Challenges in modelling of water quantity and quality in two contrasting meso-scale catchments in Poland

This study presents an application of the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) in two meso- -scale catchments in Poland (Upper Narew and Barycz), contrasting in terms of human pressures on water quantity and quality. The main objective was multi-variable and multi-site calibration and validation of the model against daily discharge, sediment and nutrient loads as well as discussion of challenges encountered in calibration phase. Multi-site calibration and validation gave varied results ranging from very good (daily discharge) to acceptable (sediment, nitrogen and phosphorus loads in most of gauges) and rather poor (individual gauges for all variables) in both catchments. The calibrated models enabled spatial quantification of water yield, sediment and nutrient loads, indicating areas of special concern in terms of pollution, as well as estimation of contribution of pollution from different sources, indicating agriculture as the most important source in both catchments. During the calibration process a number of significant issues were encountered: (i) global vs. local parametrization, (ii) simulation of different pools of water quality parameters in reservoirs and streams and (iii) underestimation of NO3-N loads in winter due to farmers practices. Discussion of these issues is hoped to aid SWAT model users in Poland in a deeper understanding of mechanisms of multi-variable and multi-site calibration.

W niniejszej pracy przedstawiono zastosowanie modelu SWAT (Soil and Water Assessment Tool) w dwóch zlewniach w Polsce (Górnej Narwi i Baryczy), kontrastowych pod względem antropopresji w odniesieniu do ilości i jakości wód. Głównym celem była przestrzenna kalibracja i weryfikacja modelu w zakresie przepływów dobowych, ładunków zawiesiny i biogenów oraz dyskusja nad wyzwaniami napotkanymi w trakcie procesu kalibracji. Wyniki przestrzennej (wielopunktowej) kalibracji i weryfikacji są zróżnicowane – od dobrych (przepływ dobowy), poprzez akceptowalne (zawiesina, azot i fosfor w większości punktów monitoringu), do złych (pojedyncze punkty monitoringu dla każdej ze zmiennych). Skalibrowany model umożliwił przestrzenną kwantyfikację warstwy odpływu, ładunków zawiesiny i biogenów oraz wskazanie obszarów szczególnie narażonych na zanieczyszczenia z różnych źródeł, jednocześnie wskazując rolnictwo jako główne źródło. Podczas kalibracji modelu napotkano następujące problemy: (1) identyfikacja parametrów globalnych w odniesieniu do lokalnych, (2) symulacja różnych form parametrów jakościowych w zbiornikach wodnych i ciekach oraz (3) niedoszacowanie ładunków azotanów w okresie zimowym spowodowane praktykami rolniczymi. Dyskusja nad poruszonymi aspektami umożliwi innym użytkownikom modelu SWAT lepsze zrozumienie mechanizmu wielopunktowej i wieloparametrycznej kalibracji.