Come circola l'acqua nel sottosuolo? Capirlo è fondamentale per prevedere inondazioni e inquinamento
Gli scienziati si propongono di modellare e caratterizzare i sistemi di grotte sotterranee in tutto il mondo al fine di prevedere il flusso dell'acqua e il trasporto di contaminanti.
L’iniziativa coordinata da Marco Dentz (IDAEA-CSIC) combina la caratterizzazione delle grotte, esperimenti e modelli digitali per comprendere il flusso dell’acqua e il trasporto di contaminanti nei sistemi carsici di tutto il mondo.
Nell’attuale contesto di cambiamento climatico, temporali intensi, siccità e alluvioni sono sempre più frequenti. Questi fenomeni estremi non influenzano solo la superficie terrestre, ma alterano anche gli acquiferi sotterranei, da cui dipendono milioni di persone per l’acqua potabile. Tuttavia, nonostante il loro ruolo essenziale nel sistema idrologico, si sa ancora poco su come l’acqua circoli nel sottosuolo.
Il progetto europeo Karst, finanziato con una prestigiosa Synergy Grant del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) e coordinato dal ricercatore Marco Dentz, dell’Istituto di Diagnostica Ambientale e Studi dell’Acqua (IDAEA-CSIC), affronta questa grande sfida: modellizzare e caratterizzare i sistemi di grotte sotterranee in tutto il mondo per prevedere il flusso dell’acqua e il trasporto dei contaminanti.
Il progetto è iniziato nel 2023 e, dopo tre anni di lavoro, ha già ottenuto risultati significativi, tra cui la costruzione del più grande database mondiale di reti di grotte. Con altri tre anni davanti, il team punta a perfezionare i modelli per anticipare il movimento dell’acqua e dei contaminanti e valutare così l’impatto reale di alluvioni o sversamenti.
Comprendere il flusso sotterraneo di acqua e contaminanti
I sistemi carsici sono grotte calcaree che si formano per dissoluzione di rocce (calcari, gessi, dolomie), dando origine a reti molto ramificate ed estese. Si stima che occupino circa il 10% della superficie terrestre, risultando fondamentali per l’idrologia globale. A causa delle caratteristiche della roccia calcarea, l’acqua non resta immagazzinata, ma scorre rapidamente nelle cavità. Di conseguenza, questi sistemi risentono fortemente delle variazioni nel volume d’acqua: durante piogge intense possono verificarsi rapidamente alluvioni, mentre nei periodi di siccità possono svuotarsi completamente.
Per comprendere come l’acqua fluisce in questi sistemi sotterranei, finora si sono applicate le leggi classiche della fisica dei fluidi. Tuttavia, questi modelli non descrivono adeguatamente la loro reale complessità.
“Una grotta non è un tubo liscio e perfettamente simmetrico. Le sue pareti sono rugose, fratturate e presentano cavità dove l’acqua genera vortici o può accumularsi temporaneamente”, spiega Marco Dentz, ricercatore dell’IDAEA e coordinatore del progetto Karst.
Il primo passo del progetto è stato quindi capire cosa accade all’interno di un condotto carsico. Per studiare queste geometrie complesse, il team ha effettuato scansioni con tecnologia LIDAR (basata su laser) di 16 grotte in Europa, ottenendo modelli digitali 3D estremamente dettagliati.
A partire da queste scansioni, i ricercatori hanno sviluppato simulazioni numeriche del flusso e del trasporto dell’acqua. Hanno anche creato repliche fisiche stampate in 3D, alcune lunghe oltre due metri, che riproducono fedelmente la struttura reale delle grotte.
Queste repliche vengono utilizzate per esperimenti in laboratorio, osservando il comportamento dell’acqua in condizioni controllate e confrontando i risultati con i modelli matematici. L’obiettivo è definire le leggi fisiche che regolano il movimento dell’acqua e dei soluti — sostanze disciolte come minerali o contaminanti — nei condotti carsici reali.
Il più grande database mondiale di grotte
Uno dei principali risultati del progetto Karst è stato raccogliere informazioni sui sistemi carsici di tutto il mondo, grazie alla collaborazione con club speleologici ed esploratori, per caratterizzarne la topologia: connessioni tra i condotti, grado di ramificazione e dimensioni.
Con questi dati si sta costruendo il database più completo al mondo sulle reti carsiche. Questo lavoro permette di individuare pattern comuni utilizzando parametri come diametro, struttura e linearità, per classificare i diversi tipi di reti e generare modelli sintetici realistici.
Il database include attualmente 172 sistemi di grotte, di cui 15 in Spagna. Le grotte sono classificate in quattro categorie principali: ramificate, labirintiche, anastomotiche (con condotti che si separano e si ricongiungono ripetutamente) e strutture simili a spugne. La morfologia dipende dal contesto geologico, dal tipo di roccia, dalla posizione (costiera o montana) e dall’origine dell’acqua (ipogenica o epigenica). Analizzare la struttura consente di comprendere l’origine delle grotte e migliorare la simulazione del flusso idrico.
Grazie all’uso di modelli di deep learning, il team sta anche ricostruendo le parti sconosciute delle reti di grotte, inaccessibili all’uomo.
Valutazione e tracciamento della contaminazione
L’elevata velocità con cui l’acqua scorre nei sistemi carsici rende questi acquiferi particolarmente vulnerabili. Durante piogge intense possono saturarsi rapidamente e causare alluvioni. Allo stesso modo, uno sversamento contaminante può raggiungere in poche ore o giorni un pozzo di approvvigionamento.
Uno dei casi più noti è la tragedia di Walkerton, avvenuta nel 2000 in Canada. Dopo forti piogge, il batterio Escherichia coli proveniente da fertilizzanti agricoli contaminò diversi pozzi di acqua potabile. A causa di una sottovalutazione della rapidità di diffusione nel sistema carsico, oltre 2.300 persone si ammalarono e sette morirono.
Evitare situazioni simili richiede una comprensione precisa del flusso sotterraneo. In questo ambito, il progetto Karst sviluppa anche strumenti di idrogeologia forense, una disciplina che utilizza modelli numerici per ricostruire origine, percorso e impatto dei contaminanti.
Un esempio reso noto anche al grande pubblico è quello raccontato nel film Erin Brockovich, in cui si dimostrò come il cromo esavalente, altamente tossico, si fosse diffuso da un impianto industriale fino ai pozzi di Hinkley, in California, causando gravi problemi di salute alla popolazione.
Il progetto Karst dimostra come la ricerca fondamentale in fisica dei fluidi e modellizzazione matematica possa diventare uno strumento concreto per affrontare le sfide legate alle risorse idriche in un contesto di cambiamento climatico.
Fonte: IDAEA - CSIC