Los científicos pretenden modelizar y caracterizar los sistemas de cuevas subterráneas de todo el mundo para poder predecir el flujo de agua y el transporte de contaminantes.Perfil de la cueva Markov Spodmol, Eslovenia. / Tanguy Racine, KARSTLa iniciativa coordinada por Marco Dentz (IDAEA-CSIC) combina caracterización de cuevas, experimentos y modelos digitales para entender el flujo del agua y el transporte de contaminantes en sistemas kársticos de todo el mundoEn el actual contexto de cambio climático, las tormentas intensas, sequías e inundaciones son cada vez más frecuentes. Estos fenómenos extremos no solo afectan a la superficie de la Tierra, sino que también alteran los acuíferos subterráneos, de los que dependen millones de personas para obtener agua potable. Sin embargo, pese a su papel esencial en el sistema hidrológico, todavía se conoce poco sobre cómo circula el agua bajo tierra.El proyecto europeo Karst, financiado con una prestigiosa Synergy Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés) y coordinado por el investigador Marco Dentz, del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA-CSIC), aborda este gran desafío: modelizar y caracterizar los sistemas de cuevas subterráneas de todo el mundo para poder predecir el flujo de agua y el transporte de contaminantes. El proyecto comenzó en 2023 y, tras tres años de trabajo, ya ha logrado avances significativos, entre ellos la construcción de la mayor base de datos mundial de redes de cuevas. Con tres años más por delante, el equipo investigador busca perfeccionar sus modelos para anticipar el movimiento del agua y los contaminantes y, de esta manera, evaluar el impacto real de inundaciones o vertidos.Entender el flujo subterráneo de agua y contaminantesLos sistemas kársticos son cuevas calizas que se forman por la disolución de rocas kársticas (calizas, yesos, dolomitas), dando lugar a redes de cuevas muy ramificadas y extensas. Se estima que ocupan alrededor de un 10% de la superficie terrestre, por lo que son fundamentales para la hidrología mundial. Debido a las características de la roca caliza, el agua no queda almacenada, sino que fluye rápidamente por las cavidades. Por lo tanto, estos sistemas sufren de manera drástica los cambios en el volumen de agua. Por ejemplo, cuando hay lluvias intensas, es fácil que aparezcan inundaciones y, al revés, cuando hay un periodo de sequía se vacían completamente.Para entender cómo fluye el agua por estos sistemas subterráneos, hasta ahora se aplicaban las leyes clásicas de la física de fluidos. Sin embargo, estos modelos no describen adecuadamente su complejidad real.“Una cueva no es una tubería lisa y perfectamente simétrica. Sus paredes son rugosas, están fracturadas y presentan cavidades donde el agua genera remolinos o se puede almacenar de manera temporal”, explica Marco Dentz, investigador del IDAEA y coordinador de Karst.Por lo que el primer paso del proyecto fue comprender qué sucede en el interior de un conducto de una cueva kárstica. Para estudiar estas geometrías complejas, el equipo realizó escaneos con tecnología LIDAR (basada en láser) de 16 cuevas en Europa para obtener modelos digitales en 3D extremadamente detallados del interior de las cuevas.Vista en planta de una nube de puntos LiDAR obtenida en la cueva de Markov Spodmol, Eslovenia, coloreada según la elevación. | Tanguy Racine, KARSTA partir de esos escaneos, los investigadores desarrollaron simulaciones numéricas del flujo y el transporte de agua. También crearon réplicas físicas impresas a 3D, algunas de más de dos metros de longitud, que reproducen fielmente la estructura real de la cueva. Estas réplicas se están utilizando para llevar a cabo experimentos de flujo y transporte de agua a escala de laboratorio. Allí se observa cómo circula el agua en condiciones controladas y se contrastan los resultados con las simulaciones matemáticas. El objetivo es establecer las leyes físicas que describen el movimiento del agua y los solutos —las sustancias disueltas, como minerales o contaminantes— en conductos kársticos reales.La mayor base de datos mundial de cuevasUno de los grandes resultados del proyecto Karst hasta ahora ha sido recopilar información de los sistemas kársticos de todo el mundo, en colaboración con clubes de espeleología y exploradores, para caracterizar su topología: cómo se conectan los conductos de las cuevas, qué grado de ramificación presentan y qué dimensiones tienen.Con estos datos se está construyendo la base de datos más completa a nivel mundial sobre redes de cuevas kársticas. Este trabajo permite identificar patrones comunes utilizando distintos atributos como el diámetro, la estructura o la linealidad para clasificar tipos de redes y generar modelos sintéticos con propiedades realistas.La base de datos contiene, hasta la fecha, 172 sistemas de cuevas, 15 de ellas en España. Se clasifican en cuatro categorías morfológicas fundamentales: cuevas ramificadas, laberínticas, anastomóticas (en la que los conductos se dividen y vuelven a unirse repetidamente) y cuevas cuyas formas recuerdan a esponjas. La morfología depende del contexto geológico, de la roca en la cual se forma, si está en la costa o en la montaña, o si es una cueva hipogénica (el agua que disuelva la roca viene de la profundidad) o epigénica (el agua se infiltra desde la superficie). El análisis de la estructura permite descifrar el origen de los sistemas de cuevas y facilita la simulación numérica y, por tanto, la predicción del flujo de agua a través de las cuevas. Gracias a la aplicación de modelos de Deep Learning, el equipo investigador también está reconstruyendo las partes desconocidas de las redes de cuevas a las cuales es imposible acceder para el ser humano.Evaluación y rastreo de la contaminaciónLa elevada velocidad con la que circula el agua en sistemas kársticos hace que estos acuíferos sean especialmente vulnerables. En episodios de lluvias intensas, pueden saturarse rápidamente y provocar inundaciones. Del mismo modo, si se produce un vertido contaminante, este puede desplazarse en cuestión de horas o días hasta un pozo de abastecimiento.Galería de cueva en el sistema de cuevas Hölloch, Suiza. Tanguy Racine, KARSTUno de los casos más conocidos es la Walkerton Tragedy, ocurrida en el año 2000 en Canadá. Tras unas fuertes lluvias, la bacteria Escherichia coli procedente de estiércol agrícola contaminó varios pozos de agua potable. Debido a que el sistema de protección subestimó la rapidez con la que el contaminante podía desplazarse por el acuífero kárstico, más de 2.300 personas enfermaron y siete fallecieron.Evitar situaciones similares exige comprender con precisión cómo fluye el agua bajo tierra. En este aspecto, el proyecto Karst también desarrolla herramientas de hidrogeología forense: una disciplina que utiliza modelos numéricos del flujo subterráneo para reconstruir el origen, la trayectoria y el impacto de un contaminante. Un ejemplo de este tipo de análisis es el caso real llevado al cine en la película ‘Erin Brockovich’, en el que se pudo demostrar cómo el cromo hexavalente, altamente tóxico, se había desplazado desde una planta industrial hasta los pozos subterráneos que abastecían a la población de Hinkley, California, provocando que un muchos de sus habitantes sufrieran diversos tipos de cáncer, fallos reproductivos y otras enfermedades incapacitantes.Artículo relacionadoCómo un huracán puede cambiar la química del agua subterránea tras su impactoEl proyecto Karst demuestra cómo la investigación fundamental en física de fluidos y modelización matemática puede convertirse en una herramienta clave y directa para afrontar retos relacionados con los recursos hídricos en el escenario actual de cambio climático.Fuente: IDAEA - CSIC