Cycle de l'eau ou cycle hydrologique
En support de ce cours vous trouverez illustrations et tableaux dans la présentation suivante:
Le cycle de l'eau
1. INTRODUCTION
Près de 70 % du globe sont recouverts d'eau libre ou de glace. L'eau forme océans ainsi que fleuves, rivières, lacs, neige et glaciers. On la retrouve dans l'atmosphère et dans les nappes phréatiques. Elle s'évapore de la surface de la terre et y retourne par un phénomène connu sous le nom de cycle hydrologique (ou cycle de l'eau).
La vie sur terre a probablement commencé dans l'eau. Plus de la moitié des espèces animales et végétales vivent dans l'eau.
L'organisme humain a besoin de deux litres d'eau par jour, dans nos climats, et qu'il ne peut survivre que quelques jours sans eau.
En moyenne, le corps humain contient environ 55 % d'eau. Nos aliments sont surtout constitués d'eau : tomates (95 %), épinards (91 %), lait (90 %), pommes (85 %), pommes de terre (80 %), bœuf (61 %), hot dogs (56 %).
2. PROPRIETES DE L’EAU
2.1. La molécule d'eau
2.1.1. Généralités
Dans des conditions normales, l'eau est un liquide composé de molécules faites d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène (H2O). Á l'état pur, l'eau est incolore, insipide et inodore. Elle a une densité de un gramme par centimètre cube (1 g/cm3) et se classe parmi les meilleurs solvants qui soient.
Elle est stable avec des liaisons faibles. En tant que molécule polaire, les charges n’y sont pas réparties de manière homogène.
Sous l’effet d’un apport d’énergie, l’état de la matière change : de l’état solide elle passe à l’état liquide, de l’état liquide à l’état gazeux. Ses trois phases - gaz, liquide, solide - sont observables sous notre climat ; elle se solidifie à 0°C et se gazéifie à 100°C. Si l’on apporte de l’énergie supplémentaire à un gaz, il est ionisé, et passe à l’état de plasma.
2.1.2. Chaleur spécifique
La chaleur spécifique d'un matériau est la quantité de chaleur (énergie) nécessaire pour élever d'un degré centigrade (ou Kelvin) une masse d'1 kg de ce matériau. Elle s'exprime dans le système d'unités MKSA en Joules par Kg et par degré Celsius (°C) (ou Kelvin, rappel: 0 °C = 273,15 K). La chaleur spécifique de l'eau est de 4186 Joule/kg K (à 0° C, conditions de pression normale).
L'eau absorbe ou dégage plus de chaleur que de nombreuses autres substances pour chaque variation d'un degré de la température. C'est la raison pour laquelle on utilise si fréquemment l'eau comme agent de refroidissement et de transfert de la chaleur au cours de procédés chimiques ou thermiques.
2.1.3. Tension superficielle
La tension superficielle est la force qu'il faut appliquer à un liquide pour provoquer l'extension de sa surface. On peut définir l'énergie d'interface comme un surplus d'énergie chimique lorsque les molécules de surface se trouvent à l'intérieur du liquide. L'unité de mesure de la tension superficielle est le newton par mètre (N.m-1) qui est équivalent aux joules par mètre carré (J.m-2) qui est l'unité d'énergie de surface (ou dyne/cm).
La tension superficielle est une mesure de la force du film de la surface de l'eau. Cependant, les molécules d'eau sont liées entre elles, créant un film très fort dont la tension est supérieure à celle de tout autre liquide, sauf le mercure.
La tension superficielle est essentielle au transfert de l'énergie éolienne à l'eau pour créer des vagues. Celles-ci sont, à leur tour, nécessaires car elles permettent de diffuser rapidement de l'oxygène dans l'eau des lacs et des mers.
2.1.4. Molécules en mouvement
Les molécules d'eau adhèrent l'une à l'autre et à de nombreuses autres substances dont le verre, le coton, les plantes et les sols. C'est ce qu'on qualifie de phénomène d'adhérence. Dans un mince tube de verre, par exemple, lorsque les molécules près du rebord se rapprochent des molécules de verre et y adhèrent, elles entraînent avec elles d'autres molécules d'eau. En retour, la surface de l'eau attire l'eau à un nouveau niveau jusqu'à ce que le mouvement descendant de la force de la gravité soit trop fort pour y résister. Ce processus a pour nom l'ascension capillaire. L’ascension capillaire est due aux forces superficielles appliquées en tout point du contour du ménisque. La résultante F de ces forces équilibre le poids P du liquide soulevé. L’élévation du liquide dans le tube compense la différence de pression entre les deux côtés de la paroi (Loi de Laplace).
L'eau imbibe facilement de nombreux tissus. C'est grâce à l'ascension capillaire qu'une serviette de papier ou une éponge sert à essuyer de l'eau renversée. Sans cette propriété, les éléments nutritifs indispensables aux plantes et aux arbres demeureraient dans le sol.
2.1.5. Agent de dissolution universel
La propriété la plus remarquable de l'eau est son aptitude à dissoudre d'autres substances. C'est cette propriété de dissolution qui rend la vie possible sur terre; l'eau véhicule les éléments nutritifs indispensables aux animaux et aux plantes.
En tombant, une goutte de pluie dissout les gaz atmosphériques. Les précipitations ont donc une incidence sur la qualité des terres, des lacs et des cours d'eau.
3. L’EAU DU MANTEAU TERRESTRE
Le manteau terrestre est situé sous la croûte terrestre, à une profondeur comprise entre 10 et 2 900 kilomètres environ. Il enveloppe le noyau central de la planète fait de métal en fusion. Constitué d’environ les deux tiers de toute la masse du globe, il est formé de roches chaudes et pâteuses.
Suite à l’analyse précise d’échantillons naturels en provenance du manteau, magmas et laves rejetés lors de certaines irruptions volcaniques, il a été montré qu’il y a de l’eau dans la partie supérieure du manteau, et ce jusqu’à au moins 300 kilomètres de profondeur sous forme de gouttes prisonnières des roches, ou de molécules incluses dans certains minéraux. On ne sait pas si cette eau est répartie de manière homogène ou non dans cette portion du manteau.
4. EAU, SOL ET COUVERT VEGETAL
4.1. Evapo-transpiration
L’émission de la vapeur d’eau ou évapotranspiration (exprimée en mm), résulte de deux phénomènes : l’évaporation, qui est un phénomène purement physique, et la transpiration des plantes. En effet, la majorité de l’eau est évapotranspirée par la végétation. Elle englobe la perte en eau due au climat, les pertes provenant de l'évaporation du sol et de la transpiration des plantes. Les feuilles des plantes dégagent de la vapeur d'eau par phénomène de transpiration. Une plante en croissance perd ainsi chaque jour de 5 à 10 fois la quantité d'eau qu'elle peut contenir. La recharge des nappes phréatiques par les précipitations tombant en période d’activité du couvert végétal peut être limitée.
4.2. Condensation
Durant son ascension dans l'atmosphère, la vapeur d'eau se refroidit et parfois se condense généralement autour de minuscules particules de poussière dans l'atmosphère. En se condensant, elle redevient liquide ou passe directement à l'état solide (glace, grêle ou neige). Ces particules d'eau s'assemblent pour former des nuages.
4.3. Précipitation
Les précipitations sous forme de pluie, de neige et de grêle proviennent des nuages. Ces derniers tournent autour de la Terre grâce à l'action des courants d'air. Par exemple, lorsqu'ils s'élèvent au-dessus de chaînes de montagnes, les nuages se refroidissent davantage et sont tellement saturés de gouttelettes d'eau que ces dernières commencent à tomber en pluie, en grêle ou en neige, selon la température de l'air ambiant.
4.4. Ruissellement
La pluie ou la fonte des neiges peuvent produire un écoulement de surface vers les ruisseaux et les fossés. Le ruissellement est l'écoulement d'eau que l'on peut voir dans les ruisseaux, les lacs et les cours d'eau lorsque l'eau emmagasinée dans le bassin s'en écoule.
4.5. Percolation
Une partie des précipitations et de l'eau provenant de la fonte des neiges descend, percole, ou s'infiltre dans des fissures, des joints et des pores dans le sol et la roche jusqu'à ce qu'elle atteigne la surface de saturation pour devenir de l'eau souterraine.
5. L’EAU SOUTERRAINE
5.1. Nappes phréatiques
L'eau souterraine est retenue dans les fissures et les pores des roches. Selon la géologie de la région, elle va alimenter les cours d'eau. L'eau souterraine peut être puisée au moyen de puits. Parfois ancienne, elle peut avoir été stockée au même endroit pendant des milliers d'années.
Le niveau au-dessous duquel tous les interstices sont remplis d'eau s'appelle la surface de saturation. La surface de saturation correspond au niveau qu'atteindra l'eau dans un puits peu profond. Au-dessus de cette surface se trouve la zone d'aération. Ici, les espaces dans la roche et le sol contiennent à la fois de l'air et de l'eau. L'eau dans cette zone s'appelle l'humidité du sol. Toute la région au-dessous de la surface de saturation est dénommée zone de saturation, et l'eau de cette zone est l'eau souterraine.
5.2. Aquifères
Bien que l'eau souterraine existe partout dans le sous-sol, certaines parties de la zone de saturation contiennent plus d'eau que d'autres. Un aquifère est une formation souterraine de roche perméable ou de matériau meuble qui peut produire des quantités utiles d'eau lorsqu'elles sont captées par un puits. Les aquifères existent dans toutes les dimensions. Ils peuvent être petits, ne couvrant que quelques hectares de superficie, ou très grands, sous-jacents à des milliers de kilomètres carrés de surface terrestre. Ils peuvent avoir seulement quelques mètres d'épaisseur ou mesurer des centaines de mètres du haut vers le bas.
L'eau dans les puits s'élève à un niveau plus haut que la partie supérieure de l'aquifère en raison de la pression sous laquelle elle est retenue. Si le niveau d'eau monte au-dessus de la surface du sol, il se forme un puits jaillissant. La surface piézométrique est le niveau auquel s'élèvera l'eau d'un aquifère artésien.
Les milieux poreux sont des aquifères composés d'agrégats de particules distinctes comme le sable et le gravier. L'eau souterraine occupe les vides interstitiels des grains à travers lesquels elle circule. Les milieux poreux où les grains ne sont pas reliés l'un à l'autre sont considérés comme meubles. Si les grains sont cimentés les uns aux autres, ces aquifères sont dits consolidés. Les grès sont des exemples de milieux poreux consolidés.
Les aquifères fissurés sont des roches dans lesquelles l'eau souterraine circule à travers des fissures, des joints ou des fractures dans une roche par ailleurs solides. Le granite et le basalte en constituent des exemples. Les calcaires sont souvent des aquifères fissurés, mais, ici, les fissures et les fractures peuvent être agrandies par dissolution, formant de grands chenaux ou même des cavernes. Un terrain calcaire où la dissolution a été très active s'appelle le karst. Les milieux poreux comme le grès peuvent présenter un degré si élevé de cimentation ou de recristallisation que tous les espaces originaux sont remplis. Dans ce cas, la roche n'est plus un milieu poreux. Toutefois, si elle contient des fissures, elle peut encore assurer la fonction d'un aquifère fissuré.
5.3. Temps de résidence / Temps de séjour
Le temps de séjour de l'eau souterraine, c'est-à-dire la durée pendant laquelle l'eau demeure dans la portion souterraine du cycle hydrologique, varie énormément. L'eau peut demeurer seulement quelques jours ou quelques semaines dans le sous-sol, ou jusqu'à 10 000 ans ou plus. Les temps de séjour de dizaines, de centaines ou même de milliers d'années ou plus ne s'ont pas exceptionnels. À titre de comparaison, le temps de renouvellement de l'eau de rivières, ou le temps que met l'eau des rivières à se remplacer complètement, est d'environ deux semaines.
6. RESERVOIRS ET FLUX
6.1. Les réserves
L'eau est répartie dans différents réservoirs. Le plus grand est composé des mers et océans : plus de 97 % de l'eau présente sur Terre est salée, contre moins de 3 % d'eau douce. Plus des deux tiers de l'eau douce est conservée à l'état solide dans les glaces polaires et les neiges éternelles, et un peu moins d'un tiers est constitué des eaux souterraines. Le reste des réserves d'eau douce est réparti principalement à la surface des continents dans les lacs, les cours d'eau et également dans l'atmosphère.
La cryosphère englobe l’ensemble du compartiment glace de la Terre, qui comprend les grandes calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland, les glaciers de montagne et la banquise.
L'eau est une ressource abondante sur Terre, mais seule une infime partie est directement utilisable par la biosphère, et notamment par les humains : l'eau douce des cours d'eau et des nappes phréatiques souterraines constitue 1 % du volume d'eau douce et 0.01 % de toute l'eau sur Terre.
Flux hydriques annuels sur l'ensemble de la planète exprimés en kilomètres cubes km3 d'eau (La somme des évaporations est égale à la somme des précipitations) :
Évaporation sur les océans : 425 000
Évaporation sur les continents : 71 000
Précipitations sur les océans : 385 000
Précipitations sur les continents : 111 000
Apport des cours d’eau aux océans : 40 000
6.2. L’eau "naturelle"
L'eau pure est insipide et inodore. Une molécule d'eau contient seulement des atomes d'hydrogène et d'oxygène. Portant, on ne trouve jamais l'eau à l'état pur dans la nature. Les eaux souterraines et les eaux de surface peuvent contenir de nombreux constituants, notamment des micro-organismes, des gaz, et des matières organiques et inorganiques.
La nature chimique de l'eau évolue continuellement au cours de sa circulation dans le cycle hydrologique. Les types de constituants chimiques trouvés dans l'eau souterraine dépendent, en partie, de la chimie des précipitations et de l'eau d'alimentation. Près des côtes, les précipitations contiennent des concentrations plus élevées de chlorure de sodium, et, en aval des zones industrielles, des composés atmosphériques de soufre et d'azote rendent les précipitations acides.
L'une des transformations naturelles les plus importantes dans la chimie de l'eau souterraine se produit dans le sol. Les sols contiennent des concentrations élevées de gaz carbonique qui se dissout dans l'eau souterraine, créant un acide fiable capable de dissoudre de nombreux minéraux de silicate. Dans son transfert d'une zone d'alimentation à une zone d'émission, l'eau souterraine peut dissoudre les substances qu'elle rencontre ou elle peut déposer certains de ses constituants.
La qualité de l'eau souterraine dépend :
- des conditions de température
- des conditions de de pression
- des types de roches et de sols à travers lesquels elle s'écoule
- du temps de séjour.
En général, l'eau à écoulement plus rapide dissout moins de matières. L'eau souterraine transporte naturellement avec elle tous les contaminants solubles qu'elle rencontre.
On évalue la qualité de l'eau en mesurant les quantités des divers constituants contenus dans l'eau. Ces quantités sont exprimées en milligrammes par litre (mg/l).
Le fait qu'une eau convient pour une utilisation donnée dépend de nombreux facteurs tels que la dureté, la salinité et le pH. Les valeurs acceptables de chacun de ces paramètres pour toute utilisation donnée dépendent de l'utilisation, et non pas de la source de l'eau, de sorte que les considérations importantes pour les eaux de surface s'appliquent également à l'eau souterraine.
6.3. Les eaux continentales
6.3.1. Les différentes masses d’eau superficielles
Un lac est une masse d'eau entourée de terre et alimentée par le ruissellement, les cours d'eau, les sources et les précipitations locales. Les lacs peuvent être classés d'après diverses caractéristiques, dont leur formation et leur condition chimique ou biologique :
Les lacs oligotrophes sont caractérisés par une assez faible productivité et sont surtout peuplés de poissons de fond d'eau froide.
Les lacs eutrophes sont moins profonds et plus productifs que les précédents, et sont surtout peuplés de poissons d'eau chaude.
Les étangs sont des étendues d'eau calme qui sont plus petites et situées dans des dépressions naturelles telles que des cuvettes ou résultant de la construction de barrages par l'être humain ou les animaux.
Les cours d'eau constituent les voies d'écoulement naturelles des eaux de surface. Celles-ci proviennent principalement :
du ruissellement qui est formé de l'écoulement superficiel ou souterrain (écoulement divergent) des eaux pluviales vers les cours d'eau ou rivières
du débit de base qui résulte de l'émergence des eaux de la nappe phréatique (faciès lentique ou faciès lotique).
Les cours d'eau (rivières et fleuves) sont des masses d'eau douce qui s'écoulent en permanence ou de façon saisonnière dans un chenal naturel et se jettent dans une autre masse d'eau comme un lac ou la mer. Les cours d'eau contiennent généralement plus d'oxygène que les lacs ou les étangs et tendent à abriter des organismes adaptés à l'eau vive des faciès lotiques.
6.3.2. Bassins versants
Le bilan hydrologique d'un bassin versant peut s'exprimer schématiquement par la formule suivante:
P = E + Q + I + U + dR
avec:
P - précipitationE - évaporation + évapotranspiration
Q - écoulement
I - infiltration
U - utilisation humaine
dR - stockage
Le bassin versant ou bassin hydrographique est le territoire associé à une rivière et regroupant tous les terrains sur lesquels ruissellent, s’infiltrent et courent toutes les eaux qui alimentent cette rivière. C’est le territoire qui l’alimente. Il est séparé des bassins contigus par des hautes terres le long de lignes de partage des eaux.
→ En très haute montagne, les cours d’eau naissent de la fonte des glaciers : c’est le régime glaciaire. L’épaisse couche de glace fait en effet office d’isolant thermique vis à vis de l’air extérieur très froid et la température au niveau du sol est donc en général supérieure à zéro. C’est pourquoi la glace fond, donnant naissance à de fins ruisseaux ou à des torrents tumultueux qui glissent sous les glaciers pour émerger à leurs pieds.
→ En Amérique du Nord, en Sibérie et dans le nord de l’Europe, les fleuves sont alimentés par la fonte des neiges : c’est le régime nival.
La plupart des cours d'eau se jette dans les océans. Les zones soumises à l'action des marées où l'eau salée se mêle à l'eau douce s'appellent les estuaires. Ces écosystèmes productifs, renferment des communautés animales et végétales spécifiques.
6.3.3. Pergélisols
Le pergélisol constitue la plus grande partie des terres péri-arctiques (sol gelé en permanence). Il inhibe l'écoulement des eaux souterraines. Cependant, dans les terrains calcaires, les sols, les roches fracturées et les débris glaciaires constituent un matériau pouvant emmagasiner de l’eau et la libérer vers les eaux souterraines À l'échelle locale, la formation saisonnière d'une « couche active » dégelée au-dessus du pergélisol peut favoriser la création de zones perméables autorisant un mouvement souterrain de l'eau et des contaminants.
7. CYCLES SEDIMENTAIRES
7.1. Erosion
L'eau joue un rôle important dans la transformation du paysage en déplaçant de grandes quantités de sol sous forme de sédiments. Ceux-ci sont arrachés par érosion au paysage, transportés par les réseaux hydrographiques, puis déposés dans un lac ou la mer.
Le cycle des sédiments débute par le processus d'érosion, par lequel des particules ou fragments sont arrachés aux matériaux rocheux sous l'action des agents d'érosion. L'action de l'eau, du vent et des glaciers ainsi que les activités des plantes et animaux contribuent à l'érosion de la surface terrestre. On parle de sédiments fluviaux dans le cas où l'eau constitue le principal agent. L'érosion naturelle, ou géologique, est un processus lent, qui s'étend parfois sur des siècles ou des millénaires. L'érosion résultant de l'activité anthropique peut se produire beaucoup plus rapidement.
7.2. Transport
Tout matériau, une fois érodé, est prêt à être transporté. Le processus de transport débute à la surface terrestre lorsque des gouttes de pluie causent de l'érosion en nappe. Les rigoles, ravins, ruisseaux et rivières servent ensuite de couloir pour évacuer les sédiments. Plus le débit, ou taux d'écoulement, est important, plus la capacité de transport des sédiments est élevée.
Diamètre des particules du sol:
Gravier > 2 mm;
Sable grossier 2 à 0,2 mm;
Sable fin 0,2 à 0,02 mm;
Limon 0,02 à 0,002 mm;
Argile < 0,002 mm.
7.3. Accumulation
Le cycle se termine avec l'accumulation. Lorsque l'énergie ne suffit plus pour déplacer les sédiments, ceux-ci s'immobilisent.
Les bassins ou zones d'accumulation comprennent :
- les matériaux nouvellement déposés d'une plaine d'inondation,
- les îles et bancs d'un chenal
- les deltas et les estuaires.
L'accumulation, même si elle est considérable, n'est pas nécessairement apparente; c'est le cas de celle qui se produit sur les lits fluviaux et lacustres. Pour comprendre l'écosystème aquatique, il faut absolument connaître la dynamique des sédiments.
Les eaux continentales déplacent de nombreux millions de tonnes de sédiments par année dans le cycle sans fin de l'érosion, du transport et de l'accumulation. Les sédiments sont mesurés et classés en fonction de leurs caractéristiques dynamiques :
• débit des sédiments en suspension (en suspension dans l'eau)
• charriage (roulage ou saltation au fond)
• matériaux du lit (stationnaires).
7.4. Sédimentologie et activités anthropiques
La concentration est le rapport la teneur mesurée dans les sédiments (poids sec) et le mélange total eau-sédiments exprimé en milligrammes par litre (mg/l). La granulométrie est une mesure de la taille des particules de sédiments; on distingue les sables, les limons et l'argile.
Les sédiments interviennent dans :
La séquestration de substances chimiques toxiques
La navigation
La pêches et habitats aquatiques
La foresterie
L’approvisionnement en eau
La production d'énergie
L’agriculture
8. INONDATIONS
Il existe deux risques hydrologiques : l’inondation et l’étiage, faciles à exprimer statistiquement et en termes de bilan. Mais si des hommes ne sont pas impliqués, ce ne sont que des aléas. L’inondation est le risque issu d’une crue. Une crue, phénomène hydrologique de base, est l'augmentation plus ou moins brutale du débit et par conséquent de la hauteur d'un cours d'eau.
La plaine inondable est l’étendue relativement plate, attenante à un lac ou à une rivière, et susceptible d'être envahie par les eaux de crues. Elle fait partie intégrante de l'espace vital du cours d'eau que celui-ci peut occuper périodiquement. Par ailleurs, c'est dans la section principale d'écoulement, la partie de la plaine inondable où les eaux s'écoulent le plus rapidement, que les inondations produisent leurs plus grands ravages.
9. LES ORGANISMES PRESENTS DANS LES ECOSYSTEMES AQUATIQUES
Les écosystèmes aquatiques renferment habituellement une grande variété de formes de vie, notamment les bactéries, les champignons et les protozoaires, les organismes vivant dans le fond des cours d'eau (larves d'insectes, gastéropodes, vers, etc.), les plantes et les animaux microscopiques vivant en suspension dans l'eau (plancton), les macrophytes, ainsi que les poissons, les amphibiens, les reptiles et les oiseaux. Les virus et les bactéries font aussi partie intégrante de l'écologie microbienne des eaux naturelles : on a récemment démontré qu'ils jouent un rôle important dans les cycles des éléments nutritifs et de l'énergie.
La composition de ces ensembles d'organismes varie d'un écosystème à l'autre car les conditions d'habitat particulières à chacun d'eux tendent à influer sur la distribution des espèces. Ainsi les eaux de nombreux cours d'eau, contrairement à celles des lacs, sont riches en oxygène et leur écoulement est rapide.
Date de dernière mise à jour : 05/07/2021
