Predicting and analyzing the algal population dynamics of a grass-type lake with explainable machine learning

水华 水质 富营养化 机器学习 一般化 计算机科学 环境科学 生态学 数学 生物 浮游植物 数学分析 营养物
作者
Hao Lin Cui,Yiwen Tao,Jian Li,Jinhui Zhang,Hui Xiao,Russell Milne
出处
期刊:Journal of Environmental Management [Elsevier BV]
卷期号:354: 120394-120394 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.jenvman.2024.120394
摘要

Algal blooms, exacerbated by climate change and eutrophication, have emerged as a global concern. In this study, we introduce a novel interpretable machine learning (ML) workflow tailored for investigating the dynamics of algal populations in grass-type lakes, Liangzi lake. Utilizing seven ML methods and incorporating the covariance matrix adaptation evolution strategy (CMA-ES), we predict algal density across three distinct time periods, resulting in the construction of a total of 30 ML models. The CMA-ES-CatBoost model consistently demonstrates superior predictive accuracy and generalization capability across these periods. Through the collective validation of various interpretable tools, we identify water temperature and permanganate index as the two most critical water quality parameters (WQIs) influencing algal density in Liangzi Lake. Additionally, we quantify the independent and interactive effects of WQIs on algal density, pinpointing key thresholds and trends. Furthermore, we determine the minimum combination of WQIs that achieves near-optimal predictive performance, striking a balance between accuracy and cost-effectiveness. These findings offer a scientific and economically efficient foundation for governmental agencies to formulate strategies for water quality management and sustainable development.
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