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Jan 25, 2024

도시화된 강의 수질 역학을 설명하기 위한 기계 학습 접근 방식

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12346(2022) 이 기사 인용

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인간 활동은 강의 수질과 양을 변화시켜 도시화된 강의 생태계에 영향을 미칩니다. 수질의 시공간 패턴을 제어하는 ​​데 있어 인간이 유도한 동인의 역할을 정량화하는 것은 도시 강의 생태학적 건강을 개선하기 위한 성공적인 전략을 개발하는 데 중요합니다. 여기에서는 Citizen Science 프로젝트 중 영국 남동부의 체스 강에서 수집한 고주파 전기 전도도 및 온도 데이터를 분석합니다. 기계 학습을 활용하여 강화된 나무가 GAM보다 성능이 뛰어나고 1% 미만의 오류로 수질 역학을 정확하게 설명한다는 사실을 발견했습니다. SHApley 첨가제 설명은 하천 수위 및 폐수 처리장(WWTW) 유출과 같은 개별 변수의 중요성과 이들 간의 (상호)의존성을 보여줍니다. WWTW 유출은 일년 내내 감지할 수 있는 전기 전도도의 일별 변화를 일으키고, 폐수 처리 작업 하류의 2km 범위에서 평균 수온이 1\(\rm{^o}C\) 증가합니다. 낮은 흐름 동안. 전반적으로 우리는 기계 학습 기술과 함께 Citizen Science 프로젝트에 의해 시작된 고주파수 수질 측정이 어떻게 도시화 된 백악 하천에서 수질 역학의 핵심 동인을 푸는 데 도움이 될 수 있는지 보여줍니다.

전 세계적으로 도시화와 같은 인간 활동은 저수지 물 순환에 변화를 일으키고 있으며 이는 수량, 수질 및 강의 생태에 심각한 영향을 미칩니다1,2. 도시화는 다양한 방식으로 유역의 수문학을 변화시킵니다3. 인공 배수 시스템과 함께 불투수성 표면을 도입하면 강의 최고 유량을 늘리고3, 강우에 대한 수문학적 반응 시간을 줄이고4,5 기저 흐름과 지하수 재충전을 줄일 수 있습니다6. 많은 국가에서 합류식 하수 시스템은 비가 올 때 포장된 지역의 빗물 배수와 함께 건조한 상태에서 가정 및 산업 폐수를 폐수 처리장으로 운반합니다. 처리된 폐수 배출은 인간 활동에 따라 강에서 독특한 흐름 패턴을 유발할 수 있습니다7,8.

도시화와 관련된 인간 활동은 화학적 수질에도 영향을 미치며, 폭풍우 발생 시 도시 하천의 수질 변화9,10,11 및 '첫 번째 플러시' 현상12,13을 특성화하는 데 많은 노력이 집중되었습니다. 또한, 합류식 하수 범람은 폐수 처리 용량을 초과한 집중호우 발생 후 수질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다14,15,16,17. 우리는 또한 도시 하천이 점오염원과 확산 오염원의 조합으로 인해 발생하는 농촌 지역에 비해 평균 전기 전도도와 주요 이온 농도가 더 높은 경향이 있다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어 염화물, 황산염, 나트륨, 칼륨은 소변의 일반적인 전해질이므로 폐수에 농축되어 있습니다19. 그러나 도시 시스템에서 개별 이온의 주요 소스를 결정하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다21. 이러한 높은 용질 수준은 이제 생태학자들이 도시 하천 생태계의 건강과 회복력에 대한 높은 이온 농도의 잠재적인 영향에 대한 가설을 세우도록 이끌고 있습니다.

인간의 활동은 하천의 수질을 광범위하게 저하시켜 생태학적 건강에 영향을 미치고 있습니다23. 이러한 활동은 시간(강우 상황에 대한 반응)부터 일일, 계절 및 연간 주기까지 중첩된 시간 범위에 걸쳐 작동하는 수역의 수질 변화로 이어집니다24,25. 인간 활동이 강에 미치는 영향을 완전히 이해하려면 인간이 유발한 수질 변화와 자연적 변화를 분석해야 합니다. 이를 위해서는 실시간 고주파 수질 센서26를 사용하여 얻을 수 있는 도시화 시스템의 고해상도 및 장기 모니터링 데이터에 액세스해야 합니다.