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Combined Method of Chaotic Theory and Neural Networks for Water Quality Prediction
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作者 ZHANG Shudong LI Weiguang +2 位作者 NAN Jun WANG Guangzhi ZHAO Lina 《Journal of Northeast Agricultural University(English Edition)》 CAS 2010年第1期71-76,共6页
Chaos theory was introduced for water quality, prediction, and the model of water quality prediction was established by combining phase space reconstruction theory and BP neural network forecasting method. Through the... Chaos theory was introduced for water quality, prediction, and the model of water quality prediction was established by combining phase space reconstruction theory and BP neural network forecasting method. Through the phase space reconstruction, the one-dimensional water quality time series were mapped to be multi-dimensional sequence, which enriched the spatial information of water quality change and expanded mapping region of training samples of BP neural network. Established model of combining chaos theory and BP neural network were applied to forecast turbidity time series of a certain reservoir. Contrast to BP neural network method, the relative error and the mean squared error of the combined method had all varying degrees of lower. Results indicated the neural network model with chaos theory had the higher prediction accuracy, at the same time, it had better fault-tolerant capability and generalization performance . 展开更多
关键词 water quality prediction BP neural network chaotic time series
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融合残差与VMD-TCN-BiLSTM混合网络的鄱阳湖总氮预测 被引量:1
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作者 黄学平 辛攀 +3 位作者 吴永明 吴留兴 邓觅 姚忠 《长江科学院院报》 北大核心 2025年第3期59-67,75,共10页
对湖泊水质进行准确、高效的预测,对于保护水资源、维护生态平衡以及促进经济发展等方面都具有重要意义。为此提出了一种基于模态分解、多维特征选择、时间卷积网络(TCN)、自注意力机制、双向长短期神经网络(BiLSTM)和双向门控循环单元(... 对湖泊水质进行准确、高效的预测,对于保护水资源、维护生态平衡以及促进经济发展等方面都具有重要意义。为此提出了一种基于模态分解、多维特征选择、时间卷积网络(TCN)、自注意力机制、双向长短期神经网络(BiLSTM)和双向门控循环单元(BiGRU)的湖泊总氮(TN)组合预测模型。首先,采用变分模态分解将TN原始序列分解成不同频率的本征模态函数(IMF),以降低原始序列的复杂度和非平稳性;随后,通过随机森林算法为每个IMF选择相关性强的特征,将筛选出的特征矩阵输入到添加自注意力机制的TCN-BiLSTM混合网络中进行建模,充分提取数据中隐藏的关键时序信息;最后,为进一步提升模型预测精度,采用BiGRU网络学习残差序列的细节特征,将残差与模型预测结果融合得到最终的预测值。以鄱阳湖都昌监测站的水质数据为例进行试验分析,结果表明本文模型相比于其他模型对TN浓度预测效果提升明显,其平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R^(2))分别为0.03 mg/L、0.049 mg/L、0.992。 展开更多
关键词 水质预测 总氮 变分模态分解 时间卷积网络 集成预测
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基于多空间维度联合方法改进的BiLSTM出水氨氮预测方法 被引量:3
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作者 王雷 张煜 +3 位作者 赵艺琨 刘明勇 刘子航 李杰 《中国农村水利水电》 北大核心 2025年第2期17-24,共8页
出水氨氮作为衡量污水处理厂水质处理工艺的重要指标之一,准确预测污水处理厂出水水质中的氨氮含量对于及时调整处理工艺,保障水环境安全有着重要的作用。提出了一种基于联合多空间维度(Multi-spatial Dimensional Cooperative Attenti... 出水氨氮作为衡量污水处理厂水质处理工艺的重要指标之一,准确预测污水处理厂出水水质中的氨氮含量对于及时调整处理工艺,保障水环境安全有着重要的作用。提出了一种基于联合多空间维度(Multi-spatial Dimensional Cooperative Attention)改进的双向长短期记忆网络(Bi-directional Long Short-Term Memory,BiLSTM)的水质预测模型,首先通过皮尔逊(Pearson)系数法筛选出与出水氨氮相关性较强的总氮、污泥沉降比和温度3个指标作为模型输入,联合3个维度的强相关信息对未来6 h的出水氨氮进行预测。结果表明,MDCA-BiLSTM模型在融合残差序列后对出水氨氮的预测准确率R2为0.979,并在太平污水处理厂和文昌污水处理厂两个站点收集到的数据集上总氮、总磷和溶解氧的均方根误差分别为0.002、0.003、0.001和0.004、0.003、0.002;预测精度分别为0.959、0.947、0.971和0.962、0.951、0.983;与BiLSTM相比,均方根误差分别降低了0.007、0.007、0.007和0.017、0.006、0.005;预测精度分别提高了0.176、0.183、0.258和0.098、0.109、0.11。同时,该模型在面对未来6、12和24 h的预测步长时,仍能够达到0.956、0.933和0.917的预测精度,说明改进后的模型在预测准确性和鲁棒性方面表现出显著优势。该方法能够有效提高污水处理厂出水氨氮的及其他指标的预测准确性,可作为水资源循环和管理决策的一种有效参考手段,具有较强的实际应用价值。 展开更多
关键词 水质参数 时序预测 时序卷积网络 双向长短期记忆循环神经网络 注意力机制
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基于CEEMDAN和IMSA的混合模型在水质预测中的应用 被引量:1
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作者 郭利进 吴昊天 《长江科学院院报》 北大核心 2025年第6期60-70,86,共12页
水质预测是水污染防治的重要组成部分,但水质序列呈现出较强的随机性、不平稳性等特点,为进一步提高地表水质预测的精度,提出一种新型水质预测混合模型。首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)将原始水质序列分解,然后利用... 水质预测是水污染防治的重要组成部分,但水质序列呈现出较强的随机性、不平稳性等特点,为进一步提高地表水质预测的精度,提出一种新型水质预测混合模型。首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)将原始水质序列分解,然后利用模糊散布熵(FuzzDE)将分量划分为高、中、低3种复杂度成分,其次分别利用改进螳螂算法(IMSA)优化后的双向长短时记忆网络(BiLSTM)、最小二乘支持向量机回归(LSSVR)、极限学习机(ELM)对高、中、低3种复杂度成分进行预测,并对预测结果进行组合重构,最后建立BiLSTM误差校正模型对误差进行修正,得到最终预测结果。利用沅江支流酉水两个断面的溶解氧浓度及湘江流域一个断面的pH值进行仿真验证,R 2可达90%以上,结果表明混合模型预测的准确性优于其他对比预测模型。 展开更多
关键词 水质预测 CEEMDAN分解 模糊散布熵 螳螂算法 混合模型
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小清河流域邹平段水环境综合治理措施效果评估
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作者 王好芳 代晨洋 +2 位作者 张祎珂 王明栋 张金存 《水电能源科学》 北大核心 2025年第7期47-51,118,共6页
加强水环境治理是夯实流域高质量发展的基础,实施综合措施是水环境治理的有效手段。以小清河流域邹平段为例,通过构建SWAT模型和一维水质模型,对污水处理厂改造提升和山区造林综合治理措施实施前后,不同降雨情景下的NH_(3)-N、TN、TP、... 加强水环境治理是夯实流域高质量发展的基础,实施综合措施是水环境治理的有效手段。以小清河流域邹平段为例,通过构建SWAT模型和一维水质模型,对污水处理厂改造提升和山区造林综合治理措施实施前后,不同降雨情景下的NH_(3)-N、TN、TP、COD浓度进行预测,评估治理措施对水环境的改善情况。预测结果表明,治理措施实施后,小清河流域邹平段COD、NH_(3)-N、TN、TP的浓度在时空分布上均有所降低,水质改善显著。丰水年,COD、NH_(3)-N、TN、TP的浓度比平水年和枯水年时浓度低,水质状况好;丰水年情景下,项目实施后COD、NH_(3)-N、TN、TP的浓度比实施前分别降低了1.75%、9.20%、19.35%、11.76%;平水年情景下COD、NH_(3)-N、TN、TP的浓度比实施前分别降低了1.54%、21.95%、28.10%、13.64%;枯水年情景下COD、NH_(3)-N、TN、TP的浓度比实施前分别降低了1.18%、24.31%、17.89%、7.69%。因此,小清河流域邹平段提升污水处理能力和建设林地是行之有效的水环境综合治理措施。 展开更多
关键词 水质预测 SWAT模型 生态修复 污染负荷
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小样本紫外-可见吸收光谱数据的COD测定方法
6
作者 郑培超 阮伟 +8 位作者 陈述斌 李海娟 侯艳 李成林 何浩楠 杨琴 王金梅 李彪 郭连波 《红外与激光工程》 北大核心 2025年第7期343-352,共10页
化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)浓度的精准预测在水质监测和环境保护中具有重要意义。然而,受限于样本量有限以及传统支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)模型超参数调优计算复杂,紫外-可见(Ultraviolet-Visible,UV-V... 化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)浓度的精准预测在水质监测和环境保护中具有重要意义。然而,受限于样本量有限以及传统支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)模型超参数调优计算复杂,紫外-可见(Ultraviolet-Visible,UV-Vis)吸收光谱在COD预测中的精度受到限制。为此,构建了适用于小样本条件的光谱数据优化策略。首先,通过核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)提取光谱数据关键特征,提升数据处理效率;随后,利用基于梯度惩罚的Wasserstein生成对抗网络(Wasserstein Generative Adversarial Networks with Gradient Penalty,WGANGP)对关键特征进行数据增强,以缓解样本稀缺并提升模型对非线性关系的建模能力;最后采用牛顿-拉夫逊优化(Newton-Raphson-Based Optimizer,NRBO)实现SVR超参数的优化。实验结果表明,该方法在长江和嘉陵江水体COD预测中优于传统SVR,R^(2)从0.884 2提升至0.962 48,均方根误差(RMSE)降低36.34%,平均绝对误差(MAE)减少49.54%。该策略为光谱数据建模与水质污染监测提供了理论支持和实践依据。 展开更多
关键词 环境科学与工程 化学需氧量预测 Wasserstein生成对抗网络 紫外-可见吸收光谱 牛顿-拉夫逊优化算法 水质监测
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基于PSO-LSTM-SATN模型的污水水质预测研究 被引量:2
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作者 杨潞霞 王智瑜 +2 位作者 沈帅杰 马永杰 付一政 《工业水处理》 北大核心 2025年第6期159-166,共8页
为解决工业废水处理领域进水水质波动性大、随机性强、不具有周期性导致无法精准预测其水质的问题,提出粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)-长短期记忆网络模型(Long Short-Term Memory,LSTM)-自注意力机制(Self-Attentio... 为解决工业废水处理领域进水水质波动性大、随机性强、不具有周期性导致无法精准预测其水质的问题,提出粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)-长短期记忆网络模型(Long Short-Term Memory,LSTM)-自注意力机制(Self-Attention,SATN)污水水质预测模型。以山西省某煤炭水处理工厂7357组历史污水水质数据为基础,首先采用LSTM捕获进水水质中COD数据的长期依赖关系,然后采用SATN解决水质信息分布不均匀的问题,最后结合PSO对LSTM-SATN模型进行优化,帮助网络自动获取最佳参数和模型配置。评价结果显示,模型均方误差(Mean Square Error,MSE)、平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和平均绝对百分比误差(Mean Absolute Per⁃centage Error,MAPE)分别为0.5284(mg/L)2、0.2369 mg/L和4.1277%,与LSTM、门控循环单元结构(Gated Recur⁃rent Unit,GRU)、双向长短期记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory,BiLSTM)相比,MSE、MAE、MAPE均有大幅降低,即该PSO-LSTM-SATN模型能够更准确地预测进水水质,为工厂日常运营管理方案提供合理的指导意见。 展开更多
关键词 污水水质预测 长短期记忆网络模型 粒子群优化算法 自注意力机制
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采用堆叠长短期记忆神经网络的水质连续预测方法 被引量:1
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作者 张建奇 冯乐源 +1 位作者 李东鹤 杨清宇 《西安交通大学学报》 北大核心 2025年第6期93-102,共10页
针对水环境监测中的水质参数异常、预测精度低等问题,提出了一种基于堆叠长短期记忆神经网络(SLSTM)的水质参数预测模型,以解决时序数据不完整带来的挑战。首先,分析了缺失或异常的水质数据时序特征,并基于堆叠长短期记忆网络设计了水... 针对水环境监测中的水质参数异常、预测精度低等问题,提出了一种基于堆叠长短期记忆神经网络(SLSTM)的水质参数预测模型,以解决时序数据不完整带来的挑战。首先,分析了缺失或异常的水质数据时序特征,并基于堆叠长短期记忆网络设计了水质预测的深度神经网络模型;其次,采用逐点预测和多步预测方法对所提模型进行对比实验验证;最后,为了量化模型的预测性能,引入平均绝对百分比误差(MAPE)和均方根误差(RMSE)两类指标,评估SLSTM模型相对于支持向量回归(SVR)和自回归综合移动平均(ARIMA)模型的优越性。实验结果表明,在短期(24h)和长期(48h)水质余氯预测中,SLSTM的预测精度显著高于其他两类模型:在多步预测中,SLSTM的MAPE至少比SVR降低了9.15%;逐点预测中,SLSTM的RMSE至少比SVR降低了31.25%。此外,相较于ARIMA模型,SLSTM能够更有效地捕捉水质数据的非线性变化趋势,提升预测稳定性。研究不仅验证了SLSTM在水质参数预测中的有效性,还为水环境监测领域提供了新的视角和工具。 展开更多
关键词 余氯预测 水质参数预测 数据时序 长短期记忆神经网络
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黄河几字弯能源资源型城市发展需水预测 被引量:4
9
作者 张景翔 王忠静 +1 位作者 陈小泽 刘丹 《人民黄河》 北大核心 2025年第5期72-79,共8页
为分析黄河几字弯能源资源型城市的需用水量变化,利用需水库兹涅茨曲线(WEKC),分析了黄河几字弯14个能源资源型城市2000—2022年人均用水量和人均GDP的关系,通过变分模态(VMD)分解进一步提取区域用水变化特征,最后采用支持向量回归(SVR... 为分析黄河几字弯能源资源型城市的需用水量变化,利用需水库兹涅茨曲线(WEKC),分析了黄河几字弯14个能源资源型城市2000—2022年人均用水量和人均GDP的关系,通过变分模态(VMD)分解进一步提取区域用水变化特征,最后采用支持向量回归(SVR)对未来需水量进行了预测。结果表明:研究期黄河几字弯能源资源型城市WEKC曲线呈现上升—下降—再上升—再下降的由U形和倒U形组成的多种连接形态,未来仍将呈现需水量增长和下降交替的形态。WEKC曲线具有波动特征,随经济发展表现出周期性和规律性,能够反映区域发展历程中的需水演变规律。根据研究结论,对WEKC曲线未来研究方向提出了建议。 展开更多
关键词 需水量预测 能源资源型城市 高质量发展 库兹涅茨曲线 黄河几字弯
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基于多源监测与数值模拟的小流域水质预测预报研究——以南京市秦淮河流域为例 被引量:1
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作者 刘军 潘泓哲 +8 位作者 柏松 李一平 赵明明 郑婉婷 谢鑫苗 崔明轩 胡静 金巧依 余晨 《中国环境监测》 北大核心 2025年第5期238-249,共12页
针对当前河流水质预测预报开展中的技术瓶颈与业务需求,选取南京市秦淮河城区段小流域作为研究区域,提出了一种基于多源监测与数值模拟的小流域水质预测预报方法。研究通过原位监测-数值模拟-统计分析等方法,构建了小流域多源监测系统... 针对当前河流水质预测预报开展中的技术瓶颈与业务需求,选取南京市秦淮河城区段小流域作为研究区域,提出了一种基于多源监测与数值模拟的小流域水质预测预报方法。研究通过原位监测-数值模拟-统计分析等方法,构建了小流域多源监测系统与水环境数学模型,搭建了小流域水质预测预报数据库,制定了融合降雨预报信息、可推断小流域河道出入流与沿线污染源排放的水质预测预报边界匹配算法。选取2023年晴天、小雨、中雨、大雨、暴雨5种典型情景进行了水质预测预报效果评估分析,对下游三汊河口断面水质类别平均预报精准率可达82.86%。基于以上方法,初步开展了秦淮河小流域水质预测预报的常态化业务应用。提出的水质预测预报方法可较好地模拟预测小流域内未来1~7 d重点断面的水质波动趋势,有助于管理部门快速研判预测不同气象、水文条件下小流域水体水质的响应过程,为水质监测预警、污染溯源提供了有效的理论与技术支撑。 展开更多
关键词 多源监测 小流域 水环境模型 水质预测预报 后评估分析
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基于数据驱动的污水处理系统水质预测研究进展 被引量:1
11
作者 刘浩威 陈霖 +4 位作者 李巨峰 晏欣 冉照宽 栾辉 陈春茂 《工业水处理》 北大核心 2025年第4期1-9,共9页
传统水质监测手段耗时长、成本高且数据时效性差,污水处理系统参数反馈和调整周期长,在人工智能迅猛发展的背景下,构建基于数据驱动的水质预测技术有重要意义。从大数据收集与处理层面出发,梳理了国内外水质数据收集、清洗策略以及特征... 传统水质监测手段耗时长、成本高且数据时效性差,污水处理系统参数反馈和调整周期长,在人工智能迅猛发展的背景下,构建基于数据驱动的水质预测技术有重要意义。从大数据收集与处理层面出发,梳理了国内外水质数据收集、清洗策略以及特征工程等方法的特点和应用状况。在此基础上介绍了不同类型水质预测模型的预测效果与特点,统计回归模型、机器学习模型和深度学习模型都展现出一定的优势,但不同数据集质量上存在显著差异,难以获得普适的预测模型。结合大数据特征和数据集质量,采取合理的数据预处理手段,应用不同类型的预测方法或组合,可以显著提高模型预测准确性。最后综述了现阶段水质预测模型的应用现状、存在的问题以及未来发展方向,以期为水质预测模型研究、开发与应用提供参考。 展开更多
关键词 水质预测 特征工程 机器学习 深度学习 集成学习
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基于机器学习模型的流域水质评价与预测
12
作者 刘凯 刘锋 +4 位作者 彭英湘 张树楠 樊娟 杜晓楠 王紫嵘 《环境污染与防治》 北大核心 2025年第7期1-10,I0018,共11页
河流水质评价和预测对水环境管理具有重要指导意义。基于2016—2020年的M河流域监测数据,利用水质指数(WQI)模型评估河流水质时空变化特征,并通过机器学习模型进行水质预测。结果表明:1)从河流年际变化来看,水质在逐年提升;从河流水质... 河流水质评价和预测对水环境管理具有重要指导意义。基于2016—2020年的M河流域监测数据,利用水质指数(WQI)模型评估河流水质时空变化特征,并通过机器学习模型进行水质预测。结果表明:1)从河流年际变化来看,水质在逐年提升;从河流水质空间分异来看,流域水质表现为上游到下游水质逐渐下降。2)使用随机森林(RF)模型识别关键的水质参数,发现在河流干流和支流中溶解氧(DO)、氨氮是决定水质的关键影响因子。3)评估3种机器学习模型预测水质效果,RF模型预测精度较低,反向传播神经网络(BPNN)和长短期记忆(LSTM)网络模型预测精度高,LSTM网络模型是预测WQI的优选模型。阐明长江经济带M河流域水质时空特征,运用机器学习预测河流水质,可为河流水污染控制与相关政策调整与实施提供科学依据。 展开更多
关键词 水质评价 机器学习 水质预测
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基于机器学习算法的炼化污水厂出水水质预测模型研究
13
作者 陈霖 刘浩威 +4 位作者 王庆宏 冯光明 詹亚力 王强 陈春茂 《工业水处理》 北大核心 2025年第7期81-93,共13页
炼化企业生产工艺流程复杂且装置繁多,污水水质和水量波动大,下游响应调控滞后,水质超标问题难以避免,亟需构建高效水质预测模型。以广东省某炼化企业2023年全年监测池出水水质数据为基础,构建水质预测模型。结果表明:插值算法可以实现... 炼化企业生产工艺流程复杂且装置繁多,污水水质和水量波动大,下游响应调控滞后,水质超标问题难以避免,亟需构建高效水质预测模型。以广东省某炼化企业2023年全年监测池出水水质数据为基础,构建水质预测模型。结果表明:插值算法可以实现对炼化污水缺失数据的有效填充;出水硫化物(HS)、总氮(TN)、总有机碳(TOC)、五日生化需氧量(BOD5)、pH与化学需氧量(COD)未表现出明显的相关性,多参数预测模型无法捕获数据特征;选用反向传播-神经网络(BP-NN)与支持向量回归机(SVR)为基础算法构建的时间序列预测模型可以大幅提高预测准确性,变异粒子群算法(MPSO)可以实现对BP-NN权值、阈值以及SVR惩罚因子c和核函数参数g的显著优化;MPSO-BP-NN模型在测试集中对COD的预测精度最高,决定系数(R^(2))和相关系数(r)分别为0.81和0.89,MAE、RMSE、MBE和MAPE分别为1.10 mg/L、1.63 mg/L、-0.25 mg/L和2.58%;现场验证结果表明MPSO-BP-NN模型有较好的稳定性和泛化能力,可以显著提升预测水质数据的时效性,为炼化污水处理系统上游工艺参数的调控提供理论指导,保障系统长周期平稳运行。 展开更多
关键词 炼化污水 水质预测 相关性分析 机器学习 算法优化
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祖厉河流域水质预测模型研究
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作者 张正红 王玲莉 +4 位作者 张富 李加林 吴天珍 余文娟 祁鹏 《中国水土保持科学》 北大核心 2025年第4期106-116,共11页
近年来,由于水体污染日益突出,严重影响人类的身体健康。建立可靠的水质预测模型、预测未来水质变化趋势,是当前急需要解决的科学问题。以祖厉河流域为研究区,基于2001—2021年10项指标的监测数据:矿化度、总硬度、溶解氧、高锰酸盐指... 近年来,由于水体污染日益突出,严重影响人类的身体健康。建立可靠的水质预测模型、预测未来水质变化趋势,是当前急需要解决的科学问题。以祖厉河流域为研究区,基于2001—2021年10项指标的监测数据:矿化度、总硬度、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚、六价铬、总磷,采用主成分分析方法选取流域5个水质监测断面(靖远、大羊营、巉口、定西、会宁断面)的主要污染指标,通过ARIMA、GM(1,1)、GM(1,1)与马尔科夫组合3种预测模型,进行水质的预测。结果表明:GM(1,1)与马尔科夫组合模型精度最高,预测结果更为合理有效。选用GM(1,1)与马尔科夫组合模型预测祖厉河流域未来10年的水质变化趋势,发现各断面水质逐渐变好,但仍处于较差的阶段,在5个断面中需重点关注巉口和会宁断面的水污染治理工作。研究结果可为祖厉河及黄河流域的水质指标及水土保持治理工作提供可借鉴的预测方法。 展开更多
关键词 水质 模型 断面 预测 祖厉河流域
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基于XGBoost-SHAP模型的流域水质指标对DO的驱动与协同影响分析 被引量:1
15
作者 南淑荷 李进军 +2 位作者 魏佳芳 魏荣升 赵天赐 《水电能源科学》 北大核心 2025年第7期52-56,共5页
溶解氧(DO)是衡量水质健康的关键指标,其变化受多种环境因子和交互作用的影响。为此,基于2021年1月~2022年4月钱塘江浙闽片河流闸口水质数据,采用极端梯度提升(XGBoost)算法构建DO预测模型,并结合SHAP(Shapley值)方法分析水质指标对DO... 溶解氧(DO)是衡量水质健康的关键指标,其变化受多种环境因子和交互作用的影响。为此,基于2021年1月~2022年4月钱塘江浙闽片河流闸口水质数据,采用极端梯度提升(XGBoost)算法构建DO预测模型,并结合SHAP(Shapley值)方法分析水质指标对DO的驱动作用及其交互效应。结果表明,水温(WT)、pH值是影响DO变化的主要因素,对模型输出的贡献分别为42.7%、20.9%。此外,WT与pH值的非线性交互关系尤为显著。低WT、pH值促进DO浓度,而高WT、pH值则可能降低DO浓度。WT与浊度(TB)的交互作用显著降低DO浓度,而适量的总磷、电导率对DO浓度具有正向促进作用。研究结果可为流域水质管理和生态保护提供科学依据。 展开更多
关键词 溶解氧(DO) 水质预测 XGBoost SHAP 非线性交互 流域水质管理
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基于事件触发的污水处理过程水质智能预测研究
16
作者 李欣怡 王功明 +1 位作者 王自鹏 乔俊飞 《化工学报》 北大核心 2025年第6期2828-2837,共10页
针对污水处理过程非平稳性、多工况性导致的水质难以高效、精准预测的问题,提出了一种事件触发的模糊神经网络(event-triggered fuzzy neural network,ETFNN)总磷预测模型设计方法,以事件的形式感知污水处理总磷状态演化过程的非平稳性... 针对污水处理过程非平稳性、多工况性导致的水质难以高效、精准预测的问题,提出了一种事件触发的模糊神经网络(event-triggered fuzzy neural network,ETFNN)总磷预测模型设计方法,以事件的形式感知污水处理总磷状态演化过程的非平稳性和多工况性,进而实现对总磷状态高效、精准的跟踪和预测。首先,利用总磷历史数据对模糊神经网络(fuzzy neural network,FNN)进行训练,根据能够反映多工况切换的训练误差变化趋势来定义事件;其次,设计事件触发的模型参数更新策略,当不同事件发生时,模型会触发变步长的参数更新行为,即实现对污水处理运行非平稳性、多工况性的感知和识别;同时,通过构造等效Markov决策过程的性能势函数证明了ETFNN模型学习过程的收敛性;最后,将ETFNN作为软测量模型,用于实际污水处理过程出水总磷建模与预测,并进行了综合分析。实验结果表明,所提出的ETFNN软测量模型不仅能提高总磷预测精度,还能以事件的形式识别并跳过无效数据,进而降低预测模型的计算复杂度。 展开更多
关键词 污水处理 水质预测 事件触发 模糊神经网络 Markov决策 性能势函数
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基于深度学习的环太湖河流气象水质协同预测模型研究
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作者 许睿亭 姜翠玲 +1 位作者 孙磊 冯亚坤 《水利水电技术(中英文)》 北大核心 2025年第7期228-238,共11页
【目的】为优化水质监测与预警系统,促进河流生态环境的可持续发展。【方法】研究根据环太湖19个水质监测站点2021—2023年逐日水质监测数据和7个气象站的逐日气象资料,采用综合水质指数法(WQI)对水质状况进行定量评价,通过克里金插值... 【目的】为优化水质监测与预警系统,促进河流生态环境的可持续发展。【方法】研究根据环太湖19个水质监测站点2021—2023年逐日水质监测数据和7个气象站的逐日气象资料,采用综合水质指数法(WQI)对水质状况进行定量评价,通过克里金插值法获得与水质监测站点空间相位一致的气象数据,综合考虑气象要素对水质要素的影响机理和Spearman相关分析结果筛选输入的气象数据。采用长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)、反向传播网络(BP)方法以及并行的GRU-LSTM模型对综合水质指数WQI进行预测。【结果】结果表明,水质预测模型中,模型精度受输入步长的影响,步长14 d的并行的GRU-LSTM模型表现最佳,预测精度为R^(2)=0.98。【结论】研究成果采用的深度学习模型为河流水质的长期监测和预测提供了一种新的技术路径,结合气象数据的水质预测能够在实际应用中帮助相关部门提前预警水质变化,优化水资源的调度与治理策略,提高水环境的可持续管理能力。 展开更多
关键词 气象水质协同预测模型 深度学习 综合水质指数法 河流水质 影响因素
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引江补汉工程运行对三峡水源区水环境的影响预测
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作者 吴贞晖 王孟 +3 位作者 刘扬扬 吴比 肖洋 张可可 《长江科学院院报》 北大核心 2025年第2期194-203,共10页
引江补汉工程实施将引起三峡库区水文情势和水质变化。为预测引江补汉工程运行对水源区水环境的影响,构建水源区二维水动力水质模型,分析丰、平、枯、特枯水年情景下水源区水文情势、水动力变化和化学需氧量(COD)、氨氮、总磷浓度时空... 引江补汉工程实施将引起三峡库区水文情势和水质变化。为预测引江补汉工程运行对水源区水环境的影响,构建水源区二维水动力水质模型,分析丰、平、枯、特枯水年情景下水源区水文情势、水动力变化和化学需氧量(COD)、氨氮、总磷浓度时空分布特征,并提出相应的水环境保护措施。结果表明:引江补汉工程实施后,龙潭溪取水口水域水动力条件显著增强,各月流速增幅达0~0.04 m/s;工程实施后取水口水质受引水拖拽作用趋向于主库区,不同典型年下该断面COD、氨氮、总磷年均变化幅度分别介于-2.31%~0.41%、4.18%~8.20%、0.77%~1.82%,非引水时段有发生富营养化风险。研究成果可为引江补汉工程水源区水环境保护与治理提供理论与技术支撑。 展开更多
关键词 引江补汉工程 三峡水源区 水环境影响预测 数值模拟 二维水动力水质模型 水环境保护与治理
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可解释性融合神经网络在巢湖总磷浓度预测中的应用
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作者 肖裕锋 张代青 《中国农村水利水电》 北大核心 2025年第7期44-51,共8页
总磷浓度超标是导致巢湖不同区域出现不同程度富营养化的原因之一,准确地预测总磷浓度变化对流域污染治理意义重大。为了精准预测巢湖总磷浓度,提出一种基于XGboost特征筛选的VMD-TCN-BiLSTM模型,此模型结合了变分模态分解(VMD)、时间... 总磷浓度超标是导致巢湖不同区域出现不同程度富营养化的原因之一,准确地预测总磷浓度变化对流域污染治理意义重大。为了精准预测巢湖总磷浓度,提出一种基于XGboost特征筛选的VMD-TCN-BiLSTM模型,此模型结合了变分模态分解(VMD)、时间卷积网络(TCN)和双向长短期记忆网络(BiLSTM)的优势。VMD用于对原始数据进行预处理,提取出不同频率的信号成分;TCN负责捕捉时间序列数据中的局部依赖关系;而BiLSTM则擅长处理长期依赖性,能够有效克服传统LSTM存在的梯度消失问题;最后使用SHAP算法解释所构建的模型。VMD-TCN-BiLSTM模型在巢湖忠庙断面的总磷浓度预测中:R^(2)达到0.9866,MAE为0.0022,RMSE为0.0032,具有优良的预测表现,且解决了其余对照模型出现的预测精度不高、预测值小于0的问题。在巢湖西半湖湖心、黄麓、新河入湖区断面,模型仍有很高的预测精度(R^(2)>0.98),表明模型具有较强的泛化能力。使用SHAP算法解释神经网络模型,揭示了特征变量对总磷的预测值影响程度,忠庙断面影响程度排序为:浊度>高锰酸盐指数>总氮>溶解氧>水温>电导率;黄麓断面影响程度排序为:浊度>高锰酸盐指数>溶解氧>电导率>水温>pH;西半湖湖心断面影响程度排序为:浊度>高锰酸盐指数>水温>溶解氧>总氮>电导率;新河入湖区断面影响程度排序为:浊度>高锰酸盐指数>水温>总氮>溶解氧>pH。 展开更多
关键词 水质预测 特征筛选 融合神经网络 可解释性
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基于SEM和RF的和田绿洲区浅层高氟地下水水质主控因素分析与氟浓度分布预测
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作者 蒋悦 郑天亮 +3 位作者 李景吉 杨晴雯 黄振富 王双成 《安全与环境工程》 北大核心 2025年第2期264-272,共9页
高氟地下水是全球广泛分布的环境地质问题,本研究基于结构方程模型(SEM)和随机森林(RF)算法开展新疆和田绿洲区浅层高氟地下水水质主控因素及氟浓度分布预测研究。结果表明:干旱气候条件下矿物溶解(β=0.99)及离子交换作用(β=0.68)对... 高氟地下水是全球广泛分布的环境地质问题,本研究基于结构方程模型(SEM)和随机森林(RF)算法开展新疆和田绿洲区浅层高氟地下水水质主控因素及氟浓度分布预测研究。结果表明:干旱气候条件下矿物溶解(β=0.99)及离子交换作用(β=0.68)对地下水水质具有重要贡献,与地下水矿物饱和指数、氯碱指数及Gibbs模型分析结果一致;基于RF算法构建的预测模型指示浅层高氟地下水主要分布于绿洲区中部,特征变量贡献度分析表明蒸发浓缩作用以及碱性pH值条件是高氟地下水形成的重要调控因素。研究结果可为和田绿洲区浅层高氟地下水的分布预测及环境调控机制提供新认识,也可为区域安全供水战略提供指导。 展开更多
关键词 和田绿洲区 浅层高氟地下水 结构方程模型(SEM) 随机森林(RF)算法 水质评价与预测
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