Comment l’eau circule-t-elle sous terre ? Sa connaissance est fondamentale pour prévoir les inondations

L’initiative, coordonnée par Marco Dentz (IDAEA-CSIC), combine la caractérisation des grottes, des expériences et des modèles numériques afin de comprendre l’écoulement de l’eau et le transport des contaminants dans les systèmes karstiques du monde entier.

Dans le contexte actuel de changement climatique, les tempêtes intenses, les sécheresses et les inondations sont de plus en plus fréquentes. Ces phénomènes extrêmes n’affectent pas seulement la surface de la Terre, mais modifient également les aquifères souterrains dont dépendent des millions de personnes pour leur approvisionnement en eau potable. Pourtant, malgré leur rôle essentiel dans le système hydrologique, on connaît encore mal la manière dont l’eau circule sous terre.

Le projet européen Karst, financé par une prestigieuse Synergy Grant du Conseil européen de la recherche et coordonné par le chercheur Marco Dentz de l’Institut de diagnostic environnemental et d’études de l’eau, relève ce grand défi : modéliser et caractériser les systèmes de grottes souterraines du monde entier afin de pouvoir prévoir l’écoulement de l’eau et le transport des contaminants. Lancé en 2023, le projet a déjà permis, après trois ans de travail, des avancées significatives, notamment la construction de la plus grande base de données mondiale de réseaux de grottes. Avec encore trois années devant lui, l’équipe de recherche cherche à affiner ses modèles pour anticiper le déplacement de l’eau et des contaminants et ainsi évaluer l’impact réel des inondations ou des rejets.

Comprendre l’écoulement souterrain de l’eau et des contaminants

Les systèmes karstiques sont des grottes calcaires qui se forment par la dissolution de roches karstiques (calcaires, gypses, dolomies), donnant naissance à des réseaux de cavités très ramifiés et étendus. On estime qu’ils couvrent environ 10 % de la surface terrestre, ce qui en fait un élément fondamental de l’hydrologie mondiale. En raison des caractéristiques de la roche calcaire, l’eau ne reste pas stockée, mais circule rapidement à travers les cavités. Ces systèmes sont donc très sensibles aux variations du volume d’eau. Par exemple, lors de fortes pluies, des inondations peuvent facilement se produire et, à l’inverse, en période de sécheresse, ils peuvent se vider complètement.

Pour comprendre comment l’eau circule dans ces systèmes souterrains, on appliquait jusqu’à présent les lois classiques de la physique des fluides. Toutefois, ces modèles ne décrivent pas correctement leur complexité réelle.

« Une grotte n’est pas une conduite lisse et parfaitement symétrique. Ses parois sont rugueuses, fracturées et présentent des cavités où l’eau crée des tourbillons ou peut être stockée temporairement », explique Marco Dentz, chercheur à l’IDAEA et coordinateur de Karst.

Ainsi, la première étape du projet a consisté à comprendre ce qui se passe à l’intérieur d’un conduit de grotte karstique. Pour étudier ces géométries complexes, l’équipe a réalisé des scans à l’aide de la technologie LIDAR (basée sur le laser) dans 16 grottes en Europe afin d’obtenir des modèles numériques 3D extrêmement détaillés de l’intérieur des cavités.

À partir de ces relevés, les chercheurs ont développé des simulations numériques de l’écoulement et du transport de l’eau. Ils ont également créé des répliques physiques imprimées en 3D, certaines de plus de deux mètres de longueur, reproduisant fidèlement la structure réelle de la grotte. Ces répliques sont utilisées pour mener des expériences d’écoulement et de transport de l’eau à l’échelle du laboratoire. On y observe comment l’eau circule dans des conditions contrôlées et les résultats sont comparés aux simulations mathématiques. L’objectif est d’établir les lois physiques qui décrivent le mouvement de l’eau et des solutés — les substances dissoutes, comme les minéraux ou les contaminants — dans des conduits karstiques réels.

La plus grande base de données mondiale de grottes

L’un des principaux résultats du projet Karst à ce jour est la collecte d’informations sur les systèmes karstiques du monde entier, en collaboration avec des clubs de spéléologie et des explorateurs, afin de caractériser leur topologie : comment les conduits des grottes sont connectés, leur degré de ramification et leurs dimensions.

À partir de ces données, la base de données la plus complète au monde sur les réseaux de grottes karstiques est en cours de construction. Ce travail permet d’identifier des schémas communs à partir de différents attributs comme le diamètre, la structure ou la linéarité afin de classer les types de réseaux et de générer des modèles synthétiques aux propriétés réalistes.

La base de données contient à ce jour 172 systèmes de grottes, dont 15 en Espagne. Ils sont classés en quatre grandes catégories morphologiques : les grottes ramifiées, labyrinthiques, anastomotiques (où les conduits se divisent et se rejoignent à plusieurs reprises) et les grottes aux formes proches de celles d’une éponge. La morphologie dépend du contexte géologique, de la roche dans laquelle elles se forment, de leur localisation — en zone côtière ou en montagne — ou encore de leur origine, hypogénique (l’eau qui dissout la roche provient des profondeurs) ou épigénique (l’eau s’infiltre depuis la surface). L’analyse de la structure permet de comprendre l’origine des systèmes de grottes et facilite la simulation numérique et donc la prévision de l’écoulement de l’eau à travers ces cavités.

Grâce à l’application de modèles de deep learning, l’équipe de recherche reconstruit également les parties inconnues des réseaux de grottes, inaccessibles à l’être humain.

Évaluation et suivi de la contamination

La vitesse élevée à laquelle l’eau circule dans les systèmes karstiques rend ces aquifères particulièrement vulnérables. Lors d’épisodes de fortes pluies, ils peuvent se saturer rapidement et provoquer des inondations. De même, en cas de rejet polluant, celui-ci peut se déplacer en quelques heures ou quelques jours jusqu’à un point de captage d’eau potable.

L’un des cas les plus connus est la Walkerton Tragedy, survenue en 2000 au Canada. À la suite de fortes pluies, la bactérie Escherichia coli, issue de fumier agricole, a contaminé plusieurs puits d’eau potable. Comme le système de protection avait sous-estimé la rapidité avec laquelle le contaminant pouvait se déplacer dans l’aquifère karstique, plus de 2 300 personnes sont tombées malades et sept sont décédées.

Éviter des situations similaires nécessite de comprendre avec précision comment l’eau circule sous terre. À cet égard, le projet Karst développe également des outils d’hydrogéologie médico-légale, une discipline qui utilise des modèles numériques de l’écoulement souterrain pour reconstituer l’origine, le trajet et l’impact d’un contaminant.

Un exemple de ce type d’analyse est le cas réel porté à l’écran dans le film Erin Brockovich, où il a été possible de démontrer comment le chrome hexavalent, hautement toxique, s’était déplacé depuis une installation industrielle jusqu’aux puits souterrains alimentant la population de Hinkley, provoquant chez de nombreux habitants différents types de cancers, des troubles de la reproduction et d’autres maladies invalidantes.

Le projet Karst montre comment la recherche fondamentale en physique des fluides et en modélisation mathématique peut devenir un outil clé et direct pour relever les défis liés aux ressources en eau dans le contexte actuel de changement climatique.

Référence de l'article :

IDAEA - CSIC