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L'eau dans le sol
L'eau dans le sol




L'eau dans le sol ne représente qu'une infime part de l'eau douce (0.1%), mais à l'instar de la vapeur d'eau, elle-même fraction infime dans l'atmosphère et néanmoins fondamentale pour le cycle de l'eau, l'eau dans le sol est indispensable pour la continuité du cycle ; à la fois par l'intermédiaire de l'évapotranspiration (plantes et surface des sols) et en entretenant l'approvisionnement des nappes phréatiques et des aquifères.

Toute l'eau dans le sol n'est pas pareillement ou totalement disponible pour les plantes ou pour les aquifères. En effet, l'eau entretient avec les différents matériaux composant les sols, des relations particulières qui la rendent plus ou moins durablement indisponible.

1) eau de constitution
2) eau fortement adsorbée
3) réserve hydrique (eau de rétention capillaire)
4) réserve hydrologique (eau gravitaire)


Cette fraction de l'eau est totalement indisponible, au moins jusqu'à ce que la roche soit altérée. Une autre fraction de l'eau est fortement adsorbée à la surface des colloïdes minéraux et organiques (argiles, humus), mais aussi sur divers autres minéraux. Les forces qui lient cette fraction de l'eau avec les particules du sol sont supérieures à la force de succion des racines des plantes (12 atmosphères*). Cette eau ne peut donc pas être utilisée par les plantes. Mais cette eau peut être sollicitée par les phénomènes d'évaporation directe.

Une troisième fraction de l'eau constitue ce que l'on appelle l'eau de rétention capillaire. Cette eau constitue des films dans les microporosités du sol. Les forces qui lient cette eau sont inférieures à 12 atmosphères, ce qui veut dire que les plantes peuvent mobiliser cette eau au niveau de leurs racines. Naturellement, cette eau peut être évaporée. Mais les forces exercées par la pesanteur sont trop faibles pour la percoler. Cette eau ne participe donc pas à l'approvisionnement des nappes. En outre, pour que cette eau soit mobilisable par évaporation ou par les plantes, il faut que la continuité des films capillaires soit conservée. Diverses pratiques culturales comme le sarclage (diminution du nombre des racines des adventices évapotranspirantes) ou le binage, sont des moyens connus, probablement depuis les débuts de l'agriculture, qui, en introduisant des discontinuités dans les films capillaires du sol, diminuent considérablement les phénomènes d'évapotranspiration et maintiennent au plus haut niveau possible cette fraction capillaire que l'on appelle aussi réserve hydrique du sol.

La quatrième fraction est constituée par l'eau gravitaire. Cette eau remplit les macroporosités du sol. Les forces qui lient cette eau aux minéraux du sol sont trop faibles pour s'opposer à l'action de la pesanteur. Cette eau va donc s'infiltrer et percoler jusqu'à ce qu'elle rencontre un niveau de roches plus imperméables. Là, l'eau va s'accumuler en saturant le niveau de roches sus-jacent en constituant un aquifère (nappe phréatique quand l'aquifère est suffisamment proche de la surface pour être accessible par le creusement d'un puits). Cette fraction de l'eau est appelée réserve hydrologique du sol.

Deux descripteurs sont importants pour comprendre les mécanismes de circulation de cette fraction de l'eau dans les profondeurs des roches : la porosité et la perméabilité.

La porosité traduit le volume d'eau qu'un certain volume de roche peut contenir. Il convient de distinguer les roches meubles des roches compactes. Ainsi un décimètre cube de sable peut être facilement saturé par un peu plus d'un demi-litre d'eau, alors qu'un mètre cube de granite, sans aucune diaclase, sera totalement imperméable. Ce ne sera pas vrai pour un volume plus important de granite. Ainsi, dans un cube de granite de quelques dizaines de mètres d'arête, le nombre de diaclases sera assez important pour contenir quelques dizaines de litres d'eau, ou davantage selon la compacité de la roche. Les mylonites, (granites broyés), par exemple, peuvent contenir près d'une centaine de litres d'eau par mètre cube de roche. D'une manière générale, les roches meubles sont poreuses en petit et les roches compactes poreuses en grand. Les calcaires sont des roches sans porosité. L'eau ne circule dans ces roches qu'à la faveur de réseaux de galeries ouvertes par dissolution de la roche par les acides carboniques contenus par les eaux de pluie (réseaux d'eau souterraine de type karstique).

La perméabilité traduit la capacité que la roche possède de restituer l'eau qu'elle a accumulée dans ses porosités. La perméabilité s'annonce le plus souvent en volume d'eau restituée par unité de temps (débit naturel au captage) ou encore en distance parcourue par l'eau par unité de temps (vitesse d'écoulement de l'eau dans l'aquifère). La perméabilité d'une roche dépend de nombreux facteurs : la nature de sa porosité (macro ou microporosité) et surtout de la richesse en éléments fins, surtout de nature colloïdale, contenus dans la roche. En effet, la présence d'éléments fins crée une microporosité réduisant le volume possible d'eau gravitaire et surtout augmente la part d'eau adsorbée qui ne peut plus percoler. Ainsi, un mètre cube d'argile sèche possède une porosité susceptible de recevoir près de 500 litres d'eau. Mais une fois imbibée, cette argile n'en restituera guère plus de deux ou trois litres, à la condition d'être très patient.

Types de roches poreuses
Porosité
litres / m3
Eau mobile
litres / m3
Perméabilité
m / J
Sables et graviers
200 - 400
150 - 250
1000 - 10
Sables fins, limons
300 - 350
100 -150
100 - 0.1
Arènes granitiques
100 - 200
10 - 50
1- 0.001
Sables argileux
100 - 200
10 - 50
1 - 0.001
Argiles
400 - 500
10 - 20
0.01 - 0.00001
Types de roches fissurées
Porosité
litres / m3
Eau mobile
litres / m3
Perméabilité
m / J
Calcaires, dolomies
10 - 100
10 - 50
1000 - 0.1
Craie
100 - 400
10 - 50
100 - 1
Grès, conglomérats
50 - 250
20 - 150
1000 - 0.1
Schistes
10 - 100
1- 20
0.01 - 0.00001
Granites
1 - 50
1 - 20
1 - 0.00001


L'eau gravitaire, quand elle rencontre une discontinuité dans la structure de la roche ou si elle rencontre des roches différentes, et si cette discontinuité de structure ou ces roches nouvelles se caractérisent par une moindre perméabilité, va s'accumuler et saturer la roche en remplissant tous les interstices, formant un aquifère.

Il existe deux grands types d'aquifères : les aquifères libres et les aquifères captifs.

Les aquifères sont dits libres lorsqu'il n'existe aucune contrainte s'opposant à leur expansion vers le haut. Ils sont dits captifs lorsque leur expansion vers le haut est contrecarrée par des roches imperméables.

Le plus souvent, les aquifères libres possèdent une surface piézométrique, ou toit, présentant sensiblement le même profil que la surface topographique qui se situe quelques mètres ou dizaines de mètres au-dessus. À la faveur d'une rupture topographique (dépression, talweg, vallée fluviale ou simple cours d'eau, faille, cuesta, etc.), les surfaces topographique et piézométrique se rapprochent au point de se rencontrer au niveau de sources ponctuelles ou d'émergences plus ou moins linéaires.

Les sources et les émergences s'observent aussi lorsque la surface imperméable d'écoulement de l'aquifère vient en affleurement avec la surface topographique.

C'est parce qu'un aquifère " fuit ", par exemple à la faveur d'une source, que l'eau dans la nappe s'écoule. Très schématiquement, lorsqu'une source est ponctuelle, tous les flux d'écoulement dans la nappe, au moins à proximité de la source, semblent converger vers cette sortie. Lorsque l'émergence est linéaire, comme c'est le cas quand des aquifères alimentent des cours d'eau, l'écoulement dans l'aquifère n'offre que des convergences verticales à proximité des émergences.

Dans les aquifères captifs, l'eau se met en pression entre deux imperméables. Bien souvent, les nappes captives ne possèdent pas d'émergences naturelles et l'eau dans la nappe ne circule pas. Mais un puits ou un captage déclenchera une circulation d'eau. Il arrive quelquefois que le niveau du puits de captage se trouve au-dessous du niveau le plus haut de la nappe captive sous pression, dans ce cas, l'eau captée jaillit comme c'est le cas des puits dits artésiens.

Les aquifères sont essentiellement alimentés par les pluies. Mais toute la pluie ne s'infiltre pas dans le sol, une partie ruisselle et surtout, dans la fraction percolée, une part importante est évapotranspirée. La différence entre la totalité des précipitations et la fraction évapotranspirée s'appelle " pluies efficaces ", au sens de la reconstitution des réserves hydrologiques du sol. On parle de déficit pluviométrique sur une période donnée quand les pertes par évapotranspiration (laquelle est permanente) sont supérieures aux précipitations (lesquelles sont périodiques). En France, il tombe 440 milliards de mètres cubes d'eau par an, 270 milliards de mètres cubes sont évapotranspirés, la pluie efficace représente donc 170 milliards de mètres cubes.Du fait de la perméabilité le plus souvent faible des roches (il faut plus de 300 ans pour que des eaux de pluies tombées sur les sables de Lorraine parviennent à la hauteur de Paris qui s'en approvisionne), les eaux souterraines se trouvent naturellement filtrées, ce qui explique leur grande pureté générale. Cependant, cette filtration est totalement inopérante pour diverses substances, par exemple, les substances dissoutes comme les nitrates ou encore diverses autres substances plus ou moins toxiques, comme les hydrocarbures, des pesticides et autres organométalliques.

[* La pression hydrostatique exercée par une colonne d'eau de 10 mètres de hauteur est de 1 atmosphère. Lorsqu'un arbre de 10 mètres de hauteur veut faire monter de l'eau jusqu'aux feuilles au plus haut de son cimier, il faut qu'il exerce une pression de succion de 1 atmosphère. Puisque les plantes ne peuvent pas exercer des pressions supérieures à 12 atmosphères leur permettant d'utiliser l'eau adsorbée, cela revient à dire qu'aucun arbre actuel ne pourrait faire monter de l'eau jusqu'à leurs feuilles si celles-ci sont situées à plus 120 mètres du sol. Cela se confirme puisqu'on ne connaît pas beaucoup d'arbres qui atteignent ou dépassent cette taille.]




Typologie des aquifères

Les aquifères peuvent être classés et recevoir différents qualificatifs :

» Suivant la structure et le type de perméabilité du milieu, lié généralement à sa constitution lithologique, en :

________- aquifère continu, formé par un milieu poreux (à "volume élémentaire représentatif" assez petit, d'ordre métrique)

________- aquifère discontinu fissuré, formé par un milieu fissuré (à "volume élémentaire représentatif" d'ordre décamétrique à hectométrique, voire plus grand)

________- aquifère discontinu karstique, à réseau de cavités et conduits karstiques, sans définition de "volume élémentaire représentatif" possible.

» Suivant les conditions hydrodynamiques qui régissent le mouvement de l'eau souterraine contenue, donc en se référant à la typologie des nappes souterraines, en :

________- aquifère libre, c'est-à-dire à nappe à surface libre, avec une zone non saturée ;

________- aquifère captif, c'est-à-dire à nappe captive sans surface libre, ni zone non saturée ;

________- aquifère perché, superposé à une zone non saturée, à nappe souterraine libre perchée.

» Suivant la structure du système aquifère correspondant, donc celle du modèle conceptuel qui peut schématiser celui-ci, en :

________- aquifère monocouche, bi-couche, ou multicouche (ces derniers comportant des composants non aquifères) ;

________- aquifère stratifié (à variations verticales significatives de perméabilité, non schématisable par un monocouche caractérisé par une transmissivité) ;

________- aquifère compartimenté, à cloisons imposant de fortes pertes de charge aux écoulements souterrains intérieurs.




Voir aussi :

L'eau souterraine :
http://www.brgm.fr/divers/nappes.htm

LES SYSTÈMES AQUIFÈRES /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/cours.qge/du-7.htm

ÉLÉMENTS DE PÉDOLOGIE ET D'HYDROGÉOLOGIE (L'altération des roches / Les argiles / Les propriétés des sols / Les principaux types de sols / L'eau et le sol / L'eau souterraine) /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/mst/mst-plan.htm

Hydrogéologie / L'EAU SOUTERRAINE / éléments d'hydrogéologie :
/http://www.u-picardie.fr/~beaucham/mst/hydrogeo.htm

Pédologie / L'EAU ET LE SOL /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/mst/eau-sol.htm

POLLUTION ET DÉPOLLUTION DES NAPPES D'EAU SOUTERRAINE /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/cours.qge/pol-sout/pol-sout.htm

LA POLLUTION DES EAUX SOUTERRAINES EN PICARDIE par Aurélie DESBORDES /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/duee/desborde/desborde.htm

LA PROTECTION DE LA QUALITÉ DE LA RESSOURCE EN EAUX SOUTERRAINES par Vincent FURRY /
http://www.u-picardie.fr/~beaucham/duee/furry2.htm

L'eau souterraine : http://progsystem.fr/hydrogeo.htm

L'eau et le sol : http://progsystem.fr/eau-sol.htm

Hydrogéologie : http://pst.chez.tiscali.fr/svtiufm/hydrogeo.htm




[Corrélats : Hydrologie / Hydrogéologie / Ressources en eau / Pénurie d'eau / Aquifères / Sources / Crénon / ...]

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