Superficie impermeable

superficies impermeables son principalmente estructuras artificiales, como pavimentos (carreteras, aceras, vías de acceso y estacionamientos, así como áreas industriales como aeropuertos, puertos y centros de logística y distribución, todos los cuales utilizan considerables áreas pavimentadas) que están cubiertas por materiales resistentes al agua como asfalto, hormigón, ladrillo, piedra y tejados. Los suelos compactados por el desarrollo urbano también son muy impermeables.

Efectos ambientales

Las superficies impermeables son una preocupación ambiental porque su construcción inicia una cadena de eventos que modifica los recursos urbanos de aire y agua:

• Los materiales de pavimento sellan la superficie del suelo, eliminando la infiltración de agua de lluvia y la recarga natural de aguas subterráneas. Esto puede causar inundaciones urbanas. Un artículo en el Seattle Times afirma que "mientras las zonas urbanas cubren sólo el 3% de los EE.UU., se estima que su descorte es la principal fuente de contaminación en el 13 por ciento de los ríos, el 18 por ciento de los lagos y el 32 por ciento de los estuarios".

Algunos de estos contaminantes incluyen el exceso de nutrientes de los fertilizantes; patógenos; desechos de mascotas; gasolina, aceite de motor y metales pesados de vehículos; altas cargas de sedimentos de los sitios de erosión y construcción de la cama de corriente; y desechos tales como culatas de cigarrillos, soportes de 6 paquetes y bolsas de plástico transportadas por oleadas de agua de tormenta. En algunas ciudades, las aguas de inundación entran en alcantarillas combinadas, causando que se desborden, arrojando sus aguas residuales crudas en arroyos. La escorrentía contaminada puede tener muchos efectos negativos sobre peces, animales, plantas y personas.

• Las superficies impermeables recogen el calor solar en su masa densa. Cuando se libera el calor, eleva las temperaturas del aire, produciendo "islas de calor" urbanas y aumentando el consumo de energía en los edificios. La escorrentía cálida de las superficies impermeables reduce el oxígeno disuelto en el agua corriente, dificultando la vida en los ecosistemas acuáticos.
• Los pavimentos inmundos privan las raíces de los árboles de la aeración, eliminando el "bosque urbano" y la sombra de los canopy que de otro modo moderado clima urbano. Debido a que las superficies impermeables desplazan la vegetación viva, reducen la productividad ecológica e interrumpen el ciclo del carbono atmosférico.

La cobertura total por superficies impermeables en una zona, como un municipio o una cuenca hidrográfica, se expresa generalmente como porcentaje del área total de la tierra. La cobertura aumenta con la creciente urbanización. En las zonas rurales, la cobertura impermeable sólo puede ser de uno o dos por ciento. En las zonas residenciales, la cobertura aumenta de cerca del 10% en subdivisiones de baja densidad a más del 50% en comunidades multifamiliares. En las zonas industriales y comerciales, la cobertura supera el 70%. En centros comerciales regionales y zonas urbanas densas, es más del 90%. En los 48 estados contiguos de Estados Unidos, la cubierta impermeable urbana suma hasta 43.000 millas cuadradas (110.000 km)²). El desarrollo añade 390 millas cuadradas (1,000 km)²) anualmente. Típicamente, dos tercios de la cubierta son pavimentos y un tercio es techos de construcción.

Mitigación de impactos ambientales

La cobertura de superficies impermeables se puede limitar restringiendo la densidad del uso de la tierra (como una cantidad de viviendas por acre en una subdivisión), pero este enfoque hace que se desarrollen tierras en otros lugares (fuera de la subdivisión) para dar cabida a la creciente población. (Ver expansión urbana.) Alternativamente, las estructuras urbanas se pueden construir de manera diferente para que funcionen más como suelos naturalmente permeables; ejemplos de tales estructuras alternativas son pavimentos porosos, techos verdes y cuencas de infiltración.

El agua de lluvia de superficies impermeables se puede recolectar en tanques de agua de lluvia y usarla en lugar del agua principal. La isla de Catalina, ubicada al oeste del puerto de Long Beach, ha realizado grandes esfuerzos para capturar las precipitaciones para minimizar el costo de transporte desde el continente.

En parte como respuesta a las recientes críticas de los municipios, varios fabricantes de concreto como CEMEX y Quikrete han comenzado a producir materiales permeables que mitigan en parte el impacto ambiental del concreto impermeable convencional. Estos nuevos materiales están compuestos de varias combinaciones de sólidos de origen natural, incluidas rocas y minerales de grano fino a grueso, materia orgánica (incluidos organismos vivos), hielo, rocas erosionadas y precipitados, líquidos (principalmente soluciones acuosas) y gases. La pandemia de la COVID-19 dio origen a propuestas de cambio radical en la organización de la ciudad, siendo la reducción drástica de la presencia de superficies impermeables y la recuperación de la permeabilidad del suelo uno de los elementos.

Porcentaje de impermeabilidad

El porcentaje de impermeabilidad, comúnmente denominado PIMP en los cálculos, es un factor importante al considerar el drenaje del agua. Se calcula midiendo el porcentaje de un área de captación que está formada por superficies impermeables como carreteras, techos y otras superficies pavimentadas. Una estimación de PIMP viene dada por PIMP = 6,4J^0,5 donde J es el número de viviendas por hectárea (Butler y Davies 2000). Por ejemplo, los bosques tienen un valor PIMP del 10%, mientras que las áreas comerciales densas tienen un valor PIMP del 100%. Esta variable se utiliza en el Manual de estimación de inundaciones.

Homer y otros (2007) indican que alrededor del 76 por ciento de los Estados Unidos continentales están clasificados con menos del 1 por ciento de cobertura impermeable, el 11 por ciento con una cobertura impermeable del 1 al 10 por ciento, el 4 por ciento con una cobertura impermeable estimada del 11 por ciento. al 20 por ciento, el 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada del 21 al 40 por ciento, y alrededor del 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada superior al 40 por ciento.

Área impermeable total

El área impermeable total (TIA), comúnmente denominada cobertura impermeable (IC) en los cálculos, se puede expresar como una fracción (de cero a uno) o un porcentaje. Existen muchos métodos para estimar la TIA, incluido el uso del Conjunto Nacional de Datos de Cobertura Terrestre (NLCD) con un Sistema de Información Geográfica (SIG), categorías de uso de la tierra con estimaciones categóricas de la TIA, un porcentaje generalizado de área desarrollada y relaciones entre densidad de población y TIA.

El conjunto de datos de superficies impermeables del NLCD de EE. UU. puede proporcionar un conjunto de datos de cobertura terrestre consistentes a nivel nacional y de alta calidad en un formato listo para SIG que se puede utilizar para estimar el valor de TIA. El NLCD cuantifica consistentemente el porcentaje de TIA antropogénico para el NLCD con una resolución de píxeles de 30 metros (900 m2) en todo el país. Dentro del conjunto de datos, se cuantifica que cada píxel tiene un valor TIA que oscila entre 0 y 100 por ciento. Las estimaciones de TIA realizadas con el conjunto de datos de superficies impermeables del NLCD representan un valor de TIA agregado para cada píxel en lugar de un valor de TIA para una característica impermeable individual. Por ejemplo, una carretera de dos carriles en un campo cubierto de hierba tiene un valor TIA del 100 por ciento, pero el píxel que contiene la carretera tendría un valor TIA del 26 por ciento. Si la carretera (por igual) se extiende a ambos lados del límite de dos píxeles, cada píxel tendría un valor TIA del 13 por ciento. El análisis de la calidad de los datos del conjunto de datos del NLCD 2001 con áreas de muestra de TIA delimitadas manualmente indica que el error promedio de la TIA prevista versus la real puede oscilar entre 8,8 y 11,4 por ciento.

Las estimaciones de TIA a partir del uso de la tierra se realizan identificando categorías de uso de la tierra para grandes bloques de tierra, sumando el área total de cada categoría y multiplicando cada área por un coeficiente TIA característico. Las categorías de uso de la tierra se utilizan comúnmente para estimar la TIA porque las áreas con un uso de tierra común pueden identificarse a partir de estudios de campo, mapas, información de planificación y zonificación y imágenes remotas. Los métodos de coeficientes de uso de la tierra se utilizan comúnmente porque los mapas de planificación y zonificación que identifican áreas similares están cada vez más disponibles en formatos SIG. Además, se seleccionan métodos de uso de la tierra para estimar los efectos potenciales del desarrollo futuro en TIA con mapas de planificación que cuantifican los cambios proyectados en el uso de la tierra. Existen diferencias sustanciales en las estimaciones de TIA reales y estimadas de diferentes estudios en la literatura. Términos como baja densidad y alta densidad pueden diferir en diferentes áreas. Una densidad residencial de medio acre por casa puede clasificarse como densidad alta en un área rural, densidad media en un área suburbana y densidad baja en un área urbana. Granato (2010) proporciona una tabla con valores de TIA para diferentes categorías de uso de la tierra a partir de 30 estudios en la literatura.

El porcentaje de área desarrollada (PDA) se utiliza comúnmente para estimar TIA manualmente mediante mapas. El Consorcio de Características de la Tierra de Resolución Múltiple (MRLCC) define un área desarrollada como aquella que está cubierta por al menos el 30 por ciento de los materiales construidos. Southard (1986) definió las áreas no desarrolladas como desarrollo residencial natural, agrícola o disperso. Desarrolló una ecuación de regresión para predecir TIA utilizando el porcentaje de área desarrollada (tabla 6-1). Desarrolló su ecuación utilizando una función de potencia logarítmica con datos de 23 cuencas en Missouri. Señaló que este método era ventajoso porque se podían delinear rápidamente grandes cuencas y estimar TIA manualmente a partir de los mapas disponibles. Granato (2010) desarrolló una ecuación de regresión utilizando datos de 262 cuencas fluviales en 10 áreas metropolitanas de los Estados Unidos contiguos con áreas de drenaje que oscilan entre 0,35 y 216 millas cuadradas y valores de PDA que oscilan entre 0,16 y 99,06 por ciento.

El TIA también se estima a partir de datos de densidad de población estimando la población en un área de interés y usando ecuaciones de regresión para calcular el TIA asociado. Se utilizan datos de densidad de población porque los datos de bloques censales consistentes a nivel nacional están disponibles en formatos SIG para todo Estados Unidos. Los métodos de densidad de población también pueden usarse para predecir efectos potenciales del desarrollo futuro. Aunque puede haber una variación sustancial en las relaciones entre la densidad de población y la TIA, la precisión de tales estimaciones tiende a mejorar al aumentar el área de drenaje a medida que se promedian las variaciones locales. Granato (2010) proporciona una tabla con 8 relaciones de densidad de población extraídas de la literatura y una nueva ecuación desarrollada utilizando datos de 6255 cuencas fluviales en el conjunto de datos GAGESII del USGS. Granato (2010) también proporciona cuatro ecuaciones para estimar la TIA a partir de la densidad de vivienda, que está relacionada con la densidad de población.

El TIA también se estima a partir de mapas impermeables extraídos mediante teledetección. La teledetección se ha utilizado ampliamente para detectar superficies impermeables. La detección de áreas impermeables mediante el aprendizaje profundo junto con imágenes satelitales se ha convertido en un método transformador en la teledetección y el monitoreo ambiental. Los algoritmos de aprendizaje profundo, en particular las redes neuronales convolucionales (CNN), han revolucionado nuestra capacidad para identificar y cuantificar superficies impermeables a partir de imágenes satelitales de alta resolución. Estos modelos pueden extraer automáticamente características espaciales y espectrales complejas, lo que les permite discriminar entre superficies impermeables y no impermeables con una precisión excepcional.

Zona natural impermeable

Las áreas naturales impermeables se definen aquí como coberturas terrestres que pueden contribuir con una cantidad sustancial de flujo de tormenta durante tormentas pequeñas y grandes, pero comúnmente se clasifican como áreas permeables. Estas áreas no se consideran comúnmente como una fuente importante de flujo de tormenta en la mayoría de los estudios de calidad de escorrentía urbana y de carreteras, pero pueden producir una cantidad sustancial de flujo de tormenta. Estas áreas naturales impermeables pueden incluir aguas abiertas, humedales, afloramientos rocosos, suelos áridos (suelos naturales con baja impermeabilidad) y áreas de suelos compactados. Las áreas naturales impermeables, dependiendo de su naturaleza y condiciones antecedentes, pueden producir flujos de tormenta debido a la infiltración de exceso de flujo terrestre, flujo superficial de saturación o precipitación directa. Se espera que los efectos de las áreas naturales impermeables sobre la generación de escorrentía sean más importantes en áreas con baja TIA que en áreas altamente desarrolladas.

La NLCD proporciona estadísticas de cobertura terrestre que pueden usarse como una medida cualitativa de la prevalencia de diferentes coberturas terrestres que pueden actuar como áreas naturales impermeables. El agua abierta puede actuar como un área natural impermeable si la precipitación directa se dirige a través de la red de canales y llega como flujo de tormenta al sitio de interés. Los humedales pueden actuar como un área natural impermeable durante las tormentas cuando la descarga de aguas subterráneas y el flujo superficial de saturación representan una proporción sustancial del flujo de tormenta. Los terrenos áridos en áreas ribereñas pueden actuar como un área natural impermeable durante las tormentas porque estas áreas son una fuente de infiltración excesiva de flujos terrestres. Áreas aparentemente permeables que han sido afectadas por actividades de desarrollo pueden actuar como áreas impermeables y generan exceso de infiltración en flujos terrestres. Estos flujos de tormenta pueden ocurrir incluso durante tormentas que no cumplen con los criterios de volumen o intensidad de precipitación para producir escorrentía basada en tasas de infiltración nominales.

Las áreas permeables desarrolladas pueden comportarse como áreas impermeables porque el desarrollo y el uso posterior tienden a compactar los suelos y reducir las tasas de infiltración. Por ejemplo, Felton y Lull (1963) midieron las tasas de infiltración de suelos forestales y céspedes para indicar una reducción potencial del 80 por ciento en la infiltración como resultado de las actividades de desarrollo. De manera similar, Taylor (1982) realizó pruebas de infiltrómetro en áreas antes y después del desarrollo suburbano y observó que la alteración y compactación de la capa superior del suelo por las actividades de construcción reducían las tasas de infiltración en más del 77 por ciento.