Climate change impacts hydrology, nutrient cycling, agricultural conservation practices, and greenhouse gas (GHG) emissions. The Chesapeake Bay and its watershed are subject to the largest and most expensive Total Maximum Daily Load (TMDL) ever developed. It is unclear if the TMDL can be met given climate change and variability (e.g., extreme weather events). The objective of this dissertation is to quantify the impact of climate change and climate on water resources, nutrient cycling and export in agroecosystems, and agricultural conservation practices in the Chesapeake Bay watershed. This is accomplished by developing and employing a suite of modelling tools. GHG emissions from agroecosystems, particularly nitrous oxide (N2O), are an increasing concern. To quantify N2O emissions a routine was developed for the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. The new routine predicts N2O and di-nitrogen (N2) emissions by coupling the C and N cycles with soil moisture, temperature, and pH in SWAT. The model uses reduction functions to predict total denitrification (N2 + N2O production) and partitions N2 from N2O using a ratio method. The SWAT nitrification routine was modified to predict N2O emissions using reduction functions. The new model was tested using GRACEnet data at University Park, Pennsylvania, and West Lafayette, Indiana. Results showed strong correlations between plot measurements of N2O flux and the model predictions for both test sites and suggest that N2O emissions are particularly sensitive to soil pH and soil N, and moderately sensitive to soil temperature/moisture and total soil C levels. The new GHG model was then used to analyze the impact of climate change and extreme weather conditions on the denitrification rate, N2O emissions, and nutrient cycling/export in the 7.4 km2 WE38 watershed in Pennsylvania. Climate change impacts hydrology and nutrient cycling by changing soil moisture, stoichiometric nutrient ratios, and soil temperature, potentially complicating mitigation measures. To quantify the impact of climate change we forced the new GHG model with downscaled and bias-corrected regional climate model output and derived climate anomalies to assess their impact on hydrology, nitrate (NO3-), phosphorus (P), and sediment export, and on emissions of N2O and N2. Model-average (± standard deviation) results indicate that climate change, through an increase in precipitation, will result in moderate increases in winter/spring flow (2.7±10.6 %) and NO3- export (3.0±7.3 %), substantial increases in dissolved P (DP, 8.8±19.8 %), total P (TP, 4.5±11.7 %), and sediment (17.9±14.2 %) export, and greater N2O (63.3±50.8 %) and N2 (17.6±20.7 %) emissions. Conversely, decreases in summer flow (-12.4±26.7 %) and the export of P (-11.4±27.4 %), TP (-7.9±24.5 %), sediment (-4.1±21.4 %), and NO3- (-12.2±31.4 %) are driven by greater evapotranspiration from increasing summer temperatures. Increases in N2O (20.1±29.3 %) and decreases in N2 (-13.0±14.6 %) are also predicted in the summer and driven by increases in soil moisture and temperature. In an effort to assess the impact of climate change at a regional level, the model was then scaled-up to the entire Susquehanna River basin and was used to evaluate if agricultural best management practices (BMPs) can offset the impact of climate change. Agricultural BMPs are increasingly and widely employed to reduce diffuse nutrient pollution. Climate change can complicate the development, implementation, and efficiency of BMPs by altering hydrology, nutrient cycling, and erosion. We select and evaluate four common BMPs (buffer strips, strip crop, no-till, and tile drainage) to test their response to climate change. We force the calibrated model with six downscaled global climate models (GCMs) for a historic period (1990-2014) and two future scenario periods (2041-2065) and (2075-2099) and quantify the impact of climate change on hydrology, NO3-, total N (TN), DP, TP, and sediment export with and without BMPs. We also tested prioritizing BMP installation on the 30% of agricultural lands that generate the most runoff (e.g., critical source areas-CSAs). Compared against the historical baseline and excluding the impact of BMPs, the ensemble model mean (± standard deviation?) predictions indicate that climate change results in annual increases in flow (4.5±7.3%), surface runoff (3.5±6.1%), sediment export (28.5±18.2%) and TN (9.5±5.1%), but decreases in NO3- (12±12.8%), DP (14±11.5%), and TP (2.5±7.4%) export. When agricultural BMPs are simulated most do not appreciably change the overall water balance; however, tile drainage and strip crop decrease surface runoff generation and the export of sediment, DP, and TP, while buffer strips reduced N export substantially. Installing BMPs on critical source areas (CSAs) results in nearly the same level of performance for most practices and most pollutants. These results suggest that climate change will influence the performance of BMPs and that targeting BMPs to CSAs can provide nearly the same level of water quality impact as more widespread adoption. Finally, recognizing that all of these model applications have considerable uncertainty associated with their predictions, we develop and employ a Bayesian multi-model ensemble to evaluate structural model prediction uncertainty. The reliability of watershed models in a management context depends largely on associated uncertainties. Our Objective is to quantify structural uncertainty for predictions of flow, sediment, TN, and TP predictions using three models: the SWAT-Variable Source Area model (SWAT-VSA), the standard SWAT model (SWAT-ST), and the Chesapeake Bay watershed model (CBP-model). We initialize each of the models using weather, soil, and land use data and analyze outputs of flow, sediment, TN, and TP for the Susquehanna River basin at the Conowingo Dam in Conowingo, Maryland. Using these three models we fit Bayesian Generalized Non - Linear Multilevel Models (BGMM) for flow, sediment, TN, and TP and obtain estimated outputs with 95% confidence intervals. We compare the BGMM results against the individual model results and straight model averaging (SMA) results using a split time period analysis (training period and testing period) to assess the BGMM in a predictive fashion. The BGMM provided better predictions of flow, sediment, TN, and TP compared to individual models and the SMA during the training period. However, during the testing period the BGMM was not always the best predictor; in fact, there was no clear best model during the testing period. Perhaps more importantly, the BGMM provides estimates of prediction uncertainty, which can enhance decision making and improve watershed management by providing a risk-based assessment of outcomes. / Ph. D.

The economic and social losses of environmental disasters are increasingly higher. Floods are a main concern in many locations around the world. Preventive actions are urgent and necessary. This doctoral thesis addresses topics related to hydro-meteorological risks and water resources management. Its aim is to cope with hydrological risks and water resources management through a flooding risk index, complex watershed modeling, different calibration techniques, and ensemble streamflow forecasting. Specific assumptions and research questions are defined in each chapter of the thesis, and are mostly related to the 12,600 km2 Piracicaba watershed, in Southeast, Brazil. Chapter one has general introductions and explains how the thesis is organized. Chapter two brings an assessment and mapping of flooding risks. Chapter three reviews the watershed modelling topic, through applications of a selected watershed model (the Soil and Water Assessment Tool - SWAT) in Brazil. Chapter four proposes a good practice methodology for calibration of watershed models for different time-steps with available data, having hydrology as main focus. Chapter five explores different methodologies for calibrating hydrological models, using two optimization algorithms and with a multi-site and single site approaches to evaluate related changes in performance. Chapter six has complex watershed modeling for sub-daily time-step, with an automatic hourly calibration module that was included in SWAT-CUP and the application of these models to forecast ensemble streamflow and with a data assimilation approach with optimization to improve the quality of the forecasts. Chapter seven has overall conclusions and chapter eight has a summarized list of other activities developed during the doctoral process. Overall we believe the methodologies and results for the Piracicaba watershed are very good. And that they can be replicated in other watersheds in Brazil and around the world. The proposed mapping assessments of flooding vulnerability and risks can be applied for the entire Brazil, and could be used as a tool in water resources management and planning. The watershed model (SWAT) used on this doctoral thesis also proved to be a versatile and robust model, with several good example applications in Brazil, and in particular for the Piracicaba case study. The step by step calibration methodology, as well as the different calibrations performed can help other modelers on choosing where and how to calibrate their own models. For hourly application, this work is pioneer, in area scale and model used. The results for ensemble flow forecasting and data assimilation show a little of what can be performed with this kind of application, and that it can be a potential tool for real time applications in streamflow forecasting and early warning systems. We believe the lessons learnt in this thesis can improve and aid modeler and water resources managers worldwide. / Os prejuízos econômicos e sociais de desastres ambientais têm sido maiores. Inundações são uma das principais preocupações ao redor do mundo. Ações preventivas são urgentes e necessárias. Esta tese de doutorado aborda temas relacionados à gestão dos recursos hídricos e de riscos hidro-meteorológicos. Possui o objetivo de lidar com riscos hidrológicos através de índices de risco a inundações, modelagem complexa de bacias hidrográficas, diferentes técnicas de calibração, e previsão de vazões por conjunto. Pressupostos e objetivos específicos são definidos em cada capítulo da tese, e são na sua maioria relacionados à bacia hidrográfica do Rio Piracicaba (12.600 km2), Sudeste do Brasil. O Capítulo um traz as introduções gerais e explica a organização da tese. O capítulo dois desenvolve mapeamento de riscos a inundações. O capítulo três revisa o tópico de modelagem de bacias hidrográficas, através de aplicações de um modelo selecionado (Soil and Water Assessment Tool - SWAT) no Brasil. O quarto capítulo propõe uma metodologia de boas práticas para a calibração de modelos de bacias hidrográficas utilizando dados disponíveis, com foco principal na hidrologia. O capítulo cinco explora diferentes metodologias de calibração, utilizando dois algoritmos de otimização e abordagens de calibração em um local e demais locais para avaliar alterações relacionadas ao desempenho da modelagem. O capítulo seis trabalha com modelagem sub-diária, com um módulo de calibração horária automática, que foi incluído no SWAT-CUP, e aplicação destes modelos para previsão de vazões por conjunto e assimilação de dados com otimização, para melhorar a qualidade das previsões. O sétimo capítulo traz as conclusões gerais da tese e oitavo capítulo apresenta uma lista resumida de outras atividades desenvolvidas durante o doutorado. Acreditamos que as metodologias e resultados para a bacia hidrográfica Piracicaba são muito bons. E que podem ser replicados em outras bacias hidrográficas no Brasil e ao redor do mundo. O mapeamento de vulnerabilidade e riscos de inundação propostos pode ser aplicados para todo o Brasil, além de possuir potencial como uma ferramenta de planejamento. O modelo utilizado (SWAT) também provou ser versátil e robusto, com vários bons exemplos de aplicações no Brasil, e em especial para a Bacia do Piracicaba. A metodologia sistemática para calibração, bem como as diferentes calibrações executadas podem auxiliar outros modeladores a escolherem como calibrar seus próprios modelos. Este trabalho é pioneiro no tipo de aplicação horária apresentada. Os resultados de previsão por conjunto de vazões e de assimilação de dados mostram o potencial da metodologia para sistemas de previsão de vazões em tempo real e em sistemas de alerta antecipado. Nós acreditamos que as lições aprendidas nesta tese podem auxiliar modeladores e gestores de recursos hídricos ao redor do mundo.

The economic and social losses of environmental disasters are increasingly higher. Floods are a main concern in many locations around the world. Preventive actions are urgent and necessary. This doctoral thesis addresses topics related to hydro-meteorological risks and water resources management. Its aim is to cope with hydrological risks and water resources management through a flooding risk index, complex watershed modeling, different calibration techniques, and ensemble streamflow forecasting. Specific assumptions and research questions are defined in each chapter of the thesis, and are mostly related to the 12,600 km2 Piracicaba watershed, in Southeast, Brazil. Chapter one has general introductions and explains how the thesis is organized. Chapter two brings an assessment and mapping of flooding risks. Chapter three reviews the watershed modelling topic, through applications of a selected watershed model (the Soil and Water Assessment Tool - SWAT) in Brazil. Chapter four proposes a good practice methodology for calibration of watershed models for different time-steps with available data, having hydrology as main focus. Chapter five explores different methodologies for calibrating hydrological models, using two optimization algorithms and with a multi-site and single site approaches to evaluate related changes in performance. Chapter six has complex watershed modeling for sub-daily time-step, with an automatic hourly calibration module that was included in SWAT-CUP and the application of these models to forecast ensemble streamflow and with a data assimilation approach with optimization to improve the quality of the forecasts. Chapter seven has overall conclusions and chapter eight has a summarized list of other activities developed during the doctoral process. Overall we believe the methodologies and results for the Piracicaba watershed are very good. And that they can be replicated in other watersheds in Brazil and around the world. The proposed mapping assessments of flooding vulnerability and risks can be applied for the entire Brazil, and could be used as a tool in water resources management and planning. The watershed model (SWAT) used on this doctoral thesis also proved to be a versatile and robust model, with several good example applications in Brazil, and in particular for the Piracicaba case study. The step by step calibration methodology, as well as the different calibrations performed can help other modelers on choosing where and how to calibrate their own models. For hourly application, this work is pioneer, in area scale and model used. The results for ensemble flow forecasting and data assimilation show a little of what can be performed with this kind of application, and that it can be a potential tool for real time applications in streamflow forecasting and early warning systems. We believe the lessons learnt in this thesis can improve and aid modeler and water resources managers worldwide. / Os prejuízos econômicos e sociais de desastres ambientais têm sido maiores. Inundações são uma das principais preocupações ao redor do mundo. Ações preventivas são urgentes e necessárias. Esta tese de doutorado aborda temas relacionados à gestão dos recursos hídricos e de riscos hidro-meteorológicos. Possui o objetivo de lidar com riscos hidrológicos através de índices de risco a inundações, modelagem complexa de bacias hidrográficas, diferentes técnicas de calibração, e previsão de vazões por conjunto. Pressupostos e objetivos específicos são definidos em cada capítulo da tese, e são na sua maioria relacionados à bacia hidrográfica do Rio Piracicaba (12.600 km2), Sudeste do Brasil. O Capítulo um traz as introduções gerais e explica a organização da tese. O capítulo dois desenvolve mapeamento de riscos a inundações. O capítulo três revisa o tópico de modelagem de bacias hidrográficas, através de aplicações de um modelo selecionado (Soil and Water Assessment Tool - SWAT) no Brasil. O quarto capítulo propõe uma metodologia de boas práticas para a calibração de modelos de bacias hidrográficas utilizando dados disponíveis, com foco principal na hidrologia. O capítulo cinco explora diferentes metodologias de calibração, utilizando dois algoritmos de otimização e abordagens de calibração em um local e demais locais para avaliar alterações relacionadas ao desempenho da modelagem. O capítulo seis trabalha com modelagem sub-diária, com um módulo de calibração horária automática, que foi incluído no SWAT-CUP, e aplicação destes modelos para previsão de vazões por conjunto e assimilação de dados com otimização, para melhorar a qualidade das previsões. O sétimo capítulo traz as conclusões gerais da tese e oitavo capítulo apresenta uma lista resumida de outras atividades desenvolvidas durante o doutorado. Acreditamos que as metodologias e resultados para a bacia hidrográfica Piracicaba são muito bons. E que podem ser replicados em outras bacias hidrográficas no Brasil e ao redor do mundo. O mapeamento de vulnerabilidade e riscos de inundação propostos pode ser aplicados para todo o Brasil, além de possuir potencial como uma ferramenta de planejamento. O modelo utilizado (SWAT) também provou ser versátil e robusto, com vários bons exemplos de aplicações no Brasil, e em especial para a Bacia do Piracicaba. A metodologia sistemática para calibração, bem como as diferentes calibrações executadas podem auxiliar outros modeladores a escolherem como calibrar seus próprios modelos. Este trabalho é pioneiro no tipo de aplicação horária apresentada. Os resultados de previsão por conjunto de vazões e de assimilação de dados mostram o potencial da metodologia para sistemas de previsão de vazões em tempo real e em sistemas de alerta antecipado. Nós acreditamos que as lições aprendidas nesta tese podem auxiliar modeladores e gestores de recursos hídricos ao redor do mundo.

A escassez de dados hidrológicos no Brasil é um problema recorrente em muitas regiões, principalmente em se tratando de dados hidrométricos, produção de sedimentos e qualidade da água. A pesquisa por modelos de bacias hidrográficas tem aumentado nas últimas décadas, porém, a estimativa de dados hidrossedimentológicos a partir de modelos mais sofisticados demanda de grande número de variáveis, que devem ser ajustadas para cada sistema natural, o que dificulta a sua aplicação. O objetivo principal desta tese foi avaliar diferentes ferramentas de modelagem utilizadas para a estimativa da vazão, produção de sedimentos e qualidade da água e, em particular, comparar os resultados obtidos de um modelo hidrológico físico semi-distribuído, o Soil Water Assessment Tool (SWAT) com os resultados obtidos a partir de modelos hidrológicos concentrados, com base na metodologia do número da curva de escoamento do Soil Conservation Service (SCS-CN) e no modelo Generalized Watershed Loading Function (GWLF). Buscou-se avaliar e apresentar em quais condições o uso de cada modelo deve ser recomendado, ou seja, quando o esforço necessário para executar o modelo semi-distribuído leva a melhores resultados efetivos. Em relação à simulação da vazão, os resultados dos dois modelos foram altamente influenciados pelos dados de precipitação, indicando que existem, possivelmente, falhas ou erros de medição que poderiam ter influenciado negativamente os resultados. Portanto, foi proposto aplicar o modelo semi-distribuído com dados de precipitação interpolados (DPI) de alta resolução para verificar a eficiência de seus resultados em comparação com os resultados obtidos com a utilização dos dados de precipitação observados (DPO). Para simulação da produção de sedimentos, e das concentrações de nitrogênio e fósforo, o SWAT realiza uma simulação hidrológica mais detalhada, portanto, fornece resultados ligeiramente melhores para parâmetros de qualidade da água. O uso do modelo semi-distribuído também foi ampliado para simular uma bacia hidrográfica sob a influência do reservatório, a fim de verificar a potencialidade do modelo para esse propósito. Os modelos também foram aplicados para identificar quais os impactos potenciais das mudanças no uso do solo previstas e em andamento. Os cenários estudados foram: I – cenário atual, II – cenário tendencial, com o aumento da mancha urbana e substituição do solo exposto e de parte da mata nativa por uso agrícola; III – cenário desejável, complementa o crescimento urbano tendencial com aumento de áreas de reflorestamento. As metodologias foram aplicadas em duas bacias hidrográficas localizadas no Sudeste do Brasil. A primeira é a bacia do rio Jacaré-Guaçu, incluída na Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos 13 (UGRHI-13), a montante da confluência do rio das Cruzes, com uma área de 1934 km2. O segundo caso de estudo, é a bacia do rio Atibaia, inserida na UGRHI-5, tem uma área de 2817,88 km2 e abrange municípios dos estados de São Paulo e Minas Gerais. Como principal conclusão, o desempenho do modelo semi-distribuído para estimar a produção de sedimentos, e as concentrações de nitrogênio e fósforo foi ligeiramente melhor do que as simulações do modelo concentrado SCS-CN e GWLF, mas essa vantagem pode não compensar o esforço adicional de calibrá-lo e validá-lo. / The lack of hydrological data in Brazil is a recurrent problem in many regions, especially in hydrometric data, sediment yield and water quality. The research by simplified models has increased in the last decades, however, the estimation of hydrossedimentological data from these more sophisticated models demands many variables, which must be adjusted for each natural system, which makes it difficult to apply. At times it is necessary to respond quickly without much precision in the results, in these situations, simpler models with few parameters can be the solution. The objective of this research is to evaluate different modelling tools used estimate streamflow, sediments yield and nutrients loads values, and namely to compare the results obtained from a physically-based distributed hydrological model (SWAT) with the results from a lumped hydrological, the Soil Conservation Service (SCS-CN) and the Generalized Watershed Loading Function (GWLF) model. Both models use the curve number (CN) concept, determined from land use, soil hydrologic group and antecedent soil moisture conditions and were run with a daily time step. We are particularly interested in understanding under which conditions the use of each model is to be recommended, namely when does the addition effort required to run the distributed model leads to effective better results. The input variables and parameters of the lumped model are assumed constant throughout the watershed, while the SWAT model performs the hydrological analysis at a small unit level, designated as hydrological response units (HRUs), and integrates the results at a sub-basin level. In relation to the flow simulation, the results of the two models were highly influenced by the rainfall data, indicating that, possibly, faults or measurement errors could have negatively influenced the results. Therefore, it was proposed to apply the distributed model with high-resolution grids of daily precipitation to verify the efficiency of its results when compared to rainfall data. For simulation of sediment, nitrogen and phosphorus, SWAT performs a more detailed simulation and thus provides slightly better results. The use of the SWAT was also extended to simulate the influence of reservoir, in order to verify the potentiality of the model, in relation to the simulation. The models also were used to identify which are potential impacts of the ongoing land use changes. The scenarios were: I - Current scenario, II - trend scenario, with the increase of urban land and replacement of the exposed soil and part of the native forest by agricultural use; III - desirable scenario complements the trend urban growth with the replacement of exposed soil and part of the agricultural use by reforestation. The methodologies were applied on two watersheds located in the Southeast of Brazil. The first one is the Jacaré-Guaçu river basin, included in the Water Resources Management Unit 13 (UGRHI-13), upstream of Cruzes river confluence, with an area of 1934 km2. The second watershed is the Atibaia River Basin, a part of Water Resources Management Unit 5 (UGRHI-5). It has an area of 2817.88 km2 and covers municipalities of the states of São Paulo and Minas Gerais.

O significativo investimento em desenvolvimento tecnológico associado aos fatores ambientais, como disponibilidade de recursos naturais, clima e solo elevaram o Brasil ao patamar de maior produtor mundial de cana-de-açúcar, matéria-prima do açúcar e do etanol. Atualmente, o país exporta açúcar para mais de 100 países. Em relação ao etanol, esse vem se destacando no cenário mundial devido à viabilidade econômica e à necessidade de se utilizar energia renovável, em substituição aos combustíveis fósseis, com o intuito de mitigar o efeito estufa. Sendo assim, as perspectivas mundiais para a produção e, principalmente, consumo do etanol são favoráveis. Para o Brasil, devido à alta demanda mundial por açúcar e biocombustíveis, o zoneamento agroecológico da cana-de-açúcar, que apresenta uma seleção de terras potenciais para a expansão do seu cultivo visando uma produção sustentável, é uma necessidade imperiosa. Entretanto, os processos de mudança de uso e cobertura do solo são complexos e podem causar impactos, tais como: desertificação, perda da biodiversidade, poluição de ar, degradação dos componentes ambientais água e solo. Esse trabalho acadêmico visou estimar o escorrimento superficial e a produção de sedimentos em área consolidada e em área que encontra-se em expansão do cultivo da cana-de-açúcar para a produção de açúcar e etanol. Para isso, com base no Zoneamento Agroecológico da Cana-de-açúcar (ZAE Cana) que indica as áreas aptas ao cultivo da cana-de-açúcar, foram selecionadas duas áreas de estudo que possuem alta aptidão para a expansão da cana-de-açúcar. São elas: a Microbacia hidrográfica do ribeirão das Guabirobas (MBH-G) localizada no município de São Carlos - SP, região onde a cultura da cana-de-açúcar é consolidada e; a Microbacia hidrográfica córrego da Onça (MBH-O), localizada na região oeste do Estado de São Paulo, nos municípios de Ilha Solteira e Itapura, região onde a cultura da cana-de-açúcar encontra-se em expansão. O modelo de simulação espacial usado no trabalho é o Conversion of Land Use and its Effects at small region extent (CLUE-S), desenvolvido pela Universidade de Wageningen (Holanda). A aplicação satisfatória do CLUE-S permitiu o desenvolvimento de cenários futuros de uso e cobertura do solo com o intuito de simular a expansão da cultura da cana-de-açúcar em paisagens com diferentes características. A posteriori, foi estimada o escorrimento superficial e a produção de sedimentos desses cenários com o auxílio do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT). O SWAT foi sensível aos cenários, possibilitando a geração de resultados consistentes, qualitativa e quantitativamente para cada um deles, o que permitiu verificar as suas particularidades. Vale ressaltar que a avaliação ex-ante dos impactos ambientais na área de expansão da cultura da cana-de-açúcar em diferentes cenários pode direcionar ações de políticas públicas e de planejamento sócio-econômico-ambiental, dentre outros. / The significant investments in technological development associated to environmental factors, such as the availability of natural resources, for instance, climate and soil, have led Brazil to become the world\'s largest producer of sugarcane, the raw material used in the manufacture of ethanol and sugar. Currently, the country exports sugar to more than 100 countries. Ethanol has become globally eminent due to its economic feasibility and the need of clean and renewable energy rather than of fossil fuels in order to mitigate the greenhouse effect. Therefore, the global perspectives on the production and especially the consumption of ethanol are favorable. Due to the high global demand for sugar and biofuels, the agro-ecological zoning of sugarcane, which features a selection of potential areas for cultivation expansion aiming at sustainable production, is a fundamental necessity for Brazil. However, the changes inland use and land cover are complex processes and can cause impacts such as desertification, biodiversity loss, air pollution, and degradation of environmental components such as water and soil. This research aims to estimate the sediment yield and runoff in areas where the culture of sugarcane is consolidated and in areas of sugarcane expansion for the production of sugar and ethanol. Accordingly, based on the Agro-Ecological Zoning for Sugarcane (ZAE Cana), which indicates suitable areas for sugarcane cultivation, two study areas that have high potential for the expansion of sugarcane were selected, namely the microbacia hidrográfica do ribeirão das Guabirobas/MBH-G (Ribeirão das Guabirobas micro-drainage basin), located in the city of São Carlos - SP, a region where the culture of sugarcane is consolidated, and the microbacia hidrográfica córrego da Onça/MBH-O (córrego da Onça micro-drainage basin), located in the western region of the state of São Paulo, in the cities of Ilha Solteira and Itapura, an area of sugarcane expansion, i.e. a sugarcane expansion region. The spatial simulation model used in this research is the Conversion of Land Use and its Effects at small region extent (CLUE-S), developed by the University of Wageningen, Netherlands. Making use of this methodology, future land use and land cover scenarios were created in order to simulate the expansion of sugarcane cultivation in areas with different characteristics. Subsequently, the sediment yield and superficial runoff in these scenarios were estimated with the help of the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool).This model was sensitive to both scenarios allowing the generation of consistent qualitative and quantitative results for each scenario enabling the identification of their particularities. It is noteworthy that the ex-ante evaluation of environmental impacts on areas of sugarcane expansion in different scenarios can guide public policy actions and socio-economic and environmental planning among others.

O entendimento da dinâmica hidrossedimentológica em uma bacia hidrográfica pode ser realizado pelo monitoramento das variáveis hidrossedimentológicas e pela modelagem desses processos. Nesse contexto, essa pesquisa analisou a eficiência do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) na previsão dos processos hidrossedimentológicos na bacia do Taboão (Pejuçara, RS), considerando as saídas (vazão e produção de sedimentos) em um passo de tempo mensal e diário. Para tal, foram utilizados dados de chuva horária dos anos 2008 a 2016, monitorada em quatro pluviógrafos instalados na bacia (PVGs 34, 40, 43 e 51), e dados climáticos da estação meteorológica de Cruz Alta. As informações de vazão, para os anos de 2011 a 2016, foram obtidas por meio da conversão dos dados de nível de água monitorados no exutório da bacia, utilizando uma curva-chave cota x vazão. A concentração de sedimentos suspensos (CSS), para os anos de 2013 a 2015, foi estimada por meio de modelos de redes neurais artificias (RNAs), empregando como entrada dados de turbidez e de nível de água, monitorados no exutório da bacia. O preenchimento das falhas dos registros de precipitação horária foi executado por meio de modelos de Combinações de RNAs (CRNAs) associados à média simples (MS) ou à média ponderada pelo inverso da distância (MP), utilizando como entrada dados pluviométricos dos postos vizinhos. As falhas nos dados de nível de água foram preenchidas por modelos de RNAs, que usaram como entrada níveis de água monitorados em sub-bacias embutidas ou adjacente à bacia do Taboão (bacias do Donato, Turcato, Alemão e Andorinhas), e dados de precipitação média dos quatro pluviógrafos utilizados nessa pesquisa Foram determinadas as defasagens temporais entre os níveis de água das diferentes bacias, e testados o uso da precipitação média com aplicação de filtro temporal linear e/ou exponencial. Os registros falhos nos dados de turbidez foram preenchidos por modelos de RNAs, que empregaram como entrada informações de nível de água monitoradas, de 10 em 10 minutos, no exutório da bacia. A calibração do modelo SWAT para a previsão dos processos hidrológicos foi realizada usando dados de vazão, diários e mensais, para os anos de 2013, 2014 e 2016 e; a etapa de verificação foi executada para os anos de 2011 e 2015. Considerou-se o Método de Green & Ampt para determinação da infiltração de água no solo e 2 anos (2008-2009) para período de aquecimento do modelo SWAT. A calibração do modelo para a produção de sedimentos foi realizada para os anos de 2013 e 2015 e o processo de verificação foi efetuado para o ano de 2014. A calibração e a análise de sensibilidade dos parâmetros foram realizadas com auxílio do SWAT-CUP, utilizando o algoritmo SUFI-2. O coeficiente de Nash–Sutcliffe (NS) das RNAs para preenchimento das falhas de precipitação variou entre 0,35, classificado como “Insatisfatório”, e 0,86, avaliado como “Muito Bom”, considerando critérios propostos por Moriasi et al. (2007). Das 13 RNAs desenvolvidas para preenchimento das falhas nos níveis de água, apenas uma delas foi classificada como de desempenho “Satisfatório” durante o treinamento e; as demais enquadraram-se como de desempenho “Muito Bom”. Na etapa de verificação, sete RNAs foram consideradas com desempenho “Muito Bom” e cinco com “Bom” desempenho No preenchimento das falhas de turbidez, das cinco RNAs desenvolvidas, quatro mostraram “Bom” desempenho durante o treinamento, e uma rede teve desempenho “Muito Bom”; enquanto que, no processo de verificação, duas RNAs tiveram desempenho “Muito Bom”, uma delas foi classificada com desempenho “Bom” e; duas RNAs foram consideradas com desempenho “Satisfatório”. As estatísticas de desempenho dos modelos de RNAs desenvolvidos para o preenchimento das falhas de nível de água, de turbidez e de precipitação também demonstraram que tais redes representam uma alternativa interessante para a obtenção de séries contínuas desses dados, possibilitando o uso posterior dos registros para a modelagem hidrossedimentológica. A calibração do modelo SWAT para estimativa da vazão mensal mostrou desempenho “Muito Bom” (NS=0,78), e para a determinação da vazão diária foi considerado “Bom” (NS=0,72). Na etapa de verificação, o modelo manteve o “Bom” desempenho (NS=0,68) para estimativa da vazão diária, decaindo para desempenho “Satisfatório” (NS=0,64) para a simulação em escala mensal. Para a estimativa da produção de sedimentos mensal, o desempenho do modelo foi considerado “Bom” tanto na calibração (NS=0,66) quanto na verificação (NS=0,70). Na escala diária o desempenho foi “Satisfatório” para a calibração (NS=0,64) e “Insatisfatório” para a verificação (NS=0,38) Tais resultados indicam que o modelo SWAT é uma ferramenta promissora para aplicações na previsão hidrossedimentológica na bacia do Taboão, especialmente em termos de simulações dos processos hidrológicos. No entanto, existem limitações para aplicações na estimativa da produção de sedimentos, sobretudo quando considerados os processos em escala diária. Essas limitações são consequência da presença de processos erosivos na bacia (voçorocas), que não são simulados pelas rotinas presentes no modelo SWAT, bem como pelo escoamento dominante ser do tipo subsuperficial, com ocorrência de pipping; indicando-se, portanto, adequações nas rotinas do modelo para melhor representatividade desses processos. / The understanding of hydrosedimentological dynamics in a watershed can be obtained by monitoring the hydrossedimentological variables and by modeling these processes. In this context, this research analyzed the efficiency of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) in predicting the hydrosedimentological processes in the Taboão basin (Pejuçara, RS), considering the outputs (flow and sediment production) in a monthly and daily time step. For that, hourly rainfall data from 2008 to 2016 were monitored at four pluviographs installed in the basin (PVGs 34, 40, 43 and 51), and climate data were obtained from the Cruz Alta meteorological station. The flow information for the years 2011 to 2016 was obtained by converting the monitored water level data into flow by using a rating curve. The suspended sediment concentration (SSC), from 2013 to 2015, was estimated using artificial neural network (ANN) models, using as input turbidity and water level data, monitored in the basin. The filling of the hourly rainfall records was performed by models of Combinations of RNAs (CRNAs) associated with the simple mean (MS) or weighted mean to the inverse distance (MP), using as input rainfall data from the neighboring stations. Failures in the water-level data were filled by RNA models, which used as input water levels monitored in sub-basins adjacent or embedded to the Taboão basin (Donato, Turcato, Alemão and Andorinha basins), and mean precipitation data of the four pluviographs used in this research. The temporal lags between the water levels of the different basins were determined and the use of the average precipitation with linear and exponential temporal filters was tested The turbidity data records were filled by RNA models, using water level information monitored at every 10 minutes. The SWAT model calibration for predicting the hydrological processes was performed using daily and monthly flow data for the years 2013, 2014 and 2016 and the verification step was performed for the years 2011 and 2015; considering Green & Ampt Method for infiltration estimation and 2 years of warm-up period (2008-2009). The calibration of the model for sediment yield was performed for the years 2013 and 2015 and the verification process was carried out for the year 2014. The calibration and sensitivity analysis of the parameters were performed with the assistance of SWAT-CUP, using the SUFI-2 algorithm. The Nash-Sutcliffe Coefficient (NS) of the RNAs used to fill precipitation faults varied between 0.35, classified as "Unsatisfactory", and 0.86, evaluated as "Very Good", considering criteria proposed by Moriasi et al. (2007). Of the 13 RNAs developed to fill water level failures, only one of them was classified as a "Satisfactory" performance during training and; the others have been classified as "Very Good" performance. In the verification step, seven RNAs were considered to have "Very Good" performance and five had "Good” performance. In the fulfillment of the turbidity faults, of the five RNAs developed, four showed "Good" performance during the training, and one network had "Very Good" performance; while in the verification process two ANNs performed "Very Good", one of them was classified as "Good" and; two ANNs were considered to have "Satisfactory" performance The performance statistics of the ANN models developed to fill the water level, turbidity and precipitation failures also demonstrated that such networks represent an interesting alternative to obtain continuous series of these data, allowing the later use of the records for hydrossedimentological modeling. In the verification processes, the model maintained a “Good” performance (NS=0.68) to estimate the daily flow, decreasing to "Satisfactory" performance (NS=0.64) for the monthly scale simulation. For the estimation of sediment yield the model performance was considered "Good" for monthly calibration period (NS=0.66) and also for the verification (NS=0.70). In daily scale the performance was "Satisfactory" for calibration (NS=0.64) and “Unsatisfactory” in the verification (NS=0.38). These results indicate that the SWAT model is a promising tool for applications in the hydrosedimentological forecasting in the Taboão basin, especially in terms of hydrological processes simulations. However, there are limitations to applications in the estimation of sediment production, especially when considering daily scale processes. These limitations are due to the presence of erosive processes in the basin (gully erosion), which are not simulated by the routines present in the SWAT model, as well as by the existence of the lateral flow with occurrence of pipping; indicating, therefore, the need for adjustments in the routines of the model to better represent these processes.

Neste trabalho foi proposta uma estratégia de modelagem hidrológica para a transformação chuva vazão da Bacia do Ribeirão da Onça (B.R.O) utilizando-se técnicas de auto calibração com análise de incertezas e de ponderação de modelos. Foi utilizado o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT), por ser um modelo que possui uma descrição física e de maneira distribuída dos processos hidrológicos da bacia. Foram propostas cinco diferentes séries de precipitação e esquemas de interpolação espacial a serem utilizados como dados de entrada para o modelo SWAT. Em seguida, utilizou-se o método semiautomático Sequential Uncertainty Fitting ver.-2 (SUFI-2) para a auto calibração e análise de incertezas dos parâmetros do modelo e produção de respostas com intervalos de incerteza para cada uma das séries de precipitação utilizadas. Por fim, foi utilizado o método de ponderação bayesiana de modelos (BMA) para o pós-processamento estocástico das respostas. Os resultados da análise de incerteza dos parâmetros do modelo SWAT indicam uma não adequação do método Soil Conservation Service (SCS) para simulação da geração do escoamento superficial, juntamente com uma necessidade de maior investigação das propriedades físicas do solo da bacia. A análise da precisão e acurácia dos resultados das séries de precipitação em comparação com a resposta combinada pelo método BMA sugerem a última como a mais adequada para a simulação chuva-vazão na B.R.O. / This study proposed an approach to the hydrological modeling of the Ribeirão da Onças Basin (B.R.O) based on automatic calibration and uncertainty analysis methods, together with model averaging. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used due to its distributed nature and physical description of hydrologic processes. An ensemble, composed by five different precipitation schemes, based on different sources and spatial interpolation methods was used. The Sequential Uncertainty Fitting ver-2 (SUFI-2) procedure was used for automatic calibration and uncertainty analysis of the SWAT model parameters, together with generation of streamflow simulations with uncertainty intervals. Following, the Bayesian Model Averaging (BMA) was used to merge the different responses into a single probabilistic forecast. The results of the uncertainty analysis for the SWAT parameters show that the Soil Conservation Service (SCS) model for surface runoff prediction may not be suitable for the B.R.O, and that more investigations about the soil physical properties at the Basin are recommended. An analysis of the accuracy and precision of the simulations produced by the precipitation ensemble members against the BMA simulation supports the use of the latter as a suitable framework for streamflow simulations at the B.R.O.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-08-22T13:43:40Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação_JoaoLeite_Wellington.pdf: 6416980 bytes, checksum: 7b4be4dc0aad9deeeaedc0d13cc1c349 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-08-22T13:43:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação_JoaoLeite_Wellington.pdf: 6416980 bytes, checksum: 7b4be4dc0aad9deeeaedc0d13cc1c349 (MD5) Previous issue date: 2013-07-09 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / The land use and cover analysis is one fundamental phase for performing the strategic planning on conservation and management of a watershed. This study aims to analyze the landscape of João Leite stream watershed, located in the Goiás state, on northwest of the Goiânia city, by using geoprocessing tools, as Geographic Information System (GIS) and Remote Sensing, in order to provide input to generate a environmental diagnosis. In an analysis performed using multitemporal satellite images TM/Landsat-5 between the years 1985 to 2011 showed that in watershed of João Leite stream occurred a decrease in the area of remnant native vegetation in 7,4%. Among municipalities that compose the watershed, Anápolis had the most suppression of these areas (11.1%). The results of this analysis can be used by sectors dealing with environmental management because the vegetation degradation has direct influences the environmental quality of the watershed landscape. This study also permitted an evaluation of different scenarios in estimating sediments production in the reservoir supply and João Leite stream watershed using the hydrosedimentological SWAT model, which showed that among the proposed scenarios, when occur the preservation and recovering the native vegetation, also occur a lower value in sediment production in the watershed. Concerning the estimation of sediment production was also used PRISM/ALOS and TM/Landsat-5 satellite images with spatial resolutions respectively of 2,5 and 30 meters, the result of this estimate considering the two simulations showed that it occurred proportionally in the watershed, and the highest values were found almost in the same sub-basins, which demonstrated that the variation between the results was minimal. / A análise do uso e cobertura do solo é uma das etapas fundamentais para realização do planejamento estratégico de conservação e manejo de uma bacia hidrográfica. Este trabalho tem por objetivo analisar a paisagem da Bacia Hidrográfica do Ribeirão João Leite localizada no estado de Goiás a noroeste da cidade de Goiânia, utilizando ferramentas de geoprocessamento como Sistema de Informação Geográfica (SIG) e Sensoriamento Remoto com intuito de fornecer subsídios para gerar um diagnóstico ambiental da mesma. Em uma análise multitemporal realizada com imagens do satélite TM/Landsat-5 entre os anos de 1985 e 2011 demonstrou que na Bacia Hidrográfica do Ribeirão João Leite houve um decréscimo na área de remanescentes de vegetação nativa de 7,4% e que dentre os municípios que compõe a bacia, Anápolis foi o que mais apresentou supressão dessas áreas (11,1%). O resultado dessa análise merece atenção das instituições que tratam da gestão ambiental já que a degradação dessa vegetação influencia diretamente na qualidade ambiental da paisagem da bacia. Esse estudo possibilitou ainda a avaliação de diferentes cenários na estimativa de produção de sedimentos na bacia e no reservatório de abastecimento do Ribeirão João Leite utilizando o modelo hidrossedimentológico SWAT, o qual demonstrou que dentre os cenários propostos o cenário contendo a vegetação nativa como uso e cobertura do solo predominante apresentou um menor valor na estimativa da produção de sedimentos na bacia. Ainda sobre a estimativa da produção de sedimentos foram utilizadas imagens dos satélites PRISM/ALOS e TM/Landsat-5 com resoluções espaciais respectivamente de 2,5 e 30 metros, o resultado dessa estimativa entre as duas simulações demonstrou que a mesma ocorreu de forma distribuída na bacia, sendo que os maiores valores se encontraram praticamente nas mesmas sub-bacias, o que demonstrou que a variação entre os resultados foi mínima.

La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau. / Integrated water resource management requires distinction between water paths that are directly available for society and those which are not. Water pathways, from precipitation to the oceans or the atmosphere, are highly variable from one place to another. The complexity of water pathways can be simplified by focusing on two main categories of water resources: blue water, which is the stock and flow moving into the hydrosystem that is directly available (e.g. rivers, lakes, aquifers and groundwater flow), and green water, which is the invisible flow of water vapor leaving the hydrosphere to the atmosphere. The latter includes the water used by forests, grasslands, rain fed crops, and the water in soils. However, many hydrological studies focus only on blue water, particularly the discharge or more rarely the ground water recharge, ignoring all green water components, therefore missing the overall picture. At the same time, climate change highlighted in recent years have been found to impact water pathway distributions by affecting different components of the hydrological cycle at the watershed scale. The study presented here exploits the SWAT hydrological model to assess the variation of different components of a hydrosystem facing climate change. The study area is the watershed of the Garonne River, where data is available. The first part of this work focused on refining the implementation of the model in order to better tackle the problem at hand. Particular attention has been paid to the use of gridded weather data (SAFRAN product) as well as to the simulation of snow present in the mountainous portion of the watershed. Calibration of the model parameters was tested through a differential split sampling method, based on calibration and validation using climatically contrasted periods, in order to test the robustness of the model. These steps led to a substantial improvement in the simulations performance over the calibration period (2000-2010) and demonstrated the robustness of the model within a climate change context. The improved SWAT model was next used to produce simulations over a hundred-year period (1960-2050), an analysis carried out in two steps: First, the past period (1960-2000) simulation, based on observed climatic data, was used to validate discharge simulations for which very good performance was obtained. Analysis of the different components of the hydrological cycle showed a strong impact on flows and stocks of green water, with a reduction of the water content in soil and a substantial increase in evapotranspiration. Blue water is mostly impacted in terms of snow stock and discharge flow, which both showed a substantial decrease. Secondly, hydrological projections were performed (2010-2050) based on a selection of climate scenarios and models, submitted to dynamic downscaling. Analysis of these projections partly confirmed the conclusions drawn from the historic period: i.e. a substantial impact on green water, with a decrease of the soil water content and an increase of potential evapotranspiration. The projections also revealed that the soil water content during the summer season is such that it reduces the actual evapotranspiration, highlighting possible future deficits of green water stocks. Furthermore, if the analysis of blue water components always presented a substantial decrease in the snowpack, discharge appears to increase during autumn and winter periods. These results indicate an "acceleration" of blue surface water components which is likely related to an increase in extreme rainfall events. In this study, an analysis of the variation of the main hydrological cycle components have been proposed at a watershed scales, confirming the importance of taking into account all these components to evaluate the climate change impact and more broadly environmental changes on water resources.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Areas under intensive tobacco crop cultivation have been impacting the water balance and increasing soil erosion in Southern Brazil. Application of large amounts of mineral fertilizers, higher than the tobacco requirement, contributes to excessive phosphorus loads in soil and water bodies. The assessment of potential environmental impacts due to changes in land use and management practices is necessary to achieve the sustainable management of natural resources such as soil and water. In this study the hydrological processes, the sediment yield and the phosphorus transfer in the Arroio Lino watershed were evaluated by using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. The small watershed (4.18 km2 ) is located in Southern Brazil and its main land use is tobacco crop under conventional tillage. Measured streamflow and sediment yield at the watershed outlet were used for model streamflow sensitivity analysis, calibration and validation. Phosphorus loads at four sub-watersheds (A1, A2, B, C) and at the watershed outlet were used for model sensitivity analysis and calibration. A Latin Hypercube (LH) and One-factor- At-a-Time (OAT) sensitivity analysis was performed on input variables. Model calibration was performed with the Shuffled Complex Evolution Algorithm-Uncertainty Analysis (SCE-UA). Time series plots and standard statistical measures were used to verify model predictions. Adaptations of the model parameters for the reality of the region in which the watershed is located were made during the calibration and validation of the model. The predicted monthly streamflow matched the observed values, with a Nash Sutcliffe coefficient (NSE) of 0.87 for calibration and 0.76 for validation. In an attempt to account for sediment transport and deposition processes across the landscape, the SWAT model was modified to simulate landscape sediment transport capacity. The new deposition routine performed better during calibration (NSE of 0.70) than SWAT standard version (NSE of -0.14) in the studied watershed. The modified model provided reasonable simulations of sediment transport across the landscape positions. The results suggest that the integration of the sediment deposition routine in SWAT increases model predictions accuracy in steeper areas, while at the same time significantly improves the ability to predict spatial distribution of sediment deposition areas. The predicted P loads are in the order of magnitude of the measured ones, however, the model failed to predict the P loads in three sub-watersheds (A1, A2 and B). Although occupying only 29% of the total land cover, cropland is the primary source of nutrients in the watershed (80%). After calibration of streamflow, sediment yield and phosphorus loads, the simulation of distinct management scenarios was done for the Arroio Lino watershed. Three scenarios of management practices: conventional tillage (CT), minimum tillage (MT) and no-tillage cultivation (NT) with reduction of 50% of fertilizer rate application were tested over a period of 30 years. No-tillage practices did not significantly affect water yield, but greatly affected sediment yield due to reduction of soil erosion. The soluble phosphorus losses decreased mainly when the fertilizer doses decreased. The simulation results suggest that conventional tillage practices should be replaced by less intensive tillage practices in order to minimize environmental impacts caused by a single land use. / Áreas com culturas de tabaco cultivadas intensivamente, no sul do Brasil, vêm afetando a qualidade da água e aumentando a erosão do solo nesta região. A aplicação de grandes quantidades de fertilizantes minerais, maiores do que a exigência da cultura, contribui para a excessiva carga de fósforo nos solos e corpos d'água. A avaliação dos impactos potenciais das mudanças no uso e manejo do solo é fundamental para propiciar uma gestão sustentável dos recursos naturais como solo e água. Neste estudo foram avaliados os processos hidrológicos, a produção de sedimentos e a transferência de fósforo na bacia hidrográfica do Arroio Lino, por meio do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT). A pequena bacia (4,18 km2 ) localiza-se no sul do Brasil e seu principal uso da terra é a cultura de fumo sob plantio convencional. As vazões e a produção de sedimentos medidos no exutório da bacia foram utilizadas para análise de sensibilidade, calibração e validação dos parâmetros do modelo. Cargas de fósforo em quatro sub-bacias (A1, A2, B, C) e no exutório foram utilizados para a análise de sensibilidade e calibração do modelo. A análise de sensibilidade foi feita com o uso de um algoritmo que combina as técnicas de Hipercubo Latino (LH) e One-factor-At-a-Time (OAT). A calibração foi realizada com o algoritmo Shuffled Complex Evolution (SCE-UA). Análises gráficas e medidas estatísticas foram utilizadas para verificar as previsões do modelo. Adaptações nos parâmetros do modelo foram feitas durante as etapas de calibração e validação, tendo em vista a realidade da região em que a bacia está localizada. Na simulação de vazões mensais obtiveram-se valores do índice de eficiência de Nash e Sutcliffe (NSE) de 0,87 na calibração e 0,76 na validação. Com o intuito de representar melhor os processos de deposição de sedimentos nas encostas, o modelo SWAT foi modificado com a incorporação de um termo de capacidade de transporte de sedimentos na paisagem. Com a nova rotina de sedimentos obteve-se um melhor desempenho durante a calibração (NSE de 0,70) em relação ao modelo SWAT original (NSE de -0,14). As simulações com o modelo modificado foram satisfatórias para o transporte de sedimentos em diferentes posições da paisagem. Os resultados sugerem que a integração da rotina de deposição de sedimentos no SWAT aumenta a precisão do modelo de previsões em áreas mais íngremes e, ao mesmo tempo, melhora significativamente a capacidade de prever a distribuição espacial das áreas de deposição de sedimentos. As previsões de cargas de fósforo foram na ordem de grandeza das cargas medidas; no entanto, o modelo não conseguiu prever satisfatoriamente as cargas de fósforo em três sub-bacias (A1, A2 e B). Apesar das lavouras ocuparem apenas 29% da área total da bacia, de acordo com a simulação elas são a principal fonte de nutrientes na bacia hidrográfica (80%). Após a calibração da vazão, da produção de sedimentos e de fósforo, foi realizada a simulação de cenários de manejo do solo na bacia hidrográfica do Arroio Lino. Três cenários de práticas de manejo: preparo convencional (PC), cultivo mínimo (CM) e plantio direto de cultivo (NT) com redução de 50% da taxa de aplicação de fertilizantes foram testados durante um período de 30 anos. A prática de plantio direto não afetou significativamente o escoamento, no entanto afetou fortemente a produção de sedimentos devido à redução da erosão do solo. Houve redução das perdas de fósforo principalmente devido à redução das doses de fertilizantes. Os resultados indicam que as práticas de preparo convencional do solo deveriam ser substituídas por práticas de cultivo mínimo ou direto, a fim de minimizar os impactos ambientais causados por um determinado uso do solo.