Calibration and validation of SWAT model for estimating water balance and nitrogen losses in a small agricultural watershed in central Poland

Soil and Water Assessment Tool (SWAT) ver. 2005 was applied to study water balance and nitrogen load pathways in a small agricultural watershed in the lowlands of central Poland. The natural flow regime of the Zgłowiączka River was strongly modified by human activity (deforestation and installation of a subsurface drainage system) to facilitate stable crop production. SWAT was calibrated for daily and monthly discharge and monthly nitrate nitrogen load. Model efficiency was tested using manual techniques (subjective) and evaluation statistics (objective). Values of Nash–Sutcliffe efficiency coefficient (NSE), coefficient of determination (R²) and percentage of bias for daily/monthly discharge simulations and monthly load indicated good or very good fit of simulated discharge and nitrate nitrogen load to the observed data set. Model precision and accuracy of fit was proved in validation. The calibrated and validated SWAT was used to assess water balance and nitrogen fluxes in the watershed. According to the results, the share of tile drainage in water yield is equal to 78%. The model analysis indicated the most significant pathway of NO₃-N to surface waters in the study area, namely the tile drainage combined with lateral flow. Its share in total NO₃-N load amounted to 89%. Identification of nitrogen fluxes in the watershed is crucial for decision makers in order to manage water resources and to implement the most effective measures to limit diffuse pollution from arable land to surface waters.

W pracy przedstawiono zastosowanie modelu Soil and Water Assessment Tool (SWAT – wersja 2005) do analizy bilansu wodnego i dróg przemieszczania się azotu w obrębie małej zlewni rolniczej (Zgłowiączka) w paśmie Nizin Środkowopolskich. Naturalny reżim hydrologiczny Zgłowiączki został silnie przekształcony w wyniku działalności antropogenicznej (wylesianie terenu i instalacja systemu drenarskiego) związanej z prowadzeniem intensywnej produkcji rolniczej. Model SWAT został skalibrowany z krokiem dobowym i miesięcznym w odniesieniu do natężenia przepływu oraz z krokiem miesięcznym dla wielkości ładunku azotu azotanowego. Do oceny skuteczności modelu zastosowano techniki manualne (subiektywne) oraz miary statystyczne (obiektywne). Wartości wskaźnika efektywności Nash–Sutcliffe (NSE), współczynnika determinacji (R²) oraz współczynnika PBIAS odnoszące się do natężenia przepływu z krokiem dobowym/miesięcznym i wielkości ładunku z krokiem miesięcznym wskazują na dobrą lub bardzo dobrą zgodność symulacji z danymi empirycznymi. Przeprowadzona następnie walidacja modelu potwierdziła dokładność i trafność symulacji. Wyniki wskazują, że woda odpływająca systemem drenarskim stanowiła 78% całości odpływu. Analizy modelowe umożliwiły również określenie najważniejszej drogi przemieszczania się azotu do wód powierzchniowych. Jest nią system podpowierzchniowego drenażu wraz z odpływem bocznym. Ładunek azotu azotanowego przemieszczający się tą drogą stanowił 89% całkowitego ładunku tej formy azotu. Określenie dróg przemieszczania się azotu w obrębie zlewni ma zasadnicze znaczenie dla decydentów zarządzających zasobami wodnymi. Informacja ta pozwala na wybór i wdrożenie najbardziej efektywnych, dla danej zlewni, działań zmierzających do ograniczenia ilości zanieczyszczeń przedostających się ze źródeł rozproszonych do wód powierzchniowych.