Modelling of discharge, nitrate and phosphate loads from the Reda catchment to the Puck Lagoon using SWAT

• Autorzy: Marcinkowski P. , Piniewski M. , Kardel I. , Gielczewski M. , Okruszko T.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie odpływu oraz ładunków azotanów i fosforanów odprowadzanych ze zlewni Redy do Zalewu Puckiego przy użyciu modelu SWAT

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study presents an application of the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) in an agricultural, coastal catchment situated in northern Poland, draining an area of 482 km2 (the Reda catchment). The main objective of this study was calibration and validation of the model against daily discharge and water quality parameters (bi-monthly total suspended solids [TSS], nitrate nitrogen [N-NO3] and phosphate phosphorus [P-PO4] loads). Calibration and validation were conducted using the SWAT-CUP program and SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting Version 2) algorithm. The Nash-Sutcliffe effi ciency, which was set as an objective function in calibration of all variables, was equal for discharge to 0.75 and 0.61 for calibration and validation periods, respectively. For TSS, N-NO3 and P-PO4 loads NSE was equal to 0.56, 0.62 and 0.53 in calibration period, and 0.22, 0.64 and –1.78 in validation period, respectively. For the calibration period all the results are satisfactory or good, while for the validation period the results for TSS and P-PO4 loads are rather poor, which is related mainly to the lack of homogeneity between calibration and validation periods. These results demonstrate that SWAT is an appropriate tool for quantifi cation of nutrient loads in Polish agricultural catchments, in particular for N-NO3. The model can therefore be applied for water resources management, for quantifi cation of scenarios of climate and land use change, and for estimation of the Best Management Practices efficiency.

PL

W niniejszej pracy zaprezentowano przykład zastosowania modelu SWAT (Soil and Water Assessment Tool) w rolniczej, przybrzeżnej zlewni Redy o powierzchni 482 km2 usytuowanej w północnej części Polski. Głównym celem pracy było przeprowadzenie kalibracji i weryfikacji modelu na podstawie przepływów dobowych i parametrów jakościowych wód (ładunki zawiesin [TSS], azotanów [N-NO3] i fosforanów [P-PO4] z częstotliwością pomiarów co dwa tygodnie). Kalibracja i weryfikacja zostały przeprowadzone przy użyciu programu SWAT-CUP i algorytmu SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting Version 2). Współczynnik Nasha-Sutcliffe’a, zdefiniowany jako funkcja celu, wyniósł dla przepływu 0,75 i 0,61 odpowiednio dla okresu kalibracji i weryfikacji. Dla ładunków TSS, N-NO3 i P-PO4 współczynnik ten wyniósł odpowiednio 0,56, 0,62, 0,53 dla okresu kalibracji oraz 0,22, 0,64, –1,78 dla okresu weryfikacji. Uzyskane wyniki można ocenić jako satysfakcjonujące lub dobre w przypadku okresu kalibracji, natomiast w okresie weryfikacji jakość symulacji ładunków TSS i P-PO4 uznano za nieco gorszą, co może być związane z brakiem jednorodności pomiędzy tymi okresami. Wyniki te wskazują, że SWAT jest odpowiednim narzędziem do ilościowej oceny wielkości ładunków biogenów w rolniczych zlewniach Polski, szczególnie w przypadku azotanów. Z tego względu model może znaleźć zastosowanie w zarządzaniu zasobami wodnymi, w kwantyfi kacji scenariuszy zmian klimatu i użytkowania ziemi oraz przy ocenie efektywności środków zaradczych stosowanych w rolnictwie.

Słowa kluczowe

EN

Reda River; Puck Bay; Puck Lagoon; river catchment; water discharge; river discharge; discharge modelling; SWAT model; calibration

• Wydawca: -
• Czasopismo: Annals of Warsaw University of Life Sciences - SGGW. Land Reclamation
• Rocznik: 2013
• Tom: 45
• Numer: 2
• Opis fizyczny: p.125-141,fig.,ref.

Twórcy

autor

Marcinkowski P.

• Department of Hydraulic Engineering, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Nowoursynowska 166, 02-787 Warsaw, Poland

autor

Piniewski M.

• Department of Hydraulic Engineering, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Nowoursynowska 166, 02-787 Warsaw, Poland

autor

Kardel I.

• Department of Hydraulic Engineering, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Nowoursynowska 166, 02-787 Warsaw, Poland

autor

Gielczewski M.

• Department of Hydraulic Engineering, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Nowoursynowska 166, 02-787 Warsaw, Poland

autor

Okruszko T.

• Department of Hydraulic Engineering, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Nowoursynowska 166, 02-787 Warsaw, Poland

Bibliografia

• ABBASPOUR K. 2008: SWAT-CUP2: SWAT Calibration and Uncertainty Programs - a user manual. Department of Systems Analysis, Integrated Assessment and Modelling (SIAM), Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Duebendorf.
• AMATYA D.M., HALEY E.B., LEVINE N.S., CALLAHAN T.J., RADECKI-PAWLIK A., JHA M.K. 2008: Calibration and validation of the SWAT model for a forested watershed in coastal South Carolina. ASABE Annual International Meeting. Rhode Island Convention Center Providence, Rhode Island June 29 - July 2.
• ARNOLD J.G., MORIASI D.N., GASSMAN P.W., ABBASPOUR K.C., WHITE M.J., SRINIVASAN R., SANTHI C., HARM-EL R.D., Van GRIENSVEN A., Van LIEW M.W., KANNAN N., JHA M.K. 2012: SWAT: model use, calibration, validation. American Society of Agricultural and Biological Engineers 55(4): 1491-1508.
• BOGDANOWICZ R., CIEŚLIŃSKI R., DRWAL J., CYSEWSKI A. 2007: Estimation of the local riverine pollution load to the lagoon on the southern Baltic coast (the Puck Lagoon). Sowriemiennyj naucznyj wiestnik 5: 28-36.
• BROWN L.C., BARNWELL T.O. 1987: The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS: Documentation and User Manual. Cooperative Agreement No. 811883, Environmental Research Laboratory, Office of Research and Development, U.S. Environmental Protection Agency, Georgia.
• EKSTRAND S., WALLENBERG P., DJOD-JIC F. 2010: Process based modelling of phosphorus losses from arable land. Am-bio 39: 100-115.
• GLASBY G.P., SZEFER P. 1998: Marine pollution in Gdansk Bay, Puck Bay and the Vistula Lagoon, Poland: An overview. Science of the Total Environment 212: 49-57.
• GLAVAN M., WHITE S., HOLMAN I.P. 2011: Evaluation of River Water Quality Simulations at a Daily Time Step - Experience with SWAT in the Axe Catchment, UK. Journal of Environmental Management 103: 142-153.
• HEATHWAITE A.L., JOHNES P.J. 1996: Contribution of nitrogen species and phosphorus fractions to stream water quality in agricultural catchments. Hydrological Processes 10: 971-983.
• HOANG L., Van GRIENSVEN A., Van Der KEUR P., REFSGAARD J.C., TROLD-BORG L., NILSSON B., MYNETT A. 2012: Comparison and evaluation of model structures for the simulation of pollution fluxes in a tile-drained river basin. Journal of Environmental Quality. DOI: 10.2135/jeq2011.0398.
• KUNDZEWICZ Z.W., ZALEWSKI M., KĘDZIORA A., PIERZGALSKI E. 2010: Zagrożenia związane z wodą [Hazards associated with water]. Nauka 4: 87-96 (in Polish).
• LAM Q.D., SCHMALZ B., FOHRER N. 2009: Ecohydrological modelling of water discharge and nitrate loads in a meso-scale lowland catchment, Germany. Adv. Geosci. 21: 49-55.
• MIODIUSZEWSKI W. 2008: Czy Polska jest krajem ubogim w wodę [Is Poland a country with water shortages]. Gospodarka Wodna 5: 186-193 (in Polish).
• MORIASI D.N., ARNOLD J.G., Van LIEW M.W., BINGER R.L., HARMEL R.D., VEITH T.L. 2007: Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the Asabe 50(3): 885-900.
• NEITSCH S., ARNOLD J., KINIRY J., WILLIAMS J. 2011: Soil and Water Assessment Tool theoretical documentation version 2009. Tech. Rep. TR-406, Texas A&M University. Retrieved 28 March, 2013, from http://twri.tamu.edu/ reports/2011/tr406.pdf.
• ORSZTYNOWICZ J. 1988: Studium naukowo-badawcze do Atlasu hydrogeologicznego Polski. Średnie roczne i wieloletnie odpływy podziemne na obszarze Polski w okresie 1951-1980 [Research and scientific study in hydrogeological atlas of Poland. Mean annual and long-term groundwater outflow in Poland 1951-1980]. IMiGW, Zakład Dynamiki Wód Podziemnych, Warszawa (in Polish).
• OSTOJSKI M.S. 2012: Modelowanie procesów odprowadzania do Bałtyku związków biogennych na przykładzie azotu i fosforu ogólnego [Modelling of biogenic substances transport into the Baltic Sea based on an example of total nitrogen and total phosphorus]. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa (in Polish).
• PINIEWSKI M. 2012: Scenario-based impact assessment of global and regional change on the semi-natural flow regime. GRIN Publishing, Munich.
• PINIEWSKI M., KARDEL I., GIEŁCZEWSKI M., MARCINKOWSKI P., OKRUSZKO T. 2013: Climate Change and Agricultural Development: Adapting Polish Agriculture to Reduce Future Nutrient Loads in a Coastal Watershed. AMBIO accepted. DOI 10.1007/ s13280-013-0461-z.
• SCHMALZ B., BIEGER K., FOHRER N. 2008: A method to assess instream water quality - the role of nitrogen entries in a North German rural lowland catchment. Adv. Geosci. 18: 37-41.
• SRINIVASAN R., RAMANARAYA-NAN T.S., ARNOLD J.G., BEDNARZ S.T. 1998: Large area hydrologic modeling and assessment part II: model application. JAWRA Journal of the American Water Resources Association 34 (1): 91-101.
• SMARZYŃSKA K. 2013: Odpływ związków azotu z terenów intensywnego rolnictwa w świetle badań terenowych i analiz modelowych [Runoff of nitrogen compounds from agriculturally intensive areas in the light of field surveys and model analyses]. PhD thesis (typescript). Institute of Technology and Life Sciences, Bydgoszcz (in Polish).
• STACHÝ J., BIERNAT B. 1987: Odpływ rzeczny. Średni odpływ jednostkowy [In:] J. Stachý (ed.). Atlas Hydrologiczny Polski, IMGW. Wyd. Geol., Warszawa: 56 (in Polish).
• SZYMCZAK E., PIEKAREK-JANKOW-SKA H. 2007: The transport and distribution of the river load from the Reda river into the Puck Lagoon (Southern Baltic Sea, Poland). Oceanological and Hydro-biological Studies, International Journal of Oceanography and Hydrobiology 36 (1): 103-124.
• TATTARI S., KOSKIAHO J., BÄRLUND I., JAAKKOLA E. 2009: Testing a river basin model with sensitivity analysis and autocalibration for an agricultural catchment in SW Finland. Agricultural and Food Science 18: 428-439.
• WILLIAMS J.R. 1990: The Erosion-Productivity Impact Calculator (EPIC) Model: A Case History. Philosophical Transactions: Biological Sciences 329(1255): 421-428.
• WILLIAMS J.R., BERNDT H.D. 1977: Sediment yield prediction based on watershed hydrology. Trans. Am. Soc. Agric. Eng. 20: 1100-1104.