Predicting Heavy Metal Concentrations in Shallow Aquifer Systems Based on Low-Cost Physiochemical Parameters Using Machine Learning Techniques

可解释性 特征选择 环境科学 计算机科学 数据挖掘 随机森林 可预测性 特征(语言学) 含水层 机器学习 采样(信号处理) 地下水 人工智能 统计 工程类 数学 语言学 计算机视觉 哲学 岩土工程 滤波器(信号处理)
作者
Thi-Minh-Trang Huynh,Chuen‐Fa Ni,Yu-Sheng Su,Nguyễn Võ Châu Ngân,I-Hsien Lee,Chi-Ping Lin,Nguyen Hoang Hiep
出处
期刊:International Journal of Environmental Research and Public Health [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:19 (19): 12180-12180 被引量:15
标识
DOI:10.3390/ijerph191912180
摘要

Monitoring ex-situ water parameters, namely heavy metals, needs time and laboratory work for water sampling and analytical processes, which can retard the response to ongoing pollution events. Previous studies have successfully applied fast modeling techniques such as artificial intelligence algorithms to predict heavy metals. However, neither low-cost feature predictability nor explainability assessments have been considered in the modeling process. This study proposes a reliable and explainable framework to find an effective model and feature set to predict heavy metals in groundwater. The integrated assessment framework has four steps: model selection uncertainty, feature selection uncertainty, predictive uncertainty, and model interpretability. The results show that Random Forest is the most suitable model, and quick-measure parameters can be used as predictors for arsenic (As), iron (Fe), and manganese (Mn). Although the model performance is auspicious, it likely produces significant uncertainties. The findings also demonstrate that arsenic is related to nutrients and spatial distribution, while Fe and Mn are affected by spatial distribution and salinity. Some limitations and suggestions are also discussed to improve the prediction accuracy and interpretability.
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