Ecology and Environment ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (9): 1673-1681.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.014
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LU Yanbo(), CHEN Zhanfeng*(
), LI Xiaofang
Received:
2023-06-21
Online:
2023-09-18
Published:
2023-12-11
通讯作者:
*陈湛峰。E-mail: 作者简介:
鲁言波(1978年生),男,高级工程师,硕士研究生,主要从事环境监测及管理研究。E-mail: yanbolu@163.com
基金资助:
CLC Number:
LU Yanbo, CHEN Zhanfeng, LI Xiaofang. A Study on Water Quality Prediction Model of Cross-boundary Sections in Guangdong Province Based on GRU Improved with Particle Swarm Optimization[J]. Ecology and Environment, 2023, 32(9): 1673-1681.
鲁言波, 陈湛峰, 李晓芳. 基于粒子群优化的GRU广东省跨境断面水质预测模型研究[J]. 生态环境学报, 2023, 32(9): 1673-1681.
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URL: https://www.jeesci.com/EN/10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.014
跨界断面 | 水温 | pH值 | 溶解氧 | 电导率 | 浊度 | 高锰酸盐指数 | 氨氮 | 总磷 | 总氮 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
白沙街 | −0.13 | 0.02 | −0.03 | −0.17 | 0.12 | 0.25 | 0.30 | 1.00 | 0.11 |
三溪桥 | −0.23 | −0.05 | 0.18 | −0.30 | 0.56 | 0.40 | 0.04 | 1.00 | 0.57 |
孔江水库入库口 | 0.05 | −0.01 | −0.05 | −0.31 | 0.49 | 0.43 | 0.23 | 1.00 | 0.14 |
永定沿江 | −0.22 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.54 | 0.78 | 0.60 | 1.00 | −0.01 |
平均值 | −0.13 | 0.00 | 0.03 | −0.15 | 0.43 | 0.46 | 0.29 | 1.00 | 0.20 |
Table 1 Correlation coefficient between the index of transboundary section and total phosphorus
跨界断面 | 水温 | pH值 | 溶解氧 | 电导率 | 浊度 | 高锰酸盐指数 | 氨氮 | 总磷 | 总氮 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
白沙街 | −0.13 | 0.02 | −0.03 | −0.17 | 0.12 | 0.25 | 0.30 | 1.00 | 0.11 |
三溪桥 | −0.23 | −0.05 | 0.18 | −0.30 | 0.56 | 0.40 | 0.04 | 1.00 | 0.57 |
孔江水库入库口 | 0.05 | −0.01 | −0.05 | −0.31 | 0.49 | 0.43 | 0.23 | 1.00 | 0.14 |
永定沿江 | −0.22 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.54 | 0.78 | 0.60 | 1.00 | −0.01 |
平均值 | −0.13 | 0.00 | 0.03 | −0.15 | 0.43 | 0.46 | 0.29 | 1.00 | 0.20 |
序号 | 跨界断面 | 所在河流 | 上游省份 | 2022年水质类别 | 定类指标 | 预测指标 | 相关指标 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 山角 | 九洲江 | 广西 | Ⅱ类 | 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 氨氮 | 溶解氧、高锰酸盐指数、总磷 |
2 | 白沙街 | 贺江 | 广西 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
3 | 三溪桥 | 武江 | 湖南 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
4 | 孔江水库入库口 | 浈江 | 江西 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
5 | 定南水站 | 定南水 | 江西 | Ⅱ类 | 溶解氧, 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 高锰酸盐指数 | 电导率、氨氮、总磷 |
6 | 寻邬水站 | 寻邬水 | 江西 | Ⅱ类 | 溶解氧, 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 高锰酸盐指数 | 电导率、氨氮、总磷 |
7 | 青溪 | 汀江 | 福建 | Ⅲ类 | 溶解氧 | 溶解氧 | 水温、氨氮、高锰酸盐指数 |
8 | 永定沿江 | 汀江 | 福建 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
Table 2 List of predictive indicators
序号 | 跨界断面 | 所在河流 | 上游省份 | 2022年水质类别 | 定类指标 | 预测指标 | 相关指标 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 山角 | 九洲江 | 广西 | Ⅱ类 | 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 氨氮 | 溶解氧、高锰酸盐指数、总磷 |
2 | 白沙街 | 贺江 | 广西 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
3 | 三溪桥 | 武江 | 湖南 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
4 | 孔江水库入库口 | 浈江 | 江西 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
5 | 定南水站 | 定南水 | 江西 | Ⅱ类 | 溶解氧, 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 高锰酸盐指数 | 电导率、氨氮、总磷 |
6 | 寻邬水站 | 寻邬水 | 江西 | Ⅱ类 | 溶解氧, 高锰酸盐指数, 氨氮, 总磷 | 高锰酸盐指数 | 电导率、氨氮、总磷 |
7 | 青溪 | 汀江 | 福建 | Ⅲ类 | 溶解氧 | 溶解氧 | 水温、氨氮、高锰酸盐指数 |
8 | 永定沿江 | 汀江 | 福建 | Ⅱ类 | 总磷 | 总磷 | 浊度、氨氮、高锰酸盐指数 |
模式 | 预测指标 | 输入指标 |
---|---|---|
单指标 | 高锰酸盐指数 | 高锰酸盐指数 |
组合1 | 高锰酸盐指数 | 溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷 |
组合2 | 高锰酸盐指数 | 高锰酸盐指数、降雨量 |
组合3 | 高锰酸盐指数 | 溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、降雨量 |
Table 3 Combined input of water quality and meteorological data
模式 | 预测指标 | 输入指标 |
---|---|---|
单指标 | 高锰酸盐指数 | 高锰酸盐指数 |
组合1 | 高锰酸盐指数 | 溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷 |
组合2 | 高锰酸盐指数 | 高锰酸盐指数、降雨量 |
组合3 | 高锰酸盐指数 | 溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、降雨量 |
模型 | 学习率 | dropout比率 | 隐藏层神经元数量 | 训练迭代次数 |
---|---|---|---|---|
LSTM | 0.005 | 0.1 | 128 | 200 |
GRU | 0.005 | 0.1 | 128 | 200 |
PSO-GRU | [0.001, 0.01]范围内自适应优化 | [0.01, 0.30]范围内自适应优化 | [8, 256]范围内自适应优化 | [50, 300]范围内自适应优化 |
Table 4 Model hyperparameter Settings
模型 | 学习率 | dropout比率 | 隐藏层神经元数量 | 训练迭代次数 |
---|---|---|---|---|
LSTM | 0.005 | 0.1 | 128 | 200 |
GRU | 0.005 | 0.1 | 128 | 200 |
PSO-GRU | [0.001, 0.01]范围内自适应优化 | [0.01, 0.30]范围内自适应优化 | [8, 256]范围内自适应优化 | [50, 300]范围内自适应优化 |
序号 | 跨境断面名称 | 预测指标 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|---|---|
1 | 山角 | 氨氮 | 0.010084 | 0.006611 | 0.196550 |
2 | 白沙街 | 总磷 | 0.000477 | 0.000338 | 0.007120 |
3 | 三溪桥 | 总磷 | 0.000675 | 0.000536 | 0.011825 |
4 | 孔江水库 入库口 | 总磷 | 0.001016 | 0.000869 | 0.030010 |
5 | 定南水站 | 高锰酸盐 指数 | 0.012713 | 0.010379 | 0.005445 |
6 | 寻邬水站 | 高锰酸盐 指数 | 0.037351 | 0.022273 | 0.011532 |
7 | 青溪 | 溶解氧 | 0.031221 | 0.021852 | 0.006339 |
8 | 永定沿江 | 总磷 | 0.006808 | 0.003143 | 0.014022 |
Table 5 Evaluation of water quality prediction results for cross border cross sections in Guangdong Province
序号 | 跨境断面名称 | 预测指标 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|---|---|
1 | 山角 | 氨氮 | 0.010084 | 0.006611 | 0.196550 |
2 | 白沙街 | 总磷 | 0.000477 | 0.000338 | 0.007120 |
3 | 三溪桥 | 总磷 | 0.000675 | 0.000536 | 0.011825 |
4 | 孔江水库 入库口 | 总磷 | 0.001016 | 0.000869 | 0.030010 |
5 | 定南水站 | 高锰酸盐 指数 | 0.012713 | 0.010379 | 0.005445 |
6 | 寻邬水站 | 高锰酸盐 指数 | 0.037351 | 0.022273 | 0.011532 |
7 | 青溪 | 溶解氧 | 0.031221 | 0.021852 | 0.006339 |
8 | 永定沿江 | 总磷 | 0.006808 | 0.003143 | 0.014022 |
模型 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|
PSO-GRU | 0.058126 | 0.057315 | 0.021149 |
LSTM | 0.096210 | 0.089065 | 0.034447 |
GRU | 0.095433 | 0.087941 | 0.034023 |
Table 6 Prediction and evaluation results of Shanjiao section
模型 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|
PSO-GRU | 0.058126 | 0.057315 | 0.021149 |
LSTM | 0.096210 | 0.089065 | 0.034447 |
GRU | 0.095433 | 0.087941 | 0.034023 |
模式 | 输入指标 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|---|
单指标 | 高锰酸盐指数 | 0.135213 | 0.134354 | 0.051384 |
组合1 | 溶解氧、高锰酸盐指数、 氨氮、总磷 | 0.083239 | 0.068193 | 0.027846 |
组合2 | 高锰酸盐指数、降雨量 | 0.069083 | 0.058269 | 0.023955 |
组合3 | 溶解氧、高锰酸盐指数、 氨氮、总磷、降雨量 | 0.056312 | 0.040183 | 0.016169 |
Table 7 Combining different types of data to predict results
模式 | 输入指标 | SRMSE | SMAE | SMAPE |
---|---|---|---|---|
单指标 | 高锰酸盐指数 | 0.135213 | 0.134354 | 0.051384 |
组合1 | 溶解氧、高锰酸盐指数、 氨氮、总磷 | 0.083239 | 0.068193 | 0.027846 |
组合2 | 高锰酸盐指数、降雨量 | 0.069083 | 0.058269 | 0.023955 |
组合3 | 溶解氧、高锰酸盐指数、 氨氮、总磷、降雨量 | 0.056312 | 0.040183 | 0.016169 |
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