The dynamics of nitrogen concentrations in the upper Zgłowiączka river in the years 1990–2011

W pracy przedstawiono wyniki analizy dynamiki zmian stężenia związków azotu i oceny jakości wody górnej Zgłowiączki na podstawie badań Państwowego Monitoringu Środowiska w latach 1990– 2011. Analiza obejmowała stężenie azotu Kjeldahla, N-NO3, N-NH4, N-NO2 oraz azotu ogólnego. Woda górnej Zgłowiączki do ujścia do Jeziora Głuszyńskiego była silnie zanieczyszczona związkami azotu. Jej jakość była gorsza niż odpowiadająca II klasie czystości. Stężenie azotanów przekraczające wartości dopuszczalne dla II klasy czystości stwierdzono w 70, 59 i 43% prób w punktach kontrolno- -pomiarowych 1., 2. i 3. Głównymi formami azotu zanieczyszczającymi wodę były azotany i jon amonowy. Ich udział w ogólnej zawartości związków azotu wynosił średnio od 83 do 95%. Stosunek formy amonowej do azotanowej wynosił średnio 0,25–0,74. Azotany pochodziły głównie z zanieczyszczeń obszarowych dopływających do rzeki z odpływami z sieci melioracyjnej, a forma amonowa – ze źródeł punktowych. W przypadku stężenia formy azotanowej zanotowano tendencję wzrostową (do 2007 r.), a formy amonowej – malejącą (do 2006 r.), zwłaszcza wartości maksymalnych rocznych. Obserwowana dynamika zmian średnich miesięcznych wartości stężenia N-NO3 w wodach górnej Zgłowiączki, to znaczy pojawianie się maksymalnych wartości w okresie luty–kwiecień, a minimalnych – w miesiącach letnich, jest charakterystyczna dla małych cieków odwadniających zlewnie rzeczne użytkowane rolniczo. Utrzymujące się okresowo duże stężenie azotanów w wodach górnej Zgłowiączki świadczy o potrzebie podjęcia działań, mających na celu ograniczenie odpływu azotanów z pól, hamowanie odpływu z drenów, budowę małych zbiorników retencyjnych i wykorzystanie obszarów mokradłowych na odcinku ujściowym do Jeziora Głuszyńskiego.The results of analyses of nitrogen concentration dynamics and of water quality assessment in the upper Zgłowiączka River based on the State Environmental Monitoring in the years 1990–2011 are presented in the paper. The analysrs included concentrations of Kjeldahl nitrogen, NO3-N, NH4-N, NO2-N and total nitrogen. Water of the upper Zgłowiączka to its outlet to Lake Głuszyńskie was heavily contaminated with nitrogen compounds. Water quality was worse than that corresponding to class II. Nitrate concentrations exceeding the threshold for class II were found in 70%, 59% and 43% of the samples in the sampling sites 1, 2, 3, respectively. The main form of nitrogen was nitrates and ammonium. Their share in the total nitrogen content varied from 83% to 95%. The ratio of ammonium to nitrate forms was on average 0.25–0.74. The origin of nitrates was mainly in diffuse pollution flowing into the river with drainage outflow, and ammonium forms were from point sources. The concentration of nitrate form showed an increasing tendency till 2007, and the concentration of ammonium form decreased till the year 2006, especially in terms of the annual maximum concentrations. Observed dynamic of changes in mean monthly NO3-N concentrations in surface waters of the upper Zgłowiączka River, i.e. the appearance of maximum concentrations in February–April and minimum in the summer months, is typical for small watercourses draining agricultural catchments. Periodically high nitrate concentrations in surface waters of the upper Zgłowiączka River indicate the need of actions aiming at limiting nitrate runoff from fields, inhibiting outflow from drains, construction of small retention reservoirs and use of wetlands in the outlet to Lake Głuszyńskie

Zasoby wodne małej zlewni rolniczej w regionie Kujaw, centralna Polska

The goal of the paper was to determine surface water resources of an agricultural watershed representative for the areas of intensive crop production in the Kujawy region. This area is characterised by the lowest average annual precipitation in Poland and high water demands related to the intensive crop production. Hydrological studies were carried out in 2007–2011 in the upper Zgłowiączka River watershed located in the eastern part of the analysed region. Over 90% of the study area is used as an arable land. Water velocity in the river bed and water level were measured at the outlet of the watershed in the river cross-section Samszyce. The upper Zgłowiączka River has a snow-rainfall hydrological regime, strongly modified by anthropogenic activities related to the intensive crop production and installation of subsurface drainage system. The study period was characterised by very large temporal variability of hydrological conditions. The mean annual outflow coefficient amounted to 18% and varied highly in time: from 3% in the average years to 62% in the abnormally wet 2011. Average discharge (SSQ) in the Samszyce river cross-section was equal to 0.25 m3·s–1, and the mean unit outflow – to 3.2 dm3·s–1·km–2. The results of the study show that disposable surface water resources of the Kujawy region are very small, especially in the summer half-year. Thus, their utilization as a potential source of water for crop irrigation can be taken into account only, if water excesses will be retained within the watershed and used in conjunction with groundwater resources.Celem artykułu jest określenie wielkości zasobów wód powierzchniowych zlewni rzecznej reprezentatywnej dla obszarów intensywnie użytkowanych rolniczo w regionie Kujaw. Teren ten charakteryzuje się najniższą średnią roczną sumą opadów w Polsce oraz dużymi potrzebami wodnymi wynikającymi z intensywnej produkcji rolniczej. Badania hydrologiczne były prowadzone w latach 2007–2011 w zlewni górnej Zgłowiączki zlokalizowanej we wschodniej części analizowanego regionu. Ponad 90% obszaru badań jest użytkowane jako grunty orne. Prędkość przepływu wody w korycie cieku oraz poziom wody były mierzone w przekroju hydrometrycznym zamykającym zlewnię w Samszycach. Górna Zgłowiączka charakteryzuje się śnieżno-deszczowym reżimem hydrologicznym, silnie przekształconym antropogenicznie (intensywna produkcja roślinna oraz instalacja systemu drenarskiego). W okresie badań odnotowano dużą zmienność czasową warunków hydrologicznych. Średni roczny współczynnik odpływu wyniósł 18%, zmieniając się znacznie w czasie – od 3 w latach przeciętnych do 62% w anormalnie mokrym 2011 r. Średni odpływ (SSQ) w przekroju hydrometrycznym w Samszycach wyniósł 0,25 m3·s–1, a średni odpływ jednostkowy – 3,2 dm3·s–1·km–2. Wyniki badań wskazują, że zasoby wodne Kujaw są bardzo małe, szczególnie w półroczu letnim. W związku z tym wykorzystanie tych zasobów jako potencjalnego źródła wody do nawodnień może być rozważane pod warunkiem retencjonowania nadmiarów wody na obszarze zlewni i ich eksploatacji równocześnie z zasobami wód gruntowych

Kalibracja i walidacja modelu SWAT do określania bilansu wodnego i strat azotu w małej rolniczej zlewni rzecznej w centralnej Polsce

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

Air temeperature and air humidity in the above-ground layer in the growing season in differently moistured meadow sites

Badania prowadzono w rejonie Bydgoszczy w trzech zróżnicowanych siedliskach łąkowych: wilgotnym na madzie średniej w dolinie Wisły (Grabowo), wilgotnym okresowo suchym na glebie torfowo-murszowej (Frydrychowo) oraz suchym na glebie murszowej (Prądki) - oba w dolinie Noteci. Wyniki badań porównywano z uzyskanymi w Bydgoszczy w siedlisku suchym na glebie brunatnej. Pionowy rozkład i przebieg dzienny badanych elementów meteorologicznych były różne w badanych siedliskach. Średnie dobowe wartości ciśnienia pary wodnej i niedosytu wilgotności powietrza obliczane z trzech terminów pomiarów różniły się od obliczanych na podstawie czterech terminów, zwłaszcza w siedliskach łąkowych. Średnia dobowa wartość niedosytu wilgotności powietrza zależała od metody obliczania; dotyczy to szczególnie częstości i terminów wykonywania poszczególnych pomiarów meteorologicznych w ciągu doby. Zróżnicowanie dobowego przebiegu temperatury i wilgotności powietrza oraz ich pionowego rozkładu powoduje, że relacje między parowaniem z odkrytego lustra wody i średnią dobową wilgotnością powietrza są różne w badanych siedliskach. Zróżnicowane wartości dobowe, ich przebieg oraz rozkład pionowy określany różnymi metodami powodują, że współczynnik higrometryczny (stosunek parowania z odkrytego lustra wody do niedosytu wilgotności powietrza) osiąga różne wartości. Współczynnik ten w zależności liniowej osiąga najmniejsze wartości w siedlisku suchym na glebie brunatnej, zaś największe w siedlisku wilgotnym okresowo suchym na glebie torfowo-murszowej.Studies were carried out in three different grassland sites near Bydgoszcz: wet site in fluvial soil in the Vistula River valley (Grabowo), wet periodically dry site in peat-moorsh soil (Frydrychowo) and dry site in mineral-moorsh soil (Prądki), both in the Noteć River valley. Measurements carried out in the dry site in mineral soil (Bydgoszcz) were used for comparison. Vertical distribution and daily course of examined meteorological factors were different in the examined sites. Mean daily water vapour pressure and water vapour pressure deficit calculated from three measurements at 7 a.m., 1 p.m. and 7 p.m. CET differed from those calculated from four measurements, especially in dry sites. It appeared necessary to include also a measurement at 1 a.m. or to use data from automatic stations. Mean daily water vapour pressure deficit depended on adopted calculation method, especially on the frequency and on terms of particular measurements during twenty-four hours. Differentiation of the daily courses of temperature and air humidity and their vertical distribution caused that relationships between water evaporation and mean daily air humidity were different in the examined sites. The values, daily courses and vertical distribution diversity of water vapour pressure deficit resulted in differences of the higrometric coefficient (the ratio of water evaporation to vapour pressure deficit). The coefficient, in the linear relationship, was the lowest in the dry site in mineral soil, and the highest in wet periodically dry one in peat-moorsh soil

Aplikacja modelu SWAT na terenie małej zlewni rolniczej w Polsce

Poland is obliged, like the other EU countries, to implement the Water Framework Directive - WFD (2000/60/WE) by the end of 2015. The main objective of WFD is to provide normative quality of all water resources. To reach this goal reduction of water polluter emission to the environment is needed. Our project focuses on pollution from agricultural sources which share in global pollution is high and growing still. As a pilot area, where the WFD is going to be implemented, small agricultural Zgłowiączka catchment was chosen. The state monitoring of surface water quality for the catchment is conducted in three points along the Zgłowiaczka River. In each of these three points, nitrates concentration periodically significantly exceeds the allowable value of 50 mg NO3·dm-3. The highest average monthly values of nitrates concentration in years 1990-2007 occur in February, March and April, which indicates on agriculture as a source of pollution. The Zgłowiaczka catchment is an area where reduction of nitrogen run-off from agricultural lands to water resources is especially needed. The main topic of the research carried out in the Polish-Norwegian project is to propose different means for reduction of migration of nitrate to surface water based on modeling approach. In the paper a conception of creating buffer zones using SWAT model is presented. We considered fitting the buffer zone width, depending on the flow rate of water flowing from the fields to the stream. Using SWAT model interface a map of potential flow under the conditions of the intensive precipitation was generated. The next step was distribution over the whole Zgłowiączka catchment, places with high density of the temporal streams network. It was done using GRASS program. The map of stream "density" was done by assigning the raster number which is the sum of raster in the neighbourhood (radius of neighbourhood smaller or equal 25 raster). The choice of the most endangered subbasins was done on base of visual evaluation of the surface flow density map. It is visible in the results that filter strips on endangered areas are far more effective and therefore more required. If the width of the vegetated buffer strips is not sufficient, it will not attain the desired effectiveness. Conversely, if the width is too great, it will cause agricultural land waste, preventing farmers' interest in cooperating with environmental preservation efforts. For the above reasons, it is important to set a reasonable width range. According to the results we are suggesting wider buffer zones in endangered subbasins and narrow in other subbasins.Polska, podobnie jak pozostałe kraje członkowskie Unii Europejskiej, jest zobowiązana do wdrożenia Ramowej Dyrektywy Wodnej - RDW (2000/60/WE) do końca 2015 r. Głównym celem RDW jest osiągnięcie dobrego stanu ekologicznego wszystkich wód. Niezbędne jest więc ograniczenie emisji zanieczyszczeń zarówno do wód powierzchniowych jak i gruntowych. W polsko-norweskim projekcie pt. "Pilotażowe wdrożenie Ramowej Dyrektywy Wodnej i stworzenie narzędzia do zarządzania zlewnią" skupiono się na zanieczyszczeniach pochodzących ze źródeł rolniczych, których udział w ogólnym ładunku zanieczyszczeń jest bardzo znaczący i stale rośnie. W ramach projektu do wdrożenia RDW wybrano typowo rolniczą zlewnię górnej Zgłowiączki, zlokalizowaną na obszarze Kujaw. Na terenie zlewni od 1990 r. prowadzony jest państwowy monitoring jakości wód powierzchniowych przy ujściu cieku do Jeziora Głuszyńskiego, a od 2000 r. w dwóch monitoring uzupełniono o dwa dodatkowe punkty pomiarowo-kontrolne na długości cieku. W każdym z tych punktów stężenie azotanów okresowo kilkakrotnie przekraczało dopuszczalną wartość 50 mg·dm-3. Największe miesięczne wartości stężenia w latach 1990-2007 notowano w lutym, marcu i kwietniu, co wskazuje na pochodzenie zanieczyszczeń z rozproszonych źródeł rolniczych. W związku z tym obszar zlewni górnej Zgłowiączki to teren, na którym ograniczenie rozpraszania azotanów z rolnictwa do środowiska jest szczególnie potrzebne. Głównym celem projektu jest zaproponowanie działań prowadzących do ograniczenia rozpraszania azotanów do wód i przeanalizowanie ich skuteczności z wykorzystaniem modelowania. Do tego celu zastosowano hydrologiczny model SWAT, stworzony w celu przewidywania wpływu użytkowania terenu zlewni na jakość wód w długim czasie. W artykule przedstawiono koncepcję wykorzystania modelu SWAT do optymalnego określenia rozmieszczenia i szerokości stref buforowych na obszarze zlewni jako jednej z metod, prowadzących do ograniczenia procesu rozpraszania azotanów do wód