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Temporal prediction of algal parameters in Three Gorges Reservoir based on highly time-resolved monitoring and long short-term memory network

水华 三峡 计算机科学 背景(考古学) 布鲁姆 稳健性(进化) 环境科学 水质 深度学习 支流 人工智能 生态学 浮游植物 地图学 工程类 营养物 古生物学 基因 岩土工程 地理 生物 生物化学
作者
Kun Shan,Tian Ouyang,Xiaoxiao Wang,Hong Yang,Botian Zhou,Zhongxing Wu,Mingsheng Shang
出处
期刊:Journal of Hydrology [Elsevier BV]
卷期号:605: 127304-127304 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.jhydrol.2021.127304
摘要

Many dammed rivers throughout the world have experienced frequent harmful algal blooms (HABs) in the context of climate change and anthropogenic activities. Accurate forecasting of algal parameters (i.e., algal cell density and microcystin concentration) has great practical significance for taking precautions against HABs risks. Long short-term memory (LSTM) networks have recently shown potential in predicting water quality parameters. However, there is still little known about the robustness of the LSTM in forecasting highly time-resolved measurement of algal parameters. This study developed a hybrid deep-learning architecture (XG-LSTM) composed of one XGBoost module and two parallel LSTM models to predict algal cell density and microcystin concentration in the Three Gorges Reservoir (TGR). The proposed model was validated by in situ multi-sensor-system monitoring data at four bloom-impacted tributaries in the TGR. Each modelling process utilized the antecedent information of the algal parameters and the corresponding environmental variables as inputs for forecasting the algal parameters for the coming hours and days. As expected, the presented model achieved better performance than those without special feature extraction procedures, providing that the use of selected environmental parameters can improve LSTM performance. In addition, the hybrid XG-LSTM model successfully captured the time-series patterns of both algal cell density and microcystin concentration compared with other data-driven models, further suggesting the reliable utilization of this model in early warnings of bloom toxicity. Thus, the results presented demonstrate the potential of deep learning technology for real-time prediction of algal parameters in the TGR, and possibly for rapid detection of developing HABs in other aquatic ecosystems.
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