La escorrentía superficial (también conocida como flujo superficial o escorrentía terrestre ) es el flujo ilimitado de agua sobre la superficie del suelo, a diferencia de la escorrentía de canales (o flujo de corriente ). Ocurre cuando el exceso de agua de lluvia , agua de tormenta , agua de deshielo u otras fuentes ya no puede infiltrarse con suficiente rapidez en el suelo . Esto puede ocurrir cuando el suelo está saturado de agua en su máxima capacidad y la lluvia llega más rápido de lo que el suelo puede absorberla. 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 mediante procesos naturales o provocados por el hombre. [1]
La escorrentía superficial es un componente importante del ciclo del agua . Es el principal agente de erosión del suelo por el agua . [2] [3] La superficie terrestre productora de escorrentía que drena hacia un punto común se denomina cuenca de drenaje .
La escorrentía que se produce en la superficie del suelo antes de llegar a un canal puede ser una fuente difusa de contaminación , ya que puede transportar contaminantes de origen humano o formas naturales de contaminación (como hojas podridas). Los contaminantes de origen humano que se encuentran en la escorrentía incluyen petróleo , pesticidas , fertilizantes y otros. [4] Gran parte de la contaminación agrícola se ve exacerbada por la escorrentía superficial, lo que genera una serie de impactos aguas abajo, incluida la contaminación por nutrientes que causa eutrofización .
Además de causar erosión hídrica y contaminación, la escorrentía superficial en las zonas urbanas es una causa principal de inundaciones urbanas , que pueden provocar daños a la propiedad, humedad y moho en los sótanos e inundaciones en las calles.
La escorrentía superficial se define como precipitación (lluvia, nieve, aguanieve o granizo [5] ) que llega a una corriente superficial sin pasar nunca por debajo de la superficie del suelo. [6] Se diferencia 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. [7]
La nieve y los glaciares se derriten sólo en áreas lo suficientemente frías como para que se formen de forma permanente. Normalmente, el derretimiento de la nieve alcanzará su punto máximo en la primavera [8] y el derretimiento de los glaciares en el verano, [9] lo que provocará máximos de caudal pronunciados en los ríos afectados por ellos. [10] El factor determinante del ritmo de derretimiento de la nieve o los glaciares es tanto la temperatura del aire como la duración de la luz solar. [11] En las regiones de alta montaña, los arroyos frecuentemente nacen en días soleados y caen en días nublados por este motivo.
En las zonas donde no hay nieve, la escorrentía procederá de las lluvias. Sin embargo, no todas las lluvias producirán escorrentía porque el almacenamiento del suelo puede absorber lluvias ligeras. En los suelos extremadamente antiguos de Australia y el sur de África , [12] las raíces proteoides con sus redes extremadamente densas de pelos radiculares pueden absorber tanta agua de lluvia como para evitar 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 escorrentía superficial, lo que lleva a adaptaciones especializadas a corrientes extremadamente variables (generalmente efímeras).
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 terrestre hortoniano (en honor a Robert E. Horton ), [13] o flujo terrestre no saturado. [14] Esto ocurre más comúnmente en regiones áridas y semiáridas , donde la intensidad de las precipitaciones 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 que el agua se infiltre. [15]
Cuando el suelo está saturado y el almacenamiento de la depresión se llena y la lluvia continúa cayendo, la lluvia inmediatamente producirá escorrentía superficial. El nivel de humedad anterior del suelo es un factor que afecta el tiempo hasta que el suelo se satura. Esta escorrentía se denomina flujo superficial excesivo de saturación, [15] flujo superficial saturado, [16] o escorrentía Dunne. [17]
El suelo retiene cierto grado de humedad después de una lluvia . Esta humedad del agua residual afecta la capacidad de infiltración del suelo . Durante el próximo evento de lluvia, la capacidad de infiltración hará que el suelo se sature a un ritmo diferente. Cuanto mayor es el nivel de humedad antecedente del suelo, más rápidamente se satura el suelo. Una vez que el suelo está saturado, se produce escorrentía. Por lo tanto, la escorrentía superficial es un factor importante en el control de la humedad del suelo después de tormentas de media y baja intensidad. [18]
Después de que el agua se infiltra en el suelo en una parte cuesta arriba de una colina, el agua puede fluir lateralmente a través del suelo y exfiltrarse (fluir fuera del suelo) más cerca de un canal. Esto se llama flujo de retorno subterráneo o flujo pasante .
A medida que fluye, la cantidad de escorrentía puede reducirse de varias maneras posibles: una pequeña porción de ella puede evapotranspirar ; el agua puede quedar almacenada temporalmente en depresiones microtopográficas; y una parte del mismo puede infiltrarse a medida que fluye por tierra. Cualquier agua superficial restante eventualmente fluye hacia un cuerpo de agua receptor como un río , lago , estuario u océano . [19]
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 cambio, es forzado directamente a arroyos o desagües 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 . [20]
Cuando los contaminantes antropogénicos se disuelven o suspenden en la escorrentía, el impacto humano se amplía y crea contaminación del agua . Esta carga contaminante puede llegar a diversas aguas receptoras, como arroyos, ríos, lagos, estuarios y océanos, con los consiguientes cambios en la química del agua en estos sistemas hídricos y sus ecosistemas relacionados. [21]
A medida que los 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 de vapor de agua. Esto tendrá consecuencias directas sobre los montos de escorrentía. [22]
La escorrentía urbana es la escorrentía superficial de agua de lluvia, riego de jardines y lavado de automóviles [23] creada por la urbanización . Durante el desarrollo del terreno se construyen superficies impermeables ( carreteras , estacionamientos y aceras ) . Durante la lluvia , las tormentas y otros eventos de precipitación , estas superficies (construidas con materiales como asfalto y concreto ), junto con los tejados , transportan aguas pluviales contaminadas a los desagües pluviales , en lugar de permitir que el agua se filtre a través del suelo . [24] Esto provoca descenso del nivel freático (porque se disminuye la recarga de aguas subterráneas ) e inundaciones ya que la cantidad de agua que queda en la superficie es mayor. [25] [26] La mayoría de los sistemas municipales de alcantarillado pluvial 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 acumulaciones en los sótanos y filtraciones 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 comunidades urbanas de todo el mundo.
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 en surcos y erosión en barrancos . La erosión por salpicadura es el resultado de la colisión mecánica de las gotas de lluvia con la superficie del suelo: las partículas de 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 rugosidad de la superficie del suelo pueden hacer que la escorrentía se concentre en caminos de flujo más estrechos: a medida que estos se cortan, los canales pequeños pero bien definidos que se forman se conocen como surcos. Estos canales pueden tener tan solo un centímetro de ancho o varios metros de ancho. Si la escorrentía continúa cortando y agrandando los riachuelos, es posible que con el tiempo crezcan y se conviertan 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 suele deberse a 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 milímetro a 1,0 milímetro de diámetro. Las partículas más grandes se depositan en distancias de transporte cortas, mientras que las partículas pequeñas pueden transportarse a 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 altera los ecosistemas acuáticos .
Secciones enteras de países han quedado improductivas debido a la erosión. En la alta meseta central 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 suelen superar 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 de la capa superior del suelo 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 maicero de Estados Unidos ha perdido completamente su capa superior del suelo . [29] El cambio a prácticas sin labranza reduciría la erosión del suelo de los campos agrícolas estadounidenses en más de un 70 por ciento. [30]
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, alteración de los ecosistemas e impacto estético en los recursos hídricos. Algunos de los contaminantes que generan mayor impacto en las aguas superficiales provenientes de escorrentías son sustancias derivadas del petróleo , herbicidas y fertilizantes . La absorción cuantitativa de pesticidas y otros contaminantes por escorrentía superficial se ha estudiado desde la década de 1960, y se sabía que el contacto temprano de los pesticidas con el agua aumentaba la fitotoxicidad . [31] En el caso de las aguas superficiales, los impactos se traducen en contaminación del agua , ya que los arroyos y ríos han recibido escorrentías que transportan 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 mortandad de peces , o alterar el equilibrio de las poblaciones presentes. Otros impactos específicos se refieren al apareamiento de los animales, el desove, la viabilidad de huevos y larvas , la supervivencia juvenil 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. [32]
La escorrentía superficial que ocurre dentro de los bosques puede suministrar a los lagos altas cargas de nitrógeno y fósforo minerales, lo que conduce 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 [33]. Además, las islas jóvenes y de alto nivel en los trópicos y subtrópicos pueden sufrir altas tasas de erosión del suelo y también contribuir con grandes flujos de materiales al océano costero. . Esta escorrentía de nutrientes de sedimentos, carbono y contaminantes derivada de la tierra puede tener grandes impactos en los ciclos biogeoquímicos globales y en los ecosistemas marinos y costeros. [34]
En el caso de las aguas subterráneas, el principal problema es la contaminación del agua potable, si el acuífero se extrae para uso humano. En cuanto 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 transportarlos en forma de contaminación del agua a hábitats acuáticos aún más sensibles. En segundo lugar, la escorrentía puede depositar contaminantes en suelos prístinos, generando consecuencias ecológicas o para la salud.
El otro contexto de 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 químicos es excesivo o mal sincronizado con respecto a las altas precipitaciones. La escorrentía contaminada resultante representa no sólo un desperdicio de químicos agrícolas, sino también una amenaza ambiental para los ecosistemas aguas abajo. Las pajitas de pino se utilizan a menudo para proteger el suelo de la erosión y el crecimiento de malas hierbas. [35] Sin embargo, la recolección de estos cultivos puede provocar un aumento de la erosión del suelo.
La escorrentía superficial produce una cantidad significativa de efectos económicos. Las pajitas de pino son una forma rentable de abordar la escorrentía superficial. Además, la escorrentía superficial se puede reutilizar mediante el crecimiento de la masa de elefantes. En Nigeria , se considera que la hierba elefante es una forma económica de reducir la escorrentía superficial y la erosión . [36] Además, China ha sufrido un impacto significativo de 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. [37]
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 . Las inundaciones son un proceso natural que mantiene la composición y los procesos del ecosistema, pero también pueden verse alterados por cambios en el uso de la tierra , como la ingeniería fluvial. Las inundaciones pueden ser beneficiosas para las sociedades o 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 aumentan el número y la susceptibilidad de los asentamientos, las inundaciones se convierten cada vez más en un peligro natural. En las zonas urbanas, la escorrentía superficial es la causa principal de las inundaciones urbanas , conocidas por su impacto repetitivo y costoso en las comunidades. [38] Los impactos adversos abarcan la pérdida de vidas, 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 importante en la que cultivos como el maíz pueden retener fertilizantes nitrogenados en el suelo, lo que resulta en una mejora de la disponibilidad de agua para los cultivos. [39]
La mitigación de los impactos adversos de la escorrentía puede adoptar varias formas:
Controles de uso del suelo. Muchas agencias reguladoras mundiales han fomentado la investigación sobre métodos para minimizar la escorrentía superficial total evitando obras innecesarias . [40] Muchos municipios han elaborado directrices y códigos ( zonificación y ordenanzas relacionadas ) para promotores inmobiliarios que fomentan la anchura mínima de las aceras, el uso de adoquines colocados en tierra para accesos y senderos y otras técnicas de diseño para permitir la máxima infiltración de agua en entornos urbanos. Un ejemplo de un programa local que especifica requisitos de diseño, prácticas de construcción y requisitos de mantenimiento para edificios y propiedades es el de Santa Mónica, California . [41]
Los controles de la erosión han aparecido desde la época medieval, cuando los agricultores se dieron cuenta de la importancia de la agricultura en 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 exigiendo a los constructores que implementaran controles de erosión y sedimentos (ESC). Esto incluyó técnicas tales como: uso de balas de paja y barreras para frenar el escurrimiento en las pendientes, instalación de cercas de sedimento , programación de la construcción para meses con menos precipitaciones 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 a esto le siguió un programa estatal en Maryland en 1970. [42]
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 del canal. Algunas de las técnicas comúnmente aplicadas son: provisión de estanques de retención (también llamados cuencas de detención o lagos de equilibrio ) para amortiguar los caudales máximos de los ríos, uso de disipadores de energía en los canales para reducir la velocidad de las corrientes y controles del uso de la tierra para minimizar la escorrentía. [43]
Uso y manipulación de productos químicos . Tras la promulgación de la Ley de Recuperación y Conservación de Recursos (RCRA) de EE. UU. en 1976, y más tarde la Ley de Calidad del Agua de 1987 , los estados y ciudades se han vuelto más vigilantes en el control de la contención y el almacenamiento de sustancias químicas tóxicas, evitando así liberaciones y fugas. Los métodos comúnmente aplicados son: requisitos de doble contención de tanques de almacenamiento subterráneos , registro del uso de materiales peligrosos , reducción del número de pesticidas permitidos y una regulación más estricta de fertilizantes y herbicidas en el mantenimiento del paisaje. En muchos casos industriales, se requiere un tratamiento previo de los desechos para minimizar el escape de contaminantes a las alcantarillas sanitarias o pluviales .
La Ley de Agua Limpia de EE. UU. (CWA) exige que los gobiernos locales en áreas urbanizadas (según la definición de la Oficina del Censo ) obtengan permisos de descarga de aguas pluviales para sus sistemas de drenaje. [44] [45] Básicamente, esto significa que la localidad debe operar un programa de gestión de aguas pluviales para toda la escorrentía superficial que ingresa al sistema municipal separado de alcantarillado pluvial ("MS4"). Las regulaciones estatales y de la EPA y las publicaciones relacionadas describen seis componentes básicos que cada programa local debe contener:
Otros propietarios que operan sistemas de drenaje pluvial similares a los de los municipios, como sistemas de carreteras estatales, universidades, bases militares y prisiones, también están sujetos a los requisitos del permiso MS4.
La escorrentía se analiza mediante el uso de modelos matemáticos en combinación con varios métodos de muestreo de la calidad del agua . Las mediciones se pueden realizar utilizando instrumentos de análisis continuo y automatizado de la calidad del agua centrados en contaminantes como sustancias químicas orgánicas o inorgánicas específicas , pH , turbidez, etc. o en indicadores secundarios como el oxígeno disuelto . Las mediciones también se pueden realizar en forma de 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 hidrológico para calcular cantidades de escorrentía, principalmente para pronosticar inundaciones . A principios de la década de 1970 se desarrollaron modelos informáticos para analizar el transporte de escorrentía que transportaba contaminantes del agua, que consideraban las tasas de disolución de diversos productos químicos, la infiltración en los suelos y la carga final de contaminantes entregada a las aguas receptoras . Uno de los primeros modelos que aborda 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). [46] Este modelo informático formó la base de gran parte del estudio de mitigación que condujo a estrategias para el uso de la tierra y los controles del manejo de productos químicos.
Cada vez más, los profesionales de aguas pluviales han reconocido la necesidad de que los modelos Monte Carlo simulen los 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 variables que determinan los riesgos potenciales de las variaciones de la calidad del agua. Un ejemplo de este tipo de modelo de aguas pluviales es el modelo estocástico empírico de carga y dilución (SELDM) [47] [48] es un modelo de calidad de las 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 posible necesidad de medidas de mitigación y la posible eficacia 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. SELDM también proporciona los medios para realizar rápidamente análisis de sensibilidad para determinar los efectos potenciales de diferentes supuestos de entrada sobre los riesgos de las variaciones de la calidad del agua.
Se han desarrollado otros modelos informáticos (como el modelo DSSAM ) que permiten rastrear la escorrentía superficial a lo largo del curso de un río como contaminantes reactivos del agua. En este caso, la escorrentía superficial puede considerarse como una fuente lineal de contaminación del agua para las aguas receptoras. [49]
