Dissertations / Theses on the topic 'Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Model'

Devido ao processo de crescimento das cidades e atividade agrícolas há impactos que afetam os recursos hídricos como a escassez, degradação da qualidade de água e consequente conflitos de usos. Neste contexto, os modelos hidrológicos são importantes ferramentas para avaliar o comportamento hídrico de bacias hidrográficas, além de também poderem ser utilizados na previsão de cenários a fim de verificar o impacto do uso e ocupação do solo. Assim, o presente estudo teve como finalidade avaliar o desempenho do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) na simulação da vazão na Bacia Hidrográfica do Ribeirão Taquaruçu. A calibração automática foi realizada com o programa SWAT-CUP, em passo diário, com dados de duas estações fluviométricas da BRK Ambiental no período de abril de 2013 a julho de 2014, enquanto os dados de agosto de 2014 a agosto de 2015 foram utilizados no período de validação. A análise de sensibilidade foi realizada com 14 parâmetros selecionados entre aqueles mais significativos para a simulação de vazão em região do bioma Cerrado. Os resultados da análise de sensibilidade indicaram que os parâmetros mais influentes são o SOL_K (condutividade hidráulica saturada do solo) e CN2 (curva número para a condição II). Para avaliação do desempenho do modelo foram utilizadas as funções objetivos Nash-Sutcliffe (NSE) e o coeficiente de determinação (R2) que indicaram, no período de calibração, os seguintes valores: -0,05 e 0,55 (sub-bacia 1); 0,51 (sub-bacia 3), respectivamente. Já no período de validação foram apresentados os seguintes resultados para NSE e R2: 0,44 e 0,54 (sub-bacia 1); 0,24 e 0,29 (sub-bacia 3), nesta ordem. Considerando que o objeto de estudo é importante por ser responsável por grande parte do abastecimento de água do município de Palmas – TO e que o software não conseguiu simular de forma adequada as vazões mínimas, os resultados são considerados insatisfatórios.
Due to the process of city growth and agricultural activity there are impacts that affect water resources such as scarcity, degradation of water quality and consequent conflicts of uses. In this context, hydrological models are important tools to evaluate the hydrological behavior of watersheds, and can also be used to predict scenarios to verify the impact of land use and occupation. Thus, the present study had as purpose to evaluate the performance of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model in the flow simulation in the Ribeirão Taquaruçu Watershed. The automatic calibration was performed with the SWAT-CUP program, in a daily step, with data from two BRK Ambiental fluviometric stations from April 2013 to July 2014, while data from August 2014 to August 2015 were used in the period of validation. The sensitivity analysis was performed with 14 parameters chosen considering the most significant ones for the simulation of flow in the Cerrado region. The results of the sensitivity analysis indicated that the most influential parameters are the SOL_K (saturated hydraulic conductivity of the soil) and CN2 (number curve for condition II). The Nash-Sutcliffe objective functions (NSE) and the determination coefficient (R2) were used to evaluate the performance of the model, which indicated, in the calibration period, the following values: - 0.05 and 0.55 (sub-basin 1); 0.51 (sub-basin 3), respectively. In the validation period, the following results were presented for NSE and R2: 0,44 and 0,54 (sub-basin 1); 0.24 and 0.29 (sub-basin 3), in that order. Considering that the object of study is important because it is responsible for a large part of the water supply of the municipality of Palmas – TO and that the software was not able to simulate the minimum flows adequately, the results are considered unsatisfactory.

O modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) tem sido utilizado para avaliar os impactos do uso e manejo da terra nos recursos hídricos, sedimentos e agroquímicos em diversas escalas e condições ambientais em todo o mundo. Entretanto, pelo fato de ter sido desenvolvido em centros de pesquisa norte-americanos, alguns parâmetros e rotinas de simulação não refletem adequadamente determinados processos de bacias localizadas em regiões tropicais. Nesse sentido, o presente trabalho visou aprimorar a modelagem hidrológica do SWAT através da revisão e modificação de processos relacionados à simulação da evapotranspiração. Os procedimentos propostos incluíram a alteração das rotinas de dormência vegetal no código fonte do modelo e a modificação dos cronogramas de operações de manejo e parâmetros do banco de dados de crescimento das plantas, visando reproduzir com maior precisão o ciclo das culturas em bacias tropicais. As modificações foram testadas em cinco bacias localizadas no Estado de São Paulo, com áreas entre 42 e 5.959 km², sendo comparados os resultados obtidos antes e depois da implementação das mesmas. Com as alterações, a análise do balanço hídrico anual evidenciou um aumento nos valores de evapotranspiração de cerca de 61% nas bacias, aproximando-se dos totais anuais de evapotranspiração calculados através de métodos empíricos, bem como houve redução significativa do escoamento superficial. Verificou-se uma melhoria da simulação de vazão em todas as bacias, sendo obtidos valores superiores para o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) quando comparados à simulação sem as alterações. A calibração e validação foram realizadas com base na simulação modificada, sendo obtidos valores de NSE mensais entre 0,71 e 0,93 na calibração e 0,53 e 0,88 na validação, enquanto os valores diários de NSE situaram-se entre 0,51 e 0,82 na calibração e 0,38 e 0,83 na validação. A calibração a partir de uma simulação na qual as distorções dos processos hidrológicos da bacia estivessem previamente minimizadas resultou em bons resultados sem alteração excessiva dos parâmetros, indicando uma simulação hidrológica de melhor consistência.
The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been used to predict the impact of land management practices on water, sediment, and agricultural chemical yields in a wide range of scales and environmental conditions across the globe. However, originally developed in the United States, some parameters and routines are unrealistic for simulating in tropical watersheds. In this sense, this work aims to improve the hydrologic modeling of SWAT model by reviewing and modifying parameters and routines related to evapotranspiration process. In order to adequately represent crop growth in tropical basins, the proposed procedures included changes in dormancy routines of SWAT source code and modifications of scheduled management operations and plant growth database parameters. These modifications were tested in five different basins at São Paulo State, Brazil, with areas ranging from 42 to 5959 km², by comparing the results before and after their implementation. Annual water balance analysis showed an increase in evapotranspiration about 61% for basins, approaching the total annual evapotranspiration estimated by empirical methods. Hence, it was observed that surface runoff and base flow components showed a decrease. The modifications resulted in improved flow simulation for all basins, showing better Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient (NSE) values compared to the unchanged simulation. Calibration and validation processes used the modified simulation database, being achieved monthly NSE between 0.71 – 0.73 at calibration and 0.53 – 0.88 at validation, while daily NSE were 0.51 – 0.82 at calibration and 0.38 – 0.83 at validation. Overall, minimizing distortions in hydrological processes at pre-calibration step resulted in good estimations without excessive modification of parameters at calibration, attesting a consistent hydrological modeling for the basins analyzed.

This project presents the development and design of a comprehensive interface coupled with a geodatabase (ArcGISwat 2003), for the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). SWAT is a hydrologically distributed, lumped parameter model that runs on a continuous time step. The quantity and extensive detail of the spatial and hydrologic data, involved in the input and output, both make SWAT highly complex. A new interface, that will manage the input/output (I/O) process, is being developed using the Geodatabase object model and concepts from hydrological data models such as ArcHydro. It also incorporates uncertainty analysis on the process of modeling. This interface aims to further direct communication and integration with other hydrologic models, consequently increasing efficiency and diminishing modeling time. A case study is presented in order to demonstrate a common watershed-modeling task, which utilizes SWAT and ArcGIS-SWAT2003.

Made available in DSpace on 2016-02-05T18:29:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-11-07. Added 1 bitstream(s) on 2016-02-05T18:33:21Z : No. of bitstreams: 1 000856792.pdf: 2866434 bytes, checksum: 5fa728c70fbd3ec0e360a99d08956537 (MD5)
A crescente demanda por recursos naturais promove pressões sobre o meio ambiente que colocam em risco a capacidade da natureza em renovar seus recursos. Em se tratando do solo e da água, recursos essenciais para manutenção da vida na Terra, têmse observado sua crescente deterioração provocada, sobretudo pelo aumento das áreas destinadas a suprir as demandas agrícolas, energéticas e de recursos minerais, que compõem o conjunto de insumos necessários para suprir os atuais padrões de consumo das sociedades modernas. Dentre os problemas de ordem ambiental, a aceleração dos processos erosivos constitui um dos principais agentes de degradação do meio ambiente destruindo as camadas férteis do solo. Para equacionar este problemas, modelos matemáticos de base física integrados a Sistemas de Informação Geográfica (SIG's) são uma importante ferramenta para prever os impactos provocados ao meio ambiente em função dos usos e da cobertura da superfície terreste. Neste trabalho, o modelo hidrossedimentológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool - Arnold et all, 1998) foi aplicado em duas bacias hidrográficas homogêneas quanto as suas características climáticas e heterogêneas quanto suas composições litológicas e pedológicas tendo por objetivo a analise da atuação dos processos erosivos neste contexto. O modelo foi programado para rodar três cenários, sendo no cenário 1 programado para rodar 21 anos, no cenário 2 programado para rodar 10 anos e no cenário 1 programado para rodar pelo período de 1 ano. Os resultados mais coerentes foram aqueles apresentados no cenário 1 com uma produção de sedimentos máxima no mês de Janeiro equivalente a 28,34 t/ha na bacia do Ribeirão Monjolo Grande e 25,15 t/ha na bacia do Ribeirão Jacutinga
The demand for natural resources has promoted pressures on the environment that put's in a threat the nature's ability to renew their resources. In terms of soil and water resources of great importance for sustaining life on Earth, has been observed their deterioration growing caused mainly by the increase of areas designed to suply agricultural, energy and mineral demands, which make up the set of inputs necessary to maintain the current standards of consumption of modern societies. Among the problems related to the environment, the acceleration of erosion is one of a major environmental degradation agents destroying the fertile soil layers. To settle this problem, mathematical models of physical base integrated with Geographic Information Systems (GIS) are an important tool to predict the impacts to the environment due to the use and coverage of the Earth's surface. In this work, the hydrosedimentological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool - Arnold et all, 1998) was applied to two homogeneous watershed as their climate and heterogeneous characteristics as its lithology and soil compositions. The objective was analyze the performance of erosive processes in this context. The model was programmed to run three scenarios. In the first scenario, the SWAT was set to run 21 years of hydrography process. In second scenario scheduled to run for 10 years and in scenario three, set by one year of process. The most consistent results were those presented in scenario 1 with a maximum production of sediments in January equivalent to 28.34 t /ha in the Ribeirão Grande Monjolo watershed and 25.15 t / ha in Ribeirão Jacutinga watershed

Made available in DSpace on 2018-08-01T23:57:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_10371_DISSERTACAO_CAMILA GUIMARÃES(FINAL).pdf: 3002551 bytes, checksum: e860f87d6aef4c215dfb2394b2db2cea (MD5) Previous issue date: 2016-09-28
A retirada da vegetação, uso e manejo inadequado do solo podem acarretar alterações no ciclo hidrológico e, consequentemente, no ciclo hidrossedimentológico, modificando a deposição e erosão de sedimentos. Além do uso e ocupação irregular, a construção de reservatórios também modifica a dinâmica natural do rio, o que interfere também no transporte de partículas sólidas, já que forma um meio de retenção artificial, o que pode acarretar a sedimentação nestes reservatórios e na perda da qualidade da água devido ao aumento da turbidez. Com o objetivo de estimar a vazão e a produção de sedimentos em uma bacia com presença de reservatórios, analisando a influência dos reservatórios na retenção de sedimento, utilizou-se como ferramenta o modelo matemático Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Os resultados da modelagem para o período analisado foram comparados com dados monitorados, e através da análise de sensibilidade, identificou-se os parâmetros que mais influenciavam os resultados, que por sua vez foram calibrados através do programa SWAT-CUP. Uma vez calibrado, a eficácia do programa foi avaliada estatisticamente com o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE), Tendência Percentual (PBIAS), Erro Quadrado Médio (EQM) e o Coeficiente de Determinação (R²). Além disso, avaliou-se como a presença de reservatórios pode influenciar a modelagem do programa. A inserção de reservatórios em bacias que os contém é de extrema importância. Uma vez que influencia significativamente na vazão e na produção de sedimentos da bacia. No entanto, deve-se se atentar à inserção adequada de seus dados, uma vez que a qualidade dos dados influi na qualidade do modelo simulado. Verificou-se que a regra de operação é o parâmetro do reservatório que mais afeta na modelagem de vazão. O parâmetro relacionado à reservatório que mais afeta a produção de sedimentos é a e concentração de sedimento em equilíbrio (RES_NSED). Uma vez que a partir de sua definição pelo usuário, definirá a quantidade de sedimentos que irá sedimentar no reservatório, ou passar para as sub-bacias à sua jusante. A inserção dos reservatórios tornou a simulação da produção de sedimentos melhor, uma vez que os reservatórios serviram como forma de retenção de sedimentos.

Orientador: Fabiano Tomazini da Conceição
Coorientador: Sérgio dos Anjos Ferreira Pinto
Banca: Alexandre Martins Fernandes
Banca: Diego de Souza Sardinha
Resumo: A crescente demanda por recursos naturais promove pressões sobre o meio ambiente que colocam em risco a capacidade da natureza em renovar seus recursos. Em se tratando do solo e da água, recursos essenciais para manutenção da vida na Terra, têmse observado sua crescente deterioração provocada, sobretudo pelo aumento das áreas destinadas a suprir as demandas agrícolas, energéticas e de recursos minerais, que compõem o conjunto de insumos necessários para suprir os atuais padrões de consumo das sociedades modernas. Dentre os problemas de ordem ambiental, a aceleração dos processos erosivos constitui um dos principais agentes de degradação do meio ambiente destruindo as camadas férteis do solo. Para equacionar este problemas, modelos matemáticos de base física integrados a Sistemas de Informação Geográfica (SIG's) são uma importante ferramenta para prever os impactos provocados ao meio ambiente em função dos usos e da cobertura da superfície terreste. Neste trabalho, o modelo hidrossedimentológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool - Arnold et all, 1998) foi aplicado em duas bacias hidrográficas homogêneas quanto as suas características climáticas e heterogêneas quanto suas composições litológicas e pedológicas tendo por objetivo a analise da atuação dos processos erosivos neste contexto. O modelo foi programado para rodar três cenários, sendo no cenário 1 programado para rodar 21 anos, no cenário 2 programado para rodar 10 anos e no cenário 1 programado para rodar pelo período de 1 ano. Os resultados mais coerentes foram aqueles apresentados no cenário 1 com uma produção de sedimentos máxima no mês de Janeiro equivalente a 28,34 t/ha na bacia do Ribeirão Monjolo Grande e 25,15 t/ha na bacia do Ribeirão Jacutinga
Abstract: The demand for natural resources has promoted pressures on the environment that put's in a threat the nature's ability to renew their resources. In terms of soil and water resources of great importance for sustaining life on Earth, has been observed their deterioration growing caused mainly by the increase of areas designed to suply agricultural, energy and mineral demands, which make up the set of inputs necessary to maintain the current standards of consumption of modern societies. Among the problems related to the environment, the acceleration of erosion is one of a major environmental degradation agents destroying the fertile soil layers. To settle this problem, mathematical models of physical base integrated with Geographic Information Systems (GIS) are an important tool to predict the impacts to the environment due to the use and coverage of the Earth's surface. In this work, the hydrosedimentological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool - Arnold et all, 1998) was applied to two homogeneous watershed as their climate and heterogeneous characteristics as its lithology and soil compositions. The objective was analyze the performance of erosive processes in this context. The model was programmed to run three scenarios. In the first scenario, the SWAT was set to run 21 years of hydrography process. In second scenario scheduled to run for 10 years and in scenario three, set by one year of process. The most consistent results were those presented in scenario 1 with a maximum production of sediments in January equivalent to 28.34 t /ha in the Ribeirão Grande Monjolo watershed and 25.15 t / ha in Ribeirão Jacutinga watershed
Mestre

Modelos matemáticos de predição de erosão e de produção de sedimentos apresentam um grande potencial para serem utilizados no planejamento dos recursos naturais, pois através destes é possível estimar impactos causados pelas atividades agrícolas. Com base nessa premissa, utilizou-se o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada no município de Arvorezinha-RS, para avaliar a sua aplicabilidade e simular a produção de sedimentos em três diferentes cenários de uso e manejo de solo (floresta, cultivo do fumo em sistema convencional e mínimo). A aplicabilidade do modelo foi avaliada através da comparação dos resultados hidrológicos e sedimentológicos simulados pelo modelo, sem utilização da calibração, com valores observados obtidos para uma série de dados de cinco anos de monitoramento hidrossedimentológico (2002-2006). Resultados referentes à aplicabilidade do modelo através da simulação do escoamento superficial para a escala de tempo diário não foram satisfatórios, enquanto que valores mensais e anuais foram mais adequados. Para a vazão líquida, da mesma forma que para o escoamento superficial, as melhores simulações foram verificadas também para vazões mensais e anuais. Já a produção de sedimentos os resultados não foram satisfatórios, tanto para simulações diárias como mensais e anuais. Possíveis razões que explicam os resultados da produção de sedimentos estão relacionados com limitações tanto da equação que simula o aporte de sedimentos (MUSLE), como do equacionamento da propagação dos sedimentos no canal. Os resultados das simulações hidrológicas para diferentes cenários mostraram não haver diferença para o escoamento superficial entre os sistemas convencional e o cultivo mínimo. Em relação à erosão, verificou-se que o cultivo mínimo foi capaz de reduzir em 30% a produção de sedimentos quando comparado com o sistema convencional.
Mathematical models to predict erosion and sediment yield have great potential for use in natural resource planning, as they enable the user to estimate impacts caused by agricultural activities. Based on this premise, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied in a small rural catchment (1,19 km²) in Arvorezinha - RS, in Southern Brazil, to evaluate its applicability and to estimate sediment yield under three different soil management scenarios: forest, conventional tillage with tobacco, and minimum tillage with tobacco. The applicability of the model was evaluated by comparing hydrologic and sediment results simulated by the uncalibrated model with observed values obtained over the course of five years (2002-2006) monitoring program. Applicability results for the model based on simulating surface runoff were unacceptable for the daily time scale, although results for monthly and annual time scales were better. This was also true for flow rate, with better simulations on the monthly and annual time scales. However for sediment yield simulations, the SWAT model did not present satisfactory results over any time frame. This may be related to limitations in the equation that simulates sediment load (MUSLE) or to the equivalency of sediment propagation in the canal. Hydrologic simulations for the different soil management scenarios did not show differences in surface runoff between conventional and minimum tillage, although the minimum tillage was shown to reduce sediment yield by 30% when compared with conventional tillage.

Made available in DSpace on 2018-08-24T22:53:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_8872_Dissertação de Mestrado - Fillipe Tesch.pdf: 5590750 bytes, checksum: 9880e0664f2f87463c559fd9d087c3ee (MD5) Previous issue date: 2015-03-02
A resolução de problemas relacionados aos recursos hídricos tem sido baseada em modelos matemáticos, na maioria das vezes, utilizados como ferramentas de planejamento integrado de recursos naturais. Neste contexto, o modelo Soil and Water Assessment Tool SWAT tem sido aplicado a diversas bacias hidrográficas que necessitam da resoluçao de problemas que integram qualidade e quantidade de água com o manejo do uso e ocupação do solo. No Brasil e no Estado do Espírito Santo um dos maiores problemas relacionados à poluição difusa em bacias hidrográficas rurais são as estradas não pavimentadas. O modelo SWAT têm sido amplamente difundido e pesquisado no Brasil, sendo amplamente utilizado pelas universidades brasileiras, para a modelagem da quantidade e da qualidade da água, bem como para planejar o uso, ocupação e manejo do solo. Considerando, que o manejo de estradas não pavimentas deve ser inserido na pauta do manejo do uso e ocupação do solo, o presente projeto dedicou-se a avaliar a calibração do modelo SWAT para a simulação de estradas não pavimentadas em bacias hidrográficas. Foi escolhida como área de estudo a subbacia hidrográfica do Rio Perdido, afluente direto do Rio Santa Maria do Doce. O modelo SWAT foi aplicado em dois cenários: o primeiro cenário desconsiderou a existência de estradas não pavimentadas na bacia; o segundo cenário, por sua vez, considerou a existência das estradas não pavimentadas como parte do uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica. Os cenários modelados foram calibrados a partir do software de calibração SWAT- CUP. Os resultados da calibração indicaram que o Cenário 1 apresentou desempenho muito superior ao Cenário 2, principalmente tratando-se da sedimentologia. Verificou-se que, de modo geral, tanto o Cenário 1 como o Cenário 2 apresentaram desempenho ruim para a simulação de vazões de pequena magnitude. O modelo apresentou melhor desempenho de calibração para vazões com maior frequência ao longo do período monitorado. Por fim, a simulação de estradas não pavimentadas em bacias hidrográficas pelo modelo SWAT exige um maior empenho no monitoramento e realização de ensaios para a cacterização física das condições hidrológicas das estradas, facilitando a definição dos parâmetros requeridos pelo modelo.

Submitted by Maykon Nascimento (maykon.albani@hotmail.com) on 2016-02-29T18:51:38Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) britodiss.pdf: 1759967 bytes, checksum: e178bccc023b1e46e75dedcc8c9f6d42 (MD5)
Approved for entry into archive by Patricia Barros (patricia.barros@ufes.br) on 2017-05-10T14:41:49Z (GMT) No. of bitstreams: 2 britodiss.pdf: 1759967 bytes, checksum: e178bccc023b1e46e75dedcc8c9f6d42 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5)
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In order to measure the flow and sediment yield to the basin of the river Santa Maria da Vitoria this study used the mathematical model Soil and Water Assessments Tools (SWAT) entering the program peculiar data to this river basin, such as the Numerical Model (DEM) types and land uses and climate data. The result of modeling for the analyzed period were compared to monitored data, and through the modeled parameters sensitivity analysis was identified those who most influenced the results, which in turn have been calibrated by SWAT-CUP program. Calibrated, the program was retested and its effectiveness was statistically evaluated with the efficiency coefficient of Nash-Sutcliffe (COE), Trend Percentage (PBIAS), Mean Square Error (MSE) and the coefficient of determination (R²). Observed that the basin in question has different slopes and two reservoirs, the calibration was performed for two sub-basins: one downstream and the other upstream of the reservoir. The modeling results have upstream to downstream best results, although both and illustrating the tendency of the basin for the yield of water and sediments.
Com o objetivo de estimar a produção de água e sedimentos para a Bacia do rio Santa Maria da Vitória, este trabalho utilizou como ferramenta o modelo matemático Soil and Water Assessment Tool (SWAT), inserindo no programa dados peculiares a esta bacia hidrográfica, tais como o Modelo Numérico do Terreno (MNT), os tipos e usos do solo e dados climatológicos. Os resultados da modelagem para o periodo analisado foram comparados com dados monitorados, e através da análise de sensibilidade dos parâmetros modelados, identificou-se aqueles que mais influenciavam os resultados, que por sua vez foram calibrados através do programa SWAT-CUP. Uma vez calibrado, o programa foi novamente testado e sua eficácia foi avaliada estatisticamente com o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE), Tendência Percentual (PBIAS), Erro Quadrado Médio (EQM) e o Coeficiente de Determinação (R²). Observado que a bacia em questão possui dois reservatórios, a calibração foi realizada para duas sub-bacias: uma a jusante e outra a montante destes. Os dados da modelagem à montante tiveram melhores resultados que a jusante, embora ambos ilustrem bem a tendência da bacia para produção de água e sedimentos.

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.

Local, national and regional water supplies needed for energy production, meet the irrigation demands, industrial and domestic usage have come under sever degradation hence decreased the piezo metric water table level in the groundwater resources which finally results in negative environmental impacts. Silver Creek basin (area 154.8 mile2 equals to approximately 400.930 km ²) locates in southern part of Illinois State, is connected to highland lake (which has a huge impact in the area and specifically Highland City) with east fork tributary. In this research watershed modeled in a hydrological model called SWAT (Soil and Water Assessment Tool) which is an extension of ArcGIS software, then watershed area is divided into 75 sub watersheds. Different parameters and variables are considered for sensitivity analysis in order to figuring out the most sensitive parameters and their ranges for flow rate calibration within different hydrological response units (HRUs). The flow rate quantified at sub basin level with daily time intervals. The model inputs are precipitations and meteorological data such as Solar Radiation, Wind speed and direction, Temperature and Relative Humidity, then model was calibrated with two sets of real data for Troy and Freeburg Stations in the middle and pouring point of watershed respectively. The main object was to test the performance of SWAT and the feasibility of using this model as a simulator of flow rate at a watershed scale. Model calibration and uncertainty analysis performed with SUFI-2 (sequential Uncertainty Fitting) which is interfaced with SWAT applying iSWAT generic program.

Nowadays, one of the urgent issues in the management of river basin resources as land degradation, especially soil erosion risk occurs due to complex factors of climate, cultivation practices of human and impacting of the operation of socio-economic development taking place in the basin. Soil erosion has been considered as the primary cause of soil degradation since soil erosion leads to the loss of topsoil and soil organic matters, which are essential for the growing of plants. Ta Trach river watershed, is a mountainous basin lying to the West - South of Thua Thien Hue province, having complex terrain. The result of this study showed that the amount of sediment yield accounts for high percentage. The average annual sedimentation is 41.60 tones per hectometer in the period of 2005 to 2010, soil erosion were classified by 5 levels. In which, the less deleterious erosion level still occupies high percentage with more than 55 % of watershed area. The main area of less deleterious soil erosion was located at high topography and high slope. The area of deleterious soil erosion occupies percentage lower than 22.63% of the entire basin, but it is also a warning sign to the extent of land degradation taking place in the basin if the erosion rate increases in the future
Ngày nay, một trong những vấn đề cấp bách trong quản lý tài nguyên lưu vực sông là sự thoái hóa đất và đặc biệt là nguy cơ xói mòn đất xảy ra do yếu tố khí hậu phức tạp, phương thức canh tác của con người và tác động của những hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đang diễn ra ở lưu vực. Lưu vực sông Tả Trạch là một lưu vực miền núi nằm về phía Tây - Nam của tỉnh Thừa Thiên Huế, có địa hình khá phức tạp. Mục tiêu của nghiên cứu này là ứng dụng công cụ SWAT để mô phỏng xói mòn đất ở lưu vực sông Tả Trạch thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế từ năm 2005 đến năm 2010. Kết quả của nghiên cứu cho thấy lượng đất bồi lắng ở lưu vực chiếm tỷ lệ cao, trung bình mỗi năm bồi lắng 41.60 tấn/ha trong giai đoạn 2005 đến 2010, mức độ xói mòn được phân cấp thành 5 cấp xói mòn. Trong đó, mức độ xói mòn ít nguy hại chiếm ở tỷ lệ cao hơn 55 % diện tích lưu vực, chủ yếu phân bố ở những khu vực có địa hình cao, độ dốc lớn. Diện tích xói mòn nguy hại chiếm tỷ lệ thấp hơn 22,63% diện tích toàn lưu vực nhưng đây cũng là một dấu hiệu báo động cho mức độ thoái hóa đất diễn ra ở lưu vực trong tương lai nếu mức xói mòn này tăng lên

Applications of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) are common. However, few attempts have focused on the tropics like in the Yen Bai province, Vietnam. Annual water-induced soil erosion (WSE) rates and surface runoff (SR) were estimated. The Nam Kim and Ngoi Hut watersheds were calibrated with accepted agreement between simulated and observed discharge. Correlations between precipitation, land covers, surface runoff and WSE were indicated. Although the estimated average WSE 4.1 t ha−1 year−1 (t ha−1 y−1) was moderate, some steep-bare areas were suffering serious soil loss of 26 t ha−1 y−1 and 15% of the province was calculated at the rate of 8.5 t ha−1 y−1. We found that the changes in WSE significantly correlated with land use changes. As calibrated SR matched closely with the measured data, we recommend SWAT applications for long-term soil erosion assessments in the tropics
Những ứng dụng của mô hình công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) đã được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu tập trung vào khu vực nhiệt đới như tỉnh Yên Bái của Việt Nam. Trong nghiên cứu này, giá trị trung bình năm (2001-2012) nước chảy bề mặt (NCM) và xói mòn đất do nước (XM) đã được đánh giá trên cơ sở mô hình SWAT. Các thông số thủy văn của hai lưu vực sông là Nậm Kim và Ngòi Hút được tính toán và kiểm nghiệm với sự trùng hợp tương đối tốt giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo. Mối liên hệ giữa lượng mưa, phủ bề mặt, NCM và XM cũng được phân tích và trình bầy chi tiết. Mặc dù giá trị XM năm được ước lượng ở mức trung bình cho toàn Tỉnh (4,1 tấn/ha/năm) nhưng ở một số khu vực nơi có độ dốc lớn và phủ mặt ít lại có lượng XM năm ở mức cao, 26 tấn/ha/năm và 15% tổng diện tích của Tỉnh có giá trị XM là 8,5 tấn/ha/năn. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa sự thay đổi phủ mặt tới giá trị XM. Trên cơ sở kết quả kiểm nghiệm mô hình khả quan, chúng tôi đề xuất sử dụng mô hình SWAT để đánh giá XM trong thời gian dài cho vùng nhiệt đới

As satellite and climate modelling technology continues to improve and as climatological disasters and issues continue to impact the global community, climate data will increase in size and relevance. With this new influx of information, it is becoming more and more important for scientists to simply and concisely communicate their findings to both decision makers in governments and disaster preparedness organizations and also to the general public. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is a powerful modelling tool that allows scientists to simulate essentially all of the physical processes involved in the water cycle. The data that SWAT produces can be valuable information as people strive to better plan for and understand various hydrologic events. The work presented in this thesis represents an effort to overcome some of the limitations of the previously developed SWAT visualization software by creating a set of modular web applications that can be duplicated, customized, and run by any organization or individual interested in visualizing and sharing data from SWAT. By eliminating the technical knowledge barriers that are inherent in running and using SWAT models, this work has the potential to increase SWAT’s impact on non-technically trained stakeholders and decision makers in areas where water and climate management is important.

Nowadays, one of the urgent issues in the management of river basin resources as land degradation, especially soil erosion risk occurs due to complex factors of climate, cultivation practices of human and impacting of the operation of socio-economic development taking place in the basin. Soil erosion has been considered as the primary cause of soil degradation since soil erosion leads to the loss of topsoil and soil organic matters, which are essential for the growing of plants. Ta Trach river watershed, is a mountainous basin lying to the West - South of Thua Thien Hue province, having complex terrain. The result of this study showed that the amount of sediment yield accounts for high percentage. The average annual sedimentation is 41.60 tones per hectometer in the period of 2005 to 2010, soil erosion were classified by 5 levels. In which, the less deleterious erosion level still occupies high percentage with more than 55 % of watershed area. The main area of less deleterious soil erosion was located at high topography and high slope. The area of deleterious soil erosion occupies percentage lower than 22.63% of the entire basin, but it is also a warning sign to the extent of land degradation taking place in the basin if the erosion rate increases in the future.
Ngày nay, một trong những vấn đề cấp bách trong quản lý tài nguyên lưu vực sông là sự thoái hóa đất và đặc biệt là nguy cơ xói mòn đất xảy ra do yếu tố khí hậu phức tạp, phương thức canh tác của con người và tác động của những hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đang diễn ra ở lưu vực. Lưu vực sông Tả Trạch là một lưu vực miền núi nằm về phía Tây - Nam của tỉnh Thừa Thiên Huế, có địa hình khá phức tạp. Mục tiêu của nghiên cứu này là ứng dụng công cụ SWAT để mô phỏng xói mòn đất ở lưu vực sông Tả Trạch thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế từ năm 2005 đến năm 2010. Kết quả của nghiên cứu cho thấy lượng đất bồi lắng ở lưu vực chiếm tỷ lệ cao, trung bình mỗi năm bồi lắng 41.60 tấn/ha trong giai đoạn 2005 đến 2010, mức độ xói mòn được phân cấp thành 5 cấp xói mòn. Trong đó, mức độ xói mòn ít nguy hại chiếm ở tỷ lệ cao hơn 55 % diện tích lưu vực, chủ yếu phân bố ở những khu vực có địa hình cao, độ dốc lớn. Diện tích xói mòn nguy hại chiếm tỷ lệ thấp hơn 22,63% diện tích toàn lưu vực nhưng đây cũng là một dấu hiệu báo động cho mức độ thoái hóa đất diễn ra ở lưu vực trong tương lai nếu mức xói mòn này tăng lên.

Made available in DSpace on 2018-08-01T23:57:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_10941_Dissertação - Luana - Final versão final eletronica.pdf: 3676894 bytes, checksum: 1e394ab09ed35e7ff57b847a108f68d1 (MD5) Previous issue date: 2017-04-19
A modelagem de vazões médias vem acompanhada de incertezas relacionadas aos dados de entrada climatológicos e às características fisiográficas da bacia hidrográfica. A obtenção de vazões representativas da área de estudo requer o ajuste destas com os dados observados. Uma calibração satisfatória depende de uma série de fatores que interferem neste processo. Dessa forma, avaliou-se a eficácia da calibração das vazões estimadas pelo modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) em uma bacia hidrográfica rural localizada no sul do estado do Espírito Santo, variando os parâmetros de calibração, diferentes estações de monitoramento de vazões, tamanho da série histórica e o número de sub-bacias envolvidas no processo, além de verificar o processo de análise de sensibilidade dos parâmetros de calibração e a influência dos mesmos e dos dados de entrada na estimativa das vazões. Os resultados da análise de sensibilidade identificaram que a maioria dos parâmetros mais sensíveis da área de estudo são iguais aos encontrados nos trabalhos realizados no Brasil e na região sudeste do país. Além disso, houveram diferenças nos parâmetros encontrados para cada tipo de análise realizada. As vazões médias obtidas pelo SWAT foram superestimadas quando comparadas com os dados observados, por isso foi necessário a calibração e análise da influência dos dados de entrada nesses resultados. Os testes de calibração foram realizados pelo programa SWAT-CUP e a eficácia de cada teste foi avaliada estatisticamente pelo Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE), Tendência Percentual (PBIAS) e Erro Quadrado Médio (EQM). Os testes de calibração com série longa de dados observados (29 anos) de duas estações fluviométricas não geraram resultados satisfatórios, o melhor resultado consistiu em variar todos os parâmetros de calibração em todas as sub-bacias da área de estudo. Utilizou esse teste com uma série histórica de 3 anos, e então foi possível obter uma calibração satisfatória com valores de COE iguais a 0,53 e 0,50, PBIAS iguais a 6,60 e 20,70 e EQM iguais a 0,72 e 0,69 para cada estação fluviométrica. Verifica-se que o processo de calibração é um ajuste fino, por isso requer que os dados simulados não apresentem resultados muito discrepantes com relação aos observados.

Master of Science
Department of Biological and Agricultural Engineering
Kyle R. Douglas-Mankin
Aleksey Y. Sheshukov
According the U.S. Environmental Protection Agency’s (EPA) website, our planet is at risk of global warming due to greenhouse gas emissions. The earth’s average temperature has been reported to have risen by 1.4°F over the last century. This seemingly small increase in average planetary temperature has been linked to devastating floods, severe heat waves, and dangerous and unpredictable shifts in our climate (US EPA, 2013a). In the 2012 report, the Intergovernmental Panel on Climate Change states that bioenergy has the potential to significantly mitigate greenhouse gases as long as this is produced in a sustainable manner (Chum, et al., 2011). In light of these facts, research into the sustainable production of bioenergy sources in the United States is currently underway. To ensure that the correct biofuel crop is selected for a given region and to investigate any secondary effects of changing our nation’s agricultural practices to include biofuels, computer models can be very useful. The Soil Water Assessment Tool (SWAT) is a robust, continuous time step model that was developed by the USDA Agricultural Resource Service that can simulate changes in land use and land management and the effect this has on erosion, water quality, and other important factors. This paper describes the preliminary work to create a model of the Kanopolis Lake Watershed that is part of the Kansas River Basin using SWAT 2009. Data pertaining to weather, topography, land use, management, stream flow, and reservoirs was gathered and incorporated into the SWAT model. This was then simulated to obtain the uncalibrated data. SWAT produced unacceptable statistics for both crop yields and for stream flow using the Nash-Sutcliffe Efficiency equation and using percent bias. This suggests that the model must be calibrated to be of use in understanding both the current and future land use scenarios. Once the model is calibrated and validated, it can be used to simulate different biofuel cropping scenarios.

Water quality management for agricultural production is a complicated and interesting problem. Hydrological and economic factors must be considered when designing strategies to reduce nutrient runoff from agricultural activities. This dissertation is composed of three chapters that investigate cost-effective ways to mitigate water pollution from agricultural nonpoint pollution sources and explore farmers' incentives when participating in water quality trading programs. Chapter 1 investigates landscape targeting of best management practices (BMPs) based on topographic index (TI) to determine how targeting would affect costs of meeting nitrogen (N) loading goals for Mahantango watershed, Pennsylvania. We use the results from two climate models and the mean of the ensemble of seven climate models to estimate expected climate changes and the Soil and Water Assessment Tool-Variable Source Area (SWAT-VSA) model to predict crop yields and N export. Costs of targeting and uniform placement of BMPs across the entire study area (4.23 km2) are compared under historical and future climate scenarios. We find that with a goal of reducing N loadings by 25%, spatial targeting methods could reduce costs by an average of 30% compared with uniform BMP placement under three historical climate scenarios. Cost savings from targeting are 38% under three future climate scenarios. Chapter 2 scales up the study area to the Susquehanna watershed (71,000 km2). We examine the effects of targeting the required reductions in N runoff within counties, across counties, and both within and across counties for the Susquehanna watershed. We set the required N reduction to 35%. Using the uniform strategy to meet the required N reduction as the baseline, results show that costs of achieving a regional 35% N reduction goal can be reduced by 13%, 31% and 36% with cross-county targeting, within-county targeting and within and across county targeting, respectively. Results from Chapters 1 and 2 suggest that cost effectiveness of government subsidy programs for water quality improvement in agriculture can be increased by targeting them to areas with lower N abatement costs. In addition, targeting benefits are likely to be even larger under climate change. Chapter 3 investigates the landowner's nutrient credit trading behavior when facing the price uncertainty given the credits are allowed to be banked for future use. A two-step decision model is used in this study. For the first step, we determine the landowner's application level of a BMP on working land in the initial time period. The nutrient credits awarded to the landowner depend on the nutrient reduction level at the edge of field generated by the BMP application. For the second step, we use an intertemporal model to examine the landowner's credit trading behavior with stochastic price fluctuations over time and with transaction costs. The theoretical framework is applied with a numerical simulation incorporated with a hydro-economic model and dynamic programming. Nutrient Management (NM) is selected as the BMP on working land to generate N credits. We find that gains to the landowner from credit banking increase with higher price volatility and with higher price drift, but that gains are larger with price volatility. However, for a landowner holding a small amount of nutrient credits, the gains from credit banking are small due to transaction costs.
Doctor of Philosophy
Two considerations are critical for efforts to mitigate nutrient runoff from nonpoint sources: cost effectiveness of strategies to reduce nutrient runoff and landowners' incentives to participate in these programs. This dissertation is composed of three manuscripts, aiming to evaluate the cost effectiveness of government subsidy programs for water quality management in agriculture and investigate the landowner's incentives to participate in water quality trading programs for the Chesapeake Bay watershed. Chapter 1 investigates gains from targeting Best Management Practices (BMPs) under current and future climate conditions based on the soil characteristics relative to uniform BMP application for a small experimental watershed (4.23km2). Chapter 2 scales up the study area to a 71,000 km2 watershed and treats each county within the watershed as a representative farm to explore economic gains from targeting within county and across county based on counties' physical conditions and agricultural patterns. Both Chapters show that cost-effectiveness of government subsidy programs can be improved by spatial targeting BMPs to areas with lower abatement costs. Gains from targeting increase under climate change. In Chapter 3 we shows how a landowner's revenues from nutrient credit selling will be affected if the credits are allowed to be banked for future use when she faces price uncertainty. We find that gains to the landowner from credit banking increase more with higher price volatility than with higher price drift. Gains from banking are largely reduced by transaction costs associated with trading.

In recent decades, changes in land use and land cover (LULC) arising from socio-economic development, coupled with climate change, have severely undermined and compromised the environmental sustainability of the upper part of Dong Nai (UPDN) river basin. Assessing the long-term impacts of climate change and changes in LULC on hydrological conditions and water balance in the UPDN river basin is essential for sustainable watershed management. In the present study, Landsat images and SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model were used to assess water balance changes due to changes of climate and LULC at three different intervals: 1994, 2004, and 2014. The results of Landsat images classification indicated that forest land was the main LULC type in the basin. In 1994 the forest cover was 706,803 ha (72.68% of the total landmass). In 2004 the forest area dropped to 520,359 ha (53.51%). In 2014 the forest area dropped further to 485,908 ha (49.97%). The change in LULC has caused changes in the annual and peak water flows. The analysis of the results revealed that the effect of historical climate variations on water yield was greater than the LULC change. With the scenario of LULC 2014, the consumption of irrigation water was the highest and mainly in the dry season. The findings can provide useful information for decision-makers in planning and formulating policies for sustainable watershed management and climate change adaptation.
Trong những thập niên gần đây, sự thay đổi về sử dụng đất và thực phủ (LULC) do những hoạt động phát triển kinh tế - xã hội cùng với biến đổi khí hậu đã đặt ra những thách thức cho sự bền vững về môi trường ở lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai (UPDN). Đánh giá các tác động lâu dài của biến đổi khí hậu và những thay đổi trong LULC đến điều kiện thủy văn và cân bằng nước là việc cần thiết cho quản lý bền vững nguồn nước. Trong nghiên cứu này, các ảnh vệ tinh Landsat, công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) được sử dụng để đánh giá sự thay đổi cân bằng nước do sự thay đổi khí hậu và LULC tại ba thời điểm khác nhau 1994, 2004 và 2014. Kết quả phân loại các ảnh Landsat cho thấy rừng là loại thực phủ chính trong lưu vực. Diện tích rừng của năm 1994 là 706.803 ha (72,68%). Diện tích rừng của năm 2004 đã giảm xuống còn 520.359 ha (53,1%) và đến năm 2014 chỉ còn 485.908ha (49,97%). Thay đổi sử dụng đất và thực phủ đã làm thay đổi chế độ thủy văn và dòng chảy đỉnh. Phân tích kết quả đã xác định rằng những sự thay đổi về điều kiện khí hậu trong quá khứ có ảnh hưởng đến lượng nước lớn hơn so với thay đổi về thực phủ. Với kịch bản LULC năm 2014, nhu cầu sử dụng nước tưới cho cây trồng là lớn nhất và chủ yếu trong mùa khô. Những kết quả đạt được trong nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà hoạch định trong lập kế hoạch và ban hành chính sách cho quản lý lưu vực bền vững, thích ứng với biến đổi khí hậu.

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies
Modeling of an ungauged watershed with the associated uncertainties of the input data is presented. The MapWindow versions of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) have been applied to a complex and ungauged watershed of about 248,000ha in an area close to the Niger River, Nigeria. The Kwara State Government of Nigeria in collaboration with the newly relocated former Zimbabwean farmers now occupied the largest portion of this watershed for an “Agricultural Estate Initiative ”. The government and these farmers are decision makers who need to take appropriate actions despite little or no data availability. SWAT being a physically based model, allow the use of Geographical Information System (GIS) inputs like the Digital Elevation Model(DEM), landuse and soil maps. The MapWindow-SWAT(MSWAT) involves processes like the Watershed Delineation, Hydrological Response Units (HRUs) Process and the SWAT run. The watershed was delineated into 11 subbasins and 28 HRUs. There were 8 landuse classes and 5 soil types. The model was able to simulate and forecast for several years(1990-2016). The results look 'reasonable' since there is no observed data from the watershed for statistical validation. However, using the Water Balance equation as a validation criteria, the correlation coefficient between the simulated rainfall and runoff was 0.84 for the subbasin 11 (outlet). Thereafter, the uncertainties in the continuous numerical input (i.e. rainfall) was examined using the Data Uncertainty Engine (DUE). One parameter exponential probability model was used for the daily rainfall amount based on the histogram. 700 realizations were generated from this uncertain input. Randomly selected numbers of the realizations were prepared and used as inputs into the MWSWAT model. It was surprising that there were no changes in the results when compared to the initial 'real' value (outflows from outlet) although other parameters of the model were kept constant.

Pollution of surface and groundwater, due to improper land management, has become a major problem worldwide. Integrated watershed modelling provides a tool for the understanding of the processes governing water and matter transport at different scales within the watershed. The Soil Water Assessment Tool (SWAT) has been successfully utilized for the combined modelling of water fluxes and quality within a large range of scales and environmental conditions across the world. For suitable assessments integrated watershed models require large data sets of measured information for both model parameterization as for model calibration and validation. Data scarcity represents a serious limitation to the use of hydrologic models for supporting decision making processes, and may lead unsupported statements, poor statistics, misrepresentations, and, ultimately, to inappropriate measures for integrated water resources management efforts. In particular, the importance of spatially distributed soil information is often overlooked. In this thesis the eco-hydrological SWAT model was been applied to assess the water balance and diffuse pollution loadings of two rivers within a rural context at the mesoscale watershed level: 1) the Western Bug River, Ukraine, 2) the Águeda River, Portugal. Both watersheds in focus serve as examples for areas where the amount and quality of the measured data hinders a strait forward hydrologic modelling assessment. The Dobrotvir watershed (Western Bug River, Ukriane) is an example of such a region. In the former Soviet Union, soil classification primarily focused on soils of agricultural importance, whereas, forested, urban, industrial, and shallow soil territories were left underrepresented in the classification systems and resulting soil maps. Similarly the forest-dominated Águeda watershed in North-Central Portugal is a second example of a region with serious soil data availability limitations. Through the use of pedotransfer functions (PTFs) and the construction of soil-landscape models the data gaps could be successfully diminished, allowing a subsequent integrated watershed modelling approach. A valuable tool for the data gap closure was the fuzzy logic Soil Land Inference Model (SoLIM) which, combined with information from several soil surveys, was used to create improved maps. In the Dobrotvir watershed the fuzzy approach was used to close the gaps of the existing soil map, while in the Águeda watershed a new soil properties map, based upon the effective soil depths of the landscape, was constructed. While the water balance simulation in both study areas was successful, a calibration parameter ensemble approach was tested for the Águeda watershed. In the common modelling practice the individual best simulation and best parameter set is considered, the tested approach involved merging individual model outputs from numerous acceptable parameter sets, tackling the problematic of parameter equifinality. This procedure was tested for both original soil map and the newly derived soil map with differentiation of soil properties. It was noticeable that a better model set-up, with a better representation of the soil spatial distribution, was reflected in tighter model output spreads and narrower parameter distances. A further challenge was the calibration of water quality parameters, namely nitrate-N in the Dobrotvir watershed and sediment loads in the Águeda watershed. The limited amount of water quality observations were handled by assessing and by process verification at the smallest modelling unit, the hydrological response unit (HRU). The ruling hydrological processes could be depicted by combining own measured data and modelling outputs. The management scenario simulations showed the anticipated response to changes in management and reflected the rational spatial variation within the watershed reasonably well. The impacts of the different intervention options were evaluated on water balance, nitrate-N export and sediment yield at the watershed, sub-watershed and, when feasible, HRU level. This thesis covers two regional case studies with particular data limitations and specific processes of water and matter fluxes. Still, data reliability is a problem across the globe. This thesis demonstrates how relevant it is to tackle shortages of spatially differentiated soil information. The considered approaches contribute toward more reliable model predictions. Furthermore, the tested methods are transferable to other regions with differing landscape and climate conditions with similar problems of data scarcity, particularly soil spatially differentiated information.

The main purpose of this study was to evaluate the effect of alternative cropping systems on farm net returns, and nitrate-N and sediment yields in Thomas Brook Watershed (TBW). The study involved integrated bio-physical and economic optimization modelling. Crop yield and nitrate-N pollution response functions were estimated and then used in trade-off analysis between farm returns and environmental quality improvement. Five crop rotation systems were evaluated for seven fertilizer levels under conventional tillage (CT) and no-till systems (NT). Nitrate-N leached, as well as estimated maximum economic rate of N (MERN) fertilizer level and marginal abatement costs depended on crop type, rotation system, and tillage type. The most cost effective cropping systems that met restrictions on Health Canada maximum limit on nitrate-N in water included corn-corn-corn-alfalfa-alfalfa under NT for corn-based cropping systems, potato-winter wheat-carrot-corn under CT for vegetable horticulture-based and potato-barley-winter wheat-potato-corn under NT for potato-based cropping systems.

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.
The population growth for the last 16 years caused changes in land cover of the Gilgel Abbay watershed, Lake Tana basin, Ethiopia. The effects of the land cover changes have impacted on the stream flow of the watershed by changing the magnitude of surface runoff and ground water flow. This study is mainly focusing on the assessment of the impacts of the land cover changes on the stream flow by changing SURQ and GWQ for the wet months (June, July, August) and dry months (January, February, March) through satellite Remote Sensing (RS) and Geographic Information System (GIS) integrated with the SWAT model. ArcGIS used to generate land use and cover maps from Landsat TM and ETM+ acquired, respectively, in 1986 and 2001. The land cover maps were generated using the Maximum Likelihood Algorithm of Supervised Classification. The accuracy of the classified maps was assessed using Confusion Metrics. The result of this analysis showed that the cultivated land has expanded during the study period of 1986-2001. Using the two generated land cover maps, two SWAT models set up were run to evaluate the impacts the land use and cover changes on the stream flow of the study watershed. The performance of the SWAT model was evaluated through sensitivity analysis, calibration, and validation. Ten flow parameters were identified to be sensitive for the stream flow of the study area and used for model calibration. The model calibration was carried out using observed stream flow data from 01 January 1987 to 31 December 1994 and a validation period from 01 January 1995 to 31 December 2001. Both the calibration and validation results showed good match between measured and simulated stream flow data with the coefficient of determination (R2) of 0.93 and Nash-Sutcliffe efficiency (ENS) of 0.95 for the calibration, and R2 of 0.91 and ENS of 0.90 of the validation period. The result of this analysis indicated that the mean monthly stream flow increased by 16.26m3/s for the wet months while for the dry months decreased by 5.41 m3/s. Generally, the analysis indicated that flow during the wet months has increased, while the flow during the dry months decreased. The SURQ increased, while GWQ decreased from 1986 to 2001 due to the increment of cultivated lands. The model results showed that the stream flow characteristics changed due to the land cover changes during the study period.