This study evaluates the spatial and temporal impacts of implemented Best Management Practices (BMP) on stream water quality under baseflow conditions in a stream segment affected by livestock production. The BMPs includes 10-m fenced riparian zone and crossing paths along the reach segment. Grab water samples and water quality monitoring were collected biweekly from July 2019 to March 2022. Water quality parameters included temperature, dissolved oxygen, electric conductance, total dissolved solids, turbidity, and pH. Water samples were lab analyzed for sediments and nutrients. Results evidenced poor water quality before BMPs implementation, with nutrient concentrations exceeding the nation's and state's criteria. Two years after implementation, BMPs favored seasonal and spatial reductions in nutrient, sediment concentrations, and improved water quality parameters. Present results and subsequent stream monitoring should create awareness in private owners to extend the implementation of a riparian zone and other BMPs that improves stream water quality and health.

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L’implantation répandue de nouveaux quartiers résidentiels sur le territoire de la périphérie urbaine est en partie responsable de la baisse du couvert végétal et de l’augmentation des surfaces imperméables à grande échelle. Les villes sont maintenant aux prises avec une augmentation constante de la production de ruissellement qu'elles doivent gérer au moyen d’un vaste réseau d’égouts et de canalisations. Des données sur les impacts de ces modèles de quartier résidentiel nous révèlent que cette forme d’habitat provoque la dégradation des milieux naturels et aquatiques. La présente étude vise à mettre à l’épreuve la stratégie d’aménagement de l’Open space design en comparant l’effet de trois situations d’aménagement d’ensembles résidentiels sur le coefficient de ruissellement pondéré (Cp). Les trois situations étudiées sont 1 : le développement actuel tel que conçu par le promoteur, 2 : un scénario de quartier visant la préservation des cours d’eau existants ainsi qu’une réduction des lots et des surfaces imperméables et 3 : un quartier avec des types d’habitation plus denses. Les coefficients pondérés obtenus sont respectivement de 0,50 pour le quartier actuel, de 0,40 pour le scénario 1 et de 0,34 pour le scénario 2. Au terme de cet exercice, il apparaît, d’une part, que la densification du bâti, la nature des surfaces et l’organisation spatiale peuvent concourir à diminuer la production de ruissellement d’un quartier. Cette étude permet de situer l’importance de la gestion du ruissellement dans la planification et l’aménagement du territoire. / The widespread introduction of new residential developments in the urban periphery is partly responsible for declining vegetation cover and a large scale increase in impervious surfaces. Cities are now grappling with a constant increase in runoff, which they have to manage through a vast network of sewers and drains. Data on the impacts of current residential models reveal that this form of development causes the degradation of natural and aquatic environments. The present study aims to test Open space design strategy by comparing the effect of three development situations on the weighted runoff coefficient (Cw). The three situations are 1: the actual development as conceived by the project’s promoter; 2: development aimed at preserving existing streams, reducing lot sizes and impervious surfaces; and 3: a higher-density cluster development plan. The weighted coefficients obtained are 0.50 for scenario 1, 0.40 for scenario 2 and 0.34 for scenario 3. As a result, it appears that the density of the structures, the nature of the surfaces and the spatial organization can all contribute to reducing the runoff in a given area. This study underlines the importance of runoff management in planning and land use.

Stormwater runoff has negative impacts on water resources, human health and environment. In this research the effectiveness of Rain Water Harvesting (RWH) systems is examined as a stormwater Best Management Practice (BMP). Time-based, evapotranspiration-based, and soil moisture-based irrigation scheduling methods in conjunction with RWH and a control site without RWH were simulated to determine the effect of RWH as a BMP on a single-family residence scale. The effects of each irrigation scheduling method on minimizing water runoff leaving the plots and potable water input for irrigation were compared. The scenario that reflects urban development was simulated and compared to other RWH-irrigation scheduling systems by a control treatment without a RWH component. Four soil types (sand, sandy loam, loamy sand, silty clay) and four cistern sizes (208L, 416L, 624L, 833L) were evaluated in the urban development scenario. To achieve the purpose of this study; a model was developed to simulate daily water balance for the three treatments. Irrigation volumes and water runoff were compared for four soil types and four cistern sizes. Comparisons between total volumes of water runoff were estimated by utilizing different soil types, while comparisons between total potable water used for irrigation were estimated by utilizing different irrigation scheduling methods. This research showed that both Curve Number method and Mass-Balance method resulted in the greatest volumes of water runoff predicted for Silty Clay soil and the least volumes of water runoff predicted for Sand soil. Moreover, increasing cistern sizes resulted in reducing total water runoff and potable water used for irrigation, although not at a statistically significant level. Control treatment that does not utilize a cistern had the greatest volumes of predicted supplemental water among all soil types utilized, while Soil Moisture-based treatment on average had the least volume of predicted supplemental water.

L’implantation répandue de nouveaux quartiers résidentiels sur le territoire de la périphérie urbaine est en partie responsable de la baisse du couvert végétal et de l’augmentation des surfaces imperméables à grande échelle. Les villes sont maintenant aux prises avec une augmentation constante de la production de ruissellement qu'elles doivent gérer au moyen d’un vaste réseau d’égouts et de canalisations. Des données sur les impacts de ces modèles de quartier résidentiel nous révèlent que cette forme d’habitat provoque la dégradation des milieux naturels et aquatiques. La présente étude vise à mettre à l’épreuve la stratégie d’aménagement de l’Open space design en comparant l’effet de trois situations d’aménagement d’ensembles résidentiels sur le coefficient de ruissellement pondéré (Cp). Les trois situations étudiées sont 1 : le développement actuel tel que conçu par le promoteur, 2 : un scénario de quartier visant la préservation des cours d’eau existants ainsi qu’une réduction des lots et des surfaces imperméables et 3 : un quartier avec des types d’habitation plus denses. Les coefficients pondérés obtenus sont respectivement de 0,50 pour le quartier actuel, de 0,40 pour le scénario 1 et de 0,34 pour le scénario 2. Au terme de cet exercice, il apparaît, d’une part, que la densification du bâti, la nature des surfaces et l’organisation spatiale peuvent concourir à diminuer la production de ruissellement d’un quartier. Cette étude permet de situer l’importance de la gestion du ruissellement dans la planification et l’aménagement du territoire. / The widespread introduction of new residential developments in the urban periphery is partly responsible for declining vegetation cover and a large scale increase in impervious surfaces. Cities are now grappling with a constant increase in runoff, which they have to manage through a vast network of sewers and drains. Data on the impacts of current residential models reveal that this form of development causes the degradation of natural and aquatic environments. The present study aims to test Open space design strategy by comparing the effect of three development situations on the weighted runoff coefficient (Cw). The three situations are 1: the actual development as conceived by the project’s promoter; 2: development aimed at preserving existing streams, reducing lot sizes and impervious surfaces; and 3: a higher-density cluster development plan. The weighted coefficients obtained are 0.50 for scenario 1, 0.40 for scenario 2 and 0.34 for scenario 3. As a result, it appears that the density of the structures, the nature of the surfaces and the spatial organization can all contribute to reducing the runoff in a given area. This study underlines the importance of runoff management in planning and land use.

Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management. / Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement.

Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management. / Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement.

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<p>Current watershed-scale, nonpoint source (NPS) pollution models do not represent the processes and impacts of agricultural best management practices (BMP) on water quality with sufficient detail. To begin addressing this gap, a novel process-based, watershed-scale, water quality model (WEPP-WQ) was developed based on the Water Erosion Prediction Project (WEPP) and the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) models. The proposed model was validated at both hillslope and watershed scales for runoff, sediment, and both soluble and particulate forms of nitrogen and phosphorus. WEPP-WQ is now one of only two models which simulates BMP impacts on water quality in ‘high’ detail, and it is the only one not based on USLE sediment predictions. Model validations indicated that particulate nutrient predictions were better than soluble nutrient predictions for both nitrogen and phosphorus. Predictions of uniform conditions outperformed nonuniform conditions, and calibrated model simulations performed better than uncalibrated model simulations. Applications of these kinds of models in real-world, historical simulations are often limited by a lack of field-scale agricultural management inputs. Therefore, a prototype tool was developed to derive management inputs for hydrologic models from remotely sensed imagery at field-scale resolution. At present, only predictions of crop, cover crop, and tillage practice inference are supported and were validated at annual and average annual time intervals based on data availability for the various management endpoints. Extraction model training and validation were substantially limited by relatively small field areas in the observed management dataset. Both of these efforts contribute to computational modeling research and applications pertaining to agricultural systems and their impacts on the environment.</p>