Securing the lead time for evacuation is crucial to minimize flood damage. In this study, downstream water levels for heavy rainfall were predicted using measured water level observation data. Multiple regression analysis and artificial neural networks were applied to the Seom River experimental watershed to predict the water level. Water level observation data for the Seom River experimental watershed from 2002 to 2010 were used to perform the multiple regression analysis and to train the artificial neural networks. The water level was predicted using the trained model. The simulation results for the coefficients of determination of the artificial neural network level prediction ranged from 0.991 to 0.999, while those of the multiple regression analysis ranged from 0.945 to 0.990. The water level prediction model developed using an artificial neural network was better than the multiple-regression analysis model. This technique for forecasting downstream water levels is expected to contribute toward flooding warning systems that secure the lead time for streams.
The machine learning algorithm has been widely used in water-related fields such as water resources, water management, hydrology, atmospheric science, water quality, water level prediction, weather forecasting, water discharge prediction, water quality forecasting, etc. However, water quality prediction studies based on the machine learning algorithm are limited compared to other water-related applications because of the limited water quality data. Most of the previous water quality prediction studies have predicted monthly water quality, which is useful information but not enough from a practical aspect. In this study, we predicted the dissolved oxygen (DO) using recurrent neural network with long short-term memory model recurrent neural network long-short term memory (RNN-LSTM) algorithms with hourly- and daily-datasets. Bugok Bridge in Oncheoncheon, located in Busan, where the data was collected in real time, was selected as the target for the DO prediction. The 10-month (temperature, wind speed, and relative humidity) data were used as time prediction inputs, and the 5-year (temperature, wind speed, relative humidity, and rainfall) data were used as the daily forecast inputs. Missing data were filled by linear interpolation. The prediction model was coded based on TensorFlow, an open-source library developed by Google. The performance of the RNN-LSTM algorithm for the hourly- or daily-based water quality prediction was tested and analyzed. Research results showed that the hourly data for the water quality is useful for machine learning, and the RNN-LSTM algorithm has potential to be used for hourly- or daily-based water quality forecasting.
Recently, the overseas construction market has been actively promoted for about 10 years, and overseas dam construction has been continuously performed. For the economic and safe construction of the dam, it is important to prepare the main dam construction plan considering the design frequency of the diversion tunnel and the cofferdam. In this respect, the prediction of river level during the rainy season is significant. Since most of the overseas dam construction sites are located in areas with poor infrastructure, the most efficient and economic method to predict the water level in dam construction is to use the upstream water level. In this study, a linear regression model, which is one of the simplest statistical methods, was proposed and examined to predict the downstream level from the upstream level. The Pyeongchang River basin, which has the characteristics of the upper stream (mountain stream), was selected as the target site and the observed water level in Pyeongchang and Panwoon gaging station were used. A regression equation was developed using the water level data set from August 22th to 27th, 2017, and its applicability was tested using the water level data set from August 28th to September 1st, 2018. The dependent variable was selected as the "level difference between two stations," and the independent variable was selected as "the level of water level in Pyeongchang station two hours ago" and the "water level change rate in Pyeongchang station (m/hr)". In addition, the accuracy of the developed equation was checked by using the regression statistics of Root Mean Square Error (RMSE), Adjusted Coefficient of Determination (ACD), and Nach Sutcliffe efficiency Coefficient (NSEC). As a result, the statistical value of the linear regression model was very high, so the downstream water level prediction using the upstream water level was examined in a highly reliable way. In addition, the results of the application of the water level change rate (m/hr) to the regression equation show that although the increase of the statistical value is not large, it is effective to reduce the water level error in the rapid level rise section. Accordingly, this is a significant advantage in estimating the evacuation water level during main dam construction to secure safety in construction site.
Kim, Donghyun;Kim, Jungwook;Kwak, Jaewon;Necesito, Imee V.;Kim, Jongsung;Kim, Hung Soo
Journal of Wetlands Research
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v.22
no.2
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pp.106-112
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2020
Wetlands play an important function and role in hydrological, environmental, and ecological, aspects of the watershed. Water level in wetlands is essential for various analysis such as for the determination of wetland function and its effects on the environment. Since several wetlands are ungauged, research on wetland water level prediction are uncommon. Therefore, this study developed a water level prediction model using multiple regression analysis, principal component regression analysis, artificial neural network, and DNN to predict wetland water level. Geumjeong-Mountain Wetland located in Yangsan-city, Gyeongsangnam-do province was selected as the target area, and the water level measurement data from April 2017 to July 2018 was used as the dependent variable. On the other hand, hydrological and meteorological data were used as independent variables in the study. As a result of evaluating the predictive power, the water level prediction model using DNN was selected as the final model as it showed an RMSE value of 6.359 and an NRMSE value of 18.91%. This research study is believed to be useful especially as a basic data for the development of wetland maintenance and management techniques using the water level of the existing unmeasured points.
A method to filter out the effect of river stage fluctuations on groundwater level was designed using an artificial neural network-based time series model of groundwater level prediction. The designed method was applied to daily groundwater level data near the Gangjeong-Koryeong Barrage in the Nakdong river. Direct prediction time series models were successfully developed for both cases of before and after the barrage construction using past measurement data of rainfall, river stage, and groundwater level as inputs. The correlation coefficient values between observed and predicted data were over 0.97. Using the time series models the effect of river stage on groundwater level data was filtered out by setting a constant value for river stage inputs. The filtered data were applied to the hybrid water table fluctuation method in order to estimate the groundwater recharge. The calculated ratios of groundwater recharge to precipitation before and after the barrage construction were 11.0% and 4.3%, respectively. It is expected that the proposed method can be a useful tool for groundwater level prediction and recharge estimation in the riverside area.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2023.05a
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pp.246-246
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2023
Multi-purpose dams are operated accounting for both physical and socioeconomic factors. This study aims to evaluate the utility of a deep learning algorithm-based model for three multi-purpose dam operation (Seomjin River dam, Juam dam, and Juam Control dam) in Seomjin River. In this study, the Gated Recurrent Unit (GRU) algorithm is applied to predict hourly water level of the dam reservoirs over 2002-2021. The hyper-parameters are optimized by the Bayesian optimization algorithm to enhance the prediction skill of the GRU model. The GRU models are set by the following cases: single dam input - single dam output (S-S), multi-dam input - single dam output (M-S), and multi-dam input - multi-dam output (M-M). Results show that the S-S cases with the local dam information have the highest accuracy above 0.8 of NSE. Results from the M-S and M-M model cases confirm that upstream dam information can bring important information for downstream dam operation prediction. The S-S models are simulated with altered outflows (-40% to +40%) to generate the simulated water level of the dam reservoir as alternative dam operational scenarios. The alternative S-S model simulations show physically inconsistent results, indicating that our deep learning algorithm-based model is not explainable for multi-purpose dam operation patterns. To better understand this limitation, we further analyze the relationship between observed water level and outflow of each dam. Results show that complexity in outflow-water level relationship causes the limited predictability of the GRU algorithm-based model. This study highlights the importance of socioeconomic factors from hidden multi-purpose dam operation processes on not only physical processes-based modeling but also aritificial intelligence modeling.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2021.06a
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pp.183-183
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2021
Deep learning methods and their application have become an essential part of prediction and modeling in water-related research areas, including hydrological processes, climate change, etc. It is known that application of deep learning leads to high availability of data sources in hydrology, which shows its usefulness in analysis of precipitation, runoff, groundwater level, evapotranspiration, and so on. However, there is still a limitation on microclimate analysis and prediction with deep learning methods because of deficiency of gauge-based data and shortcomings of existing technologies. In this study, a real-time rainfall prediction model was developed from a sky image data set with convolutional neural networks (CNNs). These daily image data were collected at Chung-Ang University and Korea University. For high accuracy of the proposed model, it considers data classification, image processing, ratio adjustment of no-rain data. Rainfall prediction data were compared with minutely rainfall data at rain gauge stations close to image sensors. It indicates that the proposed model could offer an interpolation of current rainfall observation system and have large potential to fill an observation gap. Information from small-scaled areas leads to advance in accurate weather forecasting and hydrological modeling at a micro scale.
Among many UNESCO world heritage sites in Korea, "Historic Village: Hahoe" is adjacent to Nakdong River and it is imperative to monitor the water level near the village in a bid to forecast floods and prevent disasters resulting from floods.. In this paper, we propose a recurrent neural network with multiple hidden layers to predict the water level near the village. For training purposes on the proposed model, we adopt the sixth-order error function to improve learning for rare events as well as to prevent overspecialization to abundant events. Multiple hidden layers with recurrent and crosstalk links are helpful in acquiring the time dynamics of the relationship between rainfalls and water levels. In addition, we chose hidden nodes with linear rectifier activation functions for training on multiple hidden layers. Through simulations, we verified that the proposed model precisely predicts the water level with high peaks during the rainy season and attains better performance than the conventional multi-layer perceptron.
As a national river remediation project has been completed, this study has a special interest on the capabilities to predict water levels at various points of the Geum River. To be endowed with intelligent forecasting capabilities, the author formulate the neuro-genetic algorithm associated with the short-term water level prediction model. The results show that neuro-genetic algorithm has considerable potentials to be practically used for water level forecasting, revealing that (1) model optimization can be obtained easily and systematically, and (2) validity in predicting one- or two-day ahead water levels can be fully proved at various points.
In this study, a semi-analytical model to address groundwater level fluctuations in response to precipitations and its infiltration is developed through mathematical modeling based on water balance equation. The developed model is applied to a prediction of groundwater level fluctuations in Hongcheon area. The developed model is calibrated through a nonlinear parameter estimator by using daily precipitation rates and groundwater fluctuations data of a same year 2003. The calibrated input parameters are directly applied to the prediction of groundwater fluctuations of year 2004 and the simulated curve successfully mimics the observed. The developed model is also applied to practical problems such as a prediction of a effect of reduced recharge due to surface coverage change and a induced water level reduction. Through this study, we found that recharge to precipitation ratio is not a constant and may be a function of a precipitation pattern.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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