As tecnologias de abastecimento de Ãgua implementadas por meio do Programa Um MilhÃo de Cisternas (P1MC) visam atender a vulnerabilidade hÃdrica do semiÃrido. Na Chapada do Araripe, vertente Cearense, vÃrias comunidades rurais foram beneficiadas por este Programa. Esta pesquisa tem o propÃsito de avaliar quantitativamente e qualitativamente os sistemas alternativos de abastecimento de Ãgua, cisternas e barreiros, destinados aos diversos usos, inclusive abastecimento humano, das comunidades Mata Velha, Minguiriba e Barreiro Grande, localizadas na Chapada do Araripe â CE. Foram selecionados 12 (doze) pontos amostrais nas comunidades que compÃem a Ãrea do estudo, constituÃdos por cisternas e barreiro. Para avaliar os aspectos quantitativos e qualitativos das tecnologias de abastecimento de Ãgua foram realizadas anÃlises fÃsicas, quÃmicas e bacteriolÃgicas da Ãgua, alÃm de entrevistas abordando aspectos socioeconÃmicos e educacionais das comunidades, regime de distribuiÃÃo de chuvas e mediÃÃes de consumo per capita. Os resultados da anÃlise qualitativa mostraram que as Ãguas da maioria das cisternas apresentaram bactÃrias do grupo coliformes, atribuÃdas a falta de tratamento e cuidados no manejo e higienizaÃÃo das cisternas. Quanto aos metais pesados, verificou-se que na cisterna C4 (comunidade Mata Velha)a concentraÃÃo de chumbo (0,02 mg/L) nÃo atendia ao limite normativo (Portaria 2.914/2011). Nas amostras de coletadas em cisternas da comunidade Minguiriba, foram obtidas concentraÃÃes elevadas dos metais chumbo (cisternas C6, C7, C8 e C10) e manganÃs (cisternas C6 e C10). A qualidade da Ãgua do barreiro foi considerada inadequada para consumo humano, uma vez que os parÃmetros pH, turbidez, amÃnia, ferro, alumÃnio e manganÃs estavam em desacordo com os padrÃes de potabilidade. Para melhorar a eficiÃncia de tratamento da Ãgua com a pedra ume, à necessÃrio que se considere, durante o tratamento, critÃrios tÃcnicos adequados como caracterÃsticas da Ãgua, parÃmetros operacionais e tipo e dosagem do coagulante. No aspecto quantitativo,verificou-se que o regime de distribuiÃÃo de chuvas entre as comunidades era irregular. TambÃm foi constatado que a capacidade volumÃtrica das cisternas era insuficiente para garantir que o consumo per capita de Ãgua fosse compatÃvel com o recomendado pela ONU. Na estaÃÃo seca, 90% do consumo per capita de Ãgua eram inferior ao mÃnimo recomendado pela ONU. Mesmo na estaÃÃo chuvosa, esse percentual foi de 60 %.A partir dos resultados desta pesquisa, deve-se fazer uma anÃlise construtiva, no sentido de se adequar as polÃticas de implementaÃÃo de cisternas de placa em comunidades rurais contempladas pelo P1MC. A realizaÃÃo de estudos mais detalhados sobre as condiÃÃes social, ambiental, econÃmica e climÃtica, o dimensionamento da estrutura fÃsica, a fiscalizaÃÃo dos carros-pipa e dos corpos dâÃgua utilizados para o abastecimento das cisternas e a capacitaÃÃo dos usuÃrios quanto à importÃncia da higienizaÃÃo das cisternas e cloraÃÃo da Ãgua, estÃo entre as medidas que podem contribuir para a prÃtica de convivÃncia sustentÃvel com o semiÃrido. / The water supply technologies implemented through the One Million Cisterns (P1MC) aim to solve the vulnerability of water semiarid. In Araripe Chapada, Cearense shed, several rural communities were benefited from this program. This research aims to evaluate quantitatively and qualitatively the alternative systems of water supply, cisterns and barreiros, intended for various uses, including human supply of Mata Velha, Minguiriba and Barreiro Grande communities, located in Araripe Chapada - CE. They were selected twelve (12) sampling sites in communities that comprise the study area, consisting of cisterns and barreiro. To evaluate the quantitative and qualitative aspects of water supply technologies they were done physical, chemical and bacteriological analysis of water, besides interviews talking about socioeconomic and educational aspects of the communities, rainfall distribution program and measurement of per capita consumption. The results of the qualitative analysis showed that most of the water tanks had coliform bactÃria group, attributed to the lack of treatment and care in the handling and cisterns cleaning. In samples collected in cisterns community Minguiriba, they were obtained high concentrations of lead metals (cisterns C6, C7, C8 and C10) and manganese (cisterns C6 and C10). Regarding heavy metals, it was found that the cistern C4 (Mata Velha Community) lead concentration (0.02 mg / L) did not get the regulatory limit (Decree 2.914/2011). The water quality of barreiro was deemed unsuitable for human consumption, since the parameters pH, turbidity, ammonia, iron, aluminum and manganese were not in accordance with the standards for drinking water. To improve the efficiency of water treatment with ume stone, it is necessary to consider, during treatment, appropriate technical criteria such as water features, operational parameters, and type and coagulant dosing. In quantitative terms, it was found that the regime of rainfall distribution was uneven between communities. It was also noted that the volumetric capacity of cisterns was insufficient to ensure that the per capita consumption of water was consistent with the recommended by ONU. In the dry season, 90% of the per capita consumption of water was less than the minimum recommended by ONU. Even in the rainy season, this percentage was 60%. Based on the results of this research, one must make a constructive analysis, in order to adjust policies to implement plate cisterns in rural communities covered by P1MC. The more detailed studies on the social, environmental, and economic climate conditions, the design of the physical structure, the monitoring of water trucks and water bodies used for the cisterns supply and training of users on the importance of cisterns hygienization and water chlorination, are among the measures that can contribute to the practice of sustainable coexistence with the semiarid.

A comprehensive assessment of water security incorporates a range of water-related concepts, since water policy issues to specific technical aspects of hydrological conditions and their interactions with societal needs and ecosystem functioning. This doctoral thesis is organized into three chapters that address such range of water security-related topics, aiming to establish a conceptual baseline and propose deterministic and stochastic accounting frameworks for a river basin water security evaluation. Specific assumptions and research questions are defined in each chapter, and are related to the management of \'Cantareira water supply system\' (located in Southeastern Brazil), focusing on different scales and on its political and hydrological aspects as well. The first chapter acts as a conceptual baseline for water security assessment, by examining general aspects of the Brazilian water policy and water allocation system. This study contrasts Brazilian and American water management systems applied to water transfer projects, discussing experiences from the \'Cantareira system\' and Colorado river basin. A deterministic accounting framework is presented in the second chapter, which is based on management of blue and green water kinds (defined in accordance with hydrological processes and storage types), and demonstrates how a quantitative analysis of provisioning and use (abstraction and consumption) of both water kinds can be conducted. An agricultural basin (291 km²) within the Cantareira water supply system (located upstream of the Cachoeira reservoir) was used to illustrate this approach. The impact of blue and green water use on median water resources conditions is accounted by the scarcity indicator, while the vulnerability indicator considers the probability of low availability of water resources. In the third chapter quantifies and discusses the impacts of uncertainties on water security indicators (proposed in the chapter 2), based on a multi-model and resampling framework, that considers several uncertainty sources including those related to: i) observed streamflow data; ii) hydrological model structure; iii) residual analysis; iv) Environmental Flow Requirement methods; v) the definition of critical conditions for water provision; and vi) the critical demand imposed by human activities. Then, the uncertainty is propagated through different methodological arrangements applied to the same study basin of chapter 2. In brief, the first chapter indicates that both Brazilian and American water management system can potentially contribute to each other. In the second chapter, the Blue/Green water-based accounting framework reveal clear spatial and temporal patterns of water scarcity and vulnerability levels within the basin, thereby improving our understanding of how and where water-related threats to human and aquatic ecosystem security can arise (so called hot-spots). The third chapter provide a general method that can form basis for meaningful support to end-users facing water resource challenges by enabling them to incorporate a viable uncertainty analysis into a robust decision making process. Further investigation are proposed in each research step of this doctoral thesis. / A avaliação da segurança hídrica pode incorporar vários conceitos relacionados à água, desde aspectos da política de recursos hídricos até questões hidrológicas específicas e suas interações com a sociedade e ecossistemas. Esta tese de doutorado busca estabelecer uma base conceitual e propor esquemas metodológicos com base determinística e estocástica para avaliação da segurança hídrica de bacias hidrográficas. Objetivos específicos são definidos em cada capítulo e relacionam-se à gestão do \'Sistema Cantareira de abastecimento de água\' (localizado no Sudeste do Brasil), com foco em diferentes escalas, bem como aspectos políticos e hidrológicos. O primeiro capítulo é apresentado como baseline conceitual, examinando aspectos gerais da política de recursos hídricos e sistemas alocação de água. Este estudo compara sistemas de gestão aplicados a projetos de transposição de água inter/intra-bacias no Brasil e Estados Unidos, discutindo experiências do Sistema Cantareira e da bacia do rio Colorado. O segundo capítulo, por sua vez, propõe e analisa um esquema metodológico determinístico baseado na gestão das águas azul e verde (definidas de acordo com processos hidrológicos e unidades de armazenamento). Este estudo demonstra como uma análise quantitativa da provisão e utilização de ambos os tipos de água pode ser conduzida, propondo indicadores de escassez e vulnerabilidade hídrica. Esta abordagem foi aplicada em uma bacia agrícola (291 km²), localizada a montante do reservatório Cachoeira, que é integrante do Sistema Cantareira. O terceiro capítulo quantifica e analisa os impactos das incertezas sobre os indicadores de segurança hídrica propostos no capítulo 2, utilizando um esquema metodológico estocástico baseado em múltiplos modelos e reamostragem, que incorpora variadas fontes de incerteza, tais como: i) dados observados de vazão; ii) estrutura do modelo hidrológico; iii) análise de resíduos do modelo hidrológico; iv) estimativa de vazão ambiental; v) definição de condições críticas de provisão e vi) demanda hídrica. Em seguida, as incertezas são propagadas através de diferentes arranjos metodológicos aplicados na mesma bacia estudo do capítulo 2. Em conclusão, o primeiro capítulo sugere uma potencial troca de contribuições provenientes de ambos os sistemas de gestão brasileiro e americano. O segundo capítulo revela padrões espaciais e temporais dos resultados dos indicadores de escassez e vulnerabilidade, melhorando assim a compreensão de como e onde ameaças à segurança hídrica podem surgir. Por sua vez, a análise de incertezas desenvolvida no terceiro capítulo é capaz de gerar suporte a gestores de recursos hídricos e processo de tomada de decisões robustas. Recomendações específicas são geradas em cada capítulo da presente tese de doutorado.

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A comprehensive assessment of water security incorporates a range of water-related concepts, since water policy issues to specific technical aspects of hydrological conditions and their interactions with societal needs and ecosystem functioning. This doctoral thesis is organized into three chapters that address such range of water security-related topics, aiming to establish a conceptual baseline and propose deterministic and stochastic accounting frameworks for a river basin water security evaluation. Specific assumptions and research questions are defined in each chapter, and are related to the management of \'Cantareira water supply system\' (located in Southeastern Brazil), focusing on different scales and on its political and hydrological aspects as well. The first chapter acts as a conceptual baseline for water security assessment, by examining general aspects of the Brazilian water policy and water allocation system. This study contrasts Brazilian and American water management systems applied to water transfer projects, discussing experiences from the \'Cantareira system\' and Colorado river basin. A deterministic accounting framework is presented in the second chapter, which is based on management of blue and green water kinds (defined in accordance with hydrological processes and storage types), and demonstrates how a quantitative analysis of provisioning and use (abstraction and consumption) of both water kinds can be conducted. An agricultural basin (291 km²) within the Cantareira water supply system (located upstream of the Cachoeira reservoir) was used to illustrate this approach. The impact of blue and green water use on median water resources conditions is accounted by the scarcity indicator, while the vulnerability indicator considers the probability of low availability of water resources. In the third chapter quantifies and discusses the impacts of uncertainties on water security indicators (proposed in the chapter 2), based on a multi-model and resampling framework, that considers several uncertainty sources including those related to: i) observed streamflow data; ii) hydrological model structure; iii) residual analysis; iv) Environmental Flow Requirement methods; v) the definition of critical conditions for water provision; and vi) the critical demand imposed by human activities. Then, the uncertainty is propagated through different methodological arrangements applied to the same study basin of chapter 2. In brief, the first chapter indicates that both Brazilian and American water management system can potentially contribute to each other. In the second chapter, the Blue/Green water-based accounting framework reveal clear spatial and temporal patterns of water scarcity and vulnerability levels within the basin, thereby improving our understanding of how and where water-related threats to human and aquatic ecosystem security can arise (so called hot-spots). The third chapter provide a general method that can form basis for meaningful support to end-users facing water resource challenges by enabling them to incorporate a viable uncertainty analysis into a robust decision making process. Further investigation are proposed in each research step of this doctoral thesis. / A avaliação da segurança hídrica pode incorporar vários conceitos relacionados à água, desde aspectos da política de recursos hídricos até questões hidrológicas específicas e suas interações com a sociedade e ecossistemas. Esta tese de doutorado busca estabelecer uma base conceitual e propor esquemas metodológicos com base determinística e estocástica para avaliação da segurança hídrica de bacias hidrográficas. Objetivos específicos são definidos em cada capítulo e relacionam-se à gestão do \'Sistema Cantareira de abastecimento de água\' (localizado no Sudeste do Brasil), com foco em diferentes escalas, bem como aspectos políticos e hidrológicos. O primeiro capítulo é apresentado como baseline conceitual, examinando aspectos gerais da política de recursos hídricos e sistemas alocação de água. Este estudo compara sistemas de gestão aplicados a projetos de transposição de água inter/intra-bacias no Brasil e Estados Unidos, discutindo experiências do Sistema Cantareira e da bacia do rio Colorado. O segundo capítulo, por sua vez, propõe e analisa um esquema metodológico determinístico baseado na gestão das águas azul e verde (definidas de acordo com processos hidrológicos e unidades de armazenamento). Este estudo demonstra como uma análise quantitativa da provisão e utilização de ambos os tipos de água pode ser conduzida, propondo indicadores de escassez e vulnerabilidade hídrica. Esta abordagem foi aplicada em uma bacia agrícola (291 km²), localizada a montante do reservatório Cachoeira, que é integrante do Sistema Cantareira. O terceiro capítulo quantifica e analisa os impactos das incertezas sobre os indicadores de segurança hídrica propostos no capítulo 2, utilizando um esquema metodológico estocástico baseado em múltiplos modelos e reamostragem, que incorpora variadas fontes de incerteza, tais como: i) dados observados de vazão; ii) estrutura do modelo hidrológico; iii) análise de resíduos do modelo hidrológico; iv) estimativa de vazão ambiental; v) definição de condições críticas de provisão e vi) demanda hídrica. Em seguida, as incertezas são propagadas através de diferentes arranjos metodológicos aplicados na mesma bacia estudo do capítulo 2. Em conclusão, o primeiro capítulo sugere uma potencial troca de contribuições provenientes de ambos os sistemas de gestão brasileiro e americano. O segundo capítulo revela padrões espaciais e temporais dos resultados dos indicadores de escassez e vulnerabilidade, melhorando assim a compreensão de como e onde ameaças à segurança hídrica podem surgir. Por sua vez, a análise de incertezas desenvolvida no terceiro capítulo é capaz de gerar suporte a gestores de recursos hídricos e processo de tomada de decisões robustas. Recomendações específicas são geradas em cada capítulo da presente tese de doutorado.

Water management plans are typically developed using historical data records and historical return periods for extreme events, such as floods or droughts. Since these analyses of return periods typically assume a certain degree of stationarity (constant mean, standard deviation, distribution) in hydrologic variables, the potential future impacts of climate change are excluded. In developing water management plans, predicted changes to climate variables should be considered to evaluate the degree of non-stationarity that may exist in the future. In this way, regions most sensitive to climate change can be identified and managed appropriately. This study performed such a task by using predicted climate data that were downscaled from general circulation models (GCM) by regional climate models (RCM) to compare climate variables in the historical period of 1971-1998 to the future period of 2041-2068. The study evaluated the precipitation and minimum/maximum temperature data from five different GCM/RCM combinations: 1) CCSM/CRCM; 2) CCSM/WRFG; 3) CGCM3/CRCM; 4) CGCM3/WRFG; and 5) HadCM3/HRM3. The five datasets were then used to calculate drought indices and drive a calibrated PRMS model of the Molalla Pudding river basin in order to evaluate changes in droughts and streamflow. The predicted changes in droughts and streamflow were then evaluated with social/economic factors for twelve cities in the Molalla Pudding river basin by two different water vulnerability indices. The index values were used to determine a rank for each city that indicated its relative vulnerability to water scarcity as compared to the other cities. In this study, three out of the five datasets predicted increased precipitation (+97-115 mm/year) over the Molalla Pudding basin and the two datasets using the CCSM GCM data predicted either no change or slightly decreased precipitation (-60 mm/year) over the Molalla Pudding basin in 2041-2068. All datasets predicted increased minimum and maximum average temperature of +1.5°C and +1.4°C respectively, and all datasets displayed increasing trends in temperature. The drought indices predicted fewer drought events (-2.4 events) over 2041-2068 with no change in duration, and no change to the number of serious drought events over 2041-2068 but with increased durations (+1.9 months). Results from the hydrologic modeling predicted increased streamflow (+4-249 cfs) in four out of the five future datasets. Using the predicted changes in hydrologic variables and social/economic census data from 2000, two types of water vulnerability indices were calculated for the twelve cities of interest. The results suggested that cities in the western portion of the basin would be more susceptible to current and future water vulnerability due to high irrigation demands for water and high social vulnerability as determined by minority populations and higher poverty, while the small cities with less dependence on agriculture would be less vulnerable.