A taxa temporal de autodepuração de recursos hídricos é limitada, principalmente devido à carga de poluentes. Para minimizar os problemas associados de qualidade, muitos países, incluindo o Brasil, adotaram legislações específicas direcionadas aos aspectos de qualidade de recursos hídricos. Assim, neste contexto, este estudo apresenta um modelo dinâmico desenvolvido para analisar as inter-relações entre a vazão e a concentração de poluentes na Bacia Hidrográfica do Rio das Mortes, em Minas Gerais, Brasil. A metodologia teve por base o software STELLA que permitiu a análise dinâmica do sistema. Dados oficiais do período 2000-2009, associados ao comportamento hidrológico das vazões médias mensais e das concentrações dos poluentes Manganês Total e Fósforo Total permitiram efetuar uma análise de sensitividade e simular os possíveis efeitos de alterações nas concentrações dos poluentes, na bacia. O modelo desenvolvido neste estudo permitiu uma melhor compreensão do comportamento da bacia com relação às variações temporais e espaciais dos poluentes.