La intensificación de la actividad agropecuaria ha favorecido el aumento de la concentración de nutrientes en ecosistemas acuáticos, lo que ha impactado negativamente sobre la calidad de agua en varias zonas del mundo. La cuenca del Rio Santa Lucía es uno de los sitios de Uruguay que no escapa a esta situación, y en los últimos años ha sido motivo de creciente preocupación dado que provee de agua potable al 60% de la población del país. La producción lechera es una de las actividades que más influye en la contaminación difusa de la cuenca, y a su vez tiene el desafío de aumentar la productividad para asegurar su viabilidad económica. En este contexto, es necesario buscar soluciones que contemplen los compromisos entre productividad y potencial contaminante. En base a la selección de una subcuenca lechera como estudio de caso, se logró desarrollar un modelo de optimización de resolución heurística que permitió integrar esos compromisos y brindar soluciones de planificación de usos del suelo a nivel de cuenca. El modelo mostró que existía potencial para reducir la exportación de fósforo de la cuenca y cumplir con mínimos de productividad anual establecidos para que la actividad lechera sea económicamente viable. Contar con coeficientes de exportación específicos para los usos del suelo del país, es necesario para mejorar la representatividad del modelo. Se realizó un experimento con simulación de lluvia de alta intensidad que generó datos de concentración de nutrientes en agua de escurrimiento para pasturas típicas de sistemas lecheros. Los datos generados aportaron a la estimación de las pérdidas de fósforo de algunos usos del suelo para mejor la información de entrada del modelo. Las soluciones del modelo, espacialmente explícitas, podrían ayudar a los actores sociales involucrados en el diseño de estrategias de manejo que incorporen objetivos de productividad y conservación de la calidad de agua a nivel de cuenca.