《基于平滑压缩状态的卡尔曼滤波的联合状态参数估计:水库特征的应用以及二氧化碳存储监控》

  • 来源专题:水体修复
  • 编译者: 邹丽雪
  • 发布时间:2017-08-23
  • 大部分的水文地质系统工程的操作依赖于利用包含不确定参数以及初始条件在内的数学模型所模拟的物理过程。卡尔曼滤波技术能够按顺序同化监测数据从而提高不确定性模型所作出的预测。每次同化包括一个非线性的优化,其通过线性化模型预测的目标功能以及利用线性校正这个预测。然而,如果模型参数以及初始条件不确定,那么优化问题将变的更加的非线性且线性修正可能产生非物理结果。本文,我们探究了先行平滑的效果,该过程对传统过滤进行调整,以减少非物理结果的产生以及减少由非线性造成的预测。我们展示了基于平滑压缩状态的卡尔曼滤波,该算法将先行平滑与协方差压缩方案合并,通过高效的探究高纬状态以及参数空间来减少计算费用。数值试验表明当模型参数不确定且数值弥散时,例如二氧化碳存储应用,先行平滑能够减少过冲误差并且能够使达到物理一致状态和合理的参数估计。我们比较了sCSKF与常规数据同化方法,结果表明对于相同的计算成本而言,将先行平滑和压缩相结合对于大尺度水文系统的实时的描述以及监控有很大的优势。

相关报告
  • 《武汉岩土所基于光纤传感监测超临界二氧化碳运移前缘研究取得进展》

    • 来源专题:中科院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-04-06
    • 全球气候变暖已日益成为人们所关切的重要环境问题。为减轻大气含碳量及控制温室效应对全球气候的影响,二氧化碳(CO2)地质封存技术逐渐被认可为是一种安全且有效的方法来应对上述气候问题。地下深部咸水层作为主要的封存载体因具有分布广泛、储存量大等特点被视为CO2长期封存的最优场地。然而,由于储层应力场改变以及存在的天然裂缝、断层等地质结构、构造,CO2封存过程可能存在泄漏的风险。因此,有必要对CO2运移过程包括运移路径和前缘进行实时监测。目前,国内外实验室已经对CO2室内岩芯驱替实验进行了深入研究,主要集中于CO2溶解捕获机理及运移过程的监测,但缺乏在封存条件下针对超临界二氧化碳(scCO2)实时运移过程中应力场变化及运移前缘的同步监测。中国科学院武汉岩土力学研究所首次利用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对不同状态CO2的驱替过程进行实时动态监测,揭示了在CO2注入压力诱导下的应力场变化机理以及运移前缘规律。   研究人员采用的岩芯驱替夹持器可满足在50 MPa以及60℃条件下的实验要求,同时能够实现scCO2(31.1℃,7.38 MPa)的稳定驱替。采用的两根FBG传感器,规格为单根光纤上嵌入三个中心波长连续分布的光栅且沿岩芯轴向方向对称粘贴于岩样表面。实验样本为四川盆地侏罗纪上统蓬莱镇组红色砂岩。实验结果表明,岩芯表面动态应变响应与CO2注入压力相关且保持线性增长的关系(图1)。基于此,可进一步针对较高注入压力条件下诱导的应力场变化进行预测且为储层及井筒稳定性评估提供室内实验数据及理论依据。另外,从实验结果可以看出在45℃条件下的应变响应值略高于20℃条件下,这是由于光栅对温度变化敏感且岩芯受热易产生膨胀变形等因素。由于三个光栅沿轴向布设于岩样上、中、下三个位置,当CO2注入后诱导岩芯内部应力场的波动会先后传递到三个光栅的感应区域从而产生相应的应变响应和初始响应时间差(图2)。在不同温压条件下,初始应变时间差不同。由图2可知,当注入压力为2 MPa,围压为10 MPa时,最大时间差为0.5 s;而在20℃,孔压增至8 MPa及围压保持16 MPa时,初始响应时间差已增至1.3 s。这主要是因为注入压力的改变使CO2由气态(gCO2)转变为了液态(lqCO2),而对lqCO2增温后使其保持超临界状态时,初始时间差又略有减小。温压的变化对CO2物质属性影响明显,特别是流体的动力粘滞系数。根据时间差及光栅中心间隔的比值可初步估计不同状态CO2在岩芯内部的运移速度:gCO2运移速度最快;lqCO2最慢;scCO2介于两者之间。因此,根据FBG测量结果可知这种监测技术可用于观测CO2流体运移路径及相应的前缘信息,有助于应用在CO2封存现场渗漏监测。最后,针对上述实验过程利用COMSOL软件进行编程模拟,模拟结果与实验结果高度一致,从而进一步验证了实验数据的真实性及监测技术的有效性。   该研究相关成果发表于Wiley出版社旗下的《温室气体:科学与技术》(Greenhouse Gases: Science and Technology)杂志,第一作者为武汉岩土所硕士研究生范成凯,通讯作者为研究员李琦。该成果得到国家自然科学基金(No. 41274111)、中澳二氧化碳地质封存(CAGS3)项目共同资助。
  • 《山地侵蚀会增加大气中二氧化碳的排放》

    • 来源专题:中科院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:mall
    • 发布时间:2018-05-11
    • 通常认为,陡峭的山脉可以从大气中吸收CO2。随着侵蚀作用的发生,新岩石不断暴露,岩石中的矿物质和空气中的CO2发生化学反应,即风化作用,并利用CO2来产生如方解石等的碳酸盐矿物。 然而,伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科学家们开展的新研究否认了这一说法。研究人员于4月12日在《科学》(Science)上发表的一篇论文认为,侵蚀作用的不断进行也能产生新的CO2气体,并能将其释放到大气中,且速度远远快于被新暴露的岩石吸收的速度。 论文的第一作者、哈佛大学博士后研究员Jordon Hemingway提到,这一结论与前期的假设相反,多山脉意味着多侵蚀、风化和CO2。 这种额外的CO2来源并不完全是地质意义上的,它也是山区土壤中微生物的副产品,它们“消耗”了岩石中的有机碳,当微生物新陈代谢时便会排出CO2。研究人员通过研究世界上最易受侵蚀的山脉之一的台湾中心山脉后,才意识到这一点。这种陡峭的山脉每年都被三次以上的台风袭击,且均是通过强降雨和大风来机械地侵蚀土壤和岩石。 Jordon和他的同事们研究了取自中心山脉的土壤、基岩和河流沉积物的样本,意在探寻样本中有机碳的迹象,而得到的结果又让他们大吃一惊:最底层的土壤基本没有风化的岩石,但会看到岩石松动,但还没有完全破碎,这说明基岩上的有机碳已经完全消失了。 WHOI海洋地球化学家Valier Galy提到,目前还不知道这是由哪种细菌作用的结果,还需要基因组学、宏基因组学和其他微生物学工具的帮助。这也是他们下一步的研究方向。值得注意的是,这些微生物释放的CO2量,不足以对气候变化产生任何直接影响,且释放CO2的过程发生在较长的地质时间尺度上。WHOI团队的研究可能会让我们更好地了解基于山脉(岩石圈)的碳循环过程。 (刘思青 编译)