Escoamento superficial - Surface runoff

Escoamento fluindo para um dreno de águas pluviais

Escoamento superficial (também conhecida como escoamento superficial ) é o fluxo de água que ocorre na superfície do solo quando o excesso de água da chuva , água da chuva , água de degelo , ou outras fontes, já não pode infiltrar-se suficientemente rapidamente no solo . Isso pode ocorrer quando o solo está saturado de água em sua capacidade total e a chuva chega mais rapidamente do que o solo pode absorvê- la. O escoamento superficial geralmente ocorre porque as áreas impermeáveis (como telhados e pavimentação ) não permitem que a água penetre no solo. Além disso, o escoamento pode ocorrer por meio de processos naturais ou artificiais. O escoamento superficial é um componente importante do ciclo da água . É o principal agente de erosão do solo pela água . A área de terra que produz escoamento que drena até um ponto comum é chamada de bacia de drenagem .

O escoamento que ocorre na superfície do solo antes de atingir um canal pode ser uma fonte difusa de poluição , pois pode transportar contaminantes artificiais ou formas naturais de poluição (como folhas apodrecidas). Contaminantes artificiais no escoamento incluem petróleo , pesticidas , fertilizantes e outros.

Além de causar erosão hídrica e poluição, o escoamento superficial em áreas urbanas é a principal causa das enchentes urbanas , que podem resultar em danos à propriedade, umidade e mofo nos porões e inundações nas ruas.

Geração

Escoamento superficial de uma encosta após o solo estar saturado

O escoamento superficial pode ser gerado pela chuva, queda de neve ou pelo derretimento da neve ou geleiras.

A neve e o derretimento das geleiras ocorrem apenas em áreas frias o suficiente para que se formem permanentemente. Normalmente, o derretimento da neve atinge o pico na primavera e o derretimento das geleiras no verão, levando a máximos de fluxo pronunciados nos rios afetados por eles. O fator determinante da taxa de derretimento da neve ou das geleiras é a temperatura do ar e a duração da luz solar. Em regiões de alta montanha, os riachos freqüentemente sobem em dias ensolarados e caem em dias nublados por este motivo.

Em áreas onde não há neve, o escoamento virá das chuvas. No entanto, nem todas as chuvas produzirão escoamento porque o armazenamento dos solos pode absorver chuvas leves. Nos solos extremamente antigos da Austrália e da África do Sul , as raízes proteóides com suas redes extremamente densas de fios de cabelo podem absorver tanta água da chuva que previnem o escoamento, mesmo quando chove bastante. Nessas regiões, mesmo em solos argilosos menos inférteis , grandes quantidades de chuva e evaporação potencial são necessárias para gerar qualquer escoamento superficial, levando a adaptações especializadas a fluxos extremamente variáveis ​​(geralmente efêmeros).

Excesso de infiltração de fluxo terrestre

Gestão de águas pluviais usando árvores (animação)

Isso ocorre quando a taxa de chuva em uma superfície excede a taxa na qual a água pode se infiltrar no solo e qualquer depósito de depressão já foi preenchido. Isso é chamado de fluxo superficial excessivo de inundação, fluxo superficial hortoniano (em homenagem a Robert E. Horton ) ou fluxo superficial insaturado. Isso ocorre mais comumente em regiões áridas e semi-áridas , onde as intensidades das chuvas são altas e a capacidade de infiltração do solo é reduzida devido à impermeabilização da superfície , ou em áreas pavimentadas. Isso ocorre principalmente em áreas da cidade onde os pavimentos impedem a infiltração de água.

Fluxo superficial em excesso de saturação

Quando o solo está saturado e o armazenamento da depressão cheio, e a chuva continua a cair, a chuva produzirá imediatamente o escoamento superficial. O nível de umidade do solo anterior é um fator que afeta o tempo até que o solo se torne saturado. Este escoamento é denominado escoamento superficial em excesso de saturação, escoamento superficial saturado ou escoamento Dunne.

Umidade do solo antecedente

O solo retém um certo grau de umidade após uma chuva . Essa umidade residual da água afeta a capacidade de infiltração do solo . Durante o próximo evento de chuva, a capacidade de infiltração fará com que o solo seja saturado em uma taxa diferente. Quanto mais alto o nível de umidade do solo anterior, mais rapidamente o solo se torna saturado. Uma vez que o solo está saturado, ocorre o escoamento. Portanto, o escoamento superficial é um fator significativo no controle da umidade do solo após tempestades de média e baixa intensidade.

Fluxo de retorno subterrâneo

Depois que a água se infiltra no solo em uma parte da encosta acima de uma colina, a água pode fluir lateralmente através do solo e exfiltrar (fluir para fora do solo) mais perto de um canal. Isso é chamado de fluxo de retorno subsuperficial ou fluxo direto .

À medida que flui, a quantidade de escoamento pode ser reduzida de várias maneiras possíveis: uma pequena parte pode evapotranspirar ; a água pode ficar temporariamente armazenada em depressões microtopográficas; e uma parte dele pode se infiltrar à medida que flui por terra. Qualquer água superficial remanescente eventualmente flui para um corpo receptor , como um rio , lago , estuário ou oceano .

Influência humana

A lavagem por precipitação contamina os riachos locais
Escoamento de águas superficiais urbanas

A urbanização aumenta o escoamento superficial ao criar superfícies mais impermeáveis , como pavimentos e edifícios, que não permitem a percolação da água pelo solo até o aqüífero . Em vez disso, é forçado diretamente para riachos ou drenos de escoamento de águas pluviais , onde a erosão e assoreamento podem ser grandes problemas, mesmo quando as inundações não são. O aumento do escoamento reduz a recarga do lençol freático , diminuindo assim o lençol freático e piorando as secas , especialmente para os agricultores e outros que dependem dos poços de água .

Quando contaminantes antropogênicos são dissolvidos ou suspensos no escoamento, o impacto humano é expandido para criar poluição da água . Essa carga poluente pode atingir várias águas receptoras, como riachos, rios, lagos, estuários e oceanos, com alterações na química da água resultantes para esses sistemas hídricos e seus ecossistemas relacionados.

Um relatório de 2008 do Conselho Nacional de Pesquisa dos Estados Unidos identificou as águas pluviais urbanas como uma das principais fontes de problemas de qualidade da água nos EUA.

Como os humanos continuam alterando o clima por meio da adição de gases de efeito estufa à atmosfera, os padrões de precipitação devem mudar conforme a capacidade atmosférica de vapor d'água aumenta. Isso terá consequências diretas nos valores do escoamento.

Efeitos do escoamento superficial

Erosão e deposição

O escoamento superficial pode causar erosão da superfície da Terra; material erodido pode ser depositado a uma distância considerável. Existem quatro tipos principais de erosão do solo pela água : erosão por salpico, erosão por folha, erosão por rilhar e erosão por riachos . A erosão por respingo é o resultado da colisão mecânica das gotas de chuva com a superfície do solo: partículas de solo que são desalojadas pelo impacto e se movem com o escoamento superficial. A erosão em folha é o transporte terrestre de sedimentos por escoamento sem um canal bem definido. As causas da rugosidade da superfície do solo podem fazer com que o escoamento se concentre em caminhos de fluxo mais estreitos: à medida que eles incidem, os canais pequenos, mas bem definidos, que são formados são conhecidos como rills . Esses canais podem ter apenas um centímetro de largura ou vários metros. Se o escoamento continuar a incisar e aumentar os riachos, eles podem eventualmente crescer e se tornar ravinas . A erosão de voçorocas pode transportar grandes quantidades de material erodido em um pequeno período de tempo.

Erosão do solo pela água em terras de cultivo intensivo.
Sebe de salgueiro reforçada com fascínios para a limitação do escoamento, norte da França.

A redução da produtividade das lavouras geralmente resulta da erosão, e esses efeitos são estudados no campo da conservação do solo . As partículas de solo transportadas no escoamento variam em tamanho de cerca de 0,001 milímetro a 1,0 milímetro de diâmetro. Partículas maiores assentam em curtas distâncias de transporte, enquanto partículas pequenas podem ser carregadas em longas distâncias suspensas na coluna de água . A erosão de solos argilosos que contêm partículas menores gera turbidez e diminui a transmissão de luz, o que perturba os ecossistemas aquáticos .

Seções inteiras de países se tornaram improdutivas pela erosão. No alto planalto central de Madagascar , aproximadamente dez por cento da área terrestre daquele país, praticamente toda a paisagem é desprovida de vegetação , com sulcos de ravina erosivos tipicamente superiores a 50 metros de profundidade e um quilômetro de largura. O cultivo itinerante é um sistema de cultivo que às vezes incorpora o método de corte e queima em algumas regiões do mundo. A erosão causa a perda da camada fértil do solo e reduz sua fertilidade e qualidade dos produtos agrícolas.

A agricultura industrial moderna é outra das principais causas da erosão. Mais de um terço do cinturão do milho dos Estados Unidos perdeu completamente sua camada superficial do solo . Mudar para as práticas de plantio direto reduziria a erosão do solo dos campos agrícolas dos EUA em mais de 70 por cento.

Efeitos ambientais

As principais questões ambientais associadas ao escoamento são os impactos nas águas superficiais, subterrâneas e no solo por meio do transporte de poluentes hídricos para esses sistemas. Em última análise, essas consequências se traduzem em risco para a saúde humana, perturbação do ecossistema e impacto estético sobre os recursos hídricos. Alguns dos contaminantes que criam o maior impacto nas águas superficiais decorrentes do escoamento são as substâncias do petróleo , herbicidas e fertilizantes . A absorção quantitativa pelo escoamento superficial de pesticidas e outros contaminantes tem sido estudada desde 1960, e no início do contato de pesticidas com água era conhecido por aumentar a fitotoxicidade . No caso das águas superficiais, os impactos se traduzem em poluição das águas , uma vez que os córregos e rios receberam escoamento que transporta diversos produtos químicos ou sedimentos. Quando as águas superficiais são utilizadas como fontes de água potável , elas podem ser comprometidas em relação aos riscos à saúde e à estética da água potável (ou seja, efeitos de odor, cor e turbidez ). Águas superficiais contaminadas podem alterar os processos metabólicos das espécies aquáticas que hospedam; essas alterações podem levar à morte, como a morte de peixes , ou alterar o equilíbrio das populações presentes. Outros impactos específicos são no acasalamento animal, desova, viabilidade de ovos e larvas , sobrevivência juvenil e produtividade vegetal. Algumas pesquisas mostram que o escoamento superficial de pesticidas, como o DDT , pode alterar geneticamente o gênero das espécies de peixes, o que transforma peixes machos em fêmeas.

O escoamento superficial que ocorre dentro das florestas pode fornecer lagos com altas cargas de nitrogênio mineral e fósforo, levando à eutrofização . As águas do escoamento nas florestas de coníferas também são enriquecidas com ácidos húmicos e podem levar à humificação dos corpos d'água. Além disso, as ilhas jovens e de grande altura nos trópicos e subtrópicos podem sofrer altas taxas de erosão do solo e também contribuir com grandes fluxos de materiais para o oceano costeiro. Esse escoamento derivado da terra de nutrientes de sedimentos, carbono e contaminantes pode ter grandes impactos nos ciclos biogeoquímicos globais e nos ecossistemas marinhos e costeiros.

No caso das águas subterrâneas, o principal problema é a contaminação da água potável, se o aqüífero for captado para uso humano. Com relação à contaminação do solo , as águas de escoamento podem ter duas vias importantes de preocupação. Em primeiro lugar, a água de escoamento pode extrair contaminantes do solo e carregá-los na forma de poluição da água para habitats aquáticos ainda mais sensíveis. Em segundo lugar, o escoamento pode depositar contaminantes em solos intocados, criando consequências para a saúde ou ecológicas.

Questões agrícolas

O outro contexto das questões agrícolas envolve o transporte de produtos químicos agrícolas (nitratos, fosfatos, pesticidas, herbicidas, etc.) através do escoamento superficial. Esse resultado ocorre quando o uso de produtos químicos é excessivo ou mal sincronizado com relação à alta precipitação. O escoamento contaminado resultante representa não apenas um desperdício de produtos químicos agrícolas, mas também uma ameaça ambiental aos ecossistemas a jusante. A palha do pinheiro é freqüentemente usada para proteger o solo da erosão do solo e do crescimento de ervas daninhas. No entanto, a colheita dessas safras pode resultar no aumento da erosão do solo.

Questões econômicas.

Escoamento de terras agrícolas

O escoamento superficial resulta em uma quantidade significativa de efeitos econômicos. Palhas de pinheiro são formas econômicas de lidar com o escoamento superficial. Além disso, o escoamento superficial pode ser reutilizado através do crescimento da massa de elefantes. Na Nigéria , o capim-elefante é considerado uma forma econômica de reduzir o escoamento superficial e a erosão . Além disso, a China sofreu um impacto significativo do escoamento superficial para a maioria de suas safras econômicas, como vegetais. Portanto, eles são conhecidos por terem implementado um sistema que reduziu a perda de nutrientes (nitrogênio e fósforo) no solo.

Inundação

A inundação ocorre quando um curso de água é incapaz de transportar a quantidade de escoamento que flui a jusante. A frequência com que isso ocorre é descrita por um período de retorno . A inundação é um processo natural, que mantém a composição e os processos do ecossistema, mas também pode ser alterado por mudanças no uso do solo , como engenharia de rios. As inundações podem ser benéficas para as sociedades ou causar danos. A agricultura ao longo da planície de inundação do Nilo aproveitou as inundações sazonais que depositaram nutrientes benéficos para as plantações. No entanto, à medida que o número e a suscetibilidade dos assentamentos aumentam, as inundações tornam-se cada vez mais um perigo natural. Em áreas urbanas, o escoamento superficial é a principal causa das enchentes urbanas, conhecido por seu impacto repetitivo e caro nas comunidades. Os impactos adversos incluem perda de vidas, danos a propriedades, contaminação do abastecimento de água, perda de safras e deslocamento social e desabrigo temporário. As inundações estão entre as catástrofes naturais mais devastadoras. O uso de irrigação suplementar também é reconhecido como uma forma significativa em que culturas como o milho podem reter fertilizantes de nitrogênio no solo, resultando na melhoria da disponibilidade de água da cultura.

Mitigação e tratamento

Lagoas de retenção de escoamento (bairro Uplands de North Bend, Washington )

A mitigação dos impactos adversos do escoamento pode assumir várias formas:

Controles de uso da terra. Muitas agências reguladoras mundiais têm incentivado a pesquisa sobre métodos de minimização do escoamento superficial total, evitando hardscape desnecessário . Muitos municípios produziram diretrizes e códigos ( zoneamento e decretos relacionados ) para incorporadores que incentivam calçadas de largura mínima, uso de pavimentação fixada na terra para calçadas e calçadas e outras técnicas de projeto para permitir a infiltração máxima de água em ambientes urbanos. Um exemplo de programa de controle de uso da terra pode ser visto na cidade de Santa Monica, Califórnia .

O controle da erosão surgiu desde os tempos medievais, quando os fazendeiros perceberam a importância da agricultura em contorno para proteger os recursos do solo. A partir da década de 1950, esses métodos agrícolas tornaram-se cada vez mais sofisticados. Na década de 1960, alguns governos estaduais e locais começaram a concentrar seus esforços na mitigação do escoamento da construção, exigindo que os construtores implementassem controles de erosão e sedimentos (ESCs). Isso incluiu técnicas como: uso de fardos de palha e barreiras para diminuir o escoamento em encostas, instalação de cercas de silte , programação de construção para meses com menos chuvas e minimizando a extensão e a duração das áreas classificadas expostas. O condado de Montgomery , em Maryland , implementou o primeiro programa de controle de sedimentos do governo local em 1965, seguido por um programa estadual em Maryland em 1970.

Os programas de controle de enchentes já na primeira metade do século XX tornaram-se quantitativos na previsão dos picos de vazão dos sistemas ribeirinhos . Progressivamente, estratégias foram desenvolvidas para minimizar os fluxos de pico e também para reduzir as velocidades do canal. Algumas das técnicas comumente aplicadas são: provisão de tanques de retenção (também chamados de bacias de detenção ou lagos de equilíbrio ) para tamponar os fluxos de pico dos rios, uso de dissipadores de energia em canais para reduzir a velocidade dos rios e controles de uso do solo para minimizar o escoamento.

Uso e manuseio de produtos químicos . Após a promulgação da Lei de Conservação e Recuperação de Recursos dos Estados Unidos (RCRA) em 1976 e, posteriormente, da Lei de Qualidade da Água de 1987 , os estados e cidades tornaram-se mais vigilantes no controle da contenção e armazenamento de produtos químicos tóxicos, evitando, assim, vazamentos e vazamentos. Os métodos comumente aplicados são: requisitos para contenção dupla de tanques de armazenamento subterrâneos , registro douso de materiais perigosos , redução no número de pesticidas permitidos e regulamentação mais rigorosa de fertilizantes e herbicidas na manutenção da paisagem. Em muitos casos industriais, o pré-tratamento de resíduos é necessário para minimizar o escape de poluentes em esgotos sanitários ou pluviais .

O US Clean Water Act (CWA) exige que os governos locais em áreas urbanizadas (conforme definido pelo Census Bureau ) obtenham licenças de descarga de águas pluviais para seus sistemas de drenagem. Essencialmente, isso significa que a localidade deve operar um programa de gestão de águas pluviais para todo o escoamento superficial que entra no sistema municipal de esgoto pluvial separado ("MS4"). EPA e regulamentos estaduais e publicações relacionadas descrevem seis componentes básicos que cada programa local deve conter:

  • Educação pública (informar indivíduos, famílias, empresas sobre maneiras de evitar a poluição das águas pluviais)
  • Envolvimento público (apoiar a participação pública na implementação de programas locais)
  • Detecção e eliminação de descargas ilícitas (remoção de esgoto sanitário ou outras conexões que não sejam de águas pluviais para o MS4)
  • Controles de escoamento do local de construção (ou seja, controles de erosão e sedimentos)
  • Controles de gestão de águas pluviais pós-construção (ou seja, permanentes)
  • Prevenção da poluição e medidas de "boa limpeza" (por exemplo, manutenção do sistema).

Outros proprietários que operam sistemas de drenagem pluvial semelhantes a municípios, como sistemas rodoviários estaduais, universidades, bases militares e prisões, também estão sujeitos aos requisitos de autorização do MS4.

Medição e modelagem matemática

O escoamento é analisado usando modelos matemáticos em combinação com vários métodos de amostragem de qualidade da água . As medições podem ser feitas usando instrumentos de análise contínua e automatizada da qualidade da água direcionados a poluentes, como produtos químicos orgânicos ou inorgânicos específicos , pH , turbidez, etc. ou direcionados a indicadores secundários, como oxigênio dissolvido . As medições também podem ser feitas em lote, extraindo uma única amostra de água e realizando qualquer número de testes químicos ou físicos nessa amostra.

Na década de 1950 ou antes, os modelos de transporte hidrológico pareciam calcular as quantidades de escoamento, principalmente para a previsão de enchentes. No início da década de 1970, modelos de computador foram desenvolvidos para analisar o transporte de poluentes da água que transportam o escoamento, que considerava as taxas de dissolução de vários produtos químicos, a infiltração nos solos e a carga poluente final entregue às águas receptoras . Um dos primeiros modelos que tratam da dissolução química no escoamento e no transporte resultante foi desenvolvido no início dos anos 1970 sob contrato com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA). Este modelo de computador formou a base de grande parte do estudo de mitigação que levou a estratégias para o uso da terra e controles de manuseio de produtos químicos.

Cada vez mais, os profissionais de águas pluviais têm reconhecido a necessidade de modelos de Monte Carlo para simular processos de águas pluviais por causa das variações naturais em várias variáveis ​​que afetam a qualidade e a quantidade de escoamento. O benefício da análise de Monte Carlo não é diminuir a incerteza nas estatísticas de entrada, mas representar as diferentes combinações das variáveis ​​que determinam os riscos potenciais de excursões na qualidade da água. Um exemplo desse tipo de modelo de águas pluviais é o modelo empírico estocástico de diluição e carregamento ( SELDM ) é um modelo de qualidade de águas pluviais . O SELDM foi projetado para transformar dados científicos complexos em informações significativas sobre o risco de efeitos adversos do escoamento nas águas receptoras, a necessidade potencial de medidas de mitigação e a eficácia potencial de tais medidas de gerenciamento para reduzir esses riscos. O SELDM fornece um método para avaliação rápida de informações que de outra forma seriam difíceis ou impossíveis de obter porque modela as interações entre as variáveis ​​hidrológicas (com diferentes distribuições de probabilidade) que resultam em uma população de valores que representam resultados prováveis ​​de longo prazo de processos de escoamento e o efeitos potenciais de diferentes medidas de mitigação. O SELDM também fornece os meios para fazer análises de sensibilidade rapidamente para determinar os efeitos potenciais de diferentes suposições de entrada sobre os riscos de excursões na qualidade da água.

Outros modelos de computador foram desenvolvidos (como o modelo DSSAM ) que permitem que o escoamento superficial seja rastreado ao longo de um curso de rio como poluentes reativos da água. Nesse caso, o escoamento superficial pode ser considerado uma fonte de poluição da água para as águas receptoras.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Gebert, WA, DJ Graczyk e WR Krug. (1987). Escoamento médio anual nos Estados Unidos, 1951-80 [Hydrologic Investigations Atlas HA-710]. Reston, Va: Departamento do Interior dos EUA, US Geological Survey.
  • Fundação de Educação Shodor (1998). "Modelagem de Escoamento de Água Superficial".

links externos