escorrentía superficial

La escorrentía superficial (también conocida como flujo de superficie o escorrentía terrestre ) es el flujo no confinado de agua sobre la superficie del suelo, a diferencia de la escorrentía de canal (o flujo de arroyo ). Ocurre cuando el exceso de agua de lluvia , agua de tormenta , agua de deshielo u otras fuentes ya no pueden infiltrarse en el suelo con la suficiente rapidez . Esto puede suceder cuando el suelo está saturado de agua a su máxima capacidad y la lluvia llega más rápido de lo que el suelo puede absorberla . La escorrentía superficial suele ocurrir porque las áreas impermeables (como techos y pavimentos ) 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 ]} El área de tierra que produce escorrentía que drena hacia un punto común se llama cuenca de drenaje .

La escorrentía que se produce en la superficie del suelo antes de llegar a un canal puede ser una fuente de contaminación difusa , ya que puede transportar contaminantes de origen humano o formas naturales de contaminación (como hojas en descomposición). Los contaminantes de origen humano 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 conlleva una serie de impactos aguas abajo, incluida la contaminación por nutrientes que causa eutrofización .

Además de provocar erosión hídrica y contaminación, la escorrentía superficial en las zonas urbanas es una de las principales causas de las inundaciones urbanas , que pueden ocasionar daños materiales, humedad y moho en los sótanos e inundaciones en las calles.

La escorrentía superficial se define como la precipitación (lluvia, nieve, aguanieve o granizo ^{[ 5 ]} ) que llega a un curso de agua superficial sin pasar por debajo de la superficie del suelo. ^{[ 6 ]} Se distingue de la escorrentía directa , que es la que llega a los cursos de agua superficiales inmediatamente después de la lluvia o el deshielo, y excluye la generada por el deshielo de la nieve acumulada o los glaciares. ^{[ 7 ]}

El deshielo de la nieve y los glaciares solo ocurre en zonas lo suficientemente frías como para que se formen de forma permanente. Normalmente, el deshielo alcanza su punto máximo en primavera ^{[ 8 ]} y el deshielo de los glaciares en verano ^{[ 9 ]} , lo que provoca caudales máximos pronunciados en los ríos afectados ^{[ 10 ]} . El factor determinante de la velocidad de deshielo de la nieve o los glaciares es tanto la temperatura del aire como la duración de la luz solar ^{[ 11 ]} . Por esta razón, en las regiones de alta montaña, los arroyos suelen crecer en días soleados y descender en días nublados.

En las zonas donde no hay nieve, la escorrentía provendrá de la lluvia. Sin embargo, no toda la lluvia produce escorrentía porque el almacenamiento en los suelos puede absorber las 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 que impiden 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 cualquier escorrentía superficial, lo que lleva a adaptaciones especializadas a arroyos extremadamente variables (generalmente efímeros).

La urbanización incrementa la escorrentía superficial al crear superficies más impermeables , como pavimentos y edificios, que impiden la infiltración del agua a través del suelo hasta el acuífero . En cambio, el agua se dirige directamente a arroyos o desagües pluviales , donde la erosión y la sedimentación pueden ser problemas importantes, incluso cuando no hay inundaciones. El aumento de la escorrentía reduce la recarga de aguas subterráneas , disminuyendo así el nivel freático y agravando 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 amplía y genera contaminación del agua . Esta carga contaminante puede llegar a diversos cuerpos de agua receptores, como arroyos, ríos, lagos, estuarios y océanos, con los consiguientes cambios en la química del agua de estos sistemas acuáticos y sus ecosistemas asociados. ^{[ 21 ]}

A medida que los seres 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 para el vapor de agua. Esto tendrá consecuencias directas en los volúmenes de escorrentía. ^{[ 22 ]}

escorrentía urbana

La escorrentía urbana es la escorrentía superficial de agua de lluvia, riego de jardines y lavado de autos ^{[ 23 ]} generada por la urbanización . Las superficies impermeables ( carreteras , estacionamientos y aceras ) se construyen durante el desarrollo del terreno . Durante la lluvia , las tormentas y otros eventos de precipitación , estas superficies (construidas con materiales como asfalto y concreto ), junto con los techos , transportan 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 un descenso del nivel freático (debido a la disminución de 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 municipales de alcantarillado pluvial 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 desbordamientos de 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 mitigación de los impactos adversos de la escorrentía puede adoptar diversas formas:

• Controles de desarrollo del uso del suelo destinados a minimizar las superficies impermeables en áreas urbanas.
• Medidas de control de la erosión para explotaciones agrícolas y obras de construcción .
• Programas de control de inundaciones y rehabilitación, como infraestructura verde.
• Controles sobre el uso y la manipulación de productos químicos en la agricultura , el mantenimiento de paisajes , el uso industrial, etc.

Controles de uso del suelo. Muchas agencias reguladoras mundiales han fomentado la investigación sobre métodos para minimizar la escorrentía superficial total evitando la construcción innecesaria de superficies duras . ^{[ 42 ]} Muchos municipios han elaborado directrices y códigos ( zonificación y ordenanzas relacionadas ) para los promotores inmobiliarios que promueven aceras de ancho mínimo, el uso de adoquines colocados en tierra para entradas de vehículos 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 los requisitos de diseño, las prácticas de construcción y los requisitos de mantenimiento para edificios y propiedades se encuentra en Santa Mónica, California . ^{[ 43 ]}

Los métodos de control de la erosión existen desde la Edad Media, cuando los agricultores comprendieron 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 sedimentación (CES). Esto incluía técnicas como: el uso de balas de paja y barreras para ralentizar la escorrentía en pendientes, la instalación de cercas de sedimentación , la programación de la construcción para los meses con menos precipitaciones y la 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, seguido de un programa estatal en Maryland en 1970. ^{[ 44 ]}

Los programas de control de inundaciones, ya en la primera mitad del siglo XX, comenzaron a cuantificar los caudales máximos de los sistemas fluviales . Progresivamente, se han desarrollado estrategias para minimizar dichos caudales y reducir la velocidad de los cauces. Algunas de las técnicas comúnmente aplicadas 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 cauces para reducir la velocidad de la corriente y el control del uso del suelo para minimizar la escorrentía. ^{[ 45 ]}

Uso y manejo de productos químicos . Tras la promulgación de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos de EE. UU. (RCRA) en 1976, y posteriormente 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, previniendo así fugas y derrames. Los métodos comúnmente aplicados son: requisitos de doble contención para tanques de almacenamiento subterráneo , registro del uso de materiales peligrosos , reducción en la cantidad de plaguicidas permitidos y una regulación más estricta de fertilizantes y herbicidas en el mantenimiento de paisajes. En muchos casos industriales, se requiere el pretratamiento de los residuos 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. ^{[ 46 ] [ 47 ]} En esencia, 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 de la EPA y estatales, así como las publicaciones relacionadas, describen seis componentes básicos que cada programa local debe contener:

• Educación pública (informar a individuos, hogares y empresas sobre cómo evitar la contaminación por aguas pluviales)
• Participación ciudadana (apoyo a la participación ciudadana en la implementación de programas locales)
• Detección y eliminación de descargas ilícitas (eliminación de conexiones de alcantarillado sanitario u otras conexiones que no sean de aguas pluviales al MS4)
• Controles de escorrentía en obras de construcción (es decir, controles de erosión y sedimentación)
• Controles de gestión de aguas pluviales posteriores a la construcción (es decir, permanentes)
• Prevención de la contaminación (por ejemplo, mejora del manejo de productos químicos, incluyendo la gestión de combustibles y aceites para motores, fertilizantes, pesticidas y descongelantes para carreteras ) y medidas de "buenas prácticas de mantenimiento" (por ejemplo, mantenimiento del sistema).

Otros propietarios que gestionan sistemas de drenaje pluvial similares a los de los municipios, como los sistemas de carreteras estatales, las universidades, las bases militares y las prisiones, también están sujetos a los requisitos del permiso MS4.

La escorrentía se analiza mediante modelos matemáticos combinados con diversos métodos de muestreo de la calidad del agua . Las mediciones pueden realizarse con instrumentos automatizados de análisis continuo de la calidad del agua, dirigidos a contaminantes como sustancias químicas orgánicas o inorgánicas específicas , pH , turbidez, etc., o a indicadores secundarios como el oxígeno disuelto . También pueden realizarse mediciones por lotes, extrayendo una sola muestra de agua y sometiéndola a pruebas químicas o físicas.

En la década de 1950 o antes, aparecieron modelos de transporte hidrológico para calcular cantidades de escorrentía, principalmente para la predicción de inundaciones . A partir de 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 varios productos químicos, la infiltración en los suelos y la carga final de contaminantes que llega 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). ^{[ 48 ]} Este modelo informático constituyó la base de gran parte del estudio de mitigación que condujo a estrategias para el control del uso de la tierra y el manejo de productos químicos.

Cada vez más, los profesionales del agua pluvial reconocen la necesidad de modelos de Monte Carlo para simular los procesos de agua pluvial 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 radica en disminuir la incertidumbre en las estadísticas de entrada, sino en representar las diferentes combinaciones de las variables que determinan los riesgos potenciales de las desviaciones en la calidad del agua. Un ejemplo de este tipo de modelo de agua pluvial es el modelo estocástico empírico de carga y dilución (SELDM) ^{[ 49 ] [ 50 ]} , un modelo de calidad del agua pluvial . 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 necesidad potencial de medidas de mitigación y la efectividad 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, ya que modela las interacciones entre variables hidrológicas (con diferentes distribuciones de probabilidad), lo que resulta en una población de valores que representan los resultados probables a largo plazo de los procesos de escorrentía y los efectos potenciales de diversas medidas de mitigación. SELDM también proporciona los medios para realizar rápidamente análisis de sensibilidad que permitan determinar los posibles efectos de la variación de los supuestos de entrada sobre los riesgos de desviaciones en 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 una fuente lineal de contaminación del agua para las aguas receptoras. ^{[ 51 ]}

• Aguas residuales agrícolas : contaminación de cuerpos de agua. 
• Escorrentía de nutrientes agrícolas – Proceso de gestión agrícola Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento 
• Biocuneta : elementos paisajísticos diseñados para gestionar la escorrentía superficial. 
• Captación de agua : dispositivo para captar o canalizar la escorrentía. 
• Efluente : desechos líquidos o aguas residuales vertidos en un río o en el mar. 
• Inundación repentina
• HydroCAD, una herramienta de software para el modelado de hidrología e hidrología.
• Modelo hidrológico : predicción y gestión de los recursos hídricos. 
• Programa Nacional de Escorrentía Urbana – Programa de investigación sobre contaminación de EE. UU. – Programa de investigación de EE. UU. 
• Contaminación difusa : contaminación resultante de múltiples fuentes. 
• Materia orgánica : materia compuesta de compuestos orgánicos. 
• Jardín de lluvia : método de paisajismo para reducir la escorrentía. 
• Número de curva de escorrentía : parámetro utilizado en hidrología. 
• Modelo de escorrentía (embalse) – Tipo de movimiento del agua 
• agua potable
• Modelo estocástico empírico de carga y dilución – Modelo de calidad de aguas pluviales 
• Índice de estado trófico : medida de la capacidad del agua para mantener la productividad biológica. 

• Manual Nacional de Ingeniería del USDA NRCS, Relaciones entre el nivel y el caudal, Cap. 14
• NutrientNet , una herramienta en línea para el intercambio de nutrientes desarrollada por el Instituto de Recursos Mundiales , está diseñada para abordar los problemas de calidad del agua relacionados con la escorrentía superficial y otros tipos de contaminación. Consulte también el sitio web de PA NutrientNet , diseñado para el programa de intercambio de nutrientes de Pensilvania.
• La biorretención como método de desarrollo de bajo impacto para el tratamiento de la escorrentía superficial.
• Liu, Yang (2009). "Calibración automática de un modelo de precipitación-escorrentía mediante un algoritmo de enjambre de partículas multiobjetivo rápido y elitista". Expert Systems with Applications . 36 (5): 9533– 9538. doi : 10.1016/j.eswa.2008.10.086 .
• Liu, Yang; Pender, Gareth (2013). "Calibración automática de un modelo de propagación rápida de inundaciones mediante optimizaciones multiobjetivo". Soft Computing . 17 (4): 713– 724. doi : 10.1007/s00500-012-0944-z . S2CID 27947972 . 
• Liu, Yang; Sun, Fan (2010). "Análisis de sensibilidad y calibración automática de un modelo de precipitación-escorrentía utilizando múltiples objetivos". Ecological Informatics . 5 (4): 304– 310. Bibcode : 2010EcInf...5..304L . doi : 10.1016/j.ecoinf.2010.04.006 .
• Modelo de aguas pluviales: Modelo estocástico empírico de carga y dilución (SELDM) del USGS