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Title: A hybrid neural network based technique to improve the flow forecasting of physical and data driven models: methodology and case studies in andean watersheds
Authors: Farfan Duran, Juan Fernando
Ulloa, Jacinto
Aviles Añazco, Alex Manuel
Palacios Garate, Karina Fernanda
metadata.dc.ucuenca.correspondencia: Farfan Duran, Juan Fernando, juan.farfand@udc.es
Keywords: Andean watersheds
Ecuador
Flow forecasting
Hydrological models
Neural networks
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiamplio: 1. Ciencias Naturales y Exactas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatidetallado: 1.5.10 Recursos Hídricos
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiespecifico: 1.5 Ciencias de la Tierra y el Ambiente
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: 05 - Ciencias Físicas, Ciencias Naturales, Matemáticas y Estadísticas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: 0521 - Ciencias Ambientales
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: 052 - Medio Ambiente
Issue Date: 2020
metadata.dc.ucuenca.volumen: Volumen 27
metadata.dc.source: Journal of Hydrology: Regional Studies
metadata.dc.identifier.doi: 10.1016/j.ejrh.2019.100652
metadata.dc.type: ARTÍCULO
Abstract: 
The present study was conducted in the Machángara Alto and Chulco rivers, which belong to the Paute basin in the provinces of Azuay and Cañar in southern Ecuador. Study focus: Andean watersheds are important providers of water supply for human consumption, food supply, energy generation, industrial water use, and ecosystem services and functions for many cities in Ecuador and in the rest of South America. In these regions, accurate quantification and prediction of water flow is challenging, mainly due to significant climatic variability and sparse monitoring networks. In the context of flow forecasting, this work evaluates the accuracy of two physical models (WEAP and GR2M) and two models based on artificial neural networks (ANN) that use meteorological data as input variables. Then, a hybrid technique is proposed, using the time series generated by the individual models as inputs of a new ANN. This approach aims to increase the accuracy of the simulated flow by combining and exploiting the information provided by physical and data-driven models. To assess the performance of the proposed methodology, statistical analyses are conducted for two case studies in the Andean region, where comparative analyses are performed for the individual models and the hybrid technique. New hydrological insights: The results indicate that the proposed technique is able to improve the individual performance of physical and ANN-based models, yielding good results in the calibration and validation stages for the two case studies. Specifically, increases in NSE were observed from 0.64 to 0.99 in the MachÁngara Alto river, and from 0.88 to 0.99 in the Chulco river. Higher accuracy of the hybrid technique was observed for all evaluation criteria considered in the analyses. The performance of the hybrid technique was also reflected in terms of water supply and demand, suggesting possible applications for the regional management of water resources, where accurate flow predictions are of utmost importance.
Description: 
El presente estudio se realizó en los ríos Machángara Alto y Chulco, que pertenecen a la cuenca Paute en las provincias de Azuay y Cañar en el sur de Ecuador. Enfoque del estudio: las cuencas hidrográficas andinas son importantes proveedores de suministro de agua para consumo humano, suministro de alimentos, generación de energía, uso industrial del agua y servicios y funciones de los ecosistemas para muchas ciudades de Ecuador y el resto de América del Sur. En estas regiones, la cuantificación precisa y la predicción del flujo de agua es un desafío, principalmente debido a la variabilidad climática significativa y las redes de monitoreo dispersas. En el contexto de la predicción de flujo, este trabajo evalúa la precisión de dos modelos físicos (WEAP y GR2M) y dos modelos basados ​​en redes neuronales artificiales (ANN) que utilizan datos meteorológicos como variables de entrada. Luego, se propone una técnica híbrida, utilizando las series de tiempo generadas por los modelos individuales como entradas de un nuevo ANN. Este enfoque tiene como objetivo aumentar la precisión del flujo simulado combinando y explotando la información proporcionada por modelos físicos y basados ​​en datos. Para evaluar el desempeño de la metodología propuesta, se realizan análisis estadísticos para dos estudios de caso en la región andina, donde se realizan análisis comparativos para los modelos individuales y la técnica híbrida. Nuevos conocimientos hidrológicos: los resultados indican que la técnica propuesta puede mejorar el rendimiento individual de los modelos físicos y basados ​​en ANN, dando buenos resultados en las etapas de calibración y validación para los dos estudios de caso. Específicamente, se observaron incrementos en el NSE de 0.64 a 0.99 en el río MachÁngara Alto, y de 0.88 a 0.99 en el río Chulco. Se observó una mayor precisión de la técnica híbrida para todos los criterios de evaluación considerados en los análisis. El rendimiento de la técnica híbrida también se reflejó en términos de oferta y demanda de agua, lo que sugiere posibles aplicaciones para la gestión regional de los recursos hídricos, donde las predicciones precisas de flujo son de suma importancia.
URI: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85077655431&origin=resultslist&sort=cp-f&src=s&st1=A+hybrid+neural+network-based+technique+to+improve+the+flow+forecasting+of+physical+and+data-driven+models%3a+Methodology+and+case+studies+in+Andean+watersheds&sid=25efa834f7c52ee6ea9c2ebd2e154894&sot=b&sdt=b&sl=172&s=TITLE-ABS-KEY%28A+hybrid+neural+network-based+technique+to+improve+the+flow+forecasting+of+physical+and+data-driven+models%3a+Methodology+and+case+studies+in+Andean+watersheds%29&relpos=0&citeCnt=17&searchTerm=
metadata.dc.ucuenca.urifuente: https://www.journals.elsevier.com/journal-of-hydrology-regional-studies
ISSN: 2214-5818
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