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Chengshuai Liu
Author with expertise in Arsenic Contamination in Natural Waters
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Research on runoff process vectorization and integration of deep learning algorithms for flood forecasting

Chengshuai Liu et al.Jun 1, 2024
Accurate multi-step ahead flood forecasting is crucial for flood prevention and mitigation efforts as well as optimizing water resource management. In this study, we propose a Runoff Process Vectorization (RPV) method and integrate it with three Deep Learning (DL) models, namely Long Short-Term Memory (LSTM), Temporal Convolutional Network (TCN), and Transformer, to develop a series of RPV-DL flood forecasting models, namely RPV-LSTM, RPV-TCN, and RPV-Transformer models. The models are evaluated using observed flood runoff data from nine typical basins in the middle Yellow River region. The key findings are as follows: Under the same lead time conditions, the RPV-DL models outperform the DL models in terms of Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, root mean square error, and relative error for peak flows in the nine typical basins of the middle Yellow River region. Based on the comprehensive evaluation results of the train and test periods, the RPV-DL model outperforms the DL model by an average of 2.82%–22.21% in terms of NSE across nine basins, with RMSE and RE reductions of 10.86–28.81% and 36.14%–51.35%, respectively. The vectorization method significantly improves the accuracy of DL flood forecasting, and the RPV-DL models exhibit better predictive performance, particularly when the lead time is 4h–6h. When the lead time is 4–6h, the percentage improvement in NSE is 9.77%, 15.07%, and 17.94%. The RPV-TCN model shows superior performance in overcoming forecast errors among the nine basins. The research findings provide scientific evidence for flood prevention and mitigation efforts in river basins.
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A kinetics-coupled multi-surface complexation model deciphering arsenic adsorption and mobility across soil types

Yutong Liu et al.Jul 1, 2024
The diversity of soil adsorbents for arsenic (As) and the often-overlooked influence of manganese (Mn) on As(III) oxidation impose challenges in predicting As adsorption in soils. This study uses Mössbauer spectroscopy, X-ray diffraction of oriented clay, and batch experiments to develop a kinetic coupled multi-surface complexation model that characterizes As adsorbents in natural soils and quantifies their contributions to As adsorption. The model integrates dynamic adsorption behaviors and Mn-oxide interactions with unified thermodynamic and kinetic parameters. The results indicate that As adsorption is governed by five primary adsorbents: poorly crystalline Fe oxides, well crystalline Fe oxides, Fe-rich clay, Fe-depletion clay, and organic carbon (OC). Fe oxides dominate As adsorption at low As concentrations. However, at higher As concentrations, soils from carbonate strata, with higher content of Fe-rich clay, exhibit stronger As adsorption capabilities than soils from Quaternary sediment strata. The enrichment in Fe-rich clay can enhance the resistance of adsorbed As to reduction processes affecting Fe oxides. Additionally, extensive redox cycles in paddy fields increase OC levels, enhancing their As adsorption compared to upland fields. This model framework provides novel insights into the intricate dynamics of As within soils and a versatile tool for predicting As adsorption across diverse soils.
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