D.E.S.S. "Qualité et Gestion de l'Eau"

Chapitre 1

LE CYCLE GLOBAL DE L'EAU

 1. LA SYNTHESE DE L'EAU DANS LE COSMOS
 
 

La simple molécule d'eau H2O est formée par l'association d'un élément primordial, l'hydrogène, issu du "big bang", et de l'oxygène produit dans les étoiles. Ces deux atomes se sont unis dans les zones plus froides, à l'abri du rayonnement ultra-violet destructeur des molécules.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers (90% des atomes de l'univers); son atome ne comprend qu'un proton et qu'un électron. C'est la brique élémentaire qui a servi à fabriquer tous les autres éléments chimiques (nucléosynthèse). Les nucléons comprennent les protons et les neutrons. Par addition de protons et de neutrons liés par des forces nucléaires trés puissante se sont constitués tous les noyaux d'atomes depuis l'hélium jusqu'à l'uranium.

Le noyau d'hydrogène a été formé dans les premières phase du big bang. Il a donné ensuite des noyaux plus gros comme d'hélium. Grâce à l'expansion de l'univers qui a diminué la température et fait cesser les interactions nucléaires, une partie seulement de l'hydrogène s'est transformé en hélium puis en d'autres noyaux simples. La température baissant encore, les protons et les électrons se sont combinés pour donner des atomes d'hydrogène neutres puis des molécules. La gravité a rassemblé ensuite la matière en amas d'étoiles.

Dans les étoiles, l'énergie est fournie par la fusion thermonucléaire des noyaux légers en noyaux lourds, et d'abord de l'hydrogène en hélium. La fusion diminue le nombre des particules et l'étoile se contracte peu à peu, ce qui fait augmenter sa température et sa densité; les réactions nucléaires s'accélèrent jusqu'à épuisement du combustible. Quand l'étoile a épuisé sa réserve d'hydrogène, sa température augmente; des noyaux plus gros sont synthétisés. C'est le stade des "Géantes rouges". Trois noyaux d'hélium , soit en tout 6 protons et 6 neutrons, s'associent en un noyau de carbone ¹²C. L'oxygène résulte de la fusion d'un noyau de carbone avec un noyaux d'hélium. L'étoile a une structure concentrique complexe, avec un coeur trés chaud et des couches de plus en plus froides vers l'extérieur. Tout une série de noyaux peuvent être formée à ces différentes températures; en particulier le silicium et le fer.

Seule la surface de l'étoile plus froide relativement est un site possible de synthèse de molécules.  A la surface des étoiles géantes rouges, l'eau notamment se forme à une température de surface de 3000 à 4000°K. Par la suite, l'étoile explose en une supernova qui expulse ses gaz dans l'espace. Dans les gigantesques nuages circumstellaires, dont la taille va de 10 fois celle du soleil à 1 année lumière, la température décroît au fur à mesure que l'on s'éloigne de l'étoile, la quasi totalité de l'oxygène est présente sous forme de H₂O et CO. Des molécules complexes formées (eau, ammoniac, méthane et hydrocarbures) se trouvent sous forme de pellicule de glace sur les poussières. Ces molécules diffusent ensuite dans les nuages interstellairesriches en hydrogène et hélium; cependant la température élevée qui y règne et le rayonnement ultra-violet ne sont pas favorables à la présence des molécules d'eau. Ce ne sont donc que dans certaines zones bien particulères, suffisamment denses et froides, à l'abri du rayonnement destructeur, que se rencontrent les molécules.

2. LA REPARTITION DE L'EAU DANS L'UNIVERS.
 
 

Après la synthèse dans les étoiles géantes rouges, les molécules d'eau se retrouvent donc dans certaines zones bien particulières, avec l'oxygène atomique O et le radical OH, qui résultent d'une dissociation de H₂O par collision avec d'autres molécules du gaz ou par le rayonnement ultra-violet; on trouve en outre des molécules de O₂, CO, CO₂, des composés du silicium et peut-être des oxydes d'autres métaux. L'eau à l'état solide est facilement détectée grâce à une signature spectrale caractéristique: une bande d'absorption dans l'infra-rouge à 3,1 µm. L'eau à l'état de glace a pu être mise en évidence d'abord à la surface et à la périphérie d'étoiles de température peu élevée, puis dans les nuages moléculaires interstellaires. La présence d'eau dans les nuages circumstellaires de certaines étoiles trés jeunes est considéré comme un indice de formation de système planétaire.

Figure 1: bande d'absorption de la glace autour d'une étoile infra-rouge.

Comme pour les autres étoiles, la formation du système solaire a débuté par la contraction gravitationnelle d'un nuage moléculaire sous l'effet de sa propre masse. La partie centrale donne le Soleil où la température interne devient suffisante pour déclencher les réactions thermo-nucléaires qui produisent l'énergie lumineuses. Le reste du nuage, qui n'a pu se condenser au centre, s'aplatit en un disque de poussières et de gaz tournoyant en orbite autour du Soleil. Ces poussières se rassemblent en planètes et en comètes vers -4,6 milliards d'années.

Selon ce scénario communément admis, l'eau peut se trouver un peu partout dans le système solaire. Elle proviendrait des pellicules de glace recouvrant les poussières contenues dans le nuage interstellaire froid et dense qui s'est contracté. Cependant les molécules d'eau n'ont pu subsister que dans des conditions de température assez basse, c'est à dire assez loin du Soleil. En effet Mercure, la planète la plus proche du Soleil, est trés chaude et dépourvue d'eau; à l'opposé, Miranda, un satellite d'Uranus, est constitué principalement de glace. Europa, satellite de Jupiter, est également recouvert de glace. A la pression régnant dans l'espace, la vapeur d'eau se condense en glace vers 160°K; la température diminue en s'éloignant du Soleil; la condensation en glace s'effectue à partir d'une distance du Soleil égale à quelques unités astronomiques (Unité Astronomique, 1 U.A. = 150 millions de km, distance moyenne de la Terre au Soleil), c'est à dire au niveau de Mars. Au delà, les grains de poussière recouvertes de glace se sont agglutinés les uns aux autres pour former les noyaux des comètes qui eux-mêmes ont formés le noyau solides des planètes géantes (Jupiter, Uranus, Neptune) et leurs satellites.
 

3. L'ORIGINE DE L'EAU TERRESTRE
 
 

La Terre apparaît comme la seule planète du système solaire possèdant de l'eau à l'état liquide. Cet état n'est possible que par sa distance au Soleil. Sur Mercure, l'eau a été vaporisée et dissociée par le rayonnement ultra-violet du Soleil; l'hydrogène généré a diffusé dans l'espace. Venus, la "planète soeur" de la Terre est plus proche du Soleil, 0,7 U.A.: l'énergie reçue du Soleil est 2 fois plus grande. L'eau a été vaporisée dans l'atmosphère vénusienne ; avec le CO₂, elle a produit un effet de serre et augmenté encore la température superficielle de la planète. Le CO₂ n'a pu de ce fait se dissoudre dans l'eau liquide pour former des carbonates. Les U.V. solaire ont ensuite dissocié la plus grande partie de la vapeur d'eau en donnant de l'hydrogène qui s'est échappé définitivement de l'atmosphère vénusienne. En revanche, l'atmosphère a gardé plus facilement une partie de son deutérium qui était combiné dans les molécules d'eau lourde; cet isotope lourd a été détecté par la sonde américaine Pioneer. Vénus a pu à son origine contenir autant d'eau que la Terre; elle n'a plus maintenant qu'une faible quantité de vapeur qui correspondrait à une couche superficielle de 0,20 m à l'état liquide.
 

Mars, situé à 1,5 U.A., possède de l'eau sous forme de glace rassemblée en calottes polaires et gelée dans le sol (pergélisol). La température superficielle moyenne est de -53°C. Son atmosphère contient surtout du CO ₂ sous faible pression ( 6 millibars). Les traces d'érosion à la surface suggèrent l'action de l'eau liquide il y a quelques milliards d'années, lorsque la température était plus élevée. On suppose qu'une grande partie de l'eau a été vaporisée et dissociée; l'atmosphère originelle riche en CO ₂ aurait produit un effet de serre et élevé la température au dessus de 0°C. Petit à petit, le CO₂ s'est dissous dans l'eau liquide et formé des carbonates. L'effet de serre a diminué et la température également.
 

Apparemment, seule la Terre contient de l'eau sous ses 3 états, et en particulier à l'état liquide, à sa surface; pourtant, à sa formation, l'eau gazeuse aurait dû subir le même sort que sur les planètes voisines: elle aurait dû être décomposée par les U.V. et dispersée dans l'espace en hydrogène. On a supposé que la planète, sans eau à l'origine car trop près du Soleil, avait été bombardée par une multitude de noyaux de comètes chargés de glace: l'eau terrestre aurait donc une origine cométaire. Une autre hypothèse  suppose que le nuage de poussières serait passé par une phase initiale chaude pendant laquelle tout aurait été volatilisé. Puis le nuage se serait refroidi et de nouveaux grains solides se seraient formés dont la composition dépendrait de la distance par rapport au Soleil. On explique ainsi la différence de composition chimique des planètes proches et éloignées du Soleil. Vers 1 U.A. se seraient condensés des silicates hydratés; ces grains se seraient agglomérés en corps de dimension planétaire et l'eau se serait dégagée à l'état de vapeur au moment de l'impact ou plus tard par dégazage volcanique. La surface de la Terre se refroidissant, la vapeur s'est condensé sous forme liquide et a dissous une grande partie duCO ₂ qui a disparu progressivement de l'atmosphère pour se combiner dans les carbonates. L'effet de serre a diminué et la température de la surface a pris des valeurs proches de celles d'aujourd'hui. La vie a pu alors apparaître vers 3,5 milliards d'années. L'oxygène produit par les organismes photosynthétiques à partir du CO ₂et de l'H₂O s'est accumulé dans l'atmosphère et la couche d'ozone s'est formée progressivement en haute altitude, arrêtant les U.V. nocifs car mutagènes: vers -500 millions d'années, les organismes pluricellulaires ont pu se diversifier et coloniser la surface du globe.
 
 

Le maintien de l'eau liquide à la surface de la Terre demande des conditions trés strictes: distance du Soleil de 1 U.A., effet de serre modéré de l'atmosphère. Le calcul montre que placée un peu plus près du Soleil, à 0,95 U.A., la Terre recevrait 10% d'énergie solaire en plus: elle s'échaufferait au point de connaître le sort de Vénus; au contraire, placée plus loin à 1,03 U.A., elle subirait une glaciation généralisée au point que même les eaux des océans seraient entièrement converties en glace. On a également cherché à modéliser les conséquence de l'augmentation de la teneur en CO2 produit par l'activité humaine dans l'atmosphère: l'effet de serre serait accru et l'eau serait vaporisée en plus grande quantité. Par analogie avec les étoiles du même type, on prévoit une augmentation de l'energie solaire de 1% dans les prochains 100 millions d'années. Dans 1 milliard d'années, le flux solaire aura augmenté de 10 % et l'eau liquide disparaîtra de la surface de la Terre: la Planète Bleue aura perdu son originalité et sa biosphère, mais cela est une autre histoire...
 
 
 

4. L'EAU DE L'ECORCE ET DU MANTEAU TERRESTRE
 
 

4.1. RAPPEL DE LA STRUCTURE DU GLOBE

   Figure 2: structure du globe
 

Figure 3: détail des couches superficielles

L'eau est présente:

* dans corps d'eau superficiels (océans, lacs, rivières) et souterrains (nappe) = hydrosphère

* dans les roches de l'écorce et du manteau: dans les interstices ou dans la composition chimique des minéraux.
 
 

4.2. L'EAU DE L'ECORCE
 

4.2.1 L'eau des sols
 

Les sols sont des réservoirs d'eau; l'eau est contenue dans certains minéraux, en particulier les minéraux argileux, et dans la matière organique; celle-ci forme notamment des complexes organo-minéraux mal cristallisés qui retiennent l'eau. L'eau des argiles peut être simplement adsorbée à la surface des cristaux; cette eau est mobile et en grande partie disponible pour les plantes (réserve utile). Il y a en plus de l'eau entrant dans la constitution même des minéraux qui ne peut être extraite que par élévation de température au dessus de 100 °C et qui n'est donc pas disponible pour les êtres vivants.
 

L'eau du sol provient des précipitations atmosphériques. Elle est transférée vers l'atmosphère par évaporation directe et par transpiration des plantes ainsi que vers les réservoirs profonds par infiltration. Le bilan hydrique du sol est déterminant pour l'agriculture.
 

4.2.2 L'eau des roches
 

Dans les roches, l'eau remplit les espaces vides: fissures, pores. Elle entre également dans la constitution des minéraux.
 

Dans les roches magmatiques formées en profondeur (roches plutoniques comme le granite par exemple), il n'y a pas de pores entre les grains; l'eau remplit des fissures de taille variable (diaclases). Lorsque la fracturation est dense, le réseau de fissures peut emmagasiner suffisamment d'eau pour donner un véritable aquifère. L'eau entrant dans la constitution des minéraux est plus discrète: dans ce type de roches, les minéraux ne sont que faiblement hydratés (micas en particulier). L'altération des minéraux par hydrolyse correspond à un enrichissement de la roche en eau.
 

Les roches sédimentaires, formées à la surface, sont plus riches en eau. Les minéraux sont plus hydratés (en particulier les minéraux argileux) mais surtout les espaces vides sont généralement nombreux: la roche est poreuse. Lorsque ces pores communiquent, la roche est perméable à l'eau. La roche imbibée d'eau constituent un aquifère (par exemple la nappe des sables verts dans le Bassin de Paris). Cette eau interstitielle provient de l'infiltration superficielle. Elle peut avoir une origine plus ancienne, lorsqu'elle a été emprisonnée dans les pores au dépôt des sédiments: cette eau contemporaine du dépôt est dite connée.
 

Lorsque les roches sédimentaires sont entraînées en profondeur, elles sont soumises à des températures et des pressions plus élevées. Elles subissent des transformations physiques et minéralogiques entrant dans le cadre de la diagénèse. Elles perdent notamment une partie de leur eau intertititielle par diminution des pores sous l'effet de la pression et du dépôt de ciment (diminution de la porosité). L'eau de constitution des minéraux hydratés peut également s'échapper tandis que se forment de nouveaux minéraux stables dans les nouvelles conditions physico-chimiques (pour les minéraux argileux, transformation des smectites en illites puis en micas). Les modifications diagénétiques diminuent donc la porosité de la roche, mais à partir d'une certaine profondeur, plusieurs milliers de mètres, d'autres transformations minéralogiques produisent des vides entre les grains: il apparaît alors une porosité secondaire. Les eaux intertitielles sont riches en ions dissous; elles peuvent éventuellement remonter à la surface et donner des sources fortement minéralisées.
 

Lorsque les cristallisations sont importantes sous l'effet de la température et de la pression, la roche devient une roche métamorphique, dont les propriétés se rapprochent des roches plutoniques: elle perd son eau intertitielle et une grande partie de l'eau de constitution de ses minéraux.
 
 
 

4.3. L'EAU DU MANTEAU
 

Le manteau est une grande enveloppe rocheuse qui s'étend entre 30 et 2900 km de profondeur et représente à peu près les 2/3 de la masse de la Terre. Le manteau remonte à la surface au niveau des dorsales médio-océanique et expulse de l'eau et des laves basaltiques qui refroidissent et forme la croûte océanique. L'eau de mer altère les roches de la croûte océanique et produit des minéraux hydratés: une fraction de l'eau de la surface est donc incorporée dans la croûte altérée. Cette croûte enrichie en eau repart dans le manteau au niveau des grandes fosses de subduction.

Le volcanisme des îles océaniques (points chauds) et celui des rifts continentaux émet également de l'eau à partir du manteau.
 

Figure 4: génération et résorption de la croûte océanique (en noir).

Le manteau contient et apporte donc de l'eau à la surface. Il s'agit de connaître la quantité d'eau totale stockée dans le manteau, la forme sous laquelle elle existe, les mécanismes de transfert, le bilan des échanges d'eau avec la surface et l'impact de ce cycle interne sur le cycle de l'eau traditionnel.
 

Nous avons vu  que la Terre avait été formée par l'agrégation de "poussières" de toutes tailles et renfermant notamment 1 à 3% d'eau adsorbée en surface ou piégée au sein de minéraux hydratés. Cette phase d'accrétion a été suivie d'une phase de différenciation: les éléments les plus lourds se sont concentrés au centre pour constituer le noyau métallique tandis que les éléments légers, dont l'eau, se rassemblaient à la périphérie. L'atmosphère et l'hydrosphère seraient d'origine interne et proviendraient d'un dégazage du manteau. Pour certains ce dégazage aurait été précoce: 80% de l'atmosphère se seraient formés dans les 100 premiers millions d'années de la Terre tandis que 20% se seraient accumulés plus lentement pendant les 4 derniers milliards d'années. Le dégazage du manteau continue par l'intermédiaire des volcans qui rejettent beaucoup d'eau et de CO2. Le dégazage ne serait pas total, la moitié de l'eau incorporée à l'origine serait encore contenue dans le manteau qui renfermerait ainsi l'équivalent de 1 à 4 fois la masse d'eau contenue dans les océans.
 

La présence d'eau liquide à la surface de la Terre est précoce puisque les premières roches sédimentaires, produits par l'érosion des roches magmatiques sous l'action de l'eau, sont connues dès 3,9 milliards d'années, et peut-être avant.
 

La présence d'eau dans le manteau est attestée par la teneur des produits volcaniques issus du manteau. Lorsque le manteau remonte, il se différencie et donne des magmas beaucoup plus riches en éléments légers qui atteignent la surface: les laves basaltiques émises au fond des océans contiennent de 0,10 à 0,45% d'eau; les basaltes des îles océaniques, comme les îles Hawaï, et les basaltes de plateau, comme ceux des Trappes du Dekkan, qui proviennent de la différenciation du manteau profond (point chaud) en contiennent 0,2 à 0,6%. Des fragments de péridotites sont remontés par les volcans; elles proviennent de régions du manteau situées jusqu'à 300 km de profondeur. Ces péridotites contiennent des traces d'eau de l'ordre de 100 à 1000 ppm. Cette eau, sous forme de H2O ou de OH^-, est incorporée dans les minéraux. Plus profondément, sous l'action de la pression, les minéraux des péridotites sont remplacées par des formes cristallines de haute pression, les spinelles. Des données expérimentales montrent que ces minéraux peuvent renfermer jusqu'à 4000 ppm d'eau.

Figure 5: extraction de l'eau du manteau d'après P. GILLET.

La quantité totale d'eau contenue dans le manteau est difficiles à évaluer: il est certain qu'une partie au moins du manteau est hydratée. En suposant que seule la partie externe du manteau, située entre -30 et -670 km, contient de l'eau à une teneur comprise entre 100 et 1000 ppm, on arrive à une masse d'eau comprise entre 10 ²⁰et 10 ²¹ kg. Si l'ensemble du manteau est hydraté, la masse d'eau totale passe à 4 10 ²¹kg. Pour mémoire, le contenu actuel des océans est évalué à 1,4 10 ²¹ kg.
 

Des travaux expérimentaux récents (Murakami et al., 2002) montrent que les minéraux du manteau sous l'effet de la pression peuvent contenir beaucoup plus d'eau qu'on le pensait, plusieurs fois la masse de l'hydrosphère. Néanmoins, le bilan des échanges d'eau entre la surface et la profondeur paraît remarquablement équilibré puisque le volume total des mers semble avoir peu varier depuis plusieurs centaines de millions d'années.

4.4. PLACE DANS LE CYCLE GLOBAL DE L'EAU
 

Le bilan des échanges d'eau entre la surface et la profondeur est difficile à quantifier.
 

Les apports du manteau se font d'abord par le volcanisme des dorsales océaniques: l'eau contenue dans les péridotites du manteau est extraite au moment de leur fusion partielle. Elle est ensuite transportée vers la surface par les magmas basaltiques ou dégagée en fumerolles sous pression (fumeurs) richement minéralisées. En prenant une teneur moyenne en eau de 0,15 à 0,45% pour la croûte océanique nouvellement formée, on aboutit à un apport annuel de 0,8 10¹¹ à 2,40 10¹¹ kg d'eau.
 

Les roches de la croûte océaniques sont altérées par l'eau de mer qui s'infiltre dans les fissures jusqu'à plusieurs km de profondeur. L'eau d'infiltration peut être d'ailleurs réchauffée au contact du magma puis remonter par thermosiphon en se chargeant en minéraux pour donner des émissions hydrothermales. Les minéraux d'origine anhydres, trés pauvres en eau, sont transformés en silicates hydratés comme les chlorites, le talc, les zéolites, la serpentine. La teneur en eau de la croûte altérée monte à 1 à 2%. De plus, des sédiments gorgés d'eau se déposent sur le fond. Cette croûte enrichie en eau est alors absorbée dans les zones de subduction. Elle se réchauffe et se déshydrate. Une partie de l'eau de la croûte est ainsi réinjectée dans le manteau, qui est estimée à 5 à 16 10¹¹ kg par an.
 

Les volcans des zones de subduction et ceux des points chauds apportent également de l'eau du manteau sous forme de vapeur. Ce type de volcanisme émet un volume de produits volcaniques faible par rapport au fonctionnement des dorsales, excepté dans certains cas comme celui des Trappes du Dekkan où la quantité de laves et de gaz émis a été considérable, à la limite Crétacé-Tertiaire: on estime que ces éruptions auraient dégagé de 6 à 30 10¹⁵ kg d'eau dans l'atmosphère en quelques centaines de milliers d'années et modifié le climat du globe. Les volcans des zones de subduction (Andes, Indonésie, Japon...) émettent des produits qui proviennent de la fusion du manteau au dessus de la plaque plongeante jusqu'à 150 km de profondeur. Cette quantité d'eau dégagée se soustrait à celle entrainée en profondeur par la subduction de la plaque plongeante. De plus on a observé des émissions hydrothermales froides dans les zones de subduction correspondant à la remontée de l'eau des sédiments et du méthane issu de la transformation des matières organiques. On considère néanmoins que dans les zones de subduction il y a plus d'eau qui entre dans le manteau qu'il n'y en a qui en sort.
 

Les volcans continentaux rejettent également une grande quantité de vapeur d'eau: les phases paroxysmales sont généralement accompagnées de fortes précipitations. Cette eau peut être d'origine profonde, comme c'est en général le cas pour les volcans des points chauds. Ce peut être également de l'eau superficielle qui s'est infiltrée, s'est réchauffée en profondeur pour remonter enfin par thermosiphon. Les geysers sont souvent de ce type. La composition isotopique renseigne sur l'origine de l'eau. En France, les sources d'eau minérale ont une eau dont les rapports isotopiques attestent l'origine météorique et non juvéniles comme certaines publicités le laissent supposer.
 

Figure 6: Teneurs en Oxygène 18 des précipitations en France, d'après BLAVOUX et LETOLLE: la teneur du d ¹⁸O diminue vers l'Est.

Figure 7: composition isotopique de quelques sources minérales, comparée à celle des précipitations à Thonon (Haute Savoie), d'après BLAVOUX et LETOLLE: les eaux de ces sources sont d'origine météorique et non profonde.

L'examen des enregistrements sédimentaires montre que le volume d'eau contenue dans les océans a peu varié depuis le dernier milliards d'années, tout au plus de 10% (soit 1,4 10²⁰ kg); la surface des aires continentales a subi peu de changement depuis l'orogénèse hercynienne, qui s'est terminée vers - 250 millions d'années. Il est probable qu'aux premiers temps de l'histoire de la Terre, le dégazage du manteau était trés actif et l'apport d'eau en surface était prédominant. Depuis un milliard d'années, le cycle de l'eau est à l'état stationnaire et la quantité d'eau réintroduite dans le manteau est compensée par celle qui sort des dorsales. Bien qu'il y ait constamment échanges d'eau entre le manteau et la surface, avec des vitesses de transfert trés lents et des temps de résidence atteignant plusieurs centaines de millions d'années, le stock d'eau disponible sur la Terre peut être considéré comme constant.

5. L'ETABLISSEMENT DU CYCLE HYDROLOGIQUE

 L'exploitation des ressources en eau existe depuis les temps préhistoriques: de grands travaux d'irrigation, de protection contre les crûes ont été entrepris chez les civilisations de Mésopotamie, d'Egypte, de l'Indus... sans qu'ait été établie la relation du ruissellement avec précipitation et évaporation. "Tous les fleuves vont à la mer, et pourtant la mer n'est pas remplie" (Ecclesiaste). Les Grecs également s'interrogeaient sur le fait que le niveau de la mer restait constant bien que les fleuves apportent de l'eau continuellement; ils l'expliquèrent par une sorte de remontée capillaire de l'eau de mer vers les sources avec perte du sel. Pour établir le cycle hydrologique, il a fallu connaître les formes d'existence de l'eau dans la nature: océans, rivières, lacs mais également glaciers, sols, air, eaux souterraines. Il a fallu également quantifier les volumes et les flux d'eau. Les premiers bilans hydrologiques ont été évoqués, d'abord de façon inexacte, à la Renaissance: des personnages comme Léonard de Vinci et Bernard Palissy ont réalisé de nombreuses observations et mesures, mais il faut attendre le 17ème siècle pour arriver à une formulation exacte.

 Pierre Perrault publia en 1674 un traité intitulé "De l'origine des fontaines". A partir de l'évaluation des débits superficiels dans le haut bassin de la Seine et du volume des précipitations, il arriva à l'hypothèse que les débits des rivières avait leur origine dans l'importance de précipitations. Edme Mariotte poursuivit les travaux de Perrault sur le bilan hydrologique de la Seine à Paris, c'est à dire  sur un bassin versant beaucoup plus vaste et développa une méthodologie pour mesurer les vitesses d'écoulement et les débits dans son "Traité du mouvement des eaux et des autres corps fluides" en 1686.

 Edmond Halley, en Angleterre en 1690, s'interessa à la mesure de l'évaporation permettant d'expliquer ainsi le déficit d'écoulement mis en évidence par ses prédécesseurs. Il établit la première synthèse hydrologique régionale en rapprochant la moyenne des précipitations annuelles et le débit de la Thamise. Il était enfin établi que les rivières, les sources et les eaux souterraines étaient alimentées par les précipitations.

 Le XVIIIème siècle traita surtout de la mécanique des fluides et de l'hydraulique: formule de Chézy pour calculer le débit d'un cours d'eau, pièzomètre de Bernouilli, moulinet de Woltmann. Les eaux souterraines furent particulièrement étudiées au XIXème siècle. Les fondements de l'hydrogéologie moderne furent posés par Darcy en 1856.

 Figure 8:. Le cycle hydrologique  (d'après EAGLESON in DE MARSILLY)

Remarques:

Formule de Chézy: écoulement dans un chenal
  u = C (h.s)^1/2        u: vitesse moyenne;  C: coefficient de friction
                               h: profondeur  s: pente

Formule de Darcy : écoulement dans un milieu poreux
 Q = k.A.h/l         Q: débit   A: section
                           h/l: perte de charge hydraulique
 

6. LES RESSOURCES, STOCKAGE ET FLUX EN EAU DU GLOBE

 La planète Terre est surtout recouverte par l'eau des océans qui constituent près de 70% de la surface totale. Cette eau est surtout salée et l'énergie solaire permet le fonctionnement de l'usine de dessalement planétaire qui produit par évaporation et condensation l'eau douce indispensable à l'homme.

 Figure 9: flux annuel exprimés par rapport à 100 parties de précipitations sur le continent (d'après MAIDMENT).

 La quantité d'eau douce disponible est faible par rapport à l'eau totale, ce qui pose et posera problème à l'humanité dans les années à venir. Cette eau douce est constamment recyclée; elle s'évapore des océans, se condense et circule pour retourner finalement dans l'océan. Les flux d'eau douce sont intenses (tableau 1-A). Elle est stockée temporairement dans des réservoirs à l'état solide (neige, glace), liquide (eau de surface, souterraine, organismes) ou gazeuse (atmosphère) pendant des durées variables (tableaux 1-B et 1-E). L'activité biologique humaine dépend étroitement de ce flux d'eau (tableau 1-C).

 Le besoin biologique d'eau a commandé toute l'évolution des civilisations humaines. En 1985, 75% de la population urbaine du monde étaient connectés à un réseau de distribution d'eau potable, contre 36% de la population rurale. La fourniture d'eau potable varie de 50 l/jour par habitant (quartiers pauvres)à 400 l/jour (villa luxueuse).  La production industrielle demande également une grande quantité d'eau pour traiter les matières premières, les transformer et produire de l'énergie (tableau 1-D). L'agriculture est aussi un grand consommateur avec l'irrigation. La modification directe du cycle hydrologique par l'homme est à la fois considérable et étendue.

 Le lieu de stockage le plus grand est l'océan, alors que l'eau des organismes est infime. Néanmoins, il faut également considérer le temps de résidence des molécules d'eau dans les réservoirs ou le temps de renouvellement de l'eau. L'atmosphère et les cours d'eau stockent trés brièvement les molécules d'eau: les quantités d'eau peuvent varier trés rapidement, alors que les eaux des glaces et des nappes souterraines sont des eaux fossiles. L'impact de la pollution sera plus grave, voire irréversible à l'échelle humaine pour un aquifère (cas de la pollution de la nappe de la craie par les nitrates) tandis que celle d'une rivière sera vite traitée et oubliée (cas de la pollution chimique du Rhin par pour une usine du groupe Sandoz dans les années 80). Le mécanisme d'autoépuration dépend en grande partie de la vitesse de renouvellement des molécules d'eau dans le réservoirs.

 Nombreuses sont les évaluations de la capacité des grands réservoirs du globe. Le tableau 1-F donne les chiffres calculés par les auteurs soviétiques.

 On voit que la majeure partie de l'eau douce est stockée dans la glace des pôles et des glaciers. Cette forme de stockage intervient peu dans l'approvisionnement en eau de l'homme; elle a en revanche un effet déterminant sur le climat en augmentant l'albédo des hautes latitudes et donc en diminuant la quantité d'énergie solaire retenue. La circulation atmosphérique mondiale est commandée par le bilan thermique global.

 L'eau souterraine en revanche constitue la principale source exploitable d'eau potable, mais sa sur-exploitation et sa pollution sont maintenant d'actualité. De nombreux pays ont entrepris des programmes de protection des eaux souterraines pour tenter de sauvegarder ce qu'il reste de la ressource Les lacs sont des réservoirs d'eau douce trés vulnérable à la pollution et à la surexploitation, phénomène qui vont souvent de pair: c'est le cas du Lac Baïkal, le plus grand réservoir superficiel d'eau douce, mais désormais non potable, des Grands Lacs américains, fortement pollués par les rejets industriels, de la Mer d'Aral, en grande partie asséchée par les travaux d'irrigation en amont et polluée par les pesticides utilisés a forte dose dans la culture du coton.

 L'eau de l'atmosphère est en faible quantité (1 partie pour 100 000 de l'eau de surface), elle constituerait une couche uniforme de 25 mm sur la surface du globe, mais sont rôle est essentiel dans le transfert de l'eau. L'eau atmosphérique intervient dans le transport des substances ioniques, en particulier des chlorures et des sulfates, d'origine naturelle (océans) ou humaine (pluies acides).

 Les interventions humaines affectent l'eau des rivières, des zones humides et celle retenue dans les plantes. Les travaux de drainage, de chenalisation, de retenue, de déforestation modifie le temps de résidence de l'eau et l'évaporation. L'incidence sur le climat est décelable: des simulations ont calculé l'effet de la destruction de la forêt amazonienne, phénomène en cours
 
 

Figures 10: effet de la destruction de la forêt amazonienne sur le bilan hydrique (d'après BROOKS et al.)

7. CHANGEMENT HYDROLOGIQUE GLOBAL: PASSE et FUTUR

 L'eau atmosphérique est constamment recyclée. En effet, la quantité totale d'eau contenue dans l'atmosphère est suffisante pour alimenter en pluie le bassin de l'Amazone en un an: s'il n'y avait pas de renouvellement, le reste du globe serait un désert. Pour une moyenne annuelle de 1030 mm de précipitation, le temps de résidence de l'eau atmosphérique est de 9 jours; le cycle est entretenu par l'énergie solaire.

 Le climat et le cycle de l'eau sont étroitement associés. On parle beaucoup actuellement d'effet de serre et de modification globale du climat de la Terre. Les projections dans le future s'appuient notamment sur les changements des climats passés déduits des formes de relief, des sédiments ou des restes organiques. Les modifications les plus impressionnantes qu'à connues l'humanité sont celles des périodes glaciaires du début du Quaternaire: l'extension des calottes glaciaires aux pôles s'est accompagnée du déplacement des ceintures climatiques et des précipitations. Des auteurs ont pu reconstituer les variations des précipitations et du ruissellement superficiel en Angleterre et au Pays de Galles pendant les 8500 dernières années. Les précipitations ont été plus faibles à l'époque boréale et au petit âge glaciaire, elles ont été plus abondantes pendant la période atlantique. Des modifications climatiques et du bilan hydriques de courte durée ont existé dans le passé récent.
 

Nous disposons de trés peu de données et de méthodes pour prévoir l'évolution climatique et le bilan hydrologique du futur, suite aux modifications apportées par l'homme à l'atmosphère (augmentation de la teneur en CO ₂, accumulation de produits de synthèse comme les CFC...) Un bon résumé de la question a été proposé par Choisnel (1999). Des modèles atmosphériques globaux ont été construits mais ils sont trés mal calés car nos connaissances concernant la quantification des cycles de matière et d'énergie sont encore insuffisantes: en particulier il n'est actuellement pas possible de mesurer de façon précise les précipitations, l'évaporation, l'humidité des sols à l'échelle mondial. Un organisme international, l'International Pannel for Climatic Changes ou IPCC, se consacre à cette question.

Le bilan hydrique global établi par McBean (1984) dans le cas d'un changement climatique rapide minimise le rôle des calottes glaciaires dans les échanges d'eau avec l'atmosphère; leur rôle est au contraire déterminant dans la circulation des masses d'eau océaniques et des vents.

 L'humanité a surtout altéré en qualité et quantité une fraction de l'eau mondiale totale, l'eau douce (bien que l'eau de mer commence à être atteinte). Or, les changements climatiques globaux dépendent des transferts de vapeur d'eau et d'énergie sur l'ensemble du globe. Le cycle de l'eau est lié au cycle de l'énergie; les recherches actuelles portent en particulier sur l'influence des nuages, un des composants du cycle de l'eau, sur le réchauffement par effet de serre.

 Une autre préoccupation est d'estimer les besoins et les ressources en eau dans le proche futur. Les ressources mondiales disponibles en eau douce sont estimées à 25 000 km3, compte-tenu des technologies actuelles. Le besoin annuel global par habitant est évalué à 1000 m3 (en prenant en compte les demandes de l'agriculture et de l'industrie). A présent, les ressources sont 8 fois plus grandes que les besoins. Ce rapport diminuera avec l'augmentation de la population mondiale et des besoins individuels.Un calcul fait sur 30 ans montre l'augmentation de la demande (Tableau 1-H).

annexe: la pénurie d'eau potable au Mexique

 Ces modifications résultent essentiellement du changement dans l'utilisation des sols en agriculture. Il faut tenir compte des cultures avides d'eau, comme le riz et la canne à sucre, et du développement de l'irrigation et des fournitures d'eau domestique, avec les pertes inhérentes (en particulier par évaporation dans les réservoirs et fuites dans les canalisations). Le développement de l'agriculture augmente peut-être l'évaporation mais il ne faut pas négliger l'impact de la destruction de la forêt équatoriale.

annexe: quelques chiffres concernant l'irrigation

 Ces bilans ne tiennent pas compte de la pollution, et donc de la perte, d'une portion de plus en plus grande de l'eau douce, et de la distribution géographique de la ressource. En régions tempérées comme la nôtre, il n'y a pas de problème crucial d'eau, au moins en quantité, même en période dite de sécheresse, quoiqu'en disent les média. Le niveaux des grandes nappes retouvent vite leur état initial après un hiver pluvieux. Le problème porte surtout sur la qualité de la ressource qui a été impunément polluée pendant ces cinquante dernières années: rejets industriels incontrôlés, utilisation massive de produits phyto-sanitaires. Il est malheureusement trés révélateur que le Nord de la France ne dispose plus d'eau potable en quantité suffisante alors qu'il possède un des plus grand aquifère européen, celui de la craie, dont l'eau est maintenant rendue en grande partie non potable par la pollution  induite par les nitrates et les pesticides.

 Il n'en est pas de même dans les régions de la ceinture aride de la planète, comme les pays du Sahel. L'aridification est un phénomène historique progressif et les précipitations sont insuffisante pour alimenter les nappes vives. Les forages profonds prélèvent dans les nappes fossiles qui ne sont plus alimentées actuellement (cas de la nappe des grès du "Continental intercalaire" saharien). Cette pratique demande une politique raisonnée de l'utilisation de l'eau pour économiser et faire perdurer une ressource limitée (techniques d'irrigation adaptées à la forte évaporation). Les grandes retenues hydrauliques de prestige, comme le barrage d'Assouan, correspondent à un énorme gaspillage de l'eau par évaporation. Il paraît évident que le développement de l'irrigation aura une influence importante sur le cycle global de l'eau. A titre d'exemple, l'irrigation par aspersion des cultures comme le maïs dans nos région augmente l'évaporation et peut favoriser le lessivage du sol et le transport en profondeur des produits phyto-sanitaires, jusqu'à la nappe.

annexe: la guerre de l'eau

REFERENCES
 

Blavoux & Letolle. (1995) Apports des techniques isotopiques à la connaissance des eaux souterraines. Géochronique, 54, p. 12-15.

Brooks K.N., Ffolliott P.F., Gregersen H.M. et Thames J.L. (1991) - Hydrology and the management of watersheds. Iowa state univ. press, Ames, Iowa.

Cassé M. (1990) - Généalogie céleste de l'eau. Le grand livre de l'eau. Cité des Sciences, La Vilette

Choisel E. et Noilhan J. (1995) - La prévision des sécheresses. La Recherche, n° 26, p. 34-40.

Choisnel E. (1999) - Changements climatiques et cycles de l'eau: évolutions possibles et incertitudes. C.R. Acad. Agriculture de France, 85, 4, p. 21-31.

Gillet P. (1993) - L'eau du manteau terrestre. La Recherche, n° 24, p. 676-685.

Hubert P. (1990) - L'hydrologie et le cycle de l'eau. Le grand livre de l'eau. Cité des Sciences, La Vilette.

Maidment D.R. (1992) - Handbook of hydrogeology. Mc Graw Hill.

Murakami M., Hirose K., Yurimoto H., Nakashima S. & Takafuji N. (2002) – Water in Earth's lower mantle. Science, 295, p. 1885-1887.

Newson M. (1994) - Hydrology and the river environment. Clarendon Univ. Press, Oxford.

Omont A. et Berteaux J.L. (1990) - L'eau dans le cosmos. La Recherche, 21, p. 557-562. Pomerol C. et Renard M. (1995) - Eléments de géologie. A. Colin.
 

www.unesco.org/water

www.agora21.org

Gillet P. (1999) - L'eau sur Terre: réservoir et cycles. www.ens-lyon.fr/DSVT/AGREG_SVT. 

TABLEAUX
 
 

Tableau 1-A. Flux d'eau douce à la surface du globe (moyenne horaire globale, d'après Newson, 1994)

Tableau 1-B. Temps de résidence moyens de l'eau (Newson, 1994)

Tableau 1-C. Usage de l'eau par l'homme (Newson, 1994)

 Tableau 1-D. Utilisation d'eau par l'industrie (d'après Newson, 1994)

(* cette eau n'est pas consommée au sens strict puisqu'elle retourne au milieu naturel après usage, mais souvent polluée. )
 
 
 
 

Tableau 1-E Stockage et Flux d'eau à l'échelle du globe
 
 

Tableau 1-F: Capacité des grands réservoirs (d'après les travaux soviétiques repris par l'UNESCO)

 Tableau 1-G. Moyenne des précipitations et du ruissellement en Angleterre et au Pays de Galles au cours des temps préhistoriques et historiques (estimation de Thom et Ledger, in Newson, 1994)

(*) compte tenu des pertes (fuites, évaporation...)
 Tableau 1-H. exemple de prospective faite en 1979: Ressource et utilisation de l'eau douce entre 1970 et 2000
 dans le cas d'un climat inchangé (d'après L'vovitch, 1979). Il serait interessant de comparer cette prévision avec les valeurs observées en 2000...

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Jacques Beauchamp