Establishing performance criteria for evaluating watershed-scale sediment and nutrient models at fine temporal scales
Notice bibliographique
Résumé
Watershed water quality models are mathematical tools used to simulate processes related to water, sediment, and nutrients. These models provide a framework that can be used to inform decision-making and the allocation of resources for watershed management. Therefore, it is critical to answer the question "when is a model good enough?" Established performance evaluation criteria, or thresholds for what is considered a 'good' model, provide common benchmarks against which model performance can be compared. Since the publication of prior meta-analyses on this topic, developments in the last decade necessitate further investigation, such as the advancement in high performance computing, the proliferation of aquatic sensors, and the development of machine learning algorithms. We surveyed the literature for quantitative model performance measures, including the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), with a particular focus on process-based models operating at fine temporal scales as their performance evaluation criteria are presently underdeveloped. The synthesis dataset was used to assess the influence of temporal resolution (sub-daily, daily, and monthly), calibration duration (< 3 years, 3 to 8 years, and > 8 years), and constituent target units (concentration, load, and yield) on model performance. The synthesis dataset includes 229 model applications, from which we use bootstrapping and personal modeling experience to establish sub-daily and daily performance evaluation criteria for flow, sediment, total nutrient, and dissolved nutrient models. For daily model evaluation, the NSE for sediment, total nutrient, and dissolved nutrient models should exceed 0.45, 0.30, and 0.35, respectively, for 'satisfactory' performance. Model performance generally improved when transitioning from short (< 3 years) to medium (3 to 8 years) calibration durations, but no additional gain was observed with longer (> 8 years) calibration. Dissolved nutrient models calibrated to load (e.g., kg/s) out-performed those calibrated to concentration (e.g., mg/L), whereas selection of target units was not significant for sediment and total nutrient models. We recommend the use of concentration rather than load as a water quality modeling target, as load may be biased by strong flow model performance whereas concentration provides a flow-independent measure of performance. Although the performance criteria developed herein are based on process-based models, they may be useful in assessing machine learning model performance. We demonstrate one such assessment on a recent deep learning model of daily nitrate prediction across the United States. The guidance presented here is intended to be used alongside, rather than to replace, the experience and modeling judgement of engineers and scientist who work to maintain our collective water resources.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,063 | 0,132 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,005 |
| Bibliométrie | 0,006 | 0,005 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,004 | 0,004 |
| Science ouverte | 0,003 | 0,003 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».