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

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.

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.