Escorrentía superficial

La escorrentía superficial (también conocida como flujo superficial) es el flujo de agua que se produce en la superficie del suelo cuando el exceso de agua de lluvia, agua de lluvia, agua de deshielo u otras fuentes ya no pueden infiltrarse en el suelo con la suficiente rapidez. Esto puede ocurrir cuando el suelo está saturado de agua en toda su capacidad y la lluvia llega más rápido de lo que el suelo puede absorber. La escorrentía superficial a menudo ocurre porque las áreas impermeables (como los techos y el pavimento) no permiten que el agua penetre en el suelo. Además, la escorrentía puede ocurrir a través de procesos naturales o artificiales. La escorrentía superficial es un componente importante del ciclo del agua. Es el principal agente de la erosión del suelo por el agua. El área de tierra que produce escorrentía que drena a un punto común se llama cuenca de drenaje.

La escorrentía que se produce en la superficie del suelo antes de llegar a un canal puede ser una fuente no puntual de contaminación, ya que puede transportar contaminantes creados por el hombre o formas naturales de contaminación (como hojas podridas). Los contaminantes artificiales en la escorrentía incluyen petróleo, pesticidas, fertilizantes y otros.

Además de causar la erosión del agua y la contaminación, la escorrentía superficial en las áreas urbanas es una de las causas principales de las inundaciones urbanas, que pueden ocasionar daños a la propiedad, humedad y moho en los sótanos e inundaciones en las calles.

Generación

La escorrentía superficial se define como la precipitación (lluvia, nieve, aguanieve o granizo) que alcanza una corriente superficial sin pasar nunca por debajo de la superficie del suelo. Es distinta de la escorrentía directa, que es la escorrentía que llega a los arroyos superficiales inmediatamente después de la lluvia o el derretimiento de la nieve y excluye la escorrentía generada por el derretimiento de la capa de nieve o los glaciares.

El derretimiento de la nieve y los glaciares ocurre solo en áreas lo suficientemente frías como para que se formen permanentemente. Por lo general, el deshielo alcanza su punto máximo en la primavera y el deshielo de los glaciares en el verano, lo que lleva a un caudal máximo pronunciado en los ríos afectados por ellos. El factor determinante de la velocidad de derretimiento de la nieve o los glaciares es tanto la temperatura del aire como la duración de la luz solar. En las regiones de alta montaña, los arroyos frecuentemente nacen en los días soleados y bajan en los nublados por esta razón.

En áreas donde no hay nieve, la escorrentía provendrá de la lluvia. Sin embargo, no toda la lluvia producirá escorrentía porque el almacenamiento de los suelos puede absorber lluvias ligeras. En los suelos extremadamente antiguos de Australia y el sur de África, las raíces proteoides con sus redes extremadamente densas de pelos radiculares pueden absorber tanta agua de lluvia que evitan la escorrentía incluso con cantidades sustanciales de lluvia. En estas regiones, incluso en suelos arcillosos agrietados menos infértiles, se necesitan grandes cantidades de lluvia y evaporación potencial para generar cualquier escorrentía superficial, lo que lleva a adaptaciones especializadas a corrientes extremadamente variables (generalmente efímeras).

Flujo superficial de exceso de infiltración

Esto ocurre cuando la tasa de lluvia en una superficie excede la tasa a la que el agua puede infiltrarse en el suelo y cualquier depósito de depresión ya se ha llenado. Esto también se llama flujo superficial de Hortonian (después de Robert E. Horton), o flujo superficial no saturado. Esto ocurre más comúnmente en regiones áridas y semiáridas, donde la intensidad de las lluvias es alta y la capacidad de infiltración del suelo se reduce debido al sellado de la superficie, o en áreas urbanas donde los pavimentos impiden la infiltración del agua.

Exceso de saturación de flujo terrestre

Cuando el suelo está saturado y el almacenamiento de la depresión se llena, y la lluvia continúa cayendo, la lluvia producirá inmediatamente una escorrentía superficial. El nivel de humedad del suelo antecedente es un factor que afecta el tiempo hasta que el suelo se satura. Esta escorrentía se denomina flujo superficial de exceso de saturación, flujo superficial saturado o escorrentía de Dunne.

Humedad del suelo antecedente

El suelo retiene un grado de humedad después de una lluvia. Esta humedad residual del agua afecta la capacidad de infiltración del suelo. Durante el próximo evento de lluvia, la capacidad de infiltración hará que el suelo se sature a una tasa diferente. Cuanto mayor sea el nivel de humedad del suelo antecedente, más rápidamente se satura el suelo. Una vez que el suelo está saturado, se produce la escorrentía. Por lo tanto, la escorrentía superficial es un factor significativo en el control de la humedad del suelo después de tormentas de mediana y baja intensidad.

Flujo de retorno subterráneo

Después de que el agua se infiltra en el suelo en una parte de la pendiente superior de una colina, el agua puede fluir lateralmente a través del suelo y filtrarse (salir del suelo) más cerca de un canal. Esto se llama flujo de retorno del subsuelo o flujo pasante.

A medida que fluye, la cantidad de escorrentía puede reducirse de varias formas posibles: una pequeña porción puede evaporarse; el agua puede almacenarse temporalmente en depresiones microtopográficas; y una parte de ella puede infiltrarse a medida que fluye por tierra. Cualquier agua superficial remanente finalmente fluye hacia un cuerpo de agua receptor, como un río, lago, estuario u océano.

Influencia humana

La urbanización aumenta la escorrentía superficial al crear superficies más impermeables, como pavimento y edificios, que no permiten la filtración del agua a través del suelo hasta el acuífero. En su lugar, se fuerza directamente a los arroyos o desagües de escorrentía de aguas pluviales, donde la erosión y la sedimentación pueden ser problemas importantes, incluso cuando las inundaciones no lo son. El aumento de la escorrentía reduce la recarga de aguas subterráneas, lo que reduce el nivel freático y empeora las sequías, especialmente para los agricultores y otras personas que dependen de los pozos de agua.

Cuando los contaminantes antropogénicos se disuelven o suspenden en la escorrentía, el impacto humano se expande para crear contaminación del agua. Esta carga de contaminantes puede llegar a varias aguas receptoras, como arroyos, ríos, lagos, estuarios y océanos, con los cambios resultantes en la química del agua en estos sistemas de agua y sus ecosistemas relacionados.

A medida que los seres humanos continúan alterando el clima mediante la adición de gases de efecto invernadero a la atmósfera, se espera que los patrones de precipitación cambien a medida que aumenta la capacidad atmosférica para el vapor de agua. Esto tendrá consecuencias directas en los montos de escorrentía.

Escorrentía urbana

La escorrentía urbana es la escorrentía superficial de agua de lluvia, riego de jardines y lavado de autos creado por la urbanización. Las superficies impermeables (carreteras, estacionamientos y aceras) se construyen durante el desarrollo del terreno. Durante la lluvia, las tormentas y otros eventos de precipitación, estas superficies (construidas con materiales como asfalto y concreto), junto con los techos, transportan el agua de lluvia contaminada a los desagües pluviales, en lugar de permitir que el agua se filtre a través del suelo. Esto provoca el descenso del nivel freático (porque se reduce la recarga de aguas subterráneas) e inundaciones ya que la cantidad de agua que queda en la superficie es mayor.La mayoría de los sistemas de alcantarillado pluvial municipales descargan aguas pluviales, sin tratar, a arroyos, ríos y bahías. Este exceso de agua también puede llegar a las propiedades de las personas a través de los desbordamientos del sótano y la filtración a través de las paredes y los pisos de los edificios.La escorrentía urbana puede ser una fuente importante de inundaciones urbanas y contaminación del agua en las comunidades urbanas de todo el mundo.

Escorrentía industrial

El agua pluvial industrial es la escorrentía de la precipitación (lluvia, nieve, aguanieve, lluvia helada o granizo) que cae en sitios industriales (por ejemplo, instalaciones de fabricación, minas, aeropuertos). Este escurrimiento es frecuentemente contaminado por materiales que se manejan o almacenan en los sitios, y las instalaciones están sujetas a regulaciones para controlar las descargas.

Efectos de la escorrentía superficial

Erosión y deposición

La escorrentía superficial puede provocar la erosión de la superficie de la Tierra; el material erosionado puede depositarse a una distancia considerable. Hay cuatro tipos principales de erosión del suelo por agua: erosión por salpicadura, erosión laminar, erosión por surcos y erosión por cárcavas. La erosión por salpicadura es el resultado de la colisión mecánica de las gotas de lluvia con la superficie del suelo: las partículas del suelo que se desprenden por el impacto se mueven con la escorrentía superficial. La erosión laminar es el transporte terrestre de sedimentos por escorrentía sin un canal bien definido. Las causas de la rugosidad de la superficie del suelo pueden hacer que la escorrentía se concentre en caminos de flujo más estrechos: a medida que estos inciden, los canales pequeños pero bien definidos que se forman se conocen como surcos. Estos canales pueden ser tan pequeños como un centímetro de ancho o tan grandes como varios metros. Si la escorrentía continúa cortando y agrandando los surcos, eventualmente pueden crecer y convertirse en barrancos. La erosión por cárcavas puede transportar grandes cantidades de material erosionado en un corto período de tiempo.

La reducción de la productividad de los cultivos generalmente resulta de la erosión, y estos efectos se estudian en el campo de la conservación del suelo. Las partículas de suelo transportadas por la escorrentía varían en tamaño desde aproximadamente 0,001 mm hasta 1,0 mm de diámetro. Las partículas más grandes se asientan en distancias de transporte cortas, mientras que las partículas pequeñas pueden transportarse largas distancias suspendidas en la columna de agua. La erosión de suelos limosos que contienen partículas más pequeñas genera turbidez y disminuye la transmisión de luz, lo que perturba los ecosistemas acuáticos.

Sectores enteros de países se han vuelto improductivos por la erosión. En la meseta central alta de Madagascar, aproximadamente el diez por ciento de la superficie terrestre de ese país, prácticamente todo el paisaje está desprovisto de vegetación, con surcos erosivos que normalmente superan los 50 metros de profundidad y un kilómetro de ancho. La agricultura migratoria es un sistema agrícola que a veces incorpora el método de tala y quema en algunas regiones del mundo. La erosión provoca la pérdida del suelo superior fértil y reduce su fertilidad y la calidad de los productos agrícolas.

La agricultura industrial moderna es otra causa importante de erosión. Más de un tercio del Cinturón de Maíz de EE. UU. ha perdido por completo su capa superior del suelo. Cambiar a prácticas de labranza cero reduciría la erosión del suelo de los campos agrícolas de EE. UU. en más del 70 por ciento.

Efectos ambientales

Los principales problemas ambientales asociados con la escorrentía son los impactos en las aguas superficiales, las aguas subterráneas y el suelo a través del transporte de contaminantes del agua a estos sistemas. En última instancia, estas consecuencias se traducen en riesgos para la salud humana, perturbaciones del ecosistema e impacto estético en los recursos hídricos. Algunos de los contaminantes que generan mayor impacto en las aguas superficiales derivados de la escorrentía son las sustancias derivadas del petróleo, los herbicidas y los fertilizantes. La absorción cuantitativa por la escorrentía superficial de pesticidas y otros contaminantes se ha estudiado desde la década de 1960, y se sabía que el contacto temprano de los pesticidas con el agua aumentaba la fitotoxicidad. En el caso de las aguas superficiales, los impactos se traducen en contaminación del agua, ya que las quebradas y ríos han recibido escorrentías cargadas de diversos químicos o sedimentos. Cuando las aguas superficiales se utilizan como suministros de agua potable, pueden verse comprometidas en cuanto a riesgos para la salud y la estética del agua potable (es decir, efectos de olor, color y turbidez). Las aguas superficiales contaminadas corren el riesgo de alterar los procesos metabólicos de las especies acuáticas que albergan; estas alteraciones pueden provocar la muerte, como la muerte de peces, o alterar el equilibrio de las poblaciones presentes. Otros impactos específicos son sobre el apareamiento de los animales, el desove, la viabilidad de los huevos y las larvas, la supervivencia de los juveniles y la productividad de las plantas. Algunas investigaciones muestran que la escorrentía superficial de pesticidas, como el DDT, puede alterar genéticamente el género de las especies de peces, lo que transforma a los peces machos en hembras.

La escorrentía superficial que ocurre dentro de los bosques puede suministrar a los lagos altas cargas de nitrógeno mineral y fósforo que conducen a la eutrofización. Las aguas de escorrentía dentro de los bosques de coníferas también están enriquecidas con ácidos húmicos y pueden conducir a la humificación de los cuerpos de agua. Además, las islas jóvenes y de gran altura en los trópicos y subtrópicos pueden sufrir altas tasas de erosión del suelo y también contribuir con grandes flujos de material al océano costero. Tal escorrentía de nutrientes de sedimentos, carbono y contaminantes derivados de la tierra puede tener grandes impactos en los ciclos biogeoquímicos globales y los ecosistemas marinos y costeros.

En el caso de las aguas subterráneas, el problema principal es la contaminación del agua potable, si el acuífero se extrae para uso humano. Con respecto a la contaminación del suelo, las aguas de escorrentía pueden tener dos vías importantes de preocupación. En primer lugar, el agua de escorrentía puede extraer contaminantes del suelo y llevarlos en forma de contaminación del agua a hábitats acuáticos aún más sensibles. En segundo lugar, la escorrentía puede depositar contaminantes en suelos prístinos, creando consecuencias ecológicas o para la salud.

Cuestiones agrícolas

El otro contexto de las cuestiones agrícolas implica el transporte de productos químicos agrícolas (nitratos, fosfatos, pesticidas, herbicidas, etc.) a través de la escorrentía superficial. Este resultado se produce cuando el uso de productos químicos es excesivo o está mal sincronizado con respecto a las precipitaciones elevadas. La escorrentía contaminada resultante representa no solo un desperdicio de productos químicos agrícolas, sino también una amenaza ambiental para los ecosistemas río abajo. Las pajitas de pino a menudo se usan para proteger el suelo de la erosión del suelo y el crecimiento de malezas. Sin embargo, la cosecha de estos cultivos puede resultar en un aumento de la erosión del suelo.

Problemas económicos.

La escorrentía superficial produce una cantidad significativa de efectos económicos. Las pajitas de pino son formas rentables de lidiar con la escorrentía superficial. Además, la escorrentía superficial se puede reutilizar mediante el crecimiento de la masa de elefantes. En Nigeria, la hierba elefante se considera una forma económica de reducir la escorrentía superficial y la erosión. Además, China ha sufrido un impacto significativo por la escorrentía superficial en la mayoría de sus cultivos económicos, como las hortalizas. Por lo tanto, se sabe que implementaron un sistema que redujo la pérdida de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en el suelo.

Inundación

Las inundaciones ocurren cuando un curso de agua no puede transportar la cantidad de escorrentía que fluye río abajo. La frecuencia con la que esto ocurre se describe mediante un período de retorno. La inundación es un proceso natural que mantiene la composición y los procesos del ecosistema, pero también puede verse alterado por cambios en el uso del suelo, como la ingeniería fluvial. Las inundaciones pueden ser tanto beneficiosas para las sociedades como causar daños. La agricultura a lo largo de la llanura aluvial del Nilo aprovechó las inundaciones estacionales que depositaron nutrientes beneficiosos para los cultivos. Sin embargo, a medida que aumenta el número y la susceptibilidad de los asentamientos, las inundaciones se convierten cada vez más en un peligro natural. En áreas urbanas, la escorrentía superficial es la principal causa de inundaciones urbanas, conocida por su impacto repetitivo y costoso en las comunidades.Los impactos adversos abarcan la pérdida de vidas, los daños a la propiedad, la contaminación de los suministros de agua, la pérdida de cultivos y la dislocación social y la falta de vivienda temporal. Las inundaciones se encuentran entre los desastres naturales más devastadores. El uso de riego suplementario también se reconoce como una forma significativa en la que los cultivos como el maíz pueden retener los fertilizantes nitrogenados en el suelo, lo que mejora la disponibilidad de agua para los cultivos.

Mitigación y tratamiento

La mitigación de los impactos adversos de la escorrentía puede tomar varias formas:

• Controles de desarrollo del uso del suelo destinados a minimizar las superficies impermeables en áreas urbanas
• Controles de erosión para granjas y sitios de construcción
• Programas de modernización y control de inundaciones, como infraestructura verde
• Controles de uso y manipulación de productos químicos en agricultura, mantenimiento de jardines, uso industrial, etc.

Controles de uso de suelo. Muchas agencias reguladoras mundiales han fomentado la investigación sobre métodos para minimizar la escorrentía total de la superficie al evitar la construcción de superficies duras innecesarias. Muchos municipios han elaborado pautas y códigos (zonificación y ordenanzas relacionadas) para urbanizadores que fomentan aceras de ancho mínimo, el uso de adoquines colocados en la tierra para entradas de vehículos y aceras y otras técnicas de diseño para permitir la máxima infiltración de agua en entornos urbanos. Un ejemplo de un programa local que especifica los requisitos de diseño, las prácticas de construcción y los requisitos de mantenimiento para edificios y propiedades se encuentra en Santa Mónica, California.

Los controles de erosión han aparecido desde la época medieval cuando los agricultores se dieron cuenta de la importancia de la agricultura de contorno para proteger los recursos del suelo. A partir de la década de 1950, estos métodos agrícolas se volvieron cada vez más sofisticados. En la década de 1960, algunos gobiernos estatales y locales comenzaron a centrar sus esfuerzos en la mitigación de la escorrentía de la construcción al exigir a los constructores que implementaran controles de erosión y sedimentos (ESC). Esto incluyó técnicas tales como: uso de balas de paja y barreras para reducir la escorrentía en las pendientes, instalación de cercas de cieno, programación de la construcción para los meses con menos lluvia y minimización de la extensión y duración de las áreas niveladas expuestas. El condado de Montgomery, Maryland, implementó el primer programa de control de sedimentos del gobierno local en 1965, y esto fue seguido por un programa estatal en Maryland en 1970.

Los programas de control de inundaciones ya en la primera mitad del siglo XX se volvieron cuantitativos en la predicción de los caudales máximos de los sistemas fluviales. Progresivamente se han desarrollado estrategias para minimizar los flujos máximos y también para reducir las velocidades de los canales. Algunas de las técnicas comúnmente aplicadas son: provisión de estanques de retención (también llamados cuencas de retención o lagos de equilibrio) para amortiguar los caudales máximos de los ríos, uso de disipadores de energía en canales para reducir la velocidad de la corriente y controles de uso de la tierra para minimizar la escorrentía.

Uso y manipulación de productos químicos. Tras la promulgación de la Ley de Recuperación y Conservación de Recursos de EE. UU. (RCRA) en 1976, y más tarde la Ley de Calidad del Agua de 1987, los estados y las ciudades se han vuelto más vigilantes en el control de la contención y el almacenamiento de sustancias químicas tóxicas, evitando así las liberaciones y fugas. Los métodos comúnmente aplicados son: requisitos para la doble contención de tanques de almacenamiento subterráneos, registro del uso de materiales peligrosos, reducción en la cantidad de pesticidas permitidos y una regulación más estricta de fertilizantes y herbicidas en el mantenimiento del paisaje. En muchos casos industriales, se requiere un pretratamiento de los desechos para minimizar el escape de contaminantes a las alcantarillas sanitarias o pluviales.

La Ley de Agua Limpia de EE. UU. (CWA, por sus siglas en inglés) requiere que los gobiernos locales en áreas urbanizadas (según lo define la Oficina del Censo) obtengan permisos de descarga de aguas pluviales para sus sistemas de drenaje. Esencialmente, esto significa que la localidad debe operar un programa de gestión de aguas pluviales para toda la escorrentía superficial que ingresa al sistema municipal de alcantarillado pluvial separado ("MS4"). Las regulaciones estatales y de la EPA y las publicaciones relacionadas describen seis componentes básicos que cada programa local debe contener:

• Educación pública (informar a las personas, los hogares y las empresas sobre las formas de evitar la contaminación de las aguas pluviales)
• Participación pública (apoyar la participación pública en la implementación de programas locales)
• Detección y eliminación de descargas ilícitas (eliminación de alcantarillado sanitario u otras conexiones que no sean de aguas pluviales a la MS4)
• Controles de escorrentía del sitio de construcción (es decir, controles de erosión y sedimentos)
• Controles de gestión de aguas pluviales posteriores a la construcción (es decir, permanentes)
• Prevención de la contaminación (p. ej., manejo mejorado de productos químicos, incluida la gestión de combustibles y aceites para motores, fertilizantes, pesticidas y descongeladores de carreteras) y medidas de "buena limpieza" (p. ej., mantenimiento del sistema).

Otros propietarios que operan sistemas de desagüe pluvial similares a los de los municipios, como los sistemas de carreteras estatales, las universidades, las bases militares y las prisiones, también están sujetos a los requisitos del permiso MS4.

Medición y modelado matemático

La escorrentía se analiza mediante el uso de modelos matemáticos en combinación con varios métodos de muestreo de calidad del agua. Las mediciones se pueden realizar utilizando instrumentos de análisis de calidad del agua automatizados continuos dirigidos a contaminantes tales como productos químicos orgánicos o inorgánicos específicos, pH, turbidez, etc. o dirigidos a indicadores secundarios como el oxígeno disuelto. Las mediciones también se pueden realizar por lotes extrayendo una sola muestra de agua y realizando cualquier número de pruebas químicas o físicas en esa muestra.

En la década de 1950 o antes, aparecieron modelos de transporte de hidrología para calcular cantidades de escorrentía, principalmente para el pronóstico de inundaciones. A principios de la década de 1970, se desarrollaron modelos informáticos para analizar el transporte de la escorrentía que transportaba contaminantes del agua, que consideraban las tasas de disolución de varios productos químicos, la infiltración en los suelos y la carga final de contaminantes entregada a las aguas receptoras. Uno de los primeros modelos que abordan la disolución química en la escorrentía y el transporte resultante se desarrolló a principios de la década de 1970 bajo contrato con la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). Este modelo informático formó la base de gran parte del estudio de mitigación que condujo a estrategias para el control del uso de la tierra y el manejo de productos químicos.

Cada vez más, los profesionales de aguas pluviales han reconocido la necesidad de modelos de Monte Carlo para simular procesos de aguas pluviales debido a las variaciones naturales en múltiples variables que afectan la calidad y cantidad de la escorrentía. El beneficio del análisis de Monte Carlo no es disminuir la incertidumbre en las estadísticas de entrada, sino representar las diferentes combinaciones de las variables que determinan los riesgos potenciales de las desviaciones de la calidad del agua. Un ejemplo de este tipo de modelo de aguas pluviales es el modelo de dilución y carga empírica estocástica (SELDM)es un modelo de calidad de aguas pluviales. SELDM está diseñado para transformar datos científicos complejos en información significativa sobre el riesgo de efectos adversos de la escorrentía en las aguas receptoras, la necesidad potencial de medidas de mitigación y la eficacia potencial de dichas medidas de gestión para reducir estos riesgos. SELDM proporciona un método para la evaluación rápida de información que de otro modo sería difícil o imposible de obtener porque modela las interacciones entre variables hidrológicas (con diferentes distribuciones de probabilidad) que dan como resultado una población de valores que representan resultados probables a largo plazo de los procesos de escorrentía y la efectos potenciales de diferentes medidas de mitigación.

Se han desarrollado otros modelos informáticos (como el modelo DSSAM) que permiten rastrear la escorrentía superficial a través del curso de un río como contaminantes reactivos del agua. En este caso, la escorrentía superficial puede considerarse como una fuente directa de contaminación del agua hacia las aguas receptoras.