Escorrentía y erosión del suelo

Definición e importancia

La escorrentía es una fase del ciclo hidrológico. Recuérdese que el agua pasa de ser el vapor de agua contenido dentro de las masas de aire de la atmósfera, para luego convertirse en precipitación o lluvia. A su vez, el agua se evapora directamente desde el suelo, o es liberada en forma de vapor a través de las plantas (evapotranspiración). Otra parte del agua es infiltrada a través del suelo para surtir a las aguas freáticas o subterráneas. Las aguas que logran mantenerse en movimiento sobre la superficie se convierten entonces en aguas de escorrentía.

Figura 1. El ciclo hidrológico es una especie de movimiento circular que sigue el agua a través de sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso, pasando por la atmósfera, la superficie de la tierra y el subsuelo. (googleimages.com).

El agua de escorrentía crea sistemas de desagüe o de drenaje; éstos poseen la forma de la hoja de una planta, cuyas nervaduras se asemejan a la red de ríos y el pecíolo (palito que sostiene la hoja) al canal de desagüe. Dichos sistemas son un mecanismo de convergencia, donde los ríos más pequeños desembocan en ríos cada vez más grandes. De tal manera que los cuerpos de agua pueden clasificarse ordenadamente desde las nacientes; así, los ríos de las cabeceras serán los de primer orden, los cuales desembocarán en los de segundo orden, y así sucesivamente. Un sistema o una cuenca de drenaje puede delimitarse en un plano trazando una línea a lo largo de la divisoria de aguas (Fig. 2). Una divisoria de aguas es un límite natural desde donde el agua de escorrentía fluye en direcciones opuestas. Desde tiempos remotos, estas líneas imaginarias han servido de límites políticos entre estados, así como de línderos entre propiedades privadas. Es importante el trazado de las divisorias de aguas de una región para el caso de estudios de climatología o de hidrología aplicada.

Figura 2. Cuenca de drenaje delimitada por la divisoria de aguas (línea imaginaria dibujada en rojo). (googleimages.com)

Las aguas de escorrentía son de vital importancia para el hombre, puesto que sin este recurso las actividades humanas se ven seriamente restringidas. Así, por ejemplo, muchas de las antiguas civilizaciones se desarrollaron en torno a grandes ejes de drenaje, pues el agua corriente se utiliza para el riego de los cultivos; es útil en las actividades manufactureras; sirve para el consumo de las comunidades urbanas; por otra parte, la escorrentía alimenta los grandes embalses que son útiles para la generación de energía eléctrica; los grandes ríos sirven, además, para la navegación, convirtiéndose en especies de autopistas por donde circulan numerosas embarcaciones, y son, al mismo tiempo, importantes para la pesca, por ser el hábitat de múltiples especies comestibles.

División de las aguas de escorrentía

Se pueden dividir en dos tipos: en aguas de arroyada y encauzadas.

Aguas de arroyada: Se desplazan sobre las vertientes a manera de redes de hilillos diseminados o en delgadas películas o mantos. En una vertiente determinada, en caso de que llueva en forma persistente, llega el momento en que la capa superficial del suelo queda completamente empapada, lo cual limitará la infiltración, y hará que el exceso de agua tienda a acumularse en la superficie. Posteriormente, los charquitos rebasarán sus límites y se producirá el escurrimiento. En superficies ásperas, donde el micro-relieve es irregular o que presente obstáculos como yerbas u otras plantas, la arroyada se desdobla formando redes de riachuelos, donde unos charquitos se conectan con los otros. Durante un aguacero, la circulación de la arroyada es difícil de contemplarse, debido a las yerbas o al mantillo de hojarasca que se forma por debajo del bosque. Sobre superficies más o menos lisas, como es el caso de afloramientos rocosos de perfil rectilíneo, la arroyada se produce a modo de películas de agua. La arroyada en surcos es una situación intermedia entre la arroyada en mantos y las aguas encauzadas, y como consecuencia la excavación originará una serie de canales paralelos que en muchos casos se harán cada vez más amplios y profundos. En casos especiales, la escorrentía se produce por la surgencia de aguas subterráneas a modo de manantiales.

Aguas encauzadas: Como su nombre lo dice, a diferencia de las anteriores, éstas discurren a lo largo de cauces bien definidos, para formar desde pequeñas quebradas hasta ríos de mayor tamaño. Las aguas encauzadas son abastecidas tanto por las aguas subterráneas como por las aguas de arroyada; estas últimas discurren por las vertientes y desembocan en los cauces ubicados aguas abajo. Los espacios por donde se mueven las aguas de arroyada reciben el nombre de interfluvios.

La erosión del suelo

El suelo es la capa superficial de la superficie terrestre constituida por materiales orgánicos e inorgánicos. Los suelos residuales, es decir, aquellos que se desarrollan sobre plena roca madre, poseen un corte que muestra de arriba hacia abajo cuatro horizontes esenciales: a) hojarasca, b) capa mineral con humus, c) capa mineral sin humus y d) roca madre en proceso de meteorización. Los edafólogos (especialistas en el estudio de los suelos) afirman que un suelo es profundo cuando supera los 100 centímetros. El término suelo, según la edafología, se aplica entonces a la capa superficial donde se sustentan las plantas, puesto que las raíces de los árboles tienden a extenderse más lateralmente que en profundidad.

Figura 3. Corte 3D esquemático de un suelo incluyendo todas sus partes. (googleimages.com)

Una de las particularidades de los suelos es que están conformados por materiales no consolidados, bien sea arcillas, limos, arenas, gravas, etc. Y es precisamente esta característica la que los hace susceptibles a la erosión, especialmente a la erosión hídrica. En la naturaleza se tienen dos modelos de erosión, a saber:

1. Modelo de erosión geológica: Ocurre en vertientes en estado de equilibrio ambiental, donde debe haber una capa de vegetación efectiva, como es el caso del bosque. Las gotas de lluvia se estrellarán primero contra las ramas de los árboles, antes de alcanzar la superficie; de esa manera podrán disminuir la velocidad y la fuerza del impacto. Sin embargo, a los pocos instantes de comenzar a llover, el goteo sobre el piso del bosque será inevitable, pero ya el impacto de las gotas no tendrá la misma fuerza, de no ser por la previa amortiguación ejercida por las ramas y troncos de las plantas. El impacto de dichas gotas se hará casi nulo, a causa de la existencia de una especie de alfombra representada por el mantillo de hojarasca. Aunado a esto, el poder de arrastre o socavación de las aguas de arroyada se reduce notablemente a causa de los innumerables obstáculos representados por las raíces, los tallos de los árboles y el mismo mantillo de hojarasca. Bajo estas condiciones, la pérdida de suelo se hace mínima, aunque muchas sustancias minerales serán evacuadas en solución hacia los cauces ubicados al pie de las vertientes. Es de recalcar que en los suelos ricos en arcilla la escorrentía es mayor que la infiltración y, por lo tanto, se estima que el desgaste o la pérdida de materiales es superior que en aquellos suelos de texturas arenosas, sobre los cuales la infiltración supera a la escorrentía. De la misma manera, el grado de inclinación de las vertientes influye en la mayor o menor velocidad del agua de arroyada; por lo tanto, el desgaste de los suelos será superior en los lugares más empinados.

2. Modelo de erosión acelerada: Supóngase que el hombre interviene una zona boscosa, ya sea porque necesita madera o porque desea explotar los minerales existentes. En caso de que el suelo quede enteramente desnudo y expuesto ante los agentes erosivos, uno de los primeros procesos encargados de remover los materiales es la salpicadura; es decir, el efecto de remoción del suelo ante el impacto de las gotas de lluvia sobre un suelo empapado (Fig. 4). En vertientes inclinadas, la mayor parte de los materiales arrojados alrededor del pequeño cráter formado por una gota de agua, se dirigirán ladera abajo. En consecuencia, el impacto de millares de gotas de lluvia se encargará de remover toneladas de suelo.

Figura 4. Modelo que demuestra la forma que adopta el barro una vez que hace impacto una gota de lluvia. (googleimages.com)

Los ambientes así afectados tenderán a desarrollar surcos (Fig. 5); dichos surcos al pasar el tiempo se convertirán en cárcavas. Estas condiciones favorecen también la formación de pirámides de tierra (para los geomorfólogos franceses: “señoritas ensombreradas”), las que consisten de una elevación más o menos cónica, constituida por materiales sueltos y en cuya cúspide debe haber un bloque, el cual hace las veces de un escudo protector ante el impacto de las gotas de lluvia (Fig. 6). Estas formas pueden medir desde unos pocos centímetros hasta varios metros de altura. La erosión acelerada no sólo es producida por el hombre, también puede ser generada a partir de eventos naturales catastróficos, como, por ejemplo, durante poderosas tormentas y huracanes.

Figura 5. Erosión en surcos: pequeños canales paralelos a la inclinación de una vertiente. (googleimages.com)

Figura 6. Pirámides o torres de tierra: constan de un bloque en la cima y materiales sueltos por debajo. Pueden medir varios metros de altura. (googleimages.com)

Las cárcavas son canales o zanjas producidas por la erosión hídrica. En la terminología universal, las áreas con cárcavas reciben el nombre de badlands (Fig.7). Una de las condiciones para que se formen las cárcavas o barrancos es que los materiales deben ser blandos o no consolidados. Los climas más propicios para la formación de barrancos son los áridos o semiáridos. Las cárcavas evolucionan creciendo longitudinal, vertical y lateralmente. En planta, poseen una forma digitada, es decir, que poseen entrantes en forma de dedos, los cuales le ganarán espacio al terreno durante las épocas de lluvias fuertes. Es en esas circunstancias cuando se habla del retroceso de las cárcavas (Fig. 8). Dicho retroceso es el responsable muchas veces de arruinar terrenos agrícolas, carreteras y el de hacer colapsar viviendas y otras infraestructuras. El crecimiento de las cárcavas se puede combatir mediante la puesta en práctica de medidas no necesariamente tan costosas, tales como la concientización de las comunidades, el corte escalonado de taludes y su reforestación. Las medidas más caras incluyen la construcción de muros, alcantarillas y canales disipadores de energía.

Figura 7. Erosión en cárcavas o barrancos, sistemas de zanjas profundas excavadas sobre materiales no consolidados. (googleimages.com)

Figura 8. Evolución de una cárcava en cuatro etapas (Santiago, 2010).

Medición de la erosión del suelo

Existen muchos métodos para medir la erosión del suelo, parte de ellos sofisticados y asociados particularmente a los cálculos matemáticos; sin embargo, hay métodos sencillos como es el caso de las chapas. Este método sólo es aplicable en zonas de escasa vegetación, como en áreas de suelos desnudos empleados en actividades agrícolas. La idea es colocar tapas de refresco al revés, enterrándolas a ras del terreno. Se deben colocar siguiendo una cuadrícula con distancias no muy amplias como para obtener valores más exactos, por ejemplo, cada 5 metros. Después de ocurrido un aguacero se acudirá a la zona y se medirá la altura del pedestal formado por debajo de cada chapa (ocurre lo mismo que en las pirámides de tierra). Se determina el promedio de la altura de los pedestales y, por último, se multiplica por el área de la zona en estudio. El resultado será la pérdida de suelo estimada en metros cúbicos. Si se conoce el peso promedio del suelo, el resultado podrá expresarse también en kilogramos o en toneladas. Veamos un ejemplo:

Sea una zona de una hectárea, es decir de 10.000 metros cuadrados, donde obtuvimos un espesor promedio de 3 centímetros, es decir de 0,03 m. Aplicando la fórmula:

Pérdida de suelo = Area x Espesor

P.S. = 10.000 m² x 0,03 m = 300 m³

Cuando se trate de una zona muy lluviosa los pedestales bajo las chapas se vendrán abajo, y entonces será necesario emplear estacas marcadas.

En áreas cubiertas de vegetación se pueden utilizar bandejas o recipientes colocándolas al pie de las vertientes en estudio, justo donde desemboquen las aguas de arroyada. Al cesar el flujo, se procede a determinar la cantidad de materiales atrapados en dichos recipientes.

El caudal de los ríos

El caudal o el gasto es la cantidad de agua que pasa por una sección determinada de un río y se expresa en metros cúbicos por segundo. La medición del caudal de un río se hace a través de un instrumento llamado correntímetro, el cual sirve para determinar la velocidad de la corriente en una sección determinada (Fig. 9). Luego, esa velocidad se multiplica por el área de la sección en estudio y se obtendrá el caudal correspondiente. El caudal varía de acuerdo a la época del año: en períodos de lluvias el caudal de los ríos es alto, mientras que durante la sequía el caudal se hace bajo o incluso se hace nulo. El caudal de los ríos de primer orden es siempre más bajo que el caudal de los ríos subsiguientes (segundo orden). Las mediciones del caudal de los ríos pueden ser acompañadas por mediciones de sedimentos en suspensión (arcillas y limos), lo cual puede ser útil en la estimación de los grados de erosión de las cuencas de drenaje. Esto es de suma importancia en los estudios comparativos a la hora de elegir sitios para la construcción de represas, puesto que es de sumo interés que la vida útil del embalse sea lo más prolongada posible.

Figura 9. Sistema para la medición del caudal de un río: 1, 3, 5 y 7: poleas y cuerdas de sostén y despolazamiento del correntímetro; 2 y 4: partes que controlan la inmersión del correntímetro(6). También puede servir una canoa y un puente. (googleimages.com).

El control de las crecidas

Las crecidas o avenidas de los ríos se controlan de dos modos esenciales: 1) retrasando la escorrentía y 2) modificando los cauces bajos. Se retrasa la escorrentía reforestando las cabeceras de una cuenca de drenaje con la finalidad de evitar el desagüe violento de las aguas. Las plantas se encargarán de favorecer la infiltración del agua en detrimento del exceso de aguas de arroyada. Existen especies de árboles de crecimiento rápido, así como de ciertas gramíneas óptimas para la estabilización de las vertientes. Es decir que no sólo servirán para amortiguar el desagüe, sino también para disminuir la erosión de los suelos. Otra de las medidas que sirve para mitigar el efecto nocivo de las crecidas, es la construcción de represas en las partes altas de las cuencas de drenaje. Aunque se trata de infraestructuras costosas, el impacto socioeconómico positivo de una represa podrá manifestarse a corto plazo mediante la generación de energía eléctrica y la obtención de agua tanto para las actividades agrícolas como urbanas. En casos donde la erosión y los movimientos de masas de las vertientes sean muy fuertes, el único fin de las represas será el entrampamiento de los sedimentos (Fig. 10).

En los cauces bajos de los ríos, particularmente donde los ríos desarrollan un tren de meandros (curvas), una de las medidas más tradicionales es la construcción de muros y malecones especialmente diseñados por los ingenieros civiles. Por otra parte, los ríos pueden desviarse mediante la construcción de canales que se encarguen de llevar el exceso de agua hacia lugares que se ubiquen pendiente abajo, lejos de los sitios que deseamos proteger (centros poblados, carreteras, etc.).

Fig.10. Distintas formas para controlar las inundaciones: 1) Reforestación, 2) represas, 3) canalización y 4) malecones; estos últimos se aplican para evitar el desborde de los ríos, así como para amortiguar la violencia del oleaje durante las tormentas. (googleimages.com)

En estos proyectos lo ideal es que participen equipos multidisciplinarios, pues es una irresponsabilidad encomendarle una tarea de esta magnitud únicamente a un ingeniero civil (lo que no es raro en nuestro mundo subdesarrollado); además de dicho profesional, debe haber un equipo donde hayan: un ingeniero forestal o agrónomo, un geólogo, un hidrólogo, un geógrafo, etc.

 

Aguas freáticas y régimen de los ríos

Los materiales permeables como las arenas, gravas y rocas diaclasadas tienen alta capacidad de almacenamiento de agua, debido a la existencia de abundantes espacios vacíos o poros (Fig. 10). En cambio, son materiales impermeables las arcillas y las rocas no fracturadas, las cuales retienen o no dejan fluir el agua hacia otras posiciones. El límite superior de las aguas freáticas o subterráneas recibe el nombre de nivel freático o mesa de agua. En la época de lluvias el nivel freático está cercano a la superficie, mientras que en la época de sequía dicho nivel se hace más profundo. Todo eso es un fiel reflejo de que las aguas subterráneas son alimentadas por las aguas de lluvia.

Figura 10. Relaciones entre geología, relieve, aguas de lluvia, de escorrentía, de infiltración y freáticas; aprovechamiento humano y contaminación de las aguas subterráneas. (googleimages.com)

El régimen de los ríos depende en gran medida de la fluctuación del nivel freático. Cuando a lo largo del año el nivel freático está más alto que el cauce de los ríos –en el caso de paisajes acolinados-, la tendencia es que el agua corriente se mantenga y los ríos nunca se sequen. Son entonces ríos de régimen permanente. Al contrario, son ríos de régimen intermitente aquellos que se secan en determinados períodos del año (Fig. 11), especialmente durante la época de sequía, cuando el nivel freático desciende por debajo del cauce.

Figura 11. El cauce seco de un río de régimen intermitente supone que la época de sequía está en pleno apogeo. (googleimages.com)

El movimiento de las aguas freáticas es de sumo interés en los estudios geomorfológicos, sobre todo en los casos en que la roca se disuelve y se forman extensas redes de galerías que alcanzan la superficie mediante cuevas y depresiones. Este fenómeno ocurre de forma espectacular en las calizas.

El conocimiento de las aguas subterráneas es muy importante en la ubicación de infraestructuras, y es fundamental en la localización y apertura de pozos de agua para el consumo humano, así como en la ubicación de infraestructuras que puedan contaminar tanto las aguas de escorrentía como las aguas freáticas; por ejemplo, a través de fábricas de químicos, gasolineras, pozos sépticos y rellenos sanitarios. En estos casos también es imprescindible la asesoría de equipos multidisciplinarios.

Referencias

Santiago, J.E. (1992). Generalidades sobre la erosión en cárcavas. Disponible: www.ilustrados.com [Revisado: noviembre 13, 2009]

Santiago, J.E. (2010). El control de los eventos geomorfológicos catastróficos. Boletín Geominas, Universidad de Oriente, Ciudad Bolívar.

Strahler, A. (1989). Geografía Física. Edic. Omega, Barcelona.

Thornbury, W. (1965). Principios de Geomorfología. John Whiley & Sons, New York.

Tricart, J. (1969). La epidermis de la tierra. Edit. Labor, Barcelona.

www.googleimages.com [Revisado: Diciembre 3, 2009]