Las aguas pluviales , también llamadas aguas de tormenta , son aquellas que se originan a partir de precipitaciones ( tormentas ), incluidas las fuertes lluvias y el agua de deshielo del granizo y la nieve . Las aguas pluviales pueden filtrarse en el suelo ( infiltrarse ) y convertirse en agua subterránea , almacenarse en la superficie terrestre deprimida en estanques y charcos , evaporarse nuevamente a la atmósfera o contribuir a la escorrentía superficial . La mayor parte de la escorrentía se transporta directamente como agua superficial a arroyos , ríos u otros grandes cuerpos de agua cercanos ( humedales , lagos y océanos ) sin tratamiento.
En paisajes naturales, como los bosques, el suelo absorbe gran parte de las aguas pluviales. Las plantas también reducen las aguas pluviales mejorando la infiltración, interceptando las precipitaciones a medida que caen y absorbiendo agua a través de sus raíces. En entornos desarrollados, como las ciudades , las aguas pluviales no gestionadas pueden crear dos problemas importantes: uno relacionado con el volumen y el momento de la escorrentía ( inundaciones ) y el otro relacionado con los posibles contaminantes que transporta el agua ( contaminación del agua ). Además de los contaminantes transportados por la escorrentía de las aguas pluviales, la escorrentía urbana se está reconociendo como una causa de contaminación por derecho propio.
Las aguas pluviales también son un recurso importante a medida que la población humana y la demanda de agua aumentan, en particular en climas áridos y propensos a la sequía. Las técnicas de recolección y purificación de aguas pluviales podrían hacer que algunos entornos urbanos sean autosuficientes en términos de agua.
Con menos vegetación y superficies más impermeables ( estacionamientos , caminos , edificios , suelo compactado ), las áreas desarrolladas permiten que se filtre menos lluvia en el suelo y se genere más escorrentía que en condiciones no desarrolladas. Además, los pasajes como zanjas y alcantarillas pluviales transportan rápidamente la escorrentía lejos de las áreas comerciales y residenciales hacia los cuerpos de agua cercanos. Esto aumenta en gran medida el volumen de agua en los cursos de agua y la descarga de esos cursos de agua, lo que conduce a la erosión y las inundaciones. Debido a que el agua se elimina de la cuenca hidrográfica durante el evento de tormenta, poco se infiltra en el suelo, repone las aguas subterráneas o suministra el caudal base del arroyo en clima seco. [1]
Una primera descarga es la escorrentía inicial de una tormenta de lluvia. Durante esta fase, el agua contaminada que ingresa a los desagües pluviales en áreas con altas proporciones de superficies impermeables suele estar más concentrada en comparación con el resto de la tormenta. En consecuencia, estas altas concentraciones de escorrentía urbana dan como resultado altos niveles de contaminantes descargados desde las alcantarillas pluviales a las aguas superficiales . [2] [3] : 216
Las actividades humanas diarias dan lugar a la deposición de contaminantes en carreteras , céspedes , tejados , campos agrícolas y otras superficies terrestres. Dichos contaminantes incluyen basura, sedimentos, nutrientes, bacterias, pesticidas, metales y subproductos del petróleo. [4] Cuando llueve o hay riego , el agua se escurre y finalmente llega a un río , un lago o el océano . Si bien hay cierta atenuación de estos contaminantes antes de ingresar a las aguas receptoras, la escorrentía contaminada produce cantidades lo suficientemente grandes de contaminantes como para dañar las aguas receptoras. [5]
Además de los contaminantes que se transportan en las escorrentías pluviales , la escorrentía urbana se reconoce como una causa de contaminación por derecho propio. En las cuencas naturales, la escorrentía superficial que ingresa a los cursos de agua es un evento relativamente raro, que ocurre solo unas pocas veces al año y, por lo general, después de tormentas más grandes. Antes de que se produjeran desarrollos, la mayor parte de las precipitaciones se filtraban en el suelo y contribuían a la recarga de las aguas subterráneas o se reciclaban en la atmósfera por la vegetación a través de la evapotranspiración .
Los sistemas de drenaje modernos, que recogen la escorrentía de superficies impermeables (por ejemplo, techos y carreteras), garantizan que el agua se traslade de manera eficiente a los cursos de agua a través de redes de tuberías, lo que significa que incluso pequeñas tormentas resultan en mayores caudales en los cursos de agua.
Además de transportar mayores contaminantes desde la cuenca urbana, el aumento del caudal de las aguas pluviales puede provocar erosión fluvial , fomentar la invasión de malezas y alterar los regímenes naturales de caudal. Las especies nativas a menudo dependen de dichos regímenes de caudal para el desove, el desarrollo de las crías y la migración. Se ha observado que la escorrentía de aguas pluviales de las carreteras contiene muchos metales, entre ellos zinc (Zn), cadmio (Cd), cobre (Cu), níquel (Ni), plomo (Pb), cromo (Cr), manganeso (Mn), hierro (Fe), vanadio (V), cobalto (Co) y aluminio (Al) (Sansalone y Buchberger, 1997; Westerlund y Viklander, 2006) [ cita completa necesaria ] y otros componentes.
En algunas zonas, especialmente a lo largo de la costa estadounidense, los vertidos contaminantes de carreteras y autopistas pueden ser la principal fuente de contaminación del agua . Por ejemplo, alrededor del 75 por ciento de los productos químicos tóxicos que llegan a Seattle , en el estrecho de Puget en Washington , son transportados por las aguas pluviales que se escurren por carreteras y caminos pavimentados, tejados, jardines y otras tierras urbanizadas. [6]
Las aguas pluviales industriales son las escorrentías de las precipitaciones que caen sobre instalaciones industriales (por ejemplo, plantas de fabricación, minas, aeropuertos). Estas escorrentías suelen estar contaminadas por materiales que se manipulan o almacenan en las instalaciones, y las instalaciones están sujetas a regulaciones para controlar los vertidos. [7] [8]
Las instalaciones de gestión de aguas pluviales (SWMF, por sus siglas en inglés) generalmente se diseñan utilizando la ley de Stokes para permitir un tratamiento rudimentario a través de la sedimentación de partículas de más de 40 micrones de tamaño y para embalsar el agua para reducir las inundaciones río abajo. Sin embargo, la regulación sobre el efluente de SWMF se está volviendo más estricta. El impacto del nutriente, fósforo , ya sea disuelto a partir de (fertilizantes) o unido a partículas de sedimento de la escorrentía de la construcción o la agricultura, causa la proliferación de algas y cianobacterias tóxicas (también conocidas como algas verdeazuladas ) en los lagos receptores. La cianotoxina es de particular preocupación ya que muchas plantas de tratamiento de agua potable no pueden eliminar eficazmente este peligro para la salud. En un estudio reciente de tratamiento de aguas pluviales municipales, [9] se utilizó una tecnología avanzada de sedimentación de forma pasiva en tuberías de aguas pluviales de gran diámetro aguas arriba de SWMF para eliminar un promedio del 90% de TSS y fósforo durante un evento de lluvia de casi 50 años, convirtiendo una instalación de gestión en una instalación de tratamiento pasivo.
El tratamiento químico de las aguas pluviales para eliminar los contaminantes se puede lograr sin mejoras de infraestructura a gran escala. Las tecnologías de tratamiento pasivo utilizan la energía del agua que fluye por gravedad a través de zanjas, canales, alcantarillas, tuberías u otros medios de transporte construidos para permitir el tratamiento. Los productos autodosificantes, como los floculantes en gel, se colocan en el agua que fluye, donde las partículas de sedimento, los coloides y la energía del flujo se combinan para liberar la dosis necesaria, creando así flóculos pesados que luego se pueden filtrar o sedimentar fácilmente. Las fibras tejidas naturales como el yute se utilizan a menudo en los fondos de las zanjas para actuar como medio de filtración. También se pueden colocar esteras de retención de sedimentos in situ para capturar los flóculos. La sedimentación en un depósito de carga se utiliza a menudo como un área de deposición para clarificar el agua y concentrar el material. La minería, la construcción pesada y otras industrias han utilizado sistemas pasivos durante más de veinte años. Este tipo de sistemas son bajos en carbono ya que no se necesita ninguna fuente de energía externa, requieren poca habilidad para operar, un mantenimiento mínimo y son efectivos para reducir los sólidos suspendidos totales , algunos metales pesados y el nutriente fósforo .
Las aguas pluviales son una de las principales causas de las inundaciones urbanas . Las inundaciones urbanas son la inundación de terrenos o propiedades en un entorno urbanizado causada por aguas pluviales que superan la capacidad de los sistemas de drenaje , como las alcantarillas pluviales . Aunque se desencadenan por eventos únicos, como inundaciones repentinas o derretimiento de nieve , las inundaciones urbanas son una condición que se caracteriza por sus impactos repetitivos, costosos y sistémicos en las comunidades. En áreas susceptibles a inundaciones urbanas, se pueden instalar válvulas de retención y otra infraestructura para mitigar las pérdidas.
En las propiedades construidas con sótanos , las inundaciones urbanas son la principal causa de los atascos en los sótanos y las alcantarillas. Aunque el número de víctimas de las inundaciones urbanas suele ser limitado, las consecuencias económicas, sociales y ambientales pueden ser considerables: además de los daños directos a la propiedad y la infraestructura ( autopistas , servicios públicos y servicios), las casas crónicamente húmedas están vinculadas a un aumento de los problemas respiratorios y otras enfermedades. [10] Los atascos de alcantarillado suelen deberse al sistema de alcantarillado sanitario, que absorbe parte del agua de lluvia como resultado de la infiltración/entrada .
Un ejemplo de un hundimiento provocado por las aguas pluviales urbanas es el derrumbe de Dishman Lane ocurrido el 25 de febrero de 2002 en Bowling Green, Kentucky, donde un hundimiento de repente dejó caer la calle debajo de cuatro vehículos en circulación. La reparación del derrumbe de Dishman Lane, que duró nueve meses, costó un millón de dólares, pero sigue existiendo la posibilidad de que surjan problemas en el futuro. [12]
En áreas no perturbadas con drenaje subterráneo natural ( karst ), los fragmentos de tierra y roca obstruyen las aberturas kársticas, lo que constituye una autolimitación para el crecimiento de las aberturas. [13] : 189–190, 196 El sistema de drenaje kárstico no perturbado se equilibra con el clima para poder drenar el agua producida por la mayoría de las tormentas. Sin embargo, surgen problemas cuando el paisaje se altera por el desarrollo urbano. [14] : 28 En áreas urbanas con drenaje subterráneo natural ( karst ) no hay corrientes superficiales hacia donde se escurra el aumento de aguas pluviales de superficies impermeables como techos, estacionamientos y calles. En cambio, las aguas pluviales ingresan al sistema de drenaje subterráneo al moverse hacia abajo a través del suelo. Cuando el flujo de agua subterránea se vuelve lo suficientemente grande como para transportar fragmentos de tierra y roca, las aberturas kársticas crecen rápidamente. [13] : 190 Cuando las aberturas kársticas están cubiertas por piedra caliza de soporte ( competente ), con frecuencia no hay una advertencia superficial de que una abertura ha crecido tanto que de repente se derrumbará catastróficamente. [13] : 198 Por lo tanto, la planificación del uso de la tierra para nuevos desarrollos debe evitar las áreas kársticas. [14] : 37–38 En última instancia, los contribuyentes terminan pagando los costos de las malas decisiones sobre el uso de la tierra.
La gestión de la cantidad y calidad de las aguas pluviales se denomina "Gestión de aguas pluviales". [15] El término Mejores prácticas de gestión (BMP) o medida de control de aguas pluviales (SCM) se utiliza a menudo para referirse tanto a dispositivos y sistemas de control estructurales o de ingeniería (por ejemplo, estanques de retención ) para tratar o almacenar aguas pluviales contaminadas, como a prácticas operativas o de procedimiento (por ejemplo, barrido de calles). [16] La gestión de aguas pluviales incluye aspectos tanto técnicos como institucionales. [17]
La gestión integrada del agua (GIH) de las aguas pluviales tiene el potencial de abordar muchos de los problemas que afectan la salud de las vías fluviales y los desafíos de suministro de agua que enfrenta la ciudad urbana moderna. La GII a menudo se asocia con la infraestructura verde cuando se considera en el proceso de diseño. Los profesionales en sus respectivos campos, como los planificadores urbanos , arquitectos , arquitectos paisajistas , diseñadores de interiores e ingenieros , a menudo consideran la gestión integrada del agua como una base del proceso de diseño.
También conocido como desarrollo de bajo impacto (LID) [19] en los Estados Unidos , o diseño urbano sensible al agua (WSUD) [20] en Australia , el IWM tiene el potencial de mejorar la calidad de la escorrentía, reducir el riesgo y el impacto de las inundaciones y proporcionar un recurso hídrico adicional para aumentar el suministro de agua potable.
El desarrollo de la ciudad moderna a menudo da como resultado mayores demandas de suministro de agua debido al crecimiento de la población, mientras que al mismo tiempo la escorrentía alterada pronosticada por el cambio climático tiene el potencial de aumentar el volumen de aguas pluviales que puede contribuir a problemas de drenaje e inundaciones. La IWM ofrece varias técnicas, incluida la recolección de aguas pluviales (para reducir la cantidad de agua que puede causar inundaciones), la infiltración (para restaurar la recarga natural de las aguas subterráneas), la biofiltración o biorretención (por ejemplo, jardines de lluvia ), para almacenar y tratar la escorrentía y liberarla a una tasa controlada para reducir el impacto en los arroyos y los tratamientos de humedales (para almacenar y controlar las tasas de escorrentía y proporcionar hábitat en áreas urbanas).
Existen muchas maneras de lograr la reducción de la contaminación por agua de lluvia. La más popular es la incorporación de soluciones terrestres para reducir la escorrentía de aguas pluviales mediante el uso de estanques de retención, biofiltros , zanjas de infiltración, pavimentos sostenibles (como pavimentos permeables ) y otros mencionados anteriormente. La reducción de la contaminación por agua de lluvia también se puede lograr mediante el uso de productos fabricados y diseñados para lograr resultados similares o potencialmente mejores que los sistemas terrestres (tanques de almacenamiento subterráneos, sistemas de tratamiento de aguas pluviales, biofiltros , etc.). La solución de reducción de la contaminación por agua de lluvia adecuada es aquella que equilibra los resultados deseados (control de la escorrentía y la contaminación) con los costos asociados (pérdida de tierra utilizable para sistemas terrestres versus costo de capital de la solución fabricada). Los techos verdes (con vegetación) también son otra solución de bajo costo.
El movimiento IWM puede considerarse como algo incipiente y reúne elementos de la ciencia del drenaje, la ecología y la comprensión de que las soluciones de drenaje tradicionales trasladan los problemas aguas abajo en detrimento del medio ambiente y los recursos hídricos.
En los Estados Unidos , la Agencia de Protección Ambiental (EPA) está a cargo de regular las aguas pluviales de conformidad con la Ley de Agua Limpia (CWA). [21] El objetivo de la CWA es restaurar todas las " Aguas de los Estados Unidos " a sus condiciones "aptas para la pesca" y "para nadar". Las descargas de fuentes puntuales, que se originan principalmente de aguas residuales municipales ( alcantarillado ) y descargas de aguas residuales industriales, han sido reguladas desde la promulgación de la CWA en 1972. Las cargas contaminantes de estas fuentes están estrictamente controladas mediante la emisión de permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes ( NPDES ). Sin embargo, a pesar de estos controles, miles de cuerpos de agua en los EE. UU. siguen clasificados como "deteriorados", lo que significa que contienen contaminantes en niveles superiores a los que la EPA considera seguros para los usos beneficiosos previstos del agua. Gran parte de este deterioro se debe a la escorrentía contaminada, generalmente en cuencas hidrográficas urbanizadas (en otras cuencas hidrográficas de los EE. UU., la contaminación agrícola es una fuente importante). [22] : 15
Para abordar el problema nacional de la contaminación por aguas pluviales, el Congreso amplió la definición de "fuente puntual" de la CWA en 1987 para incluir las descargas de aguas pluviales industriales y los sistemas municipales de alcantarillado pluvial separado ("MS4"). Estas instalaciones deben obtener permisos del NPDES. [23] En 2017, alrededor de 855 grandes sistemas municipales (que atienden a poblaciones de 100.000 o más) y 6.695 sistemas pequeños están regulados por el sistema de permisos. [24]
La EPA ha autorizado a 47 estados a emitir permisos NPDES. [25] Además de implementar los requisitos del NPDES, muchos estados y gobiernos locales han promulgado sus propias leyes y ordenanzas de gestión de aguas pluviales, y algunos han publicado manuales de diseño de tratamiento de aguas pluviales. [15] [26] Algunos de estos requisitos estatales y locales han ampliado su cobertura más allá de los requisitos federales. Por ejemplo, el estado de Maryland requiere controles de erosión y sedimentos en sitios de construcción de 5000 pies cuadrados (460 m 2 ) o más. [27] No es raro que las agencias estatales revisen sus requisitos y los impongan a los condados y ciudades; se pueden imponer multas diarias que van hasta los $25,000 por no modificar sus permisos locales de aguas pluviales para sitios de construcción, por ejemplo.
La escorrentía agrícola (excepto las operaciones concentradas de alimentación animal o " CAFO ") se clasifica como contaminación de fuentes no puntuales según la CWA. No está incluida en la definición de "fuente puntual" de la CWA y, por lo tanto, no está sujeta a los requisitos de permisos del NPDES. Las enmiendas de la CWA de 1987 establecieron un programa no regulatorio en la EPA para la gestión de la contaminación de fuentes no puntuales que consiste en proyectos de investigación y demostración. [28] Los programas relacionados, como el Programa de Incentivos de Calidad Ambiental, son llevados a cabo por el Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) en el Departamento de Agricultura de los EE. UU . [29]
La educación es un componente clave de la gestión de las aguas pluviales. Varias agencias y organizaciones han lanzado campañas para educar al público sobre la contaminación de las aguas pluviales y cómo pueden contribuir a resolverla. Miles de gobiernos locales en los EE. UU. han desarrollado programas educativos según lo exigen sus permisos de aguas pluviales del NPDES. [30]
Un ejemplo de un programa educativo local es el del Consejo de Acción Ambiental del Oeste de Michigan (WMEAC), que ha acuñado el término Hydrofilth para describir la contaminación de las aguas pluviales, [31] como parte de su campaña "15 to the River" (15 al río). (Durante una tormenta de lluvia, puede tomar sólo 15 minutos para que la escorrentía contaminada en Grand Rapids, Michigan, llegue al río Grand ). [32] Sus actividades de divulgación incluyen un programa de distribución de barriles de lluvia y materiales para propietarios de viviendas sobre la instalación de jardines de lluvia . [33]
Otras campañas de educación pública destacan la importancia de la infraestructura verde para frenar y tratar la escorrentía de aguas pluviales. DuPage County Stormwater Management lanzó la campaña de divulgación "Love Blue. Live Green" en sitios de redes sociales para educar al público sobre la infraestructura verde y algunas otras prácticas recomendadas para la gestión de la escorrentía de aguas pluviales. [34] A través de esta campaña se difunden artículos, sitios web, imágenes, videos y otros medios al público.
La infraestructura para el tratamiento de aguas pluviales es una inversión costosa a largo plazo que es difícil de reemplazar cuando las circunstancias subyacentes cambian. Como resultado, el sistema funcionará peor o fallará con mayor frecuencia a lo largo del tiempo. Esto es precisamente lo que está ocurriendo en la región que rodea a Europa y el Mar Báltico, donde el ritmo acelerado del cambio climático está poniendo a prueba los sistemas, el avance de la urbanización y las regulaciones más estrictas. Repensar las técnicas de gestión de aguas pluviales e invertir en infraestructura son esenciales para adaptarse a estas circunstancias que cambian rápidamente. [35] [36]
La escorrentía de aguas pluviales ha sido un problema desde que los humanos comenzaron a vivir en aldeas concentradas o entornos urbanos. Durante la Edad del Bronce , las viviendas adoptaron una forma más concentrada y las superficies impermeables surgieron como un factor en el diseño de los primeros asentamientos humanos . Algunas de las primeras incorporaciones de la ingeniería de aguas pluviales se evidencian en la Antigua Grecia . [37]
Un ejemplo específico de un diseño temprano de sistema de escorrentía de aguas pluviales se encuentra en la recuperación arqueológica de Festos minoico en Creta . [38]
