Cómo afectan el cambio climático y la contaminación a los acuíferos subterráneos: claves del proyecto Karst

En un contexto de cambio climático, marcado por tormentas intensas, sequías prolongadas e inundaciones cada vez más frecuentes, los acuíferos subterráneos adquieren un papel estratégico en la seguridad hídrica global. Sin embargo, pese a su importancia, todavía existe un gran desconocimiento sobre cómo circula el agua bajo tierra y cómo responden estos sistemas a fenómenos extremos o episodios de contaminación.

Para abordar este desafío, el proyecto europeo Karst, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y coordinado por el investigador Marco Dentz, del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA-CSIC), está desarrollando nuevas herramientas científicas para modelizar el flujo del agua y el transporte de contaminantes en sistemas subterráneos complejos.

El proyecto, iniciado en 2023 y con varios años aún por delante, ya ha logrado avances significativos que permiten acercarse a una comprensión mucho más precisa de estos sistemas invisibles.

Los sistemas kársticos ocupan cerca del 10% de la superficie terrestre y son clave para el abastecimiento de agua.

Entender cómo fluye el agua en los acuíferos subterráneos

Los sistemas kársticos —formados en rocas calizas, yesos o dolomías— se caracterizan por una estructura altamente irregular, compuesta por redes de cuevas, conductos y cavidades. En estos entornos, el agua no se comporta como en un acuífero convencional.

A diferencia de otros sistemas, el agua fluye rápidamente por las cavidades, lo que provoca respuestas muy bruscas ante cambios climáticos: pueden producirse inundaciones en episodios de lluvias intensas o vaciados rápidos en periodos de sequía.

Hasta ahora, el estudio de estos sistemas se basaba en las leyes clásicas de la física de fluidos. Sin embargo, estos modelos no logran reproducir adecuadamente la complejidad real de las cuevas.

Como explica el propio Marco Dentz, “una cueva no es una tubería lisa y perfectamente simétrica, sino un entorno con paredes rugosas, fracturas y cavidades donde el agua puede generar remolinos o almacenarse temporalmente”.

Para superar estas limitaciones, el equipo ha recurrido a tecnologías avanzadas como el escaneo LiDAR, con el que han digitalizado en 3D un total de 16 cuevas europeas, obteniendo modelos extremadamente detallados de su geometría interna.

A partir de estos datos, han desarrollado simulaciones numéricas del flujo del agua y, además, han construido réplicas físicas impresas en 3D (algunas de más de dos metros) que permiten reproducir en laboratorio el comportamiento real del agua en estas estructuras.

La mayor base de datos mundial de cuevas kársticas

Uno de los grandes hitos del proyecto Karst ha sido la creación de la mayor base de datos global de sistemas kársticos, elaborada en colaboración con clubes de espeleología y expertos internacionales.

Actualmente, esta base de datos incluye información de 172 sistemas de cuevas en todo el mundo, 15 de ellos en España, lo que permite analizar en detalle su topología: cómo se conectan los conductos, su grado de ramificación o sus dimensiones.

Este análisis ha permitido clasificar los sistemas en diferentes tipologías —ramificadas, laberínticas, anastomóticas o con estructura tipo esponja— en función de su morfología y del contexto geológico en el que se forman.

Gracias a esta información, los investigadores pueden identificar patrones comunes y generar modelos sintéticos realistas que mejoran la capacidad de predicción del flujo de agua en estos sistemas.

La base de datos del proyecto recoge 172 sistemas de cuevas y permite mejorar la predicción del flujo subterráneo.

Además, el uso de técnicas de Deep Learning está permitiendo reconstruir digitalmente partes inaccesibles de las cuevas, ampliando el conocimiento sobre redes subterráneas que hasta ahora no podían estudiarse directamente.

Acuíferos subterráneos y riesgo de contaminación

La elevada velocidad de circulación del agua en sistemas kársticos convierte a estos acuíferos en entornos especialmente vulnerables. En caso de contaminación, los compuestos pueden desplazarse rápidamente hasta los puntos de captación de agua potable.

Un ejemplo paradigmático es la llamada tragedia de Walkerton (Canadá), ocurrida en el año 2000, cuando tras un episodio de lluvias intensas, la bacteria Escherichia coli procedente de estiércol agrícola contaminó el suministro de agua, provocando más de 2.300 personas afectadas y siete fallecimientos. Este tipo de episodios evidencia la necesidad de comprender con precisión cómo se comporta el agua bajo tierra.

En este ámbito, el proyecto Karst también está desarrollando herramientas de hidrogeología forense, capaces de reconstruir el origen, la trayectoria y el impacto de contaminantes en acuíferos subterráneos.

Este tipo de análisis permite identificar fuentes de contaminación y anticipar riesgos, facilitando la toma de decisiones en situaciones críticas.

Ciencia avanzada para anticipar riesgos hídricos

Los avances logrados por el proyecto Karst demuestran que la combinación de modelización matemática, simulación numérica, inteligencia artificial y experimentación física puede convertirse en una herramienta clave para la gestión de los recursos hídricos.

En un escenario de creciente presión sobre el agua, comprender el funcionamiento de los acuíferos subterráneos no solo resulta esencial para garantizar el abastecimiento, sino también para prevenir inundaciones, gestionar sequías y proteger la calidad del agua frente a contaminantes.