值——随机还是确定性问题?。欧洲应用杂志。数学。24(4), 601-629 (2013) ·Zbl 1426.62284号
[59] Schölkopf,B.,Smola,A.:用内核学习。麻省理工学院出版社,剑桥(2002)
[60] Sinsbeck,M.,Nowak,W.:昂贵模型的非侵入多项式混沌展开的最佳采样规则。国际期刊不确定性。数量5(3)(2015)·Zbl 1498.65174号
[61] Stieltjes,T.J.:Quelques Recherches sur la Thé,orie des Quadratures dites Méchaniques。奥弗莱斯一世,377-396(1884)
[62] Tryoen,J.,Maître,O.L.,Ern,A.:不确定标量守恒定律的自适应各向异性谱随机方法。SIAM J.科学。计算。34(5),A2459-A2481(2012)·Zbl 1273.35330号
[63] Valentin,J.,Pflüger,D.:稀疏网格上基于B样条的分层梯度优化。在:Garcke,J.,Pflüger,D.(编辑)稀疏网格与应用-斯图加特2014,计算科学与工程讲义,第109卷,第315-336页。斯普林格(2016)·Zbl 1338.65165号
[64] Villadsen,J.,Michelsen,M.L.:用多项式近似法求解微分方程模型。普伦蒂斯·霍尔(Prentice-Hall),恩格伍德悬崖(Englewood Cliffs)(1978年)·Zbl 0464.34001号
[65] Wan,X.,Karniadakis,G.E.:随机微分方程的自适应多元广义多项式混沌方法。J.计算。物理学。209(2), 617-642 (2005) ·兹比尔1078.65008
[66] Wendland,H.:分段多项式,正定,紧支撑的最小次径向函数。高级计算。数学。4(1), 389-396 (1995) ·Zbl 0838.41014号
[67] Wendland,H.:分散数据近似,剑桥大学学报。申请。计算。数学。,第17卷。剑桥大学出版社,剑桥(2005)·Zbl 1075.65021号
[68] 维纳,N.:齐次混沌。美国数学杂志。60, 897-936 (1938)
[69] Wirtz,D.,Haasdonk,B.:向量核正交贪婪算法。白云石研究注释约683-100(2013年)。DWCAA12会议记录
[70] Wirtz,D.,Karajan,N.,Haasdonk,B.:使用核方法的多尺度模型的替代建模。国际期刊数字。方法工程101(1),1-28(2015)·Zbl 1352.65144号
[71] Witteveen,J.A.S.,Sarkar,S.,Bijl,H.:使用任意多项式混沌建模涡轮叶片动态失速诱导流体-结构相互作用中的物理不确定性。计算。结构。85, 866-878 (2007)
[72] Zenger,C.:稀疏网格。注释数字。流体力学。31241-251(1991年)·Zbl 0763.65091号
[73] Zhang,Y.,Liu,Y.、Pau,G.、Oladyshkin,S.、Finsterle,S.:评估多个降阶模型以增强全球敏感性分析的信心。国际J.格林。气体控制49,217-226(2016)
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。