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Machine learning-based prediction for settling velocity of microplastics with various shapes

微塑料 沉淀 无量纲量 终端速度 形状因子 机械 生物系统 数学 环境科学 几何学 物理 环境工程 地质学 生物 海洋学
作者
Shangtuo Qian,Xuyang Qiao,Wenming Zhang,Zijian Yu,Shunan Dong,Jiangang Feng
出处
期刊:Water Research [Elsevier]
卷期号:249: 121001-121001 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.121001
摘要

Microplastics can easily enter the aquatic environment and be transported between water bodies. The terminal settling velocity of microplastics, which affects their transport and distribution in the aquatic environment, is mainly influenced by their size, density, and shape. Due to the difficulty in accurately predicting the terminal settling velocity of microplastics with various shapes, this study focuses on establishing high-performance prediction models and understanding the importance and effect of each feature parameter using machine learning. Based on the number of principal dimensions, the shapes of microplastics are classified into fiber, film, and fragment, and their thresholds are identified. The microplastics of different shape categories have different optimal shape parameters for predicting the terminal settling velocity: Corey shape factor, flatness, elongation, and sphericity for the fragment, film, fiber, and mixed-shape MPs, respectively. By including the dimensionless diameter, relative density and optimal shape parameter in the input parameter combination, the machine learning models can well predict the terminal settling velocity for the microplastics of different shape categories and mixed-shape with R2 > 0.867, achieving significantly higher performance than the existing theoretical and regression models. The interpretable analysis of machine learning reveals the highest importance of the microplastic size and its marginal effect when the dimensionless diameter D* = dn(g/v2)1/3 > 80, where dn is the equivalent diameter, g is the gravitational acceleration, and ν is the fluid kinematic viscosity. The effect of shape is weak for small microplastics and becomes significant when D* exceeds 65.

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