La iniciativa, coordinada per Marco Dentz (IDAEA-CSIC), combina la caracterització de coves, experiments i models digitals per entendre el flux de l’aigua i el transport de contaminants en sistemes càrstics d’arreu del món
Perfil de la cova Markov Spodmol, Eslovènia. | Tanguy Racine, Karst
En el context actual de canvi climàtic, les tempestes intenses, les sequeres i les inundacions són cada vegada més freqüents. Aquests fenòmens extrems no només afecten la superfície de la Terra, sinó que també alteren els aqüífers subterranis, dels quals depenen milions de persones per obtenir aigua potable. Tot i això, malgrat el seu paper essencial en el sistema hidrològic, encara es coneix poc sobre com circula l’aigua sota terra.
El projecte europeu Karst, finançat amb una prestigiosa Synergy Grant del European Research Council (ERC) i coordinat per Marco Dentz, de l’Institut de Diagnosi Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDAEA-CSIC), aborda aquest gran repte: modelitzar i caracteritzar els sistemes de coves subterrànies d’arreu del món per poder predir el flux d’aigua i el transport de contaminants. El projecte va començar el 2023 i, després de tres anys de treball, ja ha aconseguit avenços significatius, entre els quals la construcció de la base de dades més gran del món de xarxes de coves. Amb tres anys més per davant, l’equip investigador vol perfeccionar els seus models per anticipar el moviment de l’aigua i dels contaminants i, d’aquesta manera, avaluar l’impacte real d’inundacions o abocaments.
Entendre el flux subterrani d’aigua i contaminants
Els sistemes càrstics són coves calcàries que es formen per la dissolució de roques càrstiques (calcàries, guixos, dolomies), donant lloc a xarxes de coves molt ramificades i extenses. S’estima que ocupen aproximadament un 10% de la superfície terrestre, de manera que són fonamentals per a la hidrologia global. A causa de les característiques de la roca calcària, l’aigua no s’hi emmagatzema, sinó que flueix ràpidament per les cavitats. Per això, aquests sistemes són molt sensibles als canvis en el volum d’aigua. Per exemple, durant pluges intenses és fàcil que es produeixin inundacions, mentre que en períodes de sequera es poden buidar completament.
Per entendre com flueix l’aigua en aquests sistemes subterranis, fins ara s’aplicaven les lleis clàssiques de la física de fluids. Tanmateix, aquests models no descriuen adequadament la seva complexitat real.
“Una cova no és una canonada llisa i perfectament simètrica. Les seves parets són rugoses, estan fracturades i presenten cavitats on l’aigua genera remolins o es pot emmagatzemar temporalment”, explica Marco Dentz, investigador de l’IDAEA i coordinador de Karst.
Per això, el primer pas del projecte va ser comprendre què passa a l’interior d’un conducte d’una cova càrstica. Per estudiar aquestes geometries complexes, l’equip va realitzar escanejos amb tecnologia LIDAR (basada en làser) de 16 coves a Europa per obtenir models digitals en 3D extremadament detallats de l’interior de les coves.
Vista en planta d’un núvol de punts LiDAR obtingut a la cova de Markov Spodmol, Eslovènia, acolorit segons l’elevació. | Tanguy Racine
A partir d’aquests escanejos, els investigadors van desenvolupar simulacions numèriques del flux i del transport d’aigua. També van crear rèpliques físiques impreses en 3D, algunes de més de dos metres de longitud, que reprodueixen fidelment l’estructura real de la cova. Aquestes rèpliques s’utilitzen per dur a terme experiments de flux i transport d’aigua a escala de laboratori, on s’observa com circula l’aigua en condicions controlades i es contrasten els resultats amb les simulacions matemàtiques. L’objectiu és establir les lleis físiques que descriuen el moviment de l’aigua i dels soluts —les substàncies dissoltes, com minerals o contaminants— en conductes càrstics reals.
La base de dades més gran del món de coves
Un dels grans resultats del projecte Karst fins ara ha estat recopilar informació sobre sistemes càrstics d’arreu del món, en col·laboració amb clubs d’espeleologia i exploradors, per caracteritzar-ne la topologia: com es connecten els conductes de les coves, quin grau de ramificació presenten i quines dimensions tenen.
Amb aquestes dades s’està construint la base de dades més completa a escala mundial sobre xarxes de coves càrstiques. Aquest treball permet identificar patrons comuns utilitzant atributs com el diàmetre, l’estructura o la linealitat per classificar tipus de xarxes i generar models sintètics amb propietats realistes.
Fins ara, la base de dades conté 172 sistemes de coves, 15 dels quals a Espanya. Es classifiquen en quatre categories morfològiques principals: coves ramificades, laberíntiques, anastomòtiques (en què els conductes es divideixen i es tornen a unir repetidament) i coves amb formes semblants a esponges. La morfologia depèn del context geològic, del tipus de roca, de si la cova és litoral o de muntanya, o de si és hipogènica (formada per aigua que ascendeix des de profunditat) o epigènica (formada per aigua que s’infiltra des de la superfície). L’anàlisi de l’estructura permet desxifrar l’origen dels sistemes de coves i facilita la simulació numèrica i, per tant, la predicció del flux d’aigua a través de les coves.
Gràcies a l’aplicació de models de deep learning, l’equip investigador també està reconstruint les parts desconegudes de les xarxes de coves a les quals és impossible accedir per a les persones.
Galeria de cova amb perfil el·líptic al sistema de coves de Hölloch, Suïssa. | Tanguy Racine
Avaluació i rastreig de la contaminació
L’elevada velocitat amb què circula l’aigua en sistemes càrstics fa que aquests aqüífers siguin especialment vulnerables. En episodis de pluges intenses, es poden saturar ràpidament i provocar inundacions. De la mateixa manera, si es produeix un abocament contaminant, aquest pot desplaçar-se en qüestió d’hores o dies fins a un pou d’abastament.
Un dels casos més coneguts és la Walkerton Tragedy, que va tenir lloc l’any 2000 al Canadà. Després d’unes fortes pluges, el bacteri Escherichia coli procedent de fems agrícoles va contaminar diversos pous d’aigua potable. Com que el sistema de protecció va subestimar la rapidesa amb què el contaminant podia desplaçar-se per l’aqüífer càrstic, més de 2.300 persones van emmalaltir i set van morir.
Evitar situacions similars exigeix comprendre amb precisió com flueix l’aigua sota terra. En aquest sentit, el projecte Karst també desenvolupa eines d’hidrogeologia forense: una disciplina que utilitza models numèrics del flux subterrani per reconstruir l’origen, la trajectòria i l’impacte d’un contaminant. Un exemple conegut és el cas real portat al cinema a la pel·lícula ‘Erin Brockovich’, en què es va demostrar com el crom hexavalent, altament tòxic, es va desplaçar des d’una planta industrial fins als pous subterranis que proveïen la població de Hinkley, Califòrnia, provocant càncers, trastorns reproductius i altres malalties greus.
El projecte Karst demostra com la recerca fonamental en física de fluids i modelització matemàtica pot esdevenir una eina clau i directa per afrontar reptes relacionats amb els recursos hídrics en l’actual context de canvi climàtic.
Alicia S. Arroyo
Comunicació i Divulgació | IDAEA
Més notícies
