关键词:
喀斯特流域
氮浓度
氮通量
机器学习
监测频率优化
摘要:
流域氮动态是影响水生生态系统稳定的关键,准确获取水体硝酸盐(NO_(3)^(-)-N)动态变化及其最佳监测频率对于流域水环境管理具有重要意义。本文以典型喀斯特流域贵州普定后寨河流域上游与下游地下水出漏点位(老黑潭和冒水坑)为研究对象,对高频(15 min)NO_(3)^(-)-N浓度及流量数据(2016/7/14至2018/2/10,各55392个)分别建立监测频率为15 min(55377)、1 h(13834)、3 h(4601)、5 h(2755)、7 h(1964)、12 h(1139)及1 d(562)的数据集,并结合多种机器学习模型(Radial Basis Function(RBF)、Back Propagation(BP)、Support Vector Machines(SVM)和Random Forest(RF)),获得了准确获取该流域水体硝态氮浓度及通量的最佳监测频率并筛选出最佳的机器学习模型。结果表明,高频数据可以显著提高模型的性能,即随着监测频率的提高,模型模拟效果得到显著提升。不同模型的表现说明,SVM在该流域NO_(3)^(-)-N浓度及通量预测中整体上表现最佳。综合准确度及维护成本,得出该喀斯特流域NO_(3)^(-)-N通量的最佳监测频率为5 h/次,上游老黑潭硝酸氮通量模拟结果的R^(2)、NSE、MAE为RBF(0.95、0.93、32.50),BP(0.95、0.83、68.95),SVM(0.95、0.93、32.93),RF(0.92、0.91、37.03),下游冒水坑为RBF(0.78、0.76、186.72),BP(0.81、0.80、179.51),SVM(0.83、0.82、171.28),RF(0.85、0.83、174.72)。而NO_(3)^(-)-N浓度最佳监测频率为7 h/次,其中上游老黑潭硝酸氮浓度的R^(2)、NSE、MAE为RBF(0.94、0.92、0.08),BP(0.93、0.90、0.09),SVM(0.93、0.93、0.07),RF(0.88、0.86、0.10),下游冒水坑为RBF(0.79、0.78、0.14),BP(0.78、0.78、0.14),SVM(0.79、0.79、0.13),RF(0.79、0.79、0.14)。研究结果可为具有快速响应的管道型流域水环境质量检测提供科学依据。