Over the last decades, fast urban sprawl and accelerated land use change have drastically increased the pressure on water resources of the capital Brasília and its surrounding area. The water supply of the metropolitan region of Brasília depends largely on surface water collected in reservoirs. There are increasing concerns regarding water shortages due to sediment aggradations, and of water quality due to geochemical modification of sediments from human activities. The complexity of various socio-environmental problems, such as non-point source pollution, soil erosion or silting of water reservoirs within urban catchments evoked the need for more effective and sustainable strategies to use land and water resources. Accurate identification and management of sediment source areas, however, is hampered by the lack of reliable information on the primary sources of sediment and on sediment geochemistry. The fingerprinting approach and a multivariate mixing model have been proven to be a valuable sediment source tracing technique across the globe and for various environmental settings. A multi-component methodology, including geochemical and geophysical analyses of representative sediment source and alluvial sediment samples, statistical analyses and a multivariate mixing model, was utilized to obtain the impact of different anthropogenic activities on sediment and water quality and to identify the major sources of sediments within the Lago Paranoá catchment. However, sediment source appointment and geochemical signatures of sediments in urbanized tropical regions, such as the Lago Paranoá catchment in the DF, are hampered by severe challenges; (i) the presence of various types of land use and heavy urbanized areas, (ii) large differences between sub-catchments and (iii) model structural failures in representing the sediment source contribution within urban tropical river basins. The present cumulative thesis addresses the challenges in geochemical analyses of different types of source and alluvial sediments, and in sediment source appointment for the Lago Paranoá catchment and it´s five sub-catchments. The aim of the study was to assess the distribution of chemical elements and geochemical/physical properties of potential sediment sources in the Lago Paranoá catchment. Principal component analysis and hierarchical cluster analysis were used to investigate the influence of different land use types on the geochemistry of sediments. Geochemical fingerprints of anthropogenic activities were developed based on the results of the cluster analysis grouping. The anthropogenic input of land use specific geochemical elements was examined and quantified by the calculation of enrichment factors using the local geological background as reference. The existing findings suggest a strong relationship between land use and quantifiable features of sediment geochemistry, and identified the combined effects of specific anthropogenic activities and metal enrichment in source and alluvial sediments. Through comparison of the geochemical signature of potential sediment sources and alluvial sediments of the Lago Paranoá and sub-catchments, the relative contribution of land use specific sediment sources to the sediment deposition of the main water reservoir were estimated. This assessment indicated that urban land use had the greatest responsibility for recent silting in the Lago Paranoá. In fact, one of the most challenging issues within the scope of IWRM is to quantify the contribution of sediment sources within fast urbanizing, mixed used, tropical catchments. Therefore, statistically verified composite fingerprints and a modified multivariate mixing model have been used to identify the main land use specific sources of sediment deposited in the silting zones of the Lago Paranoá, Central Brazil. Because of the great variability of urban land use types within the Lago Paranoá sub-catchments, the fingerprinting approach was additionally undertaking for the Riacho Fundo sub-catchment. This sediment source tracing technique provides valuable information on the response of the main sediment sources in a fast growing agglomeration with respect to specific land uses and human activities and allowed to examine the uncertainty in model prediction. The main contributions from individual source types (i.e. surface materials from residential areas, constructions sites, road deposited sediment, cultivated areas, pasture, farm tracks, woodland and natural gullies) varied between the whole catchment and the Riacho Fundo sub-catchment, reflecting the different proportions of land uses. The sediments deposited in the silting zones of the Lago Paranoá originate largely from urban sources (85±4%). Areas with (semi-) natural vegetation and natural gullies contribute 10±2% of the sediment yield. Agricultural sites have only a minor sediment contribution of about 5±4 % within the whole catchment. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, e.g. phenological change of the vegetation between wet and dry season, or and temporal changes in land use, e.g. construction sites, which influence model estimates. Nevertheless, the study reveals that even 58 % of the land remains in (semi-) natural state, the main sediment source are urban areas. Beside the analyses of sediments, it was found that metal concentrations in surface water of the main tributaries to the Lago Paranoá are generally low, but show seasonal variability. Terrestrial inputs of metals occur during the rainy season and depend largely on the influence of urban land use. The present thesis shows the great influence of anthropogenic activities on sediment generation, and at least to some degree, on sediment associated pollution loads. It depicts region specific challenges, but also provides essential information to guide management responses towards more effective sediment source-reduction strategies. / Im Gebiet des Bundesdistrikts Brasilien ist ein erheblicher Druck auf die Wasserressourcen zu beobachten, der vorwiegend durch starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen innerhalb der letzten Jahrzehnte ausgeübt wird. Die Wasserversorgung der jungen Hauptstadt Brasília und seiner suburbanen Räume wird im Wesentlichen durch in Stauseen gesammeltes Oberflächenwasser gewährleistet. Durch die voranschreitende Ausdehnung von urbanen und landwirtschaftlichen Flächen spielen insbesondere Sedimenteinträge in die Stauanlagen sowie sedimentgebundene Stoffbelastungen durch anthropogene Aktivitäten für die verfügbare Wasserquantität und Wasserqualität eine bedeutende Rolle. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen sowie die daraus resultierenden sozioökonomische Konsequenzen erfordern daher dringend wirksame und nachhaltige Strategien im Land-und Wasserressourcenmanagement. Eine deutliche Minimierung der Sedimenteinträge und Stoffbelastungen in das Gewässernetz ist jedoch nur mit Kenntnis der Primärquellen von Sedimenten und der Sedimentgeochemie zu erreichen. Der "Fingerprinting"-Ansatz und der Einsatz eines "Multivariate Mixing-Modell", sind geeignete Werkzeuge um den Einfluss anthropogener Eingriffe in das landschaftsökologische Prozessgefüge der Sedimentgenerierung zu klären. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand der Anwendung einer Multikomponenten-Methodik. Diese beinhaltet sowohl geochemische und geophysikalische Analysen repräsentativer Sedimentproben der Sedimentquellen und der finalen Senken (Auenbereiche und Bereiche der Zuflüsse zum Lago Paranoá) als auch umfassende statistische Analysen sowie die Anwendung eines modifizierten "Multivariate Mixing-Modells". Der Einsatzder "Fingerprinting" Methodik in urbanen Einzugsgebieten der wechselfeuchten Tropen, wie das des Lago Paranoá in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft insbesondere die Heterogenität der Landnutzungstypen innerhalb einer Landnutzungsklasse (urban, landwirtschaftlich, semi-natürlich) und die Unterschiede der Landnutzungsanteile zwischen den einzelnen Teileinzugsgebieten als auch modelstruktureller Unzulänglichkeiten bei der Sedimentherkunftsberechnung für urbane Einzugsgebiete. Eine Hauptkomponentenanalyse und hierarchische Clusteranalyse wurden verwendet, um den Einfluss der verschiedenen Landnutzungstypen auf der Geochemie der Sedimente zu untersuchen. Geochemische Fingerprints verschiedener anthropogener Aktivitäten wurden auf der Grundlage der Ergebnisse der Clusteranalyse ("grouping") entwickelt. Die Berechnung von Anreicherungsfaktoren ("Enrichmentfactors") auf Basis der gemessenen Elementgehalte, mit dem lokalen geologischen Hintergrundwerten als Referenz, ermöglichte die Quantifizierung des Einflusses der verschiedenen Landnutzungen auf die Metalleinträge in die Sedimente. Die vorhandenen Ergebnisse legen nahe, dass eine direkte Beziehung zwischen Landnutzung und quantifizierbarer Merkmale der Sedimentgeochemie existiert. Ein Vergleich der geochemischen Signatur von potentiellen Sedimentquellen und mit jenen der alluvialen Sedimente unterstützt die Hypothese, dass urbane Gebiete einen beachtlichen Beitrag zur Sedimentgenerierung und letztendlich zur Sedimentablagerung in den Auen- und Zuflussbereichen des Lago Paranoá leisten. Da diese relative Betrachtung von Elementzusammensetzungen der Sedimente keine quantitativen Aussagen zur Bedeutung der einzelnen Sedimentquellen zulässt, wurden statistisch verifizierte "composite fingerprints" und ein an urbane Bedingungen modifiziertes multivariate mixing-Modell (Hybrid) entwickelt und angewendet. Die Modellberechnungen erfolgten für das gesamte Einzugsgebiet des Lago Paranoá und separat für das Riacho Fundo Teileinzugsgebiet, welches Die angepassten Modellschätzungen zeigten, dass die in den Verlandungszonen des Lago Paranoá abgelagerten Sedimente weitgehend aus urbane Räumen (85 ± 4%) generiert wurden. Dahingegen stammen nur 10 ± 2% der Sedimente aus Gebieten mit (semi-) natürlicher Vegetation, obwohl 58 % der gesamten Einzugsgebietsfläche des Lago Paranoá stets (semi-) natürliche Verhältnisse aufweist. Landwirtschaftliche Gebiete haben generell nur einen geringen Anteil von etwa 5 ± 4% am Sedimenteintrag. Die Unterschiede in den Sedimentbeträgen sowohl zwischen den verschiedenen Sedimentquelltypen als auch zwischen den einzelnen Teileinzugsgebieten scheinen maßgeblich von den Flächennutzungsanteilen (urban, landwirtschaftlich, semi-natürlich) in dem jeweiligen Teileinzugsgebiet abhängig zu sein. Trotz umfassender Probennahme, Probenanalytik, Modellanpassung und Unsicherheitsanalyse sind die Ergebnisse nur für den Beprobungszeitraum, für die analysierte Stoffgruppe (organische Stoffeinträge sind im Rahmen dieser Dissertation nicht erfasst) und für die ausgewählten Lokalitäten repräsentativ. Zeitliche Einflussgrößen wie die Saisonalität in den Tropen oder Änderungen der Landnutzung, wie z.B. temporäre Baustellen, konnten mit den hier verwendeten Methoden nicht erfasst werden. Um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der Sedimentdynamik und eine deutliche Minimierung der Sedimenteinträge in das Gewässernetz zu erzielen, sind demnach die Einrichtung und der Betrieb eines langfristigen Monitoring-Netzwerkes für Sedimente im Einzugsgebiet des Lago Paranoá von hoher Priorität. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der geochemischen Beeinflussung von Sedimenten durch anthropogene Aktivitäten und liefert erstmalig quantitative Aussagen zu den Sedimentquellgebieten im Einzugsgebiet des Lago Paranoá. Sie stellt regionsspezifische Herausforderungen heraus, liefert gleichzeitig aber auch wichtige Informationen zu Sedimentbelastungen und -Einträgen und damit einen wichtigen Beitrag als Entscheidungsunterstützung im Rahmen eines Sedimentmanagementplans.

Facing the urgency of taking actions to guarantee the water supply to Brazil's Capital, the project called IWAS/ÁguaDF aims to provide scientific knowledge for the development of an Integrated Water Resources Management (IWRM) concept. The project is organized in multiple working groups wherein climate is considered as one of the main drivers. The water supply system of Distrito Federal (DF) is mainly dependent on three major complexes: river basins, waste water and drinking water. Anthropogenic climate change has the potential to affect these water complexes in a number of ways such as by losing storage capacity due to erosion and sedimentation, through altered persistency of dry events and due to increasing water demand. As a contribution to the IWAS/ÁguaDF project, this study focuses on the development of climate change projections for hydrological impact assessments at local/regional scale. The development of proper climate information is a challenging task. The level of complexity corresponds directly to the issues that concern impact modellers as well as technical aspects such as available observational data, human and computational resources. The identification of the needs for water-related issues gives the foundation for deriving proper climate projections. Before making projections, it is necessary to assess the current climate conditions, or baseline climate. Despite a better understanding of the regional aspects of the climate and the ongoing changes, the baseline climate provides the foundation for calibrating and validating climate models and downscaling methods. The General Circulation Models (GCMs) are the most preferred tools in simulating the response of the climate system to anthropogenic activities, like increasing greenhouse gases and aerosol emissions. However, the climate information required for regional impact studies, such as water resources management in DF, is of a spatial scale much finer than that provided by GCMs and therefore often demands a downscaling procedure. Hydrological models are usually sensitive to the temporal variability of precipitation at scales that are not well represented by GCMs. Statistical downscaling methods have the potential to bridge the mismatch between GCMs and impact models by adding local variability that is consistent with both the large-scale signal and local observations. The tool used (i.e., Statistical DownScaling Model - SDSM) is described as a hybrid of regression-based and stochastic weather generator. The systematic calibration adopted provides the appropriated predictors and model parameterization. The validation procedure takes into account the metrics relevant to the requirements of hydrological studies. Moreover, the downscaling approach considers several climate models (i.e., 18 GCMs) and emission scenarios (i.e., SRES A1B, A2, B1) in order to sample the widest sources of uncertainties available. In spite of the elevated level of uncertainties in the magnitude of change, most of the downscaled projections agree with positive changes in temperature and precipitation for the period of 2046-2065 when compared to the reference period (i.e., 1980-1999). Large ensembles are preferable but are often associated with massive amount of data which have limited application in hydrological impact studies. An alternative is to identify subsets of projections that are most likely and projections that have lower likelihood but higher impact. A set of representative climate projections is suggested for hydrological impact assessments. Although high resolution information is preferable, it relies on limited assumptions inherent to observations and coarse-resolution projections and, therefore, its use alone is not recommended. The combination of the baseline climate with large- and local-scale projections achieved in this study provides a wide envelope of climate information for assessing the sensitivity of hydrological systems in DF. A better understanding of the vulnerability of hydrological systems through the application of multiple sources of climate information and appropriate sampling of known uncertainties is perhaps the best way to contribute to the development of robust adaptation strategies. / Starkes Bevölkerungswachstum sowie Landnutzungs- und Klimawandel gefährden die Wasserversorgung der Metropolregion Brasília. Vor diesem Hintergrund soll das Projekt IWAS/ÁguaDF die wissenschaftlichen Grundlagen für ein Integriertes Wasserressourcen-Management (IWRM) im Distrito Federal (DF) erarbeiten. Das Projekt gliedert sich in drei klimasensitive Bereiche: Einzugsgebietsmanagement, Abwasseraufbereitung und Trinkwasserversorgung. Klimaänderungen können die Wasserversorgung im DF vielfältig beeinflussen, durch Veränderung der speicherbaren Wassermenge (Wasserdargebot, Speicherkapazität von Talsperren durch Sedimentation), der Dauer von Dürreperioden und des Wasserbedarfs (z.B. für Bewässerung). Klimaprojektionen für regionale hydrologische Impaktstudien stellen jedoch eine große Heraus-forderung dar. Ihre Komplexität richtet sich nach dem Bedarf des Impaktmodellierers und hängt zudem von technischen Voraussetzungen ab, wie der Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten sowie von Personal- und Rechenressourcen. Die Ableitung geeigneter Maßnahmen für ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement im DF stellt hohe Ansprüche an die Qualität der zu entwickelnden Klimaprojektionen. Noch vor der Projektion müssen die gegenwärtigen klimatischen Bedingungen (Referenzklima) analysiert und bewertet werden. Die Analyse des Referenzklimas ermöglicht ein besseres Verständnis regionaler Unterschiede und aktueller Tendenzen und bildet die Grundlage für die Kalibrierung und Validierung von Klimamodellen und Downscaling-Methoden. Globale Klimamodelle (GCM) simulieren die Reaktion des Klimasystems auf anthropogene Treibhausgas- und Aerosolemissionen. Ihre räumliche Auflösung ist jedoch meist zu grob für regionale Klimaimpaktstudien. Zudem reagieren hydrologische Modelle meist sehr sensitiv auf zeitlich variable Niederschläge, welche in hoher zeitlicher Auflösung (Tagesschritte) ebenfalls nur unzureichend in GCM abgebildet werden. Statistische Downscaling-Verfahren können diese Inkohärenz zwischen GCM und Impaktmodellen reduzieren, indem sie das projizierte Klimasignal um lokale Variabilität (konsistent gegenüber den Beobachtungen) erweitern. Das in der vorliegenden Arbeit verwendete Tool, Statistical DownScaling Model - SDSM, vereint regressionsbasierte und stochastische Methoden der Wettergenerierung. Geeignete Prädiktoren und Modelparameter wurden durch systematische Kalibrierung bestimmt und anschließend validiert, wobei unter anderem auch hydrologisch relevante Gütekriterien verwendet wurden. Der gewählte Downscaling-Ansatz berücksichtigt zudem eine Vielzahl verschiedener Globalmodelle (18 GCM) und Emissionsszenarien (SRES A1B, A2 und B1) um die mit Klimaprojektionen verbundene hohe Unsicherheit möglichst breit abzudecken. Die Mehrheit der regionalen Projektionen weist auf eine Zunahme von Temperatur und Niederschlag hin (Zeitraum 2046 bis 2065 gegenüber Referenz-zeitraum, 1980 bis 1999), wenngleich die Stärke des Änderungssignals stark über das Ensemble variiert. Große Modellensemble sind zwar von Vorteil, sie sind jedoch auch mit einer erheblichen Datenmenge verbunden, welche für hydrologische Impaktstudien nur begrenzt nutzbar ist. Alternativ können einzelne „wahrscheinliche“ Projektionen verwendet werden sowie Projektionen, die weniger wahrscheinlich, aber mit einem starken Impakt verbunden sind. Ein solcher Satz repräsentativer Klimaprojektionen wurde für weitergehende Impaktstudien ausgewählt. Auch wenn in der Regel hochaufgelöste Klimaprojektionen angestrebt werden, ihr alleiniger Einsatz in Impaktstudien ist nicht zu empfehlen, aufgrund der vereinfachten Annahmen über die statistische Beziehung zwischen Beobachtungsdaten und den Modellergebnissen grob aufgelöster Globalmodelle. Der Vergleich des Referenzklimas mit großräumigen und lokalen Projektionen, wie er in dieser Arbeit durchgeführt wurde, liefert ein breites Spektrum an Klimainformationen zur Bewertung der Vulnerabilität hydrologischer Systeme im DF. Die Einbeziehung einer Vielzahl vorhandener Klimamodelle und die gezielte, den ermittelten Unsicherheitsbereich vollständig abdeckende Auswahl an Projektionen sollte die Entwicklung robuster Anpassungsstrategien bestmöglich unterstützen. / Diante do desafio de garantir o abastecimento de água potável da capital federal do Brasil, o projeto denominado IWAS/ÁguaDF tem como objetivo prover conhecimento científico para o desenvolvimento de um conceito de Gestão Integrada dos Recursos Hídricos (PGIRH). Afim de atingir esta proposta, o projeto é organizado em multiplos grupos de trabalho entre os quais o clima é considerado um dos principais fatores de influência. O sistema de abastecimento de água do Distrito Federal (DF) depende praticamente de três complexos: bacias hidrográficas, águas residuais e água potável. Mudanças climáticas causadas por ações antropogênicas apresentam um enorme potencial de impacto a estes complexos, por exemplo através de alterações no regime de chuvas, perda de volume dos reservatórios por assoriamento e aumento na demanda de água. Como contribuição ao projeto IWAS/ÁguaDF, este estudo tem como foco o desenvolvimento de projeções de mudanças climáticas para estudo de impacto nos recursos hídricos na escala local/regional. O nível de complexidade corresponde diretamente às questões levantadas pelos modeladores de impacto, bem como aspecto técnicos como a disponibilidade de dados observados e recursos humanos e computacionais. A identificação das necessidades de questões relacionadas à água no DF dão a base para derivar projeções climáticas adequadas. Antes de qualquer projeção futura, é indispensável avaliar as condições atuais do clima, também chamado de linha de base do clima. Além de fornecer a compreenção dos aspectos regionais do clima e mudaças em curso, a linha de base provê dados para a calibração e validação de modelos globais de clima e técnicas de regionalização (downscaling). Os Modelos de Circulação Geral (GCM) são as ferramentas mais adotadas na simulação da resposta do sistema climático às atividades antropogênicas, tais como aumento de emissões de gases do efeito estufa e aerosóis. No entanto, a informação necessária para estudos regionais de impacto, tais como gestão de recursos hídricos, é de escala espacial mais refinada do que a resolução espacial fornecida pelos GCMs e, dessa forma, técnicas de regionalização são frequentemente demandadas. Modelos hidrológicos são geralmente sensitivos à variabilidade temporal de precipitação em escalas não representadas pelos modelos globais. Métodos estatísticos de ‘downscaling’ apresentam um potencial para auxiliar no descompasso entre GCMs e modelos de impacto através da adição de variabilidade local consistente com o sinal de larga escala e as observações locais. A ferramenta utilizada (Statistical DownScaling Model - SDSM) é descrita como um híbrido entre regressão linear e gerador de tempo estocástico. A calibração sistemática adotada fornece apropriados preditores e uma parameterização consistente. O procedimento de validação do modelo leva em conta as métricas relevantes aos requerimentos dos estudos hidrológicos. Ainda, a abordagem aqui utilizada considera diversos modelos globais (isto é, 18 GCMs) e cenários de emissões (isto é, SRES A1B, A2 e B1) afim de contemplar as mais abrangentes fontes de incertezas disponíveis. Embora o elevado nível de incertezas na magnitude das mudançãs de clima, a grande maioria das projeções regionalizadas concordam com o aumento de temperatura e precipiatação para o período de 2046-2065 quando comparado com o período de referência (isto é, 1980-1999). Grandes conjuntos de projeções são preferíveis, mas são frequentement associados com uma quantidade exorbitante de dados os quais são de aplicação limiatada nos estudos de impacto. Uma alternativa é identificar sub-conjuntos de projeções que são as mais prováveis e projeções que são menos prováveis, porém apresentam maior impacto. Embora altas resoluções são preferíveis, estas baseiam-se em hipóteses inerentes às observações e projeções de larga escala e, dessa forma, não é recomendável o seu uso sozinho. A combinação do clima de base com projeções de resoluções baixas e altas fornece um amplo envelope de imformações climáticas para avaliar a sensitividade dos sistemas hidrológicos no DF. Um compreendimento mais apurado da vunerabilidade dos sistemas hidrológicos através da aplicação de multiplas fontes de informação e apropriada abordagem das incertezas conhecidas é talvez a melhor maneira para contribuir para o desenvolvimento de estratégias robustas de adaptação.

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.