Analysis of the water level regime of the Taz River for optimization of waterway operation

  • Nadezhda A. Volkova Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia https://orcid.org/0000-0002-9272-4713
  • Georgy Yu. Dmitriev Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

Abstract

. Improving the safety and efficiency of shipping routes is a pressing issue for water transport in the Arctic zone, which depends on the accuracy of hydrological regime forecasting. This study aimed to analyze the water level regime to develop a methodology for forecasting maximum water levels at the outlet of the Taz River (Krasnoselkup village), which is essential for navigation in this region. The study utilized a comprehensive approach, including exploratory statistical analysis, a time series stationarity assessment, a probabilistic assessment of extreme levels, and a comparative analysis of the effectiveness of various forecast models. The study was based on a 50-year observation series (1976–2025). The results demonstrated stationarity of the series in the absence of a statistically significant trend. A comparative evaluation of the classical ARIMA model and a number of machine learning algorithms (linear regression, random forest, gradient boosting, and neural network) revealed the superiority of the ARIMA(0,1,1) model. The Random Forest machine learning model demonstrated the best performance among ML methods, but its predictive power (R² = -0.0098) was unsatisfactory. The practical significance of this work lies in the fact that the developed model and the calculated flood levels of varying frequency (e.g., a 10-year flood of 1051.2 cm) can be integrated into a decision support system for optimizing navigation planning, risk assessment, and the design of hydraulic structures on the Taz River. The results confirm the feasibility of using classical statistical methods for forecasting relatively short stationary hydrological series in data-limited conditions.

Keywords: water level, Taz River, forecasting, time series, ARIMA model, machine learning, stationarity, extreme levels, water transport, waterway operation

References

Харлампьева, Н. К. Арктическая устьевая гидрология: история исследования / Н. К. Харлампьева, М. В. Третьяков, В. В. Иванов // География и краеведение в Якутии и регионах России: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения Г.Н. Максимова, Якутск, 22–23 марта 2024 года. – Якутск: Издательский дом СВФУ, 2024. – С. 115-120. – EDN GUMXFY.

Ресурсы поверхностных вод СССР. Гидрологическая изученность, т. 15, вып. 3. Л., Гидрометеоиздат, 1964.

Волкова, Н. А. Анализ многолетних колебаний уровня воды реки Пур для обеспечения безопасности судоходства / Н. А. Волкова // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). – 2025. – № 2(54). – С. 6-22. – DOI 10.61260/2307-7476-2025-2-6-22.

Волкова, Н.А. Комплексный подход к снижению аварийности на внутренних водных путях арктического региона России / Н. А. Волкова // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2025. – Т. 22, № 3. – С. 761-775. – DOI 10.20295/1815-588X-2025-3-761-775.

Волкова, Н.А. Методика долгосрочного прогнозирования максимальных уровней воды реки Таз / Н.А. Волкова, К.В. Ромашова // Техносферная безопасность в Арктике : Сборник материалов в рамках VIII Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 21 марта 2025 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС России им. Героя Российской Федерации генерала армии Е.Н. Зиничева, 2025. – С. 223-226. – EDN RFVHDX.

Tariq S. et al. Deep quantum-transformer networks for multimodal beam prediction in isac systems //IEEE Internet of Things Journal. – 2024. – Т. 11. – №. 18. – С. 29387-29401.

Lin H. et al. Diformer: A difference transformer network for remote sensing change detection //IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. – 2024. – Т. 21. – С. 1-5.

Никитин С.Д., Мамонтов А.И. О сжатии нейросетей с архитектурой «Трансформер» //Измерение, контроль, информатизация: материалы XХVI Между-народной научно-технической конференции (23 мая 2025 г., г. Барнаул)/Под ред. ЛИ Сучковой.–Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2025.–216 c.–URL: https://journal. altstu. ru/konf_2025/2025_1/143/.–Текст: электронный. – 2025. – С. 12.

Клюковкин Г.К. Нейронные сети против классических ML-моделей: в каких случаях стоит усложнять архитектуру //Актуальные исследования. – 2024. – №. 37 (219).

Vaswani, A., Shazeer, N., Parmar, N., Uszkoreit, J., Jones, L., Gomez, A. N., Kaiser, Ł., & Polosukhin, I. (2017). Attention is all you need. Advances in Neural Information Processing Systems, 30, 5998–6008.,

Fabiano N. et al. How to optimize the systematic review process using AI tools //JCPP advances. – 2024. – Т. 4. – №. 2. – С. e12234.

Гидрологический ежегодник, т. 6, вып. 0-9. Л., Гидрометеоиздат, 1936-2012.

Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://gmvo.skniivh.ru (дата обращения 01.09.2025)

Author Biographies

Nadezhda A. Volkova , Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

PhD, Associate Professor, Department of Water-Engineering Surveys, Russian State Hydrometeorological University (192007, Russia, St. Petersburg, Voronezhskaya Street, Building 79); Senior Researcher, Arctic and Antarctic Research Institute, e-mail: navolkova@aari.ru

Georgy Yu Dmitriev , Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

graduate student, Arctic and Antarctic Research Institute, e-mail: dmit-egor@yandex.ru

Published
21-06-2026
How to Cite
Volkova, N. A., & Dmitriev, G. Y. (2026). Analysis of the water level regime of the Taz River for optimization of waterway operation. Russian Journal of Water Transport, (87), 188-200. https://doi.org/10.37890/jwt.vi87.704
Section
Water transport operation, waterways, communications and hydrography