PROCESSES AND PHENOMENA

Models for managing water and chemical reagent injection based on machine learning and their impact on the preservation of hydrological balances and surface water quality

Authors

  • Fedor F. Mulik Moscow Institute of Modern Academic Education, 115184, Moscow, Bolshaya Tatarskaya street, 35 building 3

How to cite

GOST Mulik F. F. Models for managing water and chemical reagent injection based on machine learning and their impact on the preservation of hydrological balances and surface water quality // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 9. P. 40-49. DOI: 10.25726/m7808-6692-0471-f
APA Mulik, F. F. (2025). Models for managing water and chemical reagent injection based on machine learning and their impact on the preservation of hydrological balances and surface water quality. Academic Research Journal, 3(9), 40-49. https://doi.org/10.25726/m7808-6692-0471-f

Abstract

The study is devoted to the development and evaluation of hybrid machine-learning-based models for managing water and chemical reagent injection aimed at reducing environmental risks and preserving hydrological balances during industrial exploitation of underground horizons. The goal is to quantitatively demonstrate how a predictive–optimization control loop can simultaneously enhance the technological stability of the process and improve surface water quality by minimizing diffuse and accidental discharges. Materials and methods include a synthetically realistic dataset of more than 2.5 million records over a five-year period with an hourly time step, combining injection telemetry, downhole equipment parameters, and hydrochemical monitoring; the Python/Pandas/NumPy/Scikit-learn/TensorFlow stack was used to build an ensemble regression model (XGBoost) for 24–72-hour forecasting of BOD5, COD, chlorides, sulfates, and suspended solids; an LSTM anomaly classifier for early leak detection; and an optimization addon based on a genetic algorithm for selecting flow rate, pressure, and composition considering the objective function “efficiency–environmental damage.” Verification was carried out using hold-out and k-fold (k=5) methods. Results show technological benefits: reduction of average consumption of reagent A by 19.05% and reagent B by 11.30%, decrease in injection pressure variation coefficient by 72.32%, reduction of unplanned shutdowns by 78.57%, and decrease of unproductive injection portion by 71.41%; environmental effects include reductions in average annual chloride concentrations from 48.17 to 21.33 mg/L, sulfates and suspended solids by 33–43%, and return of petroleum products and BOD5 to background levels at the control section. Correlation analysis records the disruption of strong relationships between process instability and pollution (r up to 0.83 under conventional control → r less than 0.2), and groundwater level forecast accuracy reaches an average relative error of 1.66%, allowing for proactive water balance maintenance. The discussion emphasizes the transition from reactive to proactive management, the synergistic effect of reduced variability and risk, and the prospects of scaling through integration with digital twins and reinforcement learning methods.

Keywords

machine learning water injection hydrological balance surface water quality environmental safety

References

Айзель Г.В., Гусев Е.М. Применение современных методов машинного обучения для расчетов речного стока с неизученных водосборов // В сборнике: Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов. IV Всероссийской научной конференции с международным участием. 2015. С. 50-53.

Безднина С.Я., Овчинникова Е.В. Технология регулирования качества и внутрисистемного использования коллекторно-дренажных вод // В сборнике: Современные проблемы мелиораций и пути их решения. Юбилейный сборник научных трудов. Москва, 1999. С. 174-183.

Боброва И.Л., Морозова Ю.А., Портнова Т.М. Современная система управления параметрами водоподготовки // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2019. № 8 (140). С. 52-57.

Бурачевский И.И., Федоренко В.И. Подготовка технологической воды и ее влияние на качество водок // Ликероводочное производство и виноделие. 2003. № 8. С. 20-23.

Голуб А.П., Самсонов В.А. Моделирование движения колёсной машинки по поверхности воды // В сборнике: IX Поляховские чтения. материалы международной научной конференции по механике. Санкт-Петербургский государственный университет. Санкт-Петербург, 2021. С. 87-88.

Гребенюк Т.В., Лавриненко Ю.В. Прогнозирование гидрохимического состояния поверхностных вод // Энергетика: экономика, технологии, экология. 2015. № 1 (39). С. 66-70.

Дроздов Г.Д., Чурилин А.С. Менеджмент и инжиниринг при решении проблемы очистки питьевой воды // Экономическая наука сегодня. 2013. № 1. С. 206-213.

Ефремов А.Д. Некоторые особенности перевозки химических реагентов, используемых в процессе водоприготовления и очистки сточных вод // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 3 (30). С. 45-47.

Калач А.В., Пономарёв Д.С., Сушко Е.А. Применение искусственных нейронных сетей на основе многослойного персептрона для моделирования адсорбционной активности сорбента в системах водоочистки // В сборнике: СБОРНИК ТРУДОВ ИТНТ-2019. 2019. С. 684-692.

Клименко О.А., Геков В.Ф. Прогнозирование загрязненности водных объектов по гидрохимическим показателям // В сборнике: Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод. Материалы научной конференции с международным участием. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт». 2015. С. 232-236.

Кокина Е.С., Попова А.С., Михайлова В.А. Эффективность применения современных реагентов при подготовке технической воды // В сборнике: XLVI Ломоносовские чтения. Материалы научно-практической конференции. 2018. С. 143-148.

Колотов В.Ю. Использование реагентов комплексного действия в водооборотных системах нефтеперерабатывающих предприятий: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2002. 125 с.

Крутов А.Н. Развитие теории и методов прогнозов распространения загрязняющих веществ в поверхностных водах аридных зон: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Москва, 1997. 32 с.

Кувайскова Ю.Е., Клячкин В.Н. Прогнозирование качества питьевой воды по физико-химическим показателям с применением машинного обучения // Экологические системы и приборы. 2024. № 2. С. 3-8.

Моисеенко Н.А., Гагаев Р.Х., Джабраилова З.Р. Прогнозирование качества воды с использованием машинного обучения // В сборнике: Миллионщиков-2024. Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (В рамках реализации программы развития передовой инженерной школы "РосГеоТех"). Грозный, 2024. С. 82-87.

Issue

Section

PROCESSES AND PHENOMENA

Metrics

118 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.