A multicriteria approach to different land use scenarios in the Western Carpathians with the SWAT model

• Autorzy: Kowalczyk Agnieszka W. , Grabowska-Polanowska Beata , Garbowski Tomasz , Kopacz Marek , Lach Stanisław , Mazur Robert

Identyfikatory

DOI

10.24425/jwld.2023.145343

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Water erosion in mountainous areas is a major problem, especially on steep slopes exposed to intense precipitation. This paper presents the analysis of the topsoil loss using the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. The SWAT model is a deterministic catchment model with a daily time step. It was designed to anticipate changes taking place in the catchment area, such as climate change and changes in land use and development, including the quantity and quality of water resources, soil erosion and agricultural production. In addition to hydrological and environmental aspects, the SWAT model is used to address socio-economic and demographic issues, such as water supply and food production. This program is integrated with QGIS software. The results were evaluated using the following statistical coefficients: determination (R²), Nash-Sutcliff model efficiency (NS), and percentage deviation index (PBIAS). An assessment of modelling results was made in terms of their variation according to different land cover scenarios. In the case of the scenario with no change in use, the average annual loss of topsoil (average upland sediment yield) was found to be 14.3 Mg∙ha^-1. The maximum upland sediment yield was 94.6 Mg∙ha^-1. On the other hand, there is an accumulation of soil material in the lower part of the catchment (in-stream sediment change), on average 13.27 Mg∙ha^-1 per year.

Słowa kluczowe

EN

catchment area; land use; soil erosion; SWAT model; Western Carpathians

• Wydawca: Wydawnictwo ITP
• Czasopismo: Journal of Water and Land Development
• Rocznik: 2023
• Tom: no. 57
• Strony: 130--139
• Opis fizyczny: Bibliogr. 66 poz., fot., mapy, rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kowalczyk Agnieszka W.

• Institute of Technology and Life Sciences – National Research Institute, Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3730-7359

autor

Grabowska-Polanowska Beata

• Institute of Technology and Life Sciences – National Research Institute, Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1903-4940

autor

Garbowski Tomasz

• Institute of Technology and Life Sciences – National Research Institute, Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6260-1790

autor

Kopacz Marek

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, Department of Environmental Management and Protection, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3421-9575

autor

Lach Stanisław

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, Department of Environmental Management and Protection, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6378-7838

autor

Mazur Robert

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, Department of Environmental Management and Protection, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7869-1823

Bibliografia

• Abbaspour, K.C. (2015) SWAT-CUP: SWAT calibration and uncertainty programs – A user manual. Dübendorf. Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology. Available at: https://swat.tamu.edu/media/114860/usermanual_swatcup.pdf (Accessed: March 10, 2022).
• Arnold, J.G. et al. (2012) Soil & water assessment tool- input/output documentation. Version 2012. TR-439. College Station, TX: Texas Water Resources Institute. Available at: https://swat.tamu.edu/media/69296/swat-io-documentation-2012.pdf (Accessed: March 10, 2022).
• Arnold, J.G., Williams, J.R. and Maidment, D.R. (1995) “Continuous-time water and sediment-routing model for large basins,” Journal of Hydraulic Engineering, 121(2), pp. 171–183. Available at: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:2(171).
• Bagnold, R.A. (1977) “Bedload transport in natural rivers,” Water Resources Research, 13, pp. 303–312. Available at: https://doi.org/10.1029/WR013i002p00303.
• Banasik, K. and Górski, D. (1990) „Wyznaczanie erozyjności deszczy do uniwersalnego równania strat glebowych [Determination of rain erosion to the universal equation of soil losses],” Zeszyty Naukowe AR Wrocław, 189, pp. 103–109.
• Berezowski, T. et al. (2016) “CPLFD-GDPT5: High-resolution gridded daily precipitation and temperature data set for two largest Polish river basins,” Earth System Science Data, 8, pp. 127–139. Available at: https://doi.org/10.5194/essd-8-127-2016.
• Bogdanowicz, R. et al. (2010) „Zastosowanie Systemów Informacji Geograficznej (GIS) do oceny hydrograficznych uwarunkowań wielkości dostawy zanieczyszczeń w zlewniach młodoglacjalnych na przykładzie zlewni Borucinki [Application of Geographic Information Systems (GIS) for the assessment of hydrographic conditions of pollutant delivery in young-glacial catchments on the example of the Borucinki catchment],” in T. Ciupa and R. Suligowski (eds.) Woda w badaniach geograficznych [Water in geographical research]. Kielce: Uniwersytet Jana Kochanowskiego, pp. 91–97.
• Borreli, P. et al. (2017) “Assessment of the impacts of clear-cutting on soil loss by water erosion ion Italian forests: First comprehensive monitoring and modeling approach,” Catena, 149(3), pp. 770–781. Available at: https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.02.017.
• Brzozowski, J. et al. (2011) “Application of SWAT model to small agricultural catchment in Poland”, Journal of Water and Land Development, 15, pp. 157–166.
• Buraczyński, J. and Wojtanowicz, J. (1971) “Przebieg i skutki gwałtownej ulewy w Dzierzkowicach na Wyżynie Lubelskiej [The course and effects of a heavy downpour in Dzierzkowice in the Lublin Upland],” Biuletyn Lubelskiego Towarzystwa Naukowego, 12(D), pp. 61–68.
• Cerdan, O. et al. (2006) “Sheel and rill erosion,” in J. Boardman and J. Poesen (eds.) Soil erosion in Europe. Chichester: John Wiley, pp. 501–513.
• Ciupa, T. (2001) “Zmiany w rzeźbie lessowej Wyżyny Miechowskiej wywołane nawalnymi opadami deszczu w latach 1995 i 2000 [Changes in the loess relief of the Miechów Upland caused by torrential rainfall in 1995 and 2000],” Folia Universitatis Agriculturae Stetinensis, 217, Agricultura, 87, pp. 27–32.
• Copernicus (no date a) CORINE Land Cover. Available at: https://land.copernicus.eu/pan-european/corine-land-cover (Accessed: March 10, 2022).
• Copernicus (no date b) EU-DEM v1.1. Available at: https://land.copernicus.eu/imagery-in-situ/eu-dem/eu-dem-v1.1?tab=download (Accessed: March 10, 2022).
• Czyżowska, E. (1997) “Przebieg erozji i rekonstrukcja spływu [Course of erosion and runoff reconstruction,” in L. Starkel (ed.) Rola gwałtownych ulew w ewolucji rzeźby Wyżyny Miechowskiej (na przykładzie ulewy w dniu 15 września 1995 roku) [The role of heavy downpours in the evolution of the relief of Wyżyna Miechowska (on the example of a downpour on September 15, 1995]. Dokumentacja Geograficzna, 8. Wrocław: Wydawnictwo Continuo, pp. 54–62.
• Dile, Y. et al. (2016) “Introducing a new open source GIS user interface for the SWAT model,” Environmental Modelling & Software, 85, pp. 129–138. Available at: https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.08.004.
• Dile, Y., Srinivasan, R. and George, C. (2020) QGIS 3 Interface for SWAT (QSWAT3) Version 1.1. Available at: https://swat.tamu.edu/media/116574/qswat3_manual_v10.pdf (Accessed: March 04, 2022).
• Drzewiecki, W. and Mularz, S. (2005) „Model USPED jako narzędzie prognozowania efektów erozji i depozycji materiału glebowego [The USPED model as a tool for forecasting the effects of erosion and deposition of soil material],” Roczniki Geomatyki, 3(2), pp. 45–54.
• Drzewiecki, W. and Mularz, S. (2008) “Simulation of water soil erosion effects on sediment delivery to Dobczyce reservoir,” The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 37, Part B8, pp. 787–794.
• Gassman, P.W. et al. (2007) “The Soil and Water Assessment Tool: Historical development, applications, and future research directions,” Transactions of the ASABE, 50(4), pp. 1211–1250. Available at: https://doi.org/10.13031/2013.23637.
• Gil, E. (2009) “Ekstremalne wartości spłukiwania gleby na stokach użytkowanych rolniczo w Karpatach Fliszowych [Extreme sheet and rill erosion on agricultural slopes in the flysch Polish Carpathians],” in W. Bochenek and M. Kijowska (eds.) Funkcjonowanie środowiska przyrodniczego w okresie przemian gospodarczych w Polsce [The functioning of the natural environment in the period of economic transformations in Poland]. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Szymbark: Stacja Naukowo-Badawcza IGiPZ PAN, pp. 191–218.
• Gudowicz, J. (2015) “Modelowanie transportu materiału zawieszonego w dorzeczu Parsęty z uwzględnieniem zróżnicowanych rozdzielczości danych przestrzennych [Modelling of suspended sediment transport in the Parsęta drainage basin using different spatial data resolutions],” Landform Analysis, 30, pp. 57–64. Available at: https://doi.org/10.12657/landfana.030.005.
• Gudowicz, J. and Zwoliński, Z. (2017) “Kształtowanie się odpływu rzecznego w dorzeczu Parsęty w świetle modelowania hydrologicznego [Shaping of river outflow in the Parsęta basin in the light of hydrological modelling],” Przegląd Geograficzny, 89(1), pp. 45–66.
• Halecki, W., Kruk, E. and Ryczek, M. (2018) “Loss of topsoil and soil erosion by water in agricultural areas: A multi-criteria approach for various land use scenarios in the Western Carpathians using a SWAT model,” Land Use Policy, 73, pp. 363–372. Available at: https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2018.01.041.
• IUNG (no date) Monitoring chemizmu gleb ornych Polski [Monitoring of chemistry of arable soils in Poland]. https://www.gios.gov.pl/chemizm_gleb/index.php?mod=pomiary&p=431 (Accessed: March 02, 2022).
• Jain, S.K. et al. (2001) “Estimation of soil erosion for a Himalayan watershed using GIS technique,” Water Resources Management, 15, pp. 41–54 Available at: https://doi.org/10.1023/A:1012246029263.
• Jania, J. and Zwoliński, Z. (2011) “Ekstremalne zdarzenia meteorologiczne, hydrologiczne i geomorfologiczne w Polsce [Extreme meteorological, hydrological and geomorphological events in Poland],” Landform Analysis, 15, pp. 51–64.
• Kijowska, M. (2011) “The role of downpours in transformation of slopes in the Polish Carpathian Foothills,” Studia Geomorphologica Carpatho-Balcanica, 45, pp. 69–87.
• Kostrzewski, A. (2001) “Stan badań erozji gleb na Pomorzu Zachodnim [The state of soil erosion research in Western Pomerania]”, Folia Universitatis Agriculturae Stetinensis, 217, Agricultura, 87, pp. 117–124.
• Kowalczyk, A. and Twardy, S. (2007) “Metody określania procesów erozyjnych w warunkach obszarów karpackich [Methods for determining erosion processes in the conditions of the Carpathian areas],” in C. Lipski (ed.) Wpływ użytkowania małych zlewni górskich na występowanie i natężenie erozji wodnej [The impact of the use of small mountain catchments on the occurrence and intensity of water erosion)]. Kraków: Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, pp. 165–174.
• Kowalczyk, A. and Twardy, S. (2018) “Erozja wodna gleb karpackich w warunkach dominacji darniowo-leśnej szaty roślinnej na przykładzie zlewni górnego Grajcarka [Water erosion of the Carpathian soils in the conditions of domination of sod-forest vegetation based on the example of the upper Grajcarek River basin],” Łąkarstwo w Polsce, 21, pp. 83–96.
• Kruk, E. (2017) “Influence of daily precipitation on yield of eroded soil in mountain basin using the MUSLE model,” Acta Scientiarum Polonorum: Formatio Circumiectus, 16(2), pp. 147–158. Available at: http://dx.doi.org/10.15576/ ASP.FC/2017.16.2.147.
• Kundzewicz, Z. and Jania, J. (2007) „Extreme hydro-meteorological events and their impacts. From the global down to the regional scale,” Geographia Polonica, 80(2), pp. 9–23.
• Lipski, C. and Kostuch, R. (2005) “Charakterystyka procesów erozyjnych gleb na przykładzie zlewni wybranych rzek w Karpatach [Soil erosion processes in the Carpathian mountains regions],” Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 3, pp. 95–105.
• Lorenc, H. et al. (2009) „Struktura występowania intensywnych opadów deszczu powodujących zagrożenie dla społeczeństwa, środowiska i gospodarki Polski [Structure of the occurrence of intense rainfall causing a threat to society, the environment and the economy of Poland],” in: H. Lorenc (ed.) Klęski żywiołowe a bezpieczeństwo wewnętrzne kraju [Natural disasters and the internal security of the country]. Warszawa: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy, pp. 7–32.
• Majewski, M. (2020) “Sekularne i ekstremalne procesy erozji wodnej gleb na Pojezierzu Drawskim [Secular and extreme soil erosion processes in the Drawskie Lakeland],” Landform Analysis, 39, pp. 1–104. Available at: https://doi.org/10.12657/landfana-039-001.
• Majewski, M. and Walczykiewicz, T. (ed.) (2012) “Zrównoważone gospodarowanie zasobami wodnymi oraz infrastrukturą hydrotechniczną w świetle prognozowanych zmian klimatycznych [Sustainable management of water resources and hydrotechnical infrastructure in the light of projected climate changes],” Seria Publikacji Naukowo-Badawczych IMGW-PIB. Warszawa: IMGW – PIB. Available at: https://www.imgw.pl/sites/default/files/2020-08/klimat-tom-iv-zrownowazone-gospodarowanie-zasobami-wodnymi-oraz-infrastruktura-hydrotechniczna-w-swietle-prognozowanych-zmian-klimatycznych-min.pdf (Accessed: March 12, 2016).
• Marcinkowski, P. et al. (2013) “Modelowanie odpływu oraz ładunków azotanów i fosforanów odprowadzanych ze zlewni Redy do Zalewu Puckiego przy użyciu modelu SWAT [Modelling of discharge, nitrate and phosphate loads from the Reda catchment to the Puck Lagoon using SWAT],” Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Land Reclamation, 45, pp. 125–141.
• Marks, R. et al. (1989) “Anleitung zur Bewertung des Leistungsvermögens des Landschaftshaushaltes (BA LVL) [Instructions for evaluating the performance of the landscape household (BA LVL)],” Forschungen zur Deutschen Landeskunde, 229. Leipzig: Deutsche Akademie für Landeskunde Zentralausschuß für Deutsche Landeskunde.
• Maruszczak, H. and Trembaczowski, J. (1958) „Geomorfologiczne skutki gwałtownej ulewy w Piaskach Szlacheckich koło Krasnegostawu [Geomorphological effects of a heavy downpour in Piaski Szlacheckie near Krasnystaw],” Annales Universitatis Mariae Curie-Skłodowska, 11(B), pp. 129–168.
• Michalczyk, Z. et al. (2008) “Hydrogeomorfologiczne skutki intensywnych opadów na międzyrzeczu Bystrzycy i Giełczwi (Wyżyna Lubelska) [Hydrogeomorphological effects of heavy rainfall in the interfluve of Bystrzyca and Giełczwia (Lublin Upland)]”. Przegląd Naukowy. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 17, 4(42), pp. 30–41.
• Mularz, S. and Drzewiecki, W. (2007) “Ocena zagrożenia gleb erozją wodną w rejonie zbiornika Dobczyckiego w oparciu o wyniki numerycznego modelowania [Risk assessment for soil water erosion within the Dobczyce reservoir area based on numerical modeling results],” Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 17b, pp. 535–548.
• Neitsch, S.L. et al. (2002) Soil and Water Assessment Tool – theory document. Version 2000. Temple, Texas, USA: Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service.
• Neitsch, S.L. et al. (2005) Soil and Water Assessment Tool – Theoretical documentation. Version 2005. Temple, Texas, USA: Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service.
• O’Callaghan, J.F. and Mark, D.M. (1984) “The extraction of drainage networks from digital elevation data,” Computer Vision, Graphics and Image Processing, 28, pp. 328–344. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/S0734-189X(84)80011-0.
• Panagos, P. et al. (2020) “A soil erosion indicator for supporting agricultural, environmental and climate policies in the European Union,” Remote Sensing, 12, 1365. Available at: https://doi.org/10.3390/rs12091365.
• Panagos, P. et al. (2021) “Projections of soil loss by water erosion in Europe by 2050,” Environmental Science & Policy, 124, pp. 380–392.
• Piniewski, M. (2012) Wpływ czynników naturalnych i antropogenicznych na kształtowanie się reżimu hydrologicznego rzek na przykładzie zlewni Narwi [Impacts of natural and anthropogenic conditions on the hydrological regime of rivers: A Narew River basin case study]. PhD Thesis. Warszawa: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
• Piniewski, M. and Okruszko, T. (2011) “Multi-site calibration and validation of the hydrological component of SWAT in a large lowland catchment,” in D. Świątek and T. Okruszko (eds.) Modelling of hydrological processes in the Narew catchment. Geoplanet. Earth and Planetary Sciences. Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 15–41. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-642-19059-9_2.
• Piniewski, M. et al. (2015) “Spatial quantification of non-point source pollution in a meso-scale catchment for an assessment of buffer zones efficiency,” Water, 7, pp. 1889–1920. Available at: https://doi.org/10.3390/w7051889.
• Schmidt, J. (1991) “A mathematical model to simulate rainfall erosion,” in H.-R. Bork, J. De Ploey, A.P. Schick (eds.) Erosion, transport and deposition processes – Theories and models. Catena, Supplement (Giessen), 19, pp. 101–109.
• Singh, L. and Saravan, S. (2022) “Adaptation of satellite-based precipitation product to study runoff and sediment of Indian River watersheds,” Arabian Journal of Geosciences, 15, 326. Available at: https://doi.org/10.1007/s12517-022-09610-5.
• Stach, A. (2009) “Analiza struktury przestrzennej i czasoprzestrzennej maksymalnych opadów dobowych w Polsce w latach 1956–1980 [Analysis of the spatial and spatial-temporal structure of maximum daily precipitation in Poland in the years 1956–1980],” Seria Geografia, 85. Poznań: Wydawnictwo Naukowe UAM. Available at: http://hdl.handle.net/10593/3938 (Accessed: March 10, 2022).
• Starkel, L. et al. (1997) “Rola opadów ulewnych w przekształceniach rzeźby [The role of torrential rainfall in relief transformations,” in L. Starkel (ed.) Rola gwałtownych ulew w ewolucji rzeźby Wyżyny Miechowskiej (na przykładzie ulewy w dniu 15 września 1995 roku) [The role of heavy downpours in the evolution of the relief of Wyżyna Miechowska (on the example of a downpour on September 15, 1995]. Dokumentacja Geograficzna, 8, Wrocław: Wydawnictwo Continuo, pp. 93–100.
• Śmietanka, M., Śliwiński, D. and Brzozowski, J. (2009) “Komputerowe wspomaganie tworzenia pasów buforowych i wyznaczania ich efektywności [Computer supported creation of the buffer zones and calculation of their effectiveness],” Problemy Inżynierii Rolniczej, 1(63), pp. 61–72.
• Święchowicz, J. (2009) “Geomorfologiczne i ekonomiczne skutki deszczu nawalnego z dnia 17 czerwca 2006 r. na terenie Rolniczego Zakładu Doświadczalnego UJ w Łazach [Geomorphological and economic effects of the torrential rain of June 17, 2006 on the premises of the Agricultural Experimental Station of the Jagiellonian University in Łazy,” in W. Bochenek and M. Kijowska (eds.) Funkcjonowanie środowiska przyrodniczego w okresie przemian gospodarczych w Polsce [The functioning of the natural environment during the period of economic transformation in Poland]. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Szymbark: Stacja Naukowo-Badawcza IGiPZ PAN, pp. 219–230.
• Święchowicz, J. (2010) “Ekstremalne spłukiwanie i erozja linijna na stokach użytkowanych rolniczo w Polskich Karpatach Fliszowych) [Extreme washout and linear erosion on agricultural slopes in the Polish Flysch Carpathians],” in E. Smolska and J. Rodzik (eds.) Procesy erozyjne na stokach użytkowanych rolniczo (metody badań, dynamika i skutki) [Erosion processes on agricultural slopes (research methods, dynamics and effects)]. Prace i Studia Geograficzne, 45, pp. 29–48.
• USDA (1972) “Section 4. Hydrology,” in National Engineering Handbook. Washington, DC, US: Department of Agriculture, Soil Conservation Service.
• Verstraeten, G. and Poesen, J. (2001) “Modelling the long-term sediment trap efficiency of small ponds,” Hydrological Processes, 15, pp. 2797–2819. Available at: https://doi.org/10.1002/hyp.269.
• Wężyk, P. et al. (2012) “Mapa zagrożenia erozyjnego gruntów rolnych w Małopolsce na podstawie klasyfikacji OBIA oraz analiz przestrzennych GIS [The map of agricultural land erosion risk assesment of Malopolska voivodeship (Poland) based on OBIA of remotely sensed data and GIS spatial analyses],” Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 24, pp. 403–420.
• Williams, J.R. (1980) “SPNM, A model for predicting sediment, phosphorus, and nitrogen yields from agricultural basins,” Water Resources Bulletin, 16(5), pp. 843–848. Available at: https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1980.tb02497.x.
• Winchell, M. et al. (2011) “Identification of critical source areas of phosphorus in the Vermont Sector of the Missisquoi Bay Basin,” Lake Champlain Basin Program Technical Report 63B. Grand Isle, VT: Lake Champlain Basin Program.
• Wischmeier, W.H. and Smith, D.D. (1978) “Predicting rainfall losses: A guide to conservation planning,” in USDA Agricultural Handbook, 537. Washington, D.C.: U.S. Gov. Print. Office.
• Yen, H. et al. (2017) “Assessment of optional sediment transport functions via the complex watershed simulation model SWAT,” Water, 9(2), 76. Available at: https://doi.org/10.3390/w9020076.
• Ziemnicki, S. (1956) “Skutki deszczu nawalnego we wsi Piaski Szlacheckie pod Krasnymstawem [Effects of torrential rain in the village of Piaski Szlacheckie near Krasnystaw],” Gospodarka Wodna, 16, 11, pp. 476–480.
• Zwoliński, Z. (2008) “Wybrane zjawiska ekstremalne pojezierzy polskich [Selected extreme phenomena of Polish lake districts],” Landform Analysis, 8, pp. 98–106.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).