El investigador del IDAEA Tomás Aquino desarrollará métodos probabilísticos para predecir el flujo de agua, nutrientes y contaminantes en el suelo gracias a una beca ERC.
El investigador del IDAEA Tomás Aquino acaba de obtener una prestigiosa ERC Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación para estudiar el transporte de agua, contaminantes y nutrientes a través de la capa más superficial del subsuelo: la zona no saturada.
La zona no saturada del subsuelo
La zona no saturada se define como el espacio que se extiende desde la superficie terrestre hasta la zona saturada de agua, ocupada por bolsas de agua subterránea. Esta capa puede variar desde unos pocos centímetros hasta varios metros, dependiendo de la ubicación, y su compleja forma y estructura la convierten en un auténtico desafío para su estudio.
La estructura del subsuelo. | Junta de Andalucía
En el ámbito de la hidrología, se dice que una zona está saturada cuando todo el espacio poroso de las rocas está completamente lleno de agua, mientras que la zona no saturada presenta espacios ocupados tanto por agua como por aire. Además, en la capa superior de la zona no saturada, es muy común encontrar actividad biológica de microorganismos.
Esta área es clave para comprender las dinámicas climáticas e hidrológicas que mantienen el funcionamiento de los ecosistemas y sustentan la actividad humana. De hecho, sobre ella se desarrollan la agricultura y la ganadería, se construyen viviendas y se ubican todas las vías de transporte terrestre.
“En la zona no saturada, el agua de lluvia se infiltra hasta las aguas subterráneas, actuando como un filtro físico-químico y sirviendo de barrera contra la contaminación de los acuíferos”, explica el investigador del IDAEA Tomás Aquino.
La zona no saturada es altamente compleja
Como todos los sistemas subterráneos, la zona no saturada es muy heterogénea. Su estructura, grosor y composición varían significativamente, ya sea a escala milimétrica o a nivel de metros o kilómetros.
“Nuestro conocimiento actual sobre esta área es muy limitado. Esto dificulta enormemente predecir parámetros clave del sistema agua-suelo, como la composición del agua filtrada, el tiempo que tarda en infiltrarse o el volumen de flujo que finalmente llega a las capas más profundas”, señala Aquino.
Otro reto en el estudio de esta zona intermedia es la presencia de aire. Las bolsas de aire que se encuentran entre piedras, rocas, raíces y otros componentes del suelo afectan el flujo del agua. Además, la mayoría de los estudios actuales se basan en experimentos de laboratorio, donde los investigadores establecen condiciones controladas que arrojan tasas de reacción físico-química que no siempre reflejan los procesos que ocurren en la naturaleza.
Este vacío de conocimiento implica que las investigaciones existentes aún no son suficientes para comprender completamente estos procesos.
El proyecto Uplift
Gracias a una financiación de 1,5 millones de euros del Consejo Europeo de Investigación (ERC), el proyecto Uplift dispondrá de cinco años para desarrollar modelos capaces de predecir con precisión el flujo de agua, contaminantes y nutrientes a través de la zona no saturada.
El objetivo principal es desarrollar métodos estocásticos, o probabilísticos, que permitan predecir el comportamiento a gran escala con la mayor precisión posible. Dada la gran complejidad de la zona no saturada, es prácticamente imposible determinar procesos a escala micrométrica o milimétrica. Sin embargo, basándose en estudios realizados en la zona saturada, los investigadores pueden utilizar métodos estadísticos para analizar la estructura del medio y realizar predicciones fiables a escala de campo (de metros a kilómetros).
“Aunque no conocemos en detalle lo que ocurre a escala micrométrica y milimétrica debido a la alta heterogeneidad del entorno, estos métodos nos permiten hacer predicciones muy precisas a escalas mayores”, explica Tomás Aquino.
El proyecto se estructura en dos áreas principales: (1) una parte teórica, en la que el equipo de científicos desarrollará modelos matemáticos; (2) una parte de implementación, que incluirá simulaciones numéricas tanto a pequeña como a gran escala. El proyecto cuenta con colaboraciones clave que proporcionarán datos experimentales para validar estos modelos tanto en el campo como en el laboratorio. La colaboración del IDAEA-CSIC con otras instituciones europeas es fundamental; en concreto, la Universidad de Rennes y la ETH de Zúrich probarán los modelos en entornos de laboratorio, mientras que el Servicio de Cuencas de Investigación de Vallcebre del IDAEA-CSIC, que dispone de datos hidrológicos reales de series temporales largas, permitirá su validación in situ.
“La verdadera fortaleza de este proyecto radica en desarrollar modelos capaces de predecir fenómenos reales. Lo lograremos comprendiendo los procesos físicos de la zona no saturada y las características estadísticas que la definen, lo que nos permitirá determinar los parámetros de los modelos y hacerlos más ajustados a la realidad”, concluye Aquino.
Simulación numérica del transporte de un contaminante reactivo en un medio poroso parcialmente saturado de agua, basada en imágenes de experimentos de laboratorio realizados por el Dr. Borgman (MIGAL)
La clave, por tanto, es identificar las variables o características más simples del entorno que permitan predecir con mayor precisión lo que sucede en el suelo a escala real. De este modo, se puede desarrollar un modelo en el que, al indicar las características de un espacio específico (por ejemplo, tipo de suelo, geología, flujo de agua circulante, etc.), se pueda predecir con mayor exactitud el destino de un contaminante o nutriente que se infiltre a través de este medio hasta las aguas subterráneas.
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