Areas cultivated with eucalyptus forests have increased in Southern Brazil, and the effects on hydrosedimentological processes are not well known particularly at the watershed scale and in watersheds where land use has been changing. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model has been applied in a few forested watersheds to evaluate and predict effects of commercial forest cultivation or land use change in hydrological processes, whilst erosion processes has not been the main goal. The present study aimed (i) to evaluate the effects of eucalyptus plantation on hydrosedimentological processes, and to evaluate the efficiency and limitations of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model to simulate streamflow and sediment yield (daily and monthly) in nested eucalyptus watersheds and in two paired watersheds with eucalyptus and grassland, and (ii) to identify the contribution of the bank channel, unpaved roads and eucalyptus stands sediment-sources for two different size fractions of sediment (< 0.063 mm and 0.063-2 mm) deposited along the drainage network, and suspended sediment collected in the outlet of small watersheds. SWAT was used to evaluate hydrological and erosion processes for two nested forest watersheds (watershed-0.98 km2 and sub-watershed-0.39 km2) and two paired watersheds in Pampa Biome, one with grassland (1.10 km2) and other with eucalyptus (0.83 km2). Measured streamflow and sediment yield at the watersheds outlets was used to evaluate model sensitivity to selected model parameters, and for calibration from 2009 to 2013 for nested watersheds, and from 2009 to 2013 for paired watersheds. Time series plots and standard statistical measures were used to verify model predictions. For nested watersheds, predicted monthly streamflow was very good during calibration for the watershed and for the sub-watershed, respectively. Predicted monthly sediment yield was very good and satisfactory for the watershed, and unsatisfactory for the sub-watershed. Simulations for daily time-scale were satisfactory to predict streamflow and sediment yield for the watershed. For the sub-watershed, predicted streamflow was satisfactory , but sediment yield was unsatisfactory . For paired watersheds, predicted monthly streamflow was good during calibration for the grassland watershed and for the eucalyptus watershed. Predicted monthly sediment yield was satisfactory for the grassland watershed, and very good and satisfactory for eucalyptus watershed. Daily simulations were satisfactory to predict streamflow in both grassland and eucalyptus watersheds. The results suggest that the SWAT model is a promising tool to evaluate hydrological processes in Brazilian watersheds. However, more field work with continuous monitoring is required and empirical equations of SWAT must change to better represent the processes that predominate in each watershed and to represent the hydrological and erosion processes in sub-daily time-scale and, especially, for small watersheds where the time of concentration is less than one day. Sediment-sources was evaluated using geochemical properties, determined by inductively coupled plasma mass spectrometry and X-ray fluorescence analyses, and the data used to calculate proportional contributions of sediment. Source contributions were determined at points spatially-distributed along the main channel of the watershed. Source determination for in-stream sites was done using samples collected in one spot to evaluate source-contribution of area upstream of this site of interest to indicate how different sources dominate at different downstream locations. To examine whether different size-fractions shared similar origins, two size fractions of both source and suspended samples including fine (<0.063 mm) and coarse (0.063 2 mm) particles were analyzed. Fingerprinting approach indicated particle-size and location of sources within a watershed are major factors affecting the measured contribution of sources for coarse and fine sediments. The closer a sediment sampling site is to a potential source, the more likely this sediment-source will dominate the sampled material, especially for coarse particles. Based on the classification analysis, the relative contribution of each source to eroded sediments was bank channel, i.e. from the stream network. Modeling results and sediment-source identification can provide an improved understanding effect of land use or change in land use on sediment yield in watershed scale, which are useful and may be used as a management tool of natural resources. / Áreas cultivadas com florestas de eucalipto têm aumentado no Sul do Brasil e os efeitos sobre os processos hidrossedimentológicos são pouco conhecidos, especialmente em escala de bacia hidrográfica e para áreas em que ocorreu mudança no uso do solo. O modelo Soil and Water Assesment Tool (SWAT) tem sido utilizado em bacias hidrográficas florestais para avaliar e simular o efeito do cultivo de florestas comerciais ou mudança de uso do solo sobre os processos hidrológicos, mas os processos erosivos não têm sido avaliados. O presente estudo objetivou (i) avaliar os efeitos do plantio de eucalipto sobre os processos hidrossedimentológicos e a eficiência e as limitações do SWAT em simular o escoamento superficial e produção de sedimentos (diários e mensais) em bacias hidrográficas embutidas, ocupadas com eucalipto, e em duas bacias hidrográficas pareadas ocupadas principalmente com eucalipto e com campo natural, e (ii) identificar a contribuição das fontes margem da rede de drenagem, as estradas e os povoamentos de eucalipto na geração de duas diferentes frações de sedimentos (< 0,063 mm e 0,063-2 mm) depositados ao longo da rede de drenagem, e de sedimentos em suspensão coletados no exutório de bacias embutidas. O SWAT foi utilizado para avaliar os processos hidrológicos e de erosão em duas bacias florestais embutidas (bacia-0,94 km2 e sub-bacia-0,39 km2) e em duas bacias hidrográficas pareadas no Bioma Pampa, uma com campo natural (1,10 km2) e outra com eucalipto (0,83 km2). A vazão e a produção de sedimentos medidas nas seções de monitoramento das bacias hidrográficas foram utilizadas para avaliar a sensibilidade dos parâmetros selecionados do modelo e para calibração para as bacias embutidas (2009-2013), e para as bacias pareadas (2009-2013). As séries temporais e os parâmetros estatísticos foram utilizados para avaliar o potencial preditivo do modelo. Para as bacias embutidas, a representação da vazão mensal foi muito boa durante a calibração para a bacia e para a sub-bacia, respectivamente. A representação da produção de sedimentos mensal foi muito boa e satisfatória para a bacia, e insatisfatória para a sub-bacia. As simulações na escala diária foram satisfatórias para a representação da vazão e da produção de sedimentos para a bacia. Para a sub-bacia, a representação da vazão foi satisfatória, mas da produção de sedimentos foi insatisfatória. Para as bacias hidrográficas pareadas, a representação da vazão mensal foi boa durante a calibração para a bacia com pastagem e para a bacia com eucalipto. A representação da produção de sedimentos mensal foi satisfatória para a bacia com pastagem, e muito boa e satisfatória para a bacia com eucalipto. As simulações diárias foram satisfatórias para a vazão em ambas as bacias pareadas. Os resultados sugerem que o modelo SWAT é uma ferramenta promissora para avaliar processos hidrológicos em bacias hidrográficas brasileiras. No entanto, fazem-se necessários mais tempo de monitoramento contínuo das variáveis hidrossedimentológicas e alteração de equações empíricas do SWAT para melhor representar processos erosivos que predominam em cada bacia e para representar os processos hidrológicos e erosivos em escala sub-diária, especialmente para pequenas bacias em que o tempo de concentração é menor do que um dia. As fontes de sedimentos foram avaliadas por meio do uso de propriedades geoquímicas, determinadas por análises de espectrometria de massas com plasma e de fluorescência de raios-X. A contribuição das fontes de sedimentos foi determinada em pontos espacialmente distribuídos ao longo do canal principal da bacia. Amostras de sedimento de um ponto de coleta foram utilizadas para avaliar a contribuição das fontes da área de contribuição à montante desse local de interesse e para indicar o a diferença da contribuição dessas fontes em diferentes localizações à jusante. Para avaliar se as diferentes frações de sedimentos tem origem semelhante, duas frações de tamanho de partículas das fontes e amostras de sedimento fino (< 0,063 mm) e grosso (0,063-2 mm) foram analisadas. A técnica fingerprinting indicou que o tamanho das partículas e localização das fontes dentro da bacia hidrográfica são os principais fatores que afetam a contribuição das fontes para a produção de sedimentos finos e grossos. As fontes mais próximas do local de amostragem são as potenciais fontes de sedimentos, sendo provável que essa fonte de sedimentos será dominante na amostra de sedimentos, principalmente para as frações grossas. Com base na análise de classificação, a contribuição relativa de cada fonte indicou que a principal fonte de sedimentos foi a margem do canal da rede de drenagem. Os resultados da modelagem e identificação das fontes de sedimentos contribuem para uma melhor compreensão do efeito do uso do solo ou da alteração no uso sobre a produção de sedimentos na escala de bacia hidrográfica, que são úteis e podem ser utilizados como ferramenta de gestão dos recursos naturais.

Nowadays, the hydrologic modeling has become an essential tool for predicting the hydrodynamic behavior in a watershed due to the importance of the detailed estimative of the water balance for environmental management in a sustainable manner. However, the phenomena involved in this cycle have large spatial and temporal variations, which complicates their estimation. In this context, the objectives set for this study is the evaluation of the production of water - river Poxim açu , using the SWAT hydrological model (Soil and Water Assessmente Tool) . The calibration model was manually performed for a period in the year 2012, considering some relevant geological aspects of the basin under study, resulting in a calibration option from related to groundwater flow parameters and obtaining results NSE (0,73), PBIAS (-9,86) and RSR (0.52) . Were performed validation procedures which observed similarities between the results of water production with the results obtained by Silva (2013) for the same watershed in 2011. The model was used for predictive simulation of filling the dam Syndicalist Jaime Umbelino de Souza at river Poxim-açu, besides being subjected to simulations with rainfall data from rainfall stations in the municipalities of Itaporanga D´Ajuda and Aracaju to reviews of water production responses. The result was satisfactory, with fit temporal very good between recorded predictive filling and filling. The study concludes that the SWAT model applies satisfactorily in performing predictive simulations of water production in the basin of Poxim-açu river in Sergipe. Also concludes that the model applies satisfactorily in hydrological studies of the watershed in question. Regarding at Regional Development and the Environment, the study recommends more detailed research on the hydrogeological aspects of the region, aiming at quantitative and qualitative preservation of existing large underground spring, which represents an important meaning for human supply of Aracaju population and to maintaining the balance of coastal agroecosystems. / Nos dias atuais, a modelagem hidrológica tornou-se ferramenta essencial para predição do comportamento hidrodinâmico em uma bacia hidrográfica devido à importância que tem a detalhada estimativa do balanço hídrico para a gestão ambiental de modo sustentável. Entretanto, os fenômenos envolvidos neste ciclo apresentam grandes variações espaçotemporais, o que dificulta a sua estimativa. Neste contexto, o objetivo estabelecido para o presente estudo é o da avaliação da produção de água do rio Poxim-açu, utilizando o modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessmente Tool). A calibração do modelo foi realizada manualmente para um período compreendido no ano de 2012, considerando-se alguns aspectos geológicos pertinentes a bacia em estudo, resultando em uma opção de calibração a partir dos parâmetros relacionados ao fluxo das águas subterrâneas e obtendo-se resultados de NSE (0,73), PBIAS (-9,86) e RSR (0,52). Realizou-se procedimentos de validação onde se observou similaridades entre os resultados da produção de água com os resultados obtidos por Silva (2013) para a mesma bacia hidrográfica no ano de 2011. O modelo desenvolvido foi utilizado para simulação preditiva do enchimento da barragem Sindicalista Jaime Umbelino de Souza, no rio Poxim-açu, além de ter sido submetido a simulações com dados de chuvas das estações pluviométricas dos municípios de Itaporanga D´Ajuda e de Aracaju para avaliações das respostas da produção de água. O resultado obtido foi satisfatório, com muito bom encaixe temporal entre o enchimento preditivo e o enchimento registrado. O estudo conclui que o modelo SWAT é aplicável satisfatoriamente na realização de simulações preditivas da produção de água na bacia hidrográfica do rio Poxim-açu em Sergipe. Conclui também que o modelo é aplicável satisfatoriamente em estudos hidrológicos da bacia hidrográfica em questão. Em relação ao Desenvolvimento e Meio Ambiente regional, o estudo recomenda que se aprofundem pesquisas quanto aos aspectos hidrogeológicos da região, com vistas à preservação quanti-qualitativa do grande manancial subterrâneo existente, que representa importante significado para o abastecimento humano da população Aracajuana e para a manutenção do equilíbrio de agroecossistemas litorâneos.

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.