Previsão de dados de níveis de água subterrânea utilizando modelos baseados em aprendizado de máquina

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Luiz, Thiago Boeno Patricio
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Manancial - Repositório Digital da UFSM
dARK ID: ark:/26339/001300000n5g6
Texto Completo: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/24211
Resumo: Historical records of groundwater levels in tubular wells are important for environmental studies in water resources field. Monitoring the level of groundwater sources is essential for their management as it provides the necessary support to estimate their quantity to identify possible changes in water flow. In Rio Grande do Sul state, southern Brazil, groundwater is one of the main sources of water in several locations, being mostly used for public supply and agricultural activities. The prediction of groundwater levels is a matter of interest to public and private agencies, since they provide data for the construction of groundwater scenarios, necessary for the integrated management of water resources. Methodologies structured in monitored data and using artificial intelligence in the context of machine learning were implemented to carry out the prediction of groundwater levels. The objective was to obtain models to produce the prediction of daily data of groundwater levels in monitoring wells in light of techniques based on programming and computer learning. From an architecture composed of empirical models guided by climatological data, machine learning techniques were applied to simulate the behavior of groundwater levels in different monitoring wells. Models were built from techniques of Artificial Neural Networks, Support Vector Machines, Random Forests and Gradient Boosting Machine. The results achieved evidenced the good performance in the use of methods based on machine learning, being approaches that present great advantages in view of their high accuracy and predictive attributes. The learning techniques and the structuring of models guided by climatological and spatial data showed high learning rates, which was demonstrated by the error estimators employed. Thus, this work proposes support tools for the analysis, development and implementation of methodologies for modeling time series of groundwater levels in monitoring networks.
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The prediction of groundwater levels is a matter of interest to public and private agencies, since they provide data for the construction of groundwater scenarios, necessary for the integrated management of water resources. Methodologies structured in monitored data and using artificial intelligence in the context of machine learning were implemented to carry out the prediction of groundwater levels. The objective was to obtain models to produce the prediction of daily data of groundwater levels in monitoring wells in light of techniques based on programming and computer learning. From an architecture composed of empirical models guided by climatological data, machine learning techniques were applied to simulate the behavior of groundwater levels in different monitoring wells. Models were built from techniques of Artificial Neural Networks, Support Vector Machines, Random Forests and Gradient Boosting Machine. The results achieved evidenced the good performance in the use of methods based on machine learning, being approaches that present great advantages in view of their high accuracy and predictive attributes. The learning techniques and the structuring of models guided by climatological and spatial data showed high learning rates, which was demonstrated by the error estimators employed. Thus, this work proposes support tools for the analysis, development and implementation of methodologies for modeling time series of groundwater levels in monitoring networks.Registros históricos de níveis de água subterrânea em poços perfurados são importantes para estudos ambientais no âmbito dos recursos hídricos. O monitoramento do nível de mananciais subterrâneos é fundamental para sua gestão pois fornece o subsídio necessário para estimar sua quantidade e identificar possíveis alterações de fluxo. No estado do Rio Grande do Sul, no sul do Brasil, a água subterrânea constitui-se como uma das principais fontes de água em diversas localidades, sendo majoritariamente utilizada para abastecimento público e atividades agrícolas. A previsão dos níveis das águas subterrâneas é assunto de interesse para órgãos públicos e privados, uma vez que fornecem dados para a construção de cenários sobre as águas subterrâneas, necessários à gestão integrada dos recursos hídricos. Metodologias estruturadas em dados monitorados e utilizando inteligência artificial no contexto de aprendizado de máquina (machine learning) foram implementadas para realizar a previsão de níveis da água subterrânea. O objetivo foi obter modelos para produzir a predição de dados diários de níveis de água subterrânea em poços de monitoramento à luz de técnicas alicerçadas em programação e aprendizagem computacional. A partir de uma arquitetura composta por modelos empíricos guiados por dados climatológicos, aplicaram-se técnicas de aprendizagem para simular o comportamento dos níveis de água subterrânea em diferentes poços de monitoramento. Foram construídos modelos a partir de técnicas de Redes Neurais Artificiais, Máquinas de Vetores de Suporte, Florestas Aleatórias e Gradient Boosting Machine. Os resultados alcançados evidenciaram a boa performance na utilização de métodos baseados em aprendizado de máquina, sendo abordagens que apresentam grandes vantagens tendo em vista a sua elevada acuracidade e atributos preditivos. As técnicas de aprendizagem e a estruturação de modelos orientados por dados climatológicos demonstraram altas taxas de aprendizado, o que foi demonstrado pelos estimadores de erro empregados. Dessa forma, este trabalho propõe metodologias suporte para a análise, o desenvolvimento e a implementação de metodologias para a modelagem de séries temporais de níveis das águas subterrâneas em redes de monitoramento.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia CivilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilCentro de TecnologiaSilva, Jose Luiz Silverio dahttp://lattes.cnpq.br/9689434318472831Mancuso, Malva AndreaKirchheim, Roberto EduardoManzione, Rodrigo LillaSeidel, Enio JúniorPereira, Joao Eduardo da SilvaLuiz, Thiago Boeno Patricio2022-04-28T14:17:51Z2022-04-28T14:17:51Z2022-02-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/24211ark:/26339/001300000n5g6porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2022-04-28T14:17:51Zoai:repositorio.ufsm.br:1/24211Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2022-04-28T14:17:51Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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