A random forest approach to improve estimates of tributary nutrient loading

支流 环境科学 随机森林 营养物 水文学(农业) 水质 水准点(测量) 分水岭 出院手续 计算机科学 流域 生态学 工程类 机器学习 化学 地理 地图学 生物 有机化学 岩土工程 大地测量学
作者
Peter D. F. Isles
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:248: 120876-120876
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.120876
摘要

Estimating constituent loads from discrete water quality samples coupled with stream discharge measurements is critical for management of freshwater resources. Nutrient loads calculated based on discharge-concentration relationships form the basis of government nutrient load targets and scientific studies of the response of receiving waters to external loads. In this study, a new model is developed using random forests and applied to estimate concentrations and loads of total phosphorus, dissolved phosphorus, total nitrogen, and chloride, using data from 17 tributaries to Lake Champlain monitored from 1992 to 2021. I benchmark this model against one of the most widespread models currently used to estimate nutrient loads, Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season (WRTDS). The random forest model outperformed both the base WRTDS model and an extension of the WRTDS model using Kalman filtering in the great majority of cases, likely due to the inclusion of rate-of-change in discharge and antecedent discharge over different leading windows as predictors, and to the flexibility of the random forest to model predictor-response relationships. The random forest also had useful visualization capabilities which provided important process insights. WRTDS remains a useful model for many applications, but this study represents a promising new approach for load estimation which can be applied easily to existing datasets, and which is easy to customize for different applications.
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