Las superficies impermeables son principalmente estructuras artificiales, como pavimentos ( carreteras , aceras , accesos 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 agua. Materiales resistentes como asfalto , hormigón , ladrillo , piedra ... y tejados . Los suelos compactados por el desarrollo urbano también son muy impermeables.
Las superficies impermeables son una preocupación ambiental porque su construcción inicia una cadena de eventos que modifican los recursos urbanos de aire y agua:
La cobertura total por superficies impermeables en una zona, como un municipio o una cuenca , suele expresarse como porcentaje de la superficie terrestre total. La cobertura aumenta con la creciente urbanización . En las zonas rurales, la cobertura impermeable puede ser sólo del uno o dos por ciento. En las zonas residenciales, la cobertura aumenta de aproximadamente el 10 por ciento en subdivisiones de baja densidad a más del 50 por ciento en comunidades multifamiliares. En las zonas industriales y comerciales, la cobertura supera el 70 por ciento. En los centros comerciales regionales y en las zonas urbanas densas, supera el 90 por ciento. En los 48 estados contiguos de EE.UU., la cobertura urbana impermeable suma 43.000 millas cuadradas (110.000 km 2 ). El desarrollo añade 390 millas cuadradas (1.000 km 2 ) anualmente. Normalmente, dos tercios de la cubierta son pavimentos y un tercio son tejados de edificios. [2]
La cobertura de superficies impermeables puede limitarse restringiendo la densidad de uso del suelo (como el número de viviendas por acre en una subdivisión), pero este enfoque hace que se desarrollen terrenos 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 recoger en tanques de agua de lluvia y utilizarla en lugar del agua principal. La isla 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 . [3] La pandemia de COVID-19 dio origen a propuestas de cambio radical en la organización de la ciudad, [4] siendo la reducción drástica de la presencia de superficies impermeables y la recuperación de la permeabilidad del suelo uno de los elementos.
El porcentaje de impermeabilidad, comúnmente denominado PIMP en los cálculos, es un factor importante al considerar el drenaje de 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 al 20 por ciento. , 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada de 21 a 40 por ciento, y aproximadamente 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada superior al 40 por ciento. [5] [6]
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 de Datos Nacionales de Cobertura Terrestre (NLCD) [7] 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 AIT. [6]
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 puede usarse para estimar el valor de TIA. [6] La NLCD cuantifica consistentemente el porcentaje de TIA antropogénico para la 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. [5]
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. [6] 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 de 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. [8] 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. [9] Una densidad residencial de medio acre por casa puede clasificarse como alta densidad en un área rural, densidad media en un área suburbana y baja densidad en un área urbana. Granato (2010) [6] 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. [6] El Consorcio de Características de la Tierra de Resolución Múltiple (MRLCC) define un área desarrollada como cubierta por al menos el 30 por ciento de materiales construidos [10] ). Southard (1986) [11] 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) [6] 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.
La TIA también se estima a partir de datos de densidad de población estimando la población en un área de interés y utilizando ecuaciones de regresión para calcular la TIA asociada. [6] Se utilizan datos de densidad de población porque los datos de bloques censales consistentes a nivel nacional están disponibles en formatos GIS 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. [12] Granato (2010) [6] proporciona una tabla con 8 relaciones de densidad de población de la literatura y una nueva ecuación desarrollada utilizando datos de 6255 cuencas de arroyos en el conjunto de datos GAGESII del USGS. [13] Granato (2010) [6] también proporciona cuatro ecuaciones para estimar el 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. [14] [15] 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. [16] [17] [18]
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. [6] 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 [19] 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 generar flujos terrestres excesivos de infiltración. Estos flujos de tormenta pueden ocurrir incluso durante tormentas que no cumplen con los criterios de intensidad o volumen 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) [20] 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) [21] 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.
Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del Servicio Geológico de los Estados Unidos y la Administración Federal de Carreteras .