Previsão contínua de níveis fluviais com redes neurais utilizando previsão de precipitação : investigação metodológica da técnica

Abstract

Os sistemas de alerta de cheias exigem dos modelos de previsão de níveis, precisão e antecipação adequadas. Especialmente em bacias pequenas com resposta rápida, estas necessidades são atendidas com modelos de previsão continua, e que utilizam a previsão hidrometeorlógica como dado de entrada. Nesta pesquisa, é proposta uma exploração de recursos matemáticos na modelagem empírica de redes neurais progressivas de múltiplas camadas, abordando-se as dificuldades corriqueiras desta técnica, tais como problemas de convergência, eleição da arquitetura ótima, particionamento da amostra e índices de avaliação da qualidade do modelo. Estas dificuldades são pouco discutidas, ou até mesmo totalmente ignoradas, em grande parte dos trabalhos. A aplicação da metodologia utilizou dados da bacia do rio Quaraí, onde as cidades fronteiriças de Quaraí (Br) e Artigas (Uy) sofrem com inundações ribeirinhas. A área da bacia de contribuição é de 4.500 km², salientando-se que a bacia apresenta uma rápida resposta aos eventos de precipitação, decorrente de uma baixa capacidade de armazenamento e infiltração. O modelo proposto de previsão de níveis por redes neurais tem como entradas, níveis observados nos 2 dias anteriores e previsão numérica de precipitação (ETA-CPTEC) para até 5 dias à frente. O provável ganho em qualidade ao utilizar-se previsão de precipitação no modelo de previsão de nível foi analisado, comparando-se os resultados do modelo completo de redes neurais com os obtidos, também por um modelo de redes neurais, porém, sem o emprego de previsão de precipitação, pois assim, a avaliação deste ganho não tem a influência das características do modelo utilizado. Foi verificado um pequeno ganho ao utilizar-se a previsão de precipitação, mesmo com a baixa capacidade em acertar a magnitude da precipitação. Para efeitos de experimentação da técnica de aglutinação dos índices de qualidade dos resultados da modelagem, foram obtidas e comparadas as previsões de níveis de um modelo de regressão com as de um modelo por redes neurais. Foi analisado o comportamento do índice de erro associado à freqüência de ocorrência, que indica a magnitude do erro de modo absoluto, o qual, devido a seu significado intuitivo, dispensa a comparação com modelos alternativos. A técnica de aglutinação foi importante para a comparação dos resultados das modelagens, tendo indicado a vantagem das redes neurais sobre a regressão. Os recursos desenvolvidos nesta pesquisa, para contornar as dificuldades expostas, podem contribuir para a correta utilização de redes neurais progressivas de múltiplas camadas, em especial na área de recursos hídricos. Observa-se, ainda, que a delimitação dos limites de abrangência da amostra de dados tem uma importante influência na escolha do correto modelo a ser utilizado.

Flood alert systems require appropriate anticipation and accuracy from level forecasting models. Particularly for small basins with quick response these requirements are fulfilled by continuous forecasting models that use rain forecasting data as input. The purpose of this research is an analysis of mathematical resources in the multilayer feedforward neural networks empirical modelling. Usual limitations to adapt these techniques, such as convergence problems, optimum architecture selection, sample partitions and indexes for the models quality evaluation are presented and analyzed. These difficulties are rarely discussed and often disregarded by networks literature. The data employed for the methodology application refers to the Quaraí River basin where the neighboring cities of Quaraí (Brazil) and Artigas (Uruguay) are subjected to river floods. The contribution basin area is 4,500km² and the basin responds quickly to precipitation events since it has low infiltration and storage capacity. The adopted level forecasting model using neural network techniques was applied to two previous observed levels and the rainfall forecasting data (ETA-CPTEC) up to five days ahead as input. The potential gain on quality by using rainfall forecasting on the level forecasting model was analyzed by comparing results from the neural network model using precipitation forecasting with results from the neural network model that did not use it. On this approach the gain valuation isn’t influenced by the models characteristics. A small improvement was obtained by using the rainfall forecasting, even considering the low performance to estimate rainfall values. Level forecasting data generated by a regression model was compared with the level forecasting obtained from the neural network model in order to test the gathering techniques of the models results quality indexes,. The behavior of the error index associated with the frequency index, which indicates the error magnitude in the absolute mode and do not need any further comparisons because of its intuitive meaning, was analysed. The use of gathering techniques was important to compare the model results, indicating an advantage of the neural networks techniques when compared to the regresion model. The resources developed to solve the difficulties found in this research can give indication for the correct use of multi-layer feedforward neural networks, specially when applied to hydraulic resources. It was also observed that the determination of the sample’s valid range can present important role in the choice of the adequate model for use in each case.