La escorrentía superficial (también conocida como flujo superficial o escorrentía terrestre ) es el flujo no confinado de agua sobre la superficie del suelo, en contraste con la escorrentía de canal (o flujo de arroyo ). Ocurre cuando el exceso de agua de lluvia , agua de lluvia , agua de deshielo u otras fuentes, ya no pueden infiltrarse con suficiente rapidez en el suelo . Esto puede ocurrir cuando el suelo está saturado de agua hasta su capacidad máxima y la lluvia llega más rápido de lo que el suelo puede absorberla. La escorrentía superficial a menudo ocurre porque las áreas impermeables (como techos y pavimento ) no permiten que el agua se filtre en el suelo. Además, la escorrentía puede ocurrir a través de 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 de tierra que produce 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 no puntual de contaminación , ya que puede transportar contaminantes creados por el hombre o formas naturales de contaminación (como hojas podridas). Los contaminantes creados por el hombre 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 lleva a una serie de impactos río abajo, incluida la contaminación por nutrientes que causa eutrofización .
Además de causar erosión hídrica y contaminación, la escorrentía superficial en áreas urbanas es una causa principal de inundaciones urbanas , que pueden provocar daños a la propiedad, humedad y moho en sótanos e inundaciones en las calles.
La escorrentía superficial se define como la precipitación (lluvia, nieve, aguanieve o granizo [5] ) que llega a un arroyo superficial sin pasar nunca por debajo de la superficie del suelo. [6] Se distingue de la escorrentía directa , que es la escorrentía que llega a los arroyos superficiales inmediatamente después de la lluvia o la nieve derretida y excluye la escorrentía generada por el derretimiento de la capa de nieve o los glaciares. [7]
La nieve y los glaciares se derriten solo en áreas lo suficientemente frías como para que se formen de forma permanente. Por lo general, el deshielo de la nieve alcanza su punto máximo en la primavera [8] y el de los glaciares en el verano [9] , lo que da lugar a máximos pronunciados de caudal en los ríos afectados por ellos. [10] 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. [11] En las regiones de alta montaña, los arroyos suelen crecer en los días soleados y bajar en los 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 de los suelos 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 sobre una superficie excede la tasa a la que el agua puede infiltrarse en el suelo, y cualquier almacenamiento 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 las intensidades de lluvia son altas 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. [15]
Cuando el suelo está saturado y el depósito de la depresión está lleno, y la lluvia continúa cayendo, la precipitación producirá inmediatamente una escorrentía superficial. El nivel de humedad del suelo anterior es un factor que afecta el tiempo hasta que el suelo se satura. Esta escorrentía se denomina exceso de flujo superficial por saturación [15] , flujo superficial saturado [16] o escorrentía de Dunne [17] .
El suelo retiene un cierto grado de humedad después de una lluvia . Esta humedad residual del agua afecta la capacidad de infiltración del suelo . Durante la siguiente lluvia, la capacidad de infiltración hará que el suelo se sature a un ritmo diferente. Cuanto mayor sea el nivel de humedad del suelo antecedente, más rápidamente se saturará 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 intensidad media y baja. [18]
Después de que el agua se infiltra en el suelo en una parte de ladera de una colina, puede fluir lateralmente a través del suelo y exfiltrarse (salir del suelo) más cerca de un canal. Esto se denomina flujo de retorno subterráneo o flujo continuo .
A medida que fluye, la cantidad de escorrentía puede reducirse de varias maneras posibles: una pequeña parte puede evapotranspirar ; el agua puede almacenarse temporalmente en depresiones microtopográficas; y una parte puede infiltrarse a medida que fluye sobre la 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 pavimentos y edificios, que no permiten la percolación del agua a través del suelo hasta el acuífero . En cambio, se la fuerza directamente hacia los arroyos o los 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 agua subterránea , 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 se suspenden en la escorrentía, el impacto humano se expande 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 de estos sistemas hídricos y sus ecosistemas relacionados. [21]
A medida que los seres humanos siguen alterando el clima mediante la incorporación de gases de efecto invernadero a la atmósfera, se espera que los patrones de precipitaciones cambien a medida que aumenta la capacidad atmosférica para el vapor de agua. Esto tendrá consecuencias directas en las cantidades de escorrentía. [22]
La escorrentía urbana es la escorrentía superficial del agua de lluvia, el riego de jardines y el lavado de automóviles [23] creada por la urbanización . Las superficies impermeables ( carreteras , estacionamientos y aceras ) se construyen durante el desarrollo de la tierra . Durante la lluvia , las tormentas y otros eventos de precipitación , estas superficies (construidas con materiales como asfalto y hormigón ), junto con los tejados , llevan el agua de lluvia contaminada a los desagües pluviales , en lugar de permitir que el agua se filtre a través del suelo . [24] Esto provoca la reducción del nivel freático (porque se reduce la recarga de agua subterránea ) e inundaciones, ya que la cantidad de agua que permanece en la superficie es mayor. [25] [26] La mayoría de los sistemas de alcantarillado pluvial municipales descargan aguas pluviales sin tratar en arroyos , ríos y bahías . Este exceso de agua también puede llegar a las propiedades de las personas a través de los respaldos 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 comunidades urbanas de todo el mundo.
La escorrentía superficial puede provocar erosión de la superficie de la Tierra; el material erosionado puede depositarse a una distancia considerable. Existen cuatro tipos principales de erosión del suelo por agua : erosión por salpicadura, erosión laminar, erosión en surcos y erosión en 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. La rugosidad de la superficie del suelo puede hacer que la escorrentía se concentre en vías de flujo más estrechas: a medida que estas se abren, 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 abriendo surcos y agrandándolos, pueden llegar a convertirse en cárcavas. La erosión en cárcavas puede transportar grandes cantidades de material erosionado en un corto período de tiempo.
La reducción de la productividad de los cultivos suele ser consecuencia 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 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 los suelos limosos que contienen partículas más pequeñas genera turbidez y disminuye la transmisión de la 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 , que representa aproximadamente el diez por ciento de la superficie terrestre de ese país, prácticamente todo el paisaje está desprovisto de vegetación , con surcos erosivos de más de 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 fértil del suelo 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 los Estados Unidos ha perdido completamente su capa superior del suelo . [29] El cambio a prácticas de siembra directa reduciría la erosión del suelo de los campos agrícolas estadounidenses en más del 70 por ciento. [30]
Los principales problemas ambientales asociados con la escorrentía son los impactos en las aguas superficiales, 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 crean el 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 desde el principio se sabía que el contacto 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 productos químicos o sedimentos. Cuando las aguas superficiales se utilizan como suministros de agua potable , pueden verse comprometidas en lo que respecta a los 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 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 macho en hembras. [32]
La escorrentía superficial que se produce en los bosques puede suministrar a los lagos grandes cantidades de nitrógeno mineral y fósforo, lo que conduce a la eutrofización . Las aguas de escorrentía en 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 altas y jóvenes en los trópicos y subtrópicos pueden sufrir altas tasas de erosión del suelo y también contribuir con grandes flujos de material al océano costero. Esta escorrentía de origen terrestre de nutrientes de sedimentos, carbono y contaminantes puede tener grandes impactos en los ciclos biogeoquímicos globales y 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, las aguas de escorrentía pueden 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, creando consecuencias sanitarias o ecológicas.
El otro contexto de los problemas agrícolas involucra el transporte de productos químicos agrícolas (nitratos, fosfatos, pesticidas , herbicidas, etc.) a través de la escorrentía superficial. Este resultado ocurre cuando el uso de productos químicos es excesivo o no se produce en el momento adecuado con respecto a las altas precipitaciones. La escorrentía contaminada resultante representa no solo un desperdicio de productos químicos agrícolas, sino también una amenaza ambiental para los ecosistemas río abajo. Las pajas de pino se utilizan a menudo para proteger el suelo de la erosión y el crecimiento de malezas. [35] Sin embargo, la cosecha de estos cultivos puede provocar un aumento de la erosión del suelo.
La escorrentía superficial tiene efectos económicos importantes. Las pajas de pino son una forma rentable 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 de elefante se considera 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 verduras. Por lo tanto, se sabe que han implementado un sistema que redujo la pérdida de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en el suelo. [37]
Las inundaciones se producen 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 alterarse 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 de inundación 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 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, los daños a la propiedad, la contaminación de los suministros de agua, la pérdida de cultivos y el desplazamiento social y la falta de vivienda temporal. Las inundaciones se encuentran entre los desastres naturales más devastadores. El uso de riego complementario también se reconoce como una forma importante en la que los 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 del uso del suelo. Muchas agencias reguladoras del mundo han fomentado la investigación sobre métodos para minimizar la escorrentía superficial total evitando la construcción innecesaria de superficies duras . [40] Muchos municipios han elaborado directrices y códigos ( zonificación y ordenanzas relacionadas ) para los desarrolladores de terrenos que fomentan el uso de aceras de ancho mínimo, el uso de adoquines colocados en tierra para caminos de acceso y pasarelas 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 . [41]
Los controles de erosión han aparecido desde la época medieval, cuando los agricultores se dieron cuenta de la importancia de la agricultura en curvas de nivel 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 incluía técnicas como: uso de fardos de paja y barreras para frenar la escorrentía en pendientes, instalación de vallas de sedimentos , 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 esto fue seguido por 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 para predecir los caudales máximos de los sistemas fluviales . Progresivamente, se han desarrollado estrategias para minimizar los caudales máximos y también para reducir las velocidades de los canales. Algunas de las técnicas que se aplican comúnmente son: la provisión de estanques de retención (también llamados cuencas de detención o lagos de equilibrio ) para amortiguar los caudales máximos de los ríos, el uso de disipadores de energía en los canales para reducir la velocidad de la corriente y los controles del uso de la tierra para minimizar la escorrentía. [43]
Uso y manipulación de productos químicos . Tras la promulgación de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA) de los EE. UU. 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 productos químicos tóxicos, evitando así liberaciones y fugas. Los métodos que se aplican comúnmente son: requisitos de 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 hacia las alcantarillas sanitarias o pluviales .
La Ley de Agua Limpia de los Estados Unidos (CWA, por sus siglas en inglés) 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 implementar un programa de gestión de aguas pluviales para todas las escorrentías superficiales que ingresan al sistema de alcantarillado pluvial separado municipal ("MS4"). La EPA y las regulaciones estatales y 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 modelos matemáticos en combinación con varios métodos de muestreo de calidad del agua . Las mediciones se pueden realizar utilizando instrumentos de análisis continuo y automatizado de la calidad del agua enfocados en contaminantes como sustancias químicas orgánicas o inorgánicas específicas , pH , turbidez, etc., o enfocados 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 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. Estos modelos consideraban las tasas de disolución de varias sustancias químicas, la infiltración en los suelos y la carga final de contaminantes entregada a las aguas receptoras . Uno de los primeros modelos que abordaba 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 de manipulación de sustancias químicas.
Cada vez más, los profesionales en el campo de las aguas pluviales han reconocido la necesidad de utilizar modelos de Monte Carlo para simular los procesos de las aguas pluviales debido a las variaciones naturales en múltiples variables que afectan la calidad y la cantidad de la escorrentía. El beneficio del análisis de Monte Carlo no es reducir la incertidumbre en las estadísticas de entrada, sino representar las diferentes combinaciones de las variables que determinan los riesgos potenciales de desviaciones de la calidad del agua. Un ejemplo de este tipo de modelo de aguas pluviales es el modelo empírico estocástico de carga y dilución (SELDM) [47] [48] , que es un modelo de calidad de las aguas pluviales . El 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 eficacia de dichas medidas de gestión para reducir estos riesgos. El 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 las variables hidrológicas (con diferentes distribuciones de probabilidad), lo que da como resultado una población de valores que representan los resultados probables a largo plazo de los procesos de escorrentía y los efectos potenciales de varias medidas de mitigación. SELDM también proporciona los medios para realizar rápidamente análisis de sensibilidad para determinar los posibles efectos de variar los supuestos de entrada sobre los riesgos de variaciones en la calidad del agua.
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 una fuente lineal de contaminación del agua hacia las aguas receptoras. [49]
