Application of machine learning methods to study  the relationships between seismicity  and geodynamic features  of the Dnister Hydropower Complex

І.В. Брусак; О.А. Гайдусь; Б.Є. Купльовський

doi:10.24028/gj.v48i2.350985

Автор(и)

І.В. Брусак Національний університет «Львівська політехніка», Інститут геодезії, Львів, Україна, Україна
О.А. Гайдусь 1Національний університет «Львівська політехніка», Інститут геодезії, Львів, Україна, Україна
Б.Є. Купльовський Відділ сейсмічності Карпатського регіону Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Львів, Україна, Україна

DOI:

https://doi.org/10.24028/gj.v48i2.350985

Ключові слова:

сейсмічність, сучасна геодинаміка, індукована сейсмічність, зміни рівня води, Дністровський гідроенергокомплекс, машинне навчання

Анотація

Приведено результати досліджень сейсмічності та сучасних геодинамічних особливостей Дністровського гідроенергетичного комплексу в Україні з акцентом на застосуванні методів машинного навчання для аналізу їхніх взаємозв’язків. Дністровський гідроенергетичний комплекс, розташований у сейсмічно активній перехідній зоні, перебуває під впливом природних тектонічних процесів та антропогенної діяльності, зокрема експлуатації Дністровської гідроелектростанції та активних змін рівня води у Дністровському водосховищі. Зібрано та проаналізовано дані цифрових сейсмічних станцій Карпатської сейсмологічної мережі, перманентних станцій Глобальної навігаційної супутникової системи мереж GeoTerrace та SystemNet, а також записи рівня води в Дністровському водосховищі. Для виявлення закономірностей та кореляцій між деформаціями земної кори, коливаннями рівня води та сейсмічними подіями були застосовані алгоритми машинного навчання Random Forest, Isolation Forest та кластеризацію DBSCAN. Результати показують значний зв’язок між змінами рівня води — як короткостроковими, так і довгостроковими — та виникненням землетрусів, що свідчить про вплив гідрологічних змін на сейсмічну активність. Геодинамічний аналіз вказує на неоднорідні закономірності деформації з підвищеними швидкостями в сейсмічно активних південно-західних частинах регіону. Дані з перманентних станцій Глобальної навігаційної супутникової системи показують збільшення швидкостей приблизно на 2 мм/рік поблизу Дністерського гідроенергетичного комплексу. Сейсмічність поблизу комплексу з 2012 по 2023 р. характеризувалася піковими роками (2014—2016 та 2022), у кожному з яких зафіксовано понад 100 подій. Загальна вивільнена сейсмічна енергія зросла з lg(ΣE)=7,5 у 2012 р. до 10 у 2016 р., а потім поступово знизилася до 7 у 2023 р. Ці висновки сприяють кращому розумінню механізмів індукованої сейсмічності, пов’язаної з експлуатацією водосховищ, і надають цінну інформацію для оцінювання ризиків і розробки стратегій їхнього зменшення в гідроелектричних регіонах. Інтегрований підхід демонструє ефективність машинного навчання в розшифровці складних геодинамічних і сейсмічних взаємодій у тектонічно чутливих середовищах.

Посилання

Brusak, I., Babchenko, V., Savchuk, N., Marchuk, V., Shkvarok, Y., & Turianytsia, M. (2024).

New challenges for exploitation of continuously operating reference GNSS stations during hostilities. Case study of Ukraine. Geodesy, Cartography and Aerial Photography, (99), 28—37. https://doi.org/10.23939/istcgcap 2024.99.028.

Brusak, I., Maciuk, K., & Haidus, O. (2025). Detection of geodynamic anomalies in GNSS time series using machine learning methods. Geodynamics, 1(38), 37—48. https://doi.org/10.23939/jgd2025.01.037.

Brusak, I., Tretyak, K., & Pronyshyn, R. (2022). Preliminary studies of seismicity caused by the water level changes in Dnister upper reservoir. International Conference of Young Professionals «GeoTerrace-2022» (pp. 1—4). https://doi.org/10.3997/2214-4609.2022590022.

DBN V.1.1-12:2014. Construction in the seismic regions of Ukraine. (2014). Kyiv: Ministry of Regional Development of Ukraine (in Ukrainian).

Doskich, S., Savchuk, S., & Dzhuman, B. (2023). Determination of horizontal deformation of the Earth’s crust on the territory of Ukraine based on GNSS measurements. Geodynamics, 2(35), 89—98. https://doi.org/10.23939/jgd 2023.02.089.

Fazilova, D., Makhmudov, M., & Khalimov, B. (2025). The analysis of crustal deformation patterns in the Tashkent region, Uzbekistan, derived from GNSS data over the period 2018–2023. Geodesy and Geodynamics, 16(2), 137—146. https://doi.org/10.1016/j.geog.2024.07.001.

Hurskyi, D.S., & Kruglov, S.S. (Eds.). (2007). Tectonic map of Ukraine.1:1000 000. Kyiv: Publ. of the Ukrainian State Geological Prospecting Institute, 95 p. (in Ukrainian).

Hariri, S., Kind, M., & Brunner, R. (2021). Extended isolation forest. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 33(4), 1479—1489. https://doi.org/10.1109/TKDE.2019.2947676.

Kao, H., Hyndman, R., Jiang, Y., Visser, R., Smith, B., Babaie Mahani, A., Lucinda, L., Hadi, G. & He, J. (2018). Induced seismicity in western Canada linked to tectonic strain rate: Implications for regional seismic hazard. Geophysical Research Letters, 45(20), 1—12. https://doi.org/10.1029/2018GL079288.

Naumowicz, B., Kowalczyk, K., & Pelc-Mieczkowska, R. (2024). PPP Solution-based model of absolute vertical movements of the Earth’s crust in Poland with consideration of geological, tectonic, hydrological and mineral information. Earth and Space Science, 11(12), e2023EA003268. https://doi.org/10.1029/2023EA003268.

Pedregosa, F., Varoquaux, G., Gramfort, A., Michel, V., Thirion, B., Grisel, O., Blondel, M., Prettenhofer, P., Weiss, R., Dubourg, V., Vanderplas, J., Passos, A., Cournapeau, D., Brucher, M., Perrot, M., & Duchesnay, E. (2011). Scikit-learn: Machine learning in Python. Journal of Machine Learning Research, 12, 2825—2830. https://doi.org/10.48550/arXiv.1201.0490.

Pospisil, L., Bartonek, D., Hefty, J., & Machotka, R. (2019). Geodetic Signs of the Recent Kinematical and Geodynamical Deformation of the Carpathian Arc. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 221, No 1, p. 012001). https://doi.org/10.1088/1755-1315/221/1/012001.

Pronyshyn, R., Kuplovskyi, B., Prokopyshyn, V., Stetskiv, O., Nischimenko, I., Keleman, I., Gerasymenyuk, G., & Batіuk, A. (2024). Seismicity of the Carpathians in 2023. Geofizychnyi Zhurnal, 46(5), 82—92. https://doi.org/10.24028/gj.v46i5.309221 (in Ukrainian).

Pronyshyn, R., Kuplovskyi, B., Prokopyshyn, V., Stetskiv, O., Nischimenko, I., Keleman, I., Gerasymenyuk, H., & Batiuk, A. (2025). The seismicity of the Carpathians in 2024. Geofizychnyi Zhurnal, 47(5), 95—105. https://doi.org/10.24028/gj.v47i5.335308 (in Ukrainian).

Sarnavski, V., & Ovsiannikov, M. (2005). Tectonic structure and geodynamic mode of rock masses in the zone of interaction with hydromechanical structures of HPP and PSPP (on the example of the Dnister complex hydro unit). In Modern achievements of geodetic science and production (pp. 193—206). Lviv: Publ. house of the National University «Lviv Polytechnic» (in Ukrainian).

Savchyn, I., & Pronyshyn, R. (2020) Differentiation of recent local geodynamic and seismic processes of technogenic-loaded territories based on the example of Dnister Hydro Power Complex (Ukraine). Geodesy and Geodynamics, 11(5), 391—400. https://doi.org/10.1016/j.geog.2020.06.001.

Sidorov, I., Perij, S., & Sarnavski, V. (2015). Determination of the earth surface movements in areas of Dnister PSPP using satellite and ground geodetic methods. Geodynamics, 19(2), 15—25. https://doi.org/10.23939/jgd2015.02.015 (in Ukrainian).

State geological map of Ukraine on scale of 1:200.000. sheets M-35-XXVIII (Bar). M-35-XXXIV (Mohyliv-Podilskyi (within Ukraine). (2007). Ministry of Environmental Protection of Ukraine. State Geological Service UkrDGRI, 206 p. (in Ukrainian).

Tretyak, K., Brusak, I., Savchuk, N., Kozak, A., & Babchenko, V. (2025). Geodynamic features of territories around Ukraine’s hydroelectric power plants based on GNSS CORS data. Geodynamics, 2(39), 70—82. https://doi.org/10.23939/jgd2025.02.070.

Tretyak, K., Brusak, I., & Babchenko, V. (2024a). Recent deformations of the Earth’s crust in Ukraine based on GNSS network data from Geoterrace and System.Net. Geodynamics,

(37), 56—68. https://doi.org/10.23939/jgd2024. 02.056.

Tretyak, K., Brusak, I., & Pronyshyn, R. (2024b). Reservoir-triggered seismicity: case study of the Dnister Hydro Power Complex (Ukraine). Geofizychnyi Zhurnal, 46(1), 38—51. https://doi.org/10.24028/gj.v46i1.298659.

Tretyak, K., & Romaniuk, V. (2018). The research of interrelation between seismic activity and modern vertical movements of the European permanent GNSS-stations. Acta Geodynamics et Geomaterial, 15(2), 143—164. https://doi.org/10.13168/AGG.2018.0010.

Ukrhydroenergo. (2025). Ukrhydroenergo — the leading hydropower company in Ukraine. Ukrhydroenergo. Retrieved from https://uhe.gov.ua/diyalnist/proekti.

Verbytskyi, S.T., Verbytskyi, Y.T., Stetskiv, O.T., & Nischimenko, I.M. (2019). Automated subsystem for processing and analyzing seismic data from the Carpathian region. Geofizicheskiy Zhurnal, 41(2), 171—181. https://doi.org/ 10.24028/gzh.0203-3100.v41i2.2019.164467 (in Ukrainian).

Wu, S., Ouyang, H., Li, H., Li, Z., Li, H., & He, Y. (2025). GNSS time series analysis of the crustal movement network of China: Detecting the optimal order of the polynomial term and its effect on the deterministic model. Geodesy and Geodynamics, 16(4), 378—386. https://doi.org/10.1016/j.geog.2024.12.002.

Zyhar, A., Yushchenko, Yu., & Savchyn, I. (2023). A study of the influence of water level fluctuations on the geodynamic situation in the natural and technical geosystem of the Dnister HPP and PSPP cascade. Geodesy, Cartography and Aerial Photography, (97), 24—31. https://doi.org/10.23939/istcgcap2023.97.024.