Hidrossedimentology dynamics of small forest watersheds

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