Rapid and responsive water quality risk assessment using a hybrid machine learning integrated quantitative microbial risk assessment model
Notice bibliographique
Résumé
Unprecedented global population displacement in recent years has increased the burden of waterborne illnesses in refugee and internally displaced person (IDP) settlements. Unlike contexts where water is piped directly to the home, in urban-scale refugee and IDP settlements, water users manually collect water from public tapstands and transport it to their dwellings where they store and use it over several hours. This creates the potential for recontamination, increasing waterborne illness risk. Humanitarian responders need to optimize water treatment to minimize waterborne illness risk at the household. Quantitative microbial risk assessment (QMRA) has been used to assess health risk from drinking water in a variety of contexts. However, conventional QMRA approaches rely on pathogen enumeration data, which is too slow, expensive, and logistically challenging to respond to rapid fluctuations in water quality (WQ) in humanitarian contexts.We propose a novel hybrid machine learning (ML)-QMRA approach that links operational WQ data to QMRA using probabilistic ML models for responsive risk assessments. The ML-QMRA model uses a two-stage probabilistic ML approach: first we forecast WQ from tapstand to household via a deep composite quantile regression neural network (DCQRNN) and then we link household WQ to E.coli data using a support vector quantile regression (SVQR) model. This predicted E. coli becomes an input to an QMRA model designed based on WHO QMRA guidelines.We tested this ML-QMRA modelling approach using operational WQ data from the Kyaka II refugee settlement in Uganda to assess daily probabilities of infection for pathogenic E. coli and rotavirus. The ML-QMRA model forecasted a mean infection risk for pathogenic E. coli ranged of 4.5x10-2 and 0.19x10-4 for rotavirus. The ML-QMRA model also determined that to keep the risk of infection from pathogenic E. coli within 5% of the minimum daily risk of infection, 0.8 mg/L of FRC was needed at the tapstand at a turbidity of 1 NTU. The FRC requirement increased with turbidity, up to 1.25 mg/L at a turbidity of 20 NTU. This water quality was also sufficient to manage rotavirus infection risk.Our study shows how hybridizing process-based QMRA health risk assessment with probabilistic ML models can enable integration of operational data for more rapid risk assessment than conventional approaches using pathogen data. The ML-QMRA model also enables us to set multi-parameter water quality targets for routine monitoring data that are based on health-risk, not arbitrary guidelines. The ML-QMRA approach has applications in a range of contexts outside of humanitarian contexts in urban water management to make QMRA more responsive to rapid WQ fluctuations.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,005 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,008 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,004 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 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 tête enseignante, 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 ».