Application of neural networks for flood forecasting in the Itajaí-Açu River in Blumenau, SC, Brazil

Authors

DOI:

https://doi.org/10.6008/CBPC2179-6858.2021.004.0053

Keywords:

Hydrology, Level forecasting, Artificial neural networks (ANN), Deep learning

Abstract

Artificial neural networks (ANN) have been used successfully in predicting variables based on previous events, however, there are few studies on the application of this solution to river levels forecasting in flood events. This study aimed to evaluate the application of ANN to the levels forecasting of the Itajaí-Açu river in the short term in the municipality of Blumenau, Santa Catarina, Brazil. Blumenau was chosen as a study area for its extensive history of flooding. Rain and river level data from the telemetric stations located in the hydrographic basin of the Itajaí-Açu river of the Brazilian National Water Resources Information System (SNIRH) – National Water Agency (ANA) – were used to train the neural networks. Both data have a frequency of 15 min. 7 hydrological alert events registered by the limnimetric station installed in the municipality of Blumenau were selected. The data were collected and gathered according to their location and type, and were scaled to the same unit of measurement: cm for levels and mm for precipitation. Two types of neural networks were used: Long Short-Term Memory (LSTM) and Multi Layer Perceptron (MLP). To evaluate the performance of the neural networks, the following parameters were used: coefficient of determination (R2), Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient (NSE), Root-mean Square Error (RMSE), Mean Square Error (MSE), the Mean Absolute Error (MAE) and the Mean Absolute Percentage Error (MAPE). The model with the best performance – LSTM model with 6 h forecast horizon – presented: R2 = 0.996594; NSE = 0.9995548; RMSE = 7.72 cm; MSE = 59.65 cm; MAE = 4.82 cm; MAPE = 1.89%; and MSE val. = 0.000035. The study showed that the LSTM model, with simple pre-processing, is capable to predicting the water level of the Itajaí-Açu river during extreme flood events, with high precision, presenting better results compared to the MLP model. This study presented a proposal for a viable level forecasting model solution, which can be applied as a real-time forecasting tool for the study area. This study contributes to the development of support systems for the management of water resources and to mitigate the impacts caused by disasters, covering social, economic and environmental spheres.

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Author Biographies

Gabriel Barreto Alberton, Fundação Universidade Regional de Blumenau

Engenheiro civil, mestre em engenharia ambiental pela Universidade Regional de Blumenau com ênfase em IA aplicada (Machine learning/Deep learning) e estatística.

Dirceu Luis Severo, Fundação Universidade Regional de Blumenau

Possui graduação em Meteorologia pela Universidade Federal de Pelotas (1987), mestrado em Meteorologia pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (1994) e doutorado em Meteorologia pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2007). É professor de Tempo Integral da Fundação Universidade Regional de Blumenau (FURB). Atualmente é coordenador do Programa de Pós Graduação em Engenharia Ambiental da FURB e coordenador do Centro de Operação do Sistema de Alerta de Cheias da bacia do rio Itajaí (CEOPS). Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Climatologia e também Recursos Hídricos, atuando principalmente nos seguintes temas: Enchentes, Anomalias de Precipitação e Chuvas Intensas.

Mateus Nascimento Vieira de Melo, Fundação Universidade Regional de Blumenau

Engenheiro Ambiental formado pela Universidade Federal Fluminense (UFF), mestre em Engenharia Ambiental formado pela Fundação Universidade Regional de Blumenau (FURB) e Engenheiro de Segurança do Trabalho formado pelo Centro Universitário Leonardo da Vinci (UNIASSELVI). Cursou, em período sanduíche pelo programa Ciências sem Fronteiras, Ingeniería Forestal y del Medio Natural na Universidad de Castilla La Mancha (UCLM), Espanha. Tem experiência na área de Engenharia Ambiental, com ênfase em Hidrologia, Saneamento Ambiental e Avaliação de Impacto Ambiental. É especialista em Metodologia do Ensino da Matemática pelo Centro Universitário Leonardo da Vinci (UNIASSELVI). É Coordenador Censitário de Subárea do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).

Hélio Potelicki, Fundação Universidade Regional de Blumenau

Possui ensino-medio-segundo-graupela E.E.B Frei Lucinio Korte(2018). 

Andreza Sartori, Fundação Universidade Regional de Blumenau

Possui doutorado em Informática (revalidado pela Universidade Federal do Espírito Santo - UFES), obtido em abril de 2015 na International Doctoral School on Information and Communication Technology da Universidade de Trento (Itália), sob a orientação do professor Nicu Sebe. No período de doutorado trabalhou no centro de pesquisa da Telecom Italia, SKIL Lab (Semantics & Knowledge Innovation Lab), associado ao EIT ICT Labs. Realizou parte do doutorado na Bogaziçi University (Turquia), sob a orientação do professor Albert Ali Salah. Sua tese de doutorado discute o uso de técnicas de visão computacional e aprendizado de máquina para a análise de emoções em pinturas abstratas. Anteriormente, Andreza cursou mestrado em Net­Economy: Tecnologia e Gestão da Informação e do Conhecimento na Universidade de Trento, formando-se em 2011. Fez parte do mestrado na Åbo Akademi University (Finlândia) com o programa Erasmus em 2009. Em 2007 graduou-se em Sistemas de Informação pelo Centro Universitário de Brusque. Atualmente seus interesses de pesquisa concentram­-se em em reconhecimento automático de emoções, visão computacional, interação humano computador e reconhecimento de padrões de sistemas industriais. 

Published

2021-02-08

Issue

Section

Tecnologia, Modelagem e Geoprocessamento