Les eaux souterraines

Contrairement à certaines croyances populaires, l’eau ne circule pas sous terre dans des rivières souterraines, bien que celles-ci existent dans certains cas!

 

Dans ce chapitre:

Le cycle de l’eau

Sur Terre, l’eau coexiste en trois phases: vapeur, liquide et solide. Le mouvement continuel de l’eau sur, au-dessus et en-dessous de la surface de la Terre, décrit le cycle de l’eau (Figure 12). Le cycle de l’eau est un système en boucle fermée, sans point de départ spécifique, schématisé par le chemin que les molécules d’eau parcourent entre les différents réservoirs (atmosphère, hydrosphère, biosphère et lithosphère), grâce aux processus d’évaporation, de condensation, de précipitation et d’écoulement. Globalement, environ 61% de l’eau des précipitations s’évapore, 16% s’écoule en surface et rejoint les cours d’eau et 23% s’infiltre et alimente les nappes phréatiques.

 

Figure 12.   Le cycle hydrologique

 

Eau disponible

La Terre est recouverte de plus de 70% d’eau. On estime que les océans en contiennent de 95 à 98 % (UNESCO-WWAP, 2006); les 2 à 5 % restant sont répartis entre les autres grands réservoirs et constituent les seules réserves d’eau douce mondiale. De cette proportion, une grande partie est stockée dans les glaciers (près de 70 %), mais cette eau est difficilement disponible pour répondre aux besoins en eau potable. Les lacs et les rivières ne représentent qu’une infime partie de l’eau douce disponible (moins de 1 %), tandis que l’eau souterraine est beaucoup plus abondante (environ 30 %) (Figure 13).

 

Figure 13. Eau disponible

 

 

Bassin versant et réseau hydrographique

L’eau, sous forme de pluie tombant sur le sol, s’écoule par gravité, du point le plus élevé vers le point le moins élevé (de l’amont vers l’aval). La direction d’écoulement de l’eau est donc limitée par des frontières naturelles topographiques appelées lignes de partage des eaux. Ces dernières constituent les limites du bassin versant (Figure 14), qui peut être défini comme le territoire délimité par les élévations du terrain à l’intérieur duquel l’eau qui s’écoule en surface se dirige vers le même exutoire.

 

Figure 14.   Bassin versant et sous-bassin

 

En première approximation, on considère généralement que la ligne de partage des eaux souterraines correspond à celle des eaux qui ruissellent en surface. L’eau qui ruisselle s’écoule dans le sens de la pente et se concentre dans des dépressions du sol, les rivières et les lacs. Connectés les uns aux autres, les cours d’eau et plans d’eau forment un réseau hydrographique.

 

 Bilan hydrique

 

Lorsque les précipitations atteignent le sol, une part de celles-ci retourne à l’atmosphère par évaporation, une part ruisselle à la surface et une part s’infiltre dans le sol. Ce sont des processus importants du bilan hydrique (Figure 15), qui peut se traduire à l’aide de l’équation suivante :

 

P = ET + Rsurf + R      

 

P sont les précipitations, sous forme de pluie ou de neige ‒ c’est la source d’apport en eau qui dépend principalement des conditions climatiques.

 

ET est l’évapotranspiration, qui correspond à l’eau retournée à l’atmosphère par évaporation et par transpiration des plantes ‒ elle dépend entre autres du type de végétation, des propriétés physiques du sol, de la température, du taux d’humidité dans l’air et de l’insolation.

 

Rsurf est le ruissellement de surface, qui survient lorsque la capacité d’infiltration du sol est dépassée de sorte que l’eau ne peut plus y pénétrer et s’écoule donc en surface ‒ il dépend entre autres du degré d’humidité antérieur des terrains, de la pente, du type de sol et de l’utilisation du sol.

 

R est la recharge, qui correspond à l’eau qui s’infiltre dans le sol et qui atteint la nappe phréatique.

 

 

Figure 15.   Le bilan hydrique

Il est plus facile d’étudier et de comprendre les mécanismes affectant l’eau de surface, car celle-ci est visible. La ressource en eau souterraine, plus difficilement observable, demande une compréhension des milieux géologiques dans lesquels l’eau s’écoule.

Contrairement à certaines croyances populaires, l’eau ne circule pas sous terre dans des rivières souterraines, bien que de véritables cours d’eau souterrains existent dans de rares cas (milieu karstique). L’eau est plutôt présente dans le sol en comblant les interstices constitués par les pores et les fractures, comme dans une éponge imbibée d’eau. Ces interstices peuvent contenir de l’air comme de l’eau. Lorsqu’ils sont totalement remplis d’eau et qu’il n’y a plus d’air, on parle alors de zone saturée (où une nappe phréatique peut circuler), contrairement à la zone non saturée (ou zone vadose), où les pores contiennent encore de l’air.

L’eau qui s’infiltre dans le sol va percoler verticalement et traverser la zone non saturée en eau pour atteindre la zone saturée et ainsi contribuer à la recharge de l’aquifère (Figure 16). Comme pour l’eau en surface, l’eau souterraine va s’écouler dans l’aquifère sous l’effet de la gravité. L’eau souterraine s’écoule toutefois beaucoup plus lentement que l’eau dans les rivières.

 

Figure 16.   Écoulements souterrains, zones de recharge et de résurgence

 

Dans le sol, l’eau ne se déplace pas à une vitesse constante. Imaginez que vous laissez rouler une balle le long d’une pente. La bille suivra la trajectoire où l’inclinaison de la pente sera la plus forte, de telle façon que plus la pente est forte, plus la bille roulera vite. En plus de la pente, si le parcours change de surface (par exemple, si elle passe d’une zone en terre battue à du gazon), elle subira un changement de vitesse. Nous pouvons imaginer l’eau souterraine comme une multitude de petites billes qui circulent dans le sol. Sa vitesse dépend donc des propriétés hydrauliques de l’aquifère et du taux de variation de la pression de l’eau. Dans un délai variant entre plusieurs jours à plusieurs milliers d’années, cette eau fera éventuellement résurgence en surface dans le réseau hydrographique. On distingue d’ailleurs trois échelles d’écoulement de l’eau souterraine, soit l’échelle locale, intermédiaire, et régionale.

Le niveau piézométrique ou la charge hydraulique représente l’élévation à laquelle l’eau remonte dans un puits pour atteindre l’équilibre avec la pression atmosphérique. Dans le cas d’une nappe libre, le niveau piézométrique correspond au toit de la nappe. Dans le cas d’une nappe captive, le niveau piézométrique sera supérieur ou inférieur au toit de la nappe contenue dans un aquifère situé au-dessus, selon la pression exercée sur l’eau souterraine. Un puits est dit artésien jaillissant lorsque le niveau piézométrique est plus élevé que la surface du sol (Figure 17).

 

Figure 17. Puits jaillissant et puits de surface

 

En reliant tous les niveaux piézométriques mesurés sur un territoire, on obtient la surface piézométrique. Pour représenter celle-ci sur une carte, des lignes sont tracées entre différents points de même niveau piézométrique (appelées isopièzes ou courbes piézométriques), comme sur une carte topographique. L’écoulement de l’eau souterraine s’effectue perpendiculairement aux isopièzes, soit des points de piézométrie élevée aux points de piézométrie plus basse (Figure 18). En plus de la direction d’écoulement, la carte piézométrique permet d’identifier si la surface piézométrique est plus élevée que le niveau du lit d’un cours d’eau. Dans ce cas, l’aquifère participe à l’alimentation du cours d’eau (la rivière est alors une zone de résurgence). Dans le cas contraire, si la surface piézométrique est plus basse que le niveau du lit du cours d’eau, c’est la rivière qui alimente l’aquifère (la rivière est alors une zone de recharge). Cette dernière situation n’est pas le cas général au Québec, mais elle peut se présenter en amont immédiat d’une chute ou d’un rapide le long d’un cours d’eau, par exemple.

 

 

Figure 18. Carte piézométrique

 

Les réseaux de suivi du niveau des nappes d’eau souterraine permettent d’évaluer les impacts à long terme des prélèvements d’eau et des changements climatiques sur les eaux souterraines. Typiquement au Québec, le niveau des nappes monte au printemps lors de la fonte des neiges, puis s’abaisse lentement jusqu’à la fin de l’été. Il montre souvent une autre remontée à l’automne lorsque les précipitations se maintiennent alors que l’évapotranspiration est plutôt faible. Durant la période hivernale il redescend jusqu’au printemps suivant.

 

Pour en savoir plus sur la piézométrie au Québec:

Réseau du suivi des eaux souterraines du Québec (MDDELCC)

La recharge est le processus qui permet le renouvellement de l’eau souterraine. Elle correspond à la quantité d’eau qui alimente l’aquifère depuis l’infiltration des précipitations à la surface. À l’échelle régionale, il est nécessaire de déterminer les zones de recharge importantes pour mieux les protéger. L’estimation de la recharge d’un aquifère par unité de temps (ou taux de renouvellement) est essentielle pour assurer la pérennité de l’eau souterraine.

La recharge est liée aux conditions climatiques, à l’occupation du sol et aux propriétés physiques du sol, soit sa capacité à laisser s’infiltrer l’eau. Comme ces facteurs varient d’un endroit à l’autre, la recharge n’est pas uniforme sur l’ensemble du territoire. Ainsi, les zones d’affleurement de roches ou de dépôts meubles perméables constituent les zones préférentielles de recharge. À l’inverse, une couverture argileuse épaisse et continue limite la recharge. En milieu urbain, l’imperméabilisation des surfaces par le l’asphaltage des routes et des stationnements, le compactage des sols et la présence d’immeubles et autres structures ont un impact important sur la recharge car ils empêchent l’eau de s’infiltrer.

Au terme de leur parcours souterrain, les eaux souterraines font résurgence en surface. Ces zones de résurgence sont en bonne partie diffuses (c.à.d. largement étendue), et se traduisent par la formation de milieux humides ou par l’exfiltration d’eau souterraine en bordure ou même au fond des cours d’eau (Figure 16).

 

 Figure 16. Écoulement, zones de recharge et de résurgence

 

Elles peuvent aussi parfois être ponctuelles (c.à.d. en un point précis) et ainsi former des sources ou des têtes de ruisseaux situés en pied de talus. En période d’étiage, l’essentiel de l’eau qui s’écoule dans les rivières provient de l’apport des eaux souterraines. C’est ce qu’on appelle le débit de base des cours d’eau. Les zones de résurgence jouent un rôle vital dans le maintien des écosystèmes, notamment en fournissant un apport constant en nutriments et en eau pour la faune et la flore aquatiques.

 

Source de l’Hermite, Abitibi