Superficie impermeable

Las superficies impermeables son principalmente estructuras artificiales, como pavimentos ( carreteras , aceras , calzadas y aparcamientos , así como zonas industriales como aeropuertos , puertos y centros logísticos y de distribución , que utilizan grandes superficies pavimentadas) cubiertas con materiales resistentes al agua como asfalto , hormigón , ladrillo y piedra , y tejados . Los suelos compactados por el desarrollo urbano también son altamente impermeables.

Las superficies impermeables son motivo de preocupación medioambiental porque su construcción inicia una cadena de acontecimientos que modifica los recursos hídricos y atmosféricos urbanos:

• Los materiales del pavimento sellan la superficie del suelo , eliminando la infiltración del agua de lluvia y la recarga natural de las aguas subterráneas . Esto puede provocar inundaciones urbanas . Un artículo del Seattle Times afirma que, si bien las áreas urbanas cubren solo el 3 % de los Estados Unidos, se estima que sus aguas pluviales son la principal fuente de contaminación en el 13 % de los ríos, el 18 % de los lagos y el 32 % de los estuarios. ^{[ 1 ]}

Algunos de estos contaminantes incluyen el exceso de nutrientes provenientes de fertilizantes ; patógenos ; desechos de mascotas; gasolina , aceite de motor y metales pesados ​​de vehículos; altas cargas de sedimentos por la erosión del lecho de los arroyos y las obras de construcción ; y desechos como colillas de cigarrillos, envases de latas de cerveza y bolsas de plástico arrastradas por las crecidas . En algunas ciudades, las aguas de las inundaciones llegan a las alcantarillas combinadas , provocando su desbordamiento y vertiendo sus aguas residuales sin tratar a los arroyos. La escorrentía contaminada puede tener muchos efectos negativos en peces, animales, plantas y personas.

• Las superficies impermeables acumulan calor solar en su densa masa. Cuando este calor se libera, eleva la temperatura del aire, creando «islas de calor» urbanas e incrementando el consumo energético en los edificios. El agua de escorrentía caliente procedente de estas superficies reduce el oxígeno disuelto en el agua de los arroyos, dificultando la vida en los ecosistemas acuáticos .
• Los pavimentos impermeables privan a las raíces de los árboles de aireación, eliminando el "bosque urbano" y la sombra que proporciona la vegetación, la cual moderaría el clima urbano. Al desplazar la vegetación viva, las superficies impermeables reducen la productividad ecológica e interrumpen el ciclo del carbono atmosférico .

La cobertura total de superficies impermeables en un área, como un municipio o una cuenca hidrográfica , se suele expresar como un porcentaje de la superficie total del terreno. Esta cobertura aumenta con la creciente urbanización . En las zonas rurales, la cobertura impermeable puede ser de tan solo el uno o dos por ciento. En las zonas residenciales, la cobertura aumenta desde aproximadamente el 10 por ciento en subdivisiones de baja densidad hasta 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 las zonas urbanas densamente pobladas, supera el 90 por ciento. En los 48 estados contiguos de EE. UU., la cobertura urbana impermeable asciende a 43 000 millas cuadradas (110 000 km² ⁾ . El desarrollo urbanístico añade 390 millas cuadradas (1000 ^km² ) anualmente . Normalmente, dos tercios de la cobertura 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 urbanización), pero este enfoque provoca que se urbanicen terrenos en otras zonas (fuera de la urbanización) para dar cabida a la creciente población. (Véase expansión urbana ) . Como alternativa, las estructuras urbanas pueden construirse de forma diferente para que funcionen de manera más parecida a los suelos naturalmente permeables; ejemplos de estas estructuras alternativas son los pavimentos porosos , los techos verdes y las cuencas de infiltración .

El agua de lluvia que cae sobre superficies impermeables se puede recolectar en tanques y utilizarse en lugar del agua de la red pública. La isla de Catalina, ubicada al oeste del puerto de Long Beach, ha realizado grandes esfuerzos para captar el agua de lluvia y así minimizar el costo de su transporte desde tierra firme.

En parte como respuesta a las críticas recientes de los municipios , varios fabricantes de hormigón como CEMEX y Quikrete han comenzado a producir materiales permeables que mitigan parcialmente el impacto ambiental del hormigón impermeable convencional. Estos nuevos materiales están compuestos por varias combinaciones de sólidos derivados de la naturaleza, incluyendo rocas y minerales de grano fino a grueso , materia orgánica (incluidos organismos vivos ), hielo , roca erosionada y precipitados , líquidos (principalmente soluciones de agua ) y gases . ^{[ 3 ]} La pandemia de COVID-19 dio origen a propuestas para un cambio radical en la organización de la ciudad, ^{[ 4 ]} siendo la drástica reducción de la presencia de superficies impermeables y la recuperación de la permeabilidad del suelo uno de los elementos del Manifiesto para la Reorganización de la ciudad, publicado en Barcelona por el arquitecto y teórico urbano Massimo Paolini y firmado por 160 académicos y 350 arquitectos.

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 una cuenca hidrográfica que está compuesta por superficies impermeables como carreteras, tejados y otras superficies pavimentadas. Una estimación del PIMP viene dada por PIMP = 6,4J^0,5 donde J es el número de viviendas por hectárea (Butler y Davies 2000). Por ejemplo, un bosque tiene un valor de PIMP del 10 %, mientras que las zonas comerciales densas tienen un valor de PIMP del 100 %. Esta variable se utiliza en el Manual de Estimación de Inundaciones .

Homer y otros (2007) indican que aproximadamente el 76 por ciento de los Estados Unidos continentales se clasifica 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, el 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada del 21 al 40 por ciento, y aproximadamente el 4,4 por ciento con una cobertura impermeable estimada superior al 40 por ciento. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El área impermeable total (AIT), comúnmente denominada cobertura impermeable (CI) en los cálculos, puede expresarse como una fracción (de cero a uno) o un porcentaje. Existen muchos métodos para estimar el AIT, incluyendo el uso del Conjunto Nacional de Datos de Cobertura Terrestre (NLCD) ^{[ 7 ]} con un sistema de información geográfica (SIG), categorías de uso del suelo con estimaciones categóricas del AIT, un porcentaje generalizado de área desarrollada y relaciones entre la densidad de población y el AIT. ^{[ 6 ]}

El conjunto de datos de superficie impermeable del NLCD de EE. UU. puede proporcionar un conjunto de datos de cobertura terrestre de alta calidad y consistente a nivel nacional en un formato listo para SIG que puede usarse para estimar el valor TIA. ^{[ 6 ]} El NLCD cuantifica consistentemente el porcentaje de TIA antropogénico para el NLCD con una resolución de píxel de 30 metros (900 m2) en todo el país. Dentro del conjunto de datos, cada píxel se cuantifica con un valor TIA que va de 0 a 100 por ciento. Las estimaciones de TIA realizadas con el conjunto de datos de superficie impermeable del NLCD representan un valor TIA agregado para cada píxel en lugar de un valor TIA para una característica impermeable individual. Por ejemplo, una carretera de dos carriles en un campo 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 se extiende (igualmente) a ambos lados del límite de dos píxeles, cada píxel tendría un valor TIA del 13 por ciento. El análisis de calidad de datos del conjunto de datos NLCD 2001 con áreas de muestra de AIT delimitadas manualmente indica que el error promedio de AIT predicho versus real puede variar de 8,8 a 11,4 por ciento. ^{[ 5 ]}

Las estimaciones de TIA a partir del uso del suelo se realizan identificando categorías de uso del suelo 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 del suelo se utilizan comúnmente para estimar TIA porque las áreas con un uso común del suelo se pueden identificar a partir de estudios de campo, de mapas, de información de planificación y zonificación, y de imágenes remotas. Los métodos de coeficiente de uso del suelo se utilizan comúnmente porque los mapas de planificación y zonificación que identifican áreas similares están, cada vez más, disponibles en formatos SIG. Además, los métodos de uso del suelo se seleccionan para estimar los efectos potenciales del desarrollo futuro en TIA con mapas de planificación que cuantifican los cambios proyectados en el uso del suelo. ^{[ 8 ]} Hay 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 TIA para diferentes categorías de uso de la tierra a partir de 30 estudios en la literatura.

El porcentaje de área desarrollada (PDA) se usa comúnmente para estimar TIA manualmente usando mapas. ^{[ 6 ]} El Consorcio de Características de Tierras 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 natural, agrícola o residencial disperso . Desarrolló una ecuación de regresión para predecir TIA usando el porcentaje de área desarrollada (tabla 6-1). Desarrolló su ecuación usando una función de potencia logarítmica con datos de 23 cuencas en Missouri . Señaló que este método era ventajoso porque las grandes cuencas podían ser delimitadas rápidamente y TIA estimada 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 continentales con áreas de drenaje que van desde 0,35 a 216 millas cuadradas y valores de PDA que van desde 0,16 a 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 utilizando ecuaciones de regresión para calcular el TIA asociado. ^{[ 6 ]} Se utilizan datos de densidad de población porque se dispone de datos de bloques censales consistentes a nivel nacional en formatos SIG para todo Estados Unidos. Los métodos de densidad de población también se pueden utilizar para predecir los efectos potenciales del desarrollo futuro. Aunque puede haber una variación sustancial en las relaciones entre la densidad de población y el TIA, la precisión de dichas estimaciones tiende a mejorar con el aumento del 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 USGS GAGESII. ^{[ 13 ]} Granato (2010) ^{[ 6 ]} también proporciona cuatro ecuaciones para estimar el TIA a partir de la densidad de viviendas , que está relacionada con la densidad de población.

El TIA también se estima a partir de mapas de superficies impermeables extraídos mediante teledetección . La teledetección se ha utilizado ampliamente para detectar superficies impermeables. ^{[ 14 ] [ 15 ]} La detección de áreas impermeables mediante aprendizaje profundo junto con imágenes satelitales ha surgido como 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 impermeables naturales se definen aquí como coberturas de tierra que pueden contribuir con una cantidad sustancial de escorrentía superficial 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 de carreteras y urbanas , pero pueden producir una cantidad sustancial de flujo de tormenta. Estas áreas impermeables naturales pueden incluir agua abierta, humedales , afloramientos rocosos, suelos áridos (suelos naturales con baja impermeabilidad) y áreas de suelos compactados . Las áreas impermeables naturales, dependiendo de su naturaleza y condiciones antecedentes, pueden producir flujo de tormenta por exceso de infiltración, flujo superficial por saturación o precipitación directa. Se espera que los efectos de las áreas impermeables naturales en la generación de escorrentía sean más importantes en áreas con baja TIA que en áreas altamente desarrolladas.

El NLCD ^{[ 19 ]} proporciona estadísticas de cobertura terrestre que pueden utilizarse como una medida cualitativa de la prevalencia de diferentes coberturas terrestres que pueden actuar como áreas impermeables naturales. El agua abierta puede actuar como un área impermeable natural si la precipitación directa se canaliza a través de la red de canales y llega como flujo de tormenta al sitio de interés. Los humedales pueden actuar como un área impermeable natural durante las tormentas cuando la descarga de agua subterránea y el flujo superficial de saturación son una proporción sustancial del flujo de tormenta. El suelo árido en áreas ribereñas puede actuar como un área impermeable natural durante las tormentas porque estas áreas son una fuente de flujos superficiales de exceso de infiltración. Las áreas aparentemente permeables que han sido afectadas por actividades de desarrollo pueden actuar como áreas impermeables y generar flujos superficiales de exceso de infiltración. 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 urbanizadas pueden comportarse como áreas impermeables debido a que 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 en suelos forestales y céspedes para indicar una posible reducción 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 superficial del suelo por las actividades de construcción redujeron las tasas de infiltración en más del 77 por ciento.

• Biocuneta : elementos paisajísticos diseñados para gestionar la escorrentía superficial. 
• Materiales duros para paisajismo : materiales duros para paisajismo en estructuras del entorno construido. 
• Conductividad hidráulica : Capacidad del agua para fluir a través de un material poroso. 
• Suelo hidrófobo : suelo cuyas partículas repelen el agua. 
• Permeabilidad (de fluidos) : Medida de la capacidad de un material poroso para permitir el paso de fluidos a través de él. Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redirección. 
• Costra del suelo : capas superficiales del suelo que se distinguen del resto del suelo. 
• Sellado del suelo – Recubrimiento de las superficies del suelo 
• Sistemas de drenaje urbano sostenibles : diseñados para reducir el impacto potencial del desarrollo. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección. 
• Inundaciones urbanas : tipo de evento de inundación en las ciudades 

• Butler, D. y Davies, JW, 2000, Drenaje urbano , Londres: Spon.
• Ferguson, Bruce K. , 2005, Pavimentos porosos , Boca Raton: CRC Press.
• Frazer, Lance, 2005, Pavimentando el paraíso: El peligro de las superficies impermeables, Environmental Health Perspectives , Vol. 113, No. 7, págs. A457-A462.
• Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Washington, D.C. "Después de la tormenta". Documento n.° EPA 833-B-03-002. Enero de 2003.

Este artículo incorpora material de dominio público procedente de sitios web o documentos del Servicio Geológico de los Estados Unidos y de la Administración Federal de Carreteras .

• Presentación de YouTube: El área impermeable total (AIT) afecta el volumen y el momento de la escorrentía.