Simulating hydrological and nutrient balance in the Maranhao watershed, Portugal

This thesis evaluates the hydrological balance, as well as sediment and nutrient loads, in the Maranhão watershed, located in the Sorraia Valley, one of the main agricultural regions in Portugal. The analysis was conducted using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a semi-distributed, physically based model operating at a daily time step, which integrates land use, soil characteristics, meteorological inputs, and agricultural management practices. The model was implemented for the period 1998–2013, including a warm-up phase, and was calibrated and validated using observed streamflow data. Calibration was performed for the period 2001–2007, while validation covered the period 2008–2013. The simulations showed satisfactory performance in reproducing the main hydrological dynamics of the watershed, with Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE) values ranging between 0.50 and 0.60. Due to the limited availability of long-term water quality monitoring data, it was not possible to perform a specific calibration of nutrient- and sediment-related parameters. Therefore, simulations of total phosphorus, nitrates, and suspended solids were evaluated through comparison with observed concentration values, allowing a preliminary assessment of model reliability under data-scarce conditions. The results indicate that simulated nutrient concentrations are consistent with observed values in terms of order of magnitude, although temporal variability was not fully reproduced, partly due to the lack of dedicated calibration and limited information on local agricultural practices and fertilizer application. Sediment loads were systematically overestimated, confirming the lower accuracy of the model in simulating erosion processes. Despite these limitations, this study highlights the potential of SWAT as an effective tool for supporting hydrological and water quality assessments in data-scarce environments, contributing to more sustainable water resource management and ecosystem protection.

Il presente lavoro di tesi valuta il bilancio idrologico, nonché i carichi di sedimenti e nutrienti, nel bacino idrografico del Maranhão, situato nella Valle del Sorraia, una delle principali aree agricole del Portogallo. L’analisi è stata condotta mediante il Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modello semi-distribuito e fisicamente basato, operante su scala temporale giornaliera, che integra l’uso del suolo, le caratteristiche pedologiche, gli input meteorologici e le pratiche di gestione agricola. Il modello è stato implementato per il periodo 1998–2013, includendo una fase di warm-up, ed è stato calibrato e validato utilizzando dati osservati di portata. La calibrazione è stata effettuata per il periodo 2001–2007, mentre la validazione ha riguardato il periodo 2008–2013. Le simulazioni hanno mostrato prestazioni soddisfacenti nella riproduzione delle principali dinamiche idrologiche del bacino, con valori dell’indice di efficienza di Nash–Sutcliffe (NSE) compresi tra 0.50 e 0.60. A causa della limitata disponibilità di dati di monitoraggio a lungo termine per la qualità delle acque, non è stato possibile effettuare una calibrazione specifica dei parametri relativi ai nutrienti e ai sedimenti. Le simulazioni di fosforo totale, nitrati e solidi sospesi sono pertanto state valutate mediante il confronto con le concentrazioni osservate, consentendo una verifica preliminare dell’affidabilità del modello in condizioni di scarsità di dati. I risultati indicano che le concentrazioni simulate di nutrienti risultano coerenti con i valori osservati in termini di ordine di grandezza, sebbene la variabilità temporale non sia stata completamente riprodotta, anche a causa dell’assenza di una calibrazione dedicata e della limitata disponibilità di informazioni sulle pratiche agricole e sull’uso dei fertilizzanti. I carichi di sedimenti risultano invece sistematicamente sovrastimati, confermando una minore accuratezza del modello nella simulazione dei processi erosivi. Nonostante tali limitazioni, lo studio evidenzia il potenziale di SWAT come strumento efficace per supportare le valutazioni idrologiche e della qualità delle acque in contesti caratterizzati da limitata disponibilità di dati, contribuendo a una gestione più sostenibile delle risorse idriche e alla tutela degli ecosistemi.