Hydrogologie

Objets, mthodes, applications

Eric Gilli Professeur de karstologie l'Universit Paris 8

& U.M.R. Espace 6012-Nice

Christian Mangan Hydrogologue-conseil Nice

Jacques Mudry

Professeur d'hydrogologie l'Universit de Franche Comt

1

des mmes auteurs : Gilli E. La Splologie, Coll. Que-Sais-Je?, n 709 PUF, Paris 128 p., 1995 Gilli E. L'exploration splologique et ses techniques Coll. Que-Sais-Je?,n 3362

PUF, Paris 128 p.,1998 Gilli E. Eaux et rivires souterraines. Coll. Que-Sais-Je?,n 455, PUF, Paris 128 p.

1999

2

Sommaire Avant Propos .................................................................................................................11

A - NOTIONS D'HYDROGEOLOGIE...........................................................12 A1 Dfinition et histoire de l'hydrogologie .......................................................13

1 La Science de l'eau souterraine .....................................................................13 1.1 Etymologie et dfinition ........................................................................13 1.2 Histoire ..................................................................................................13

1.2.1 Les plus anciennes relations ..........................................................14 1.2.2 Les modles des Grecs ..................................................................14 1.2.3 Le Moyen Age et la Renaissance: l'alambic souterrain.................15 1.2.4 Le XVII me sicle : le cycle de leau.............................................16 1.2.5 La naissance de lhydrogologie ...................................................16

1.3 Les axes de recherche actuels................................................................17 1.3.1 Hydrogologie applique...............................................................17 1.3.2 Hydrogologie fondamentale ........................................................17

A2 Place des eaux souterraines dans les Sciences de la Terre ............................18 1 Eau souterraine et godynamique externe.....................................................18 2 Eau et ptrole.................................................................................................19 3 Eau et gtes minraux ....................................................................................19 4 Transferts de fluide profonds.........................................................................19 5 Rle de l'eau dans le magmatisme.................................................................20

A3 Dbouchs de l'hydrogologie.......................................................................21 1 L'eau source de vie ........................................................................................21 2 L'eau source de gne......................................................................................22 3 Protection et gestion des ressources en eau...................................................22 4 Place et dbouchs de l'hydrogologie ..........................................................23

A4 Les cycles de leau.........................................................................................24 1 Le cycle interne .............................................................................................24

1.1 Origine de leau sur Terre......................................................................24 1.2 Cycle interne de l'eau.............................................................................26

2 Rpartition de leau .......................................................................................27 2.1 Le Cycle de leau...................................................................................29

2.1.1 Moteur du cycle et bilan radiatif ...................................................29 2.2 Les systmes hydrologiques et les bilans ..............................................32

2.2.1 Bassin hydrologique ......................................................................32 2.2.2 Aquifre .........................................................................................32 2.2.3 Bassin hydrogologique ................................................................32 2.2.4 Bilans .............................................................................................32

3

2.3 Lvapotranspiration..............................................................................33 2.3.1 Calcul de lvapotranspiration.......................................................33

a) Calcul thorique.................................................................................33 b) Formule de Thornthwaite ..................................................................34 c) Formule de Turc (1961).....................................................................34 d) Formule de Primault (1962) ..............................................................35 e) Mthode du bilan hydrologique.........................................................37 f) Mthodes exprimentales ..................................................................37 g) Mesures directes ................................................................................38

A5 L'infiltration de l'eau dans le sous-sol et la notion d'aquifre .......................39 1 Mcanisme de l'infiltration ............................................................................39 2 Le rle de la structure et de la lithologie .......................................................41 3 Diffrents types d'aquifres (poreux, fissurs, karstiques)............................43 4 Importance relative selon les ensembles structuraux ....................................44

4.1 Massifs anciens magmatiques et mtamorphiques................................44 4.2 Bassins sdimentaires............................................................................45 4.3 Chanes alpines et mditerranennes.....................................................45 4.4 Pimonts des chanes alpines.................................................................45 4.5 Pays volcaniques ...................................................................................45 4.6 Plateaux calcaires ..................................................................................46

A6 Les aquifres poreux et la circulation de l'eau dans le sous-sol ....................47 1 Caractristiques hydrodynamiques................................................................48 2 La loi de Darcy, ses domaines d'application .................................................48 3 Paramtres hydrodynamiques de la nappe ....................................................49 4 La circulation de l'eau dans le sous-sol : la pizomtrie ...............................50

A7 Les aquifres fissurs ....................................................................................52 1 Rpartition mondiale et importance conomique..........................................52 2 L'hydrogologie africaine..............................................................................53

A8 Les aquifres karstiques ................................................................................56 1 La karstification.............................................................................................56

1.1 Phnomne.............................................................................................56 1.2 Polyphasage...........................................................................................57

2 Lhydrosystme karstique : organisation spatiale ........................................58 2.1 Principe gnral .....................................................................................58 2.2 Exemples ...............................................................................................59

3 Consquences pour le fonctionnement ..........................................................60 3.1 Fonctionnement hydraulique .................................................................60 3.2 Consquences qualitatives.....................................................................61

4 Le plus grand aquifre karstique de France : la fontaine de Vaucluse..........62 4.1 Description gnrale..............................................................................62

4.1.1 Localisation ...................................................................................62 4.1.2 Gologie ........................................................................................63 4.1.3 Hydrogologie ...............................................................................63

a) Hydromtrie.......................................................................................63 b) Hydrochimie ......................................................................................64

4.2 Origine du systme ................................................................................64 A9 Les aquifres insulaires et littoraux...............................................................66

1 Laffrontement de deux milieux ....................................................................66 1.1 Rpartition et importance conomique..................................................66 1.2 Le biseau ou coin sal............................................................................66 1.3 Action anthropique ................................................................................67

4

1.4 Incidence des variations de niveau de la mer. .......................................69 2 Aquifres karstiques littoraux........................................................................70

2.1 Particularits des sources karstiques littorales et sous-marines ............70 2.2 Origine de sources karstiques sous-marines..........................................71 2.3 Hypothses sur le fonctionnement.........................................................73

2.3.1 Hypothse hydrodynamique..........................................................73 2.3.2 Hypothse gothermale .................................................................73 2.3.3 Hypothse des drains hrits .........................................................74 2.3.4 Contamination concentre ou diffuse ............................................75

2.4 L'exemple des Moulins dArgostoli ......................................................76 2.5 Lexemple de Port Miou........................................................................77

3 Lhyper-eustatisme et ses consquences .......................................................80 A10 Les eaux thermominrales et la gothermie ..................................................81

1 Dfinition.......................................................................................................81 2 Origine de la chaleur .....................................................................................82

2.1.1 Eaux juvniles ...............................................................................82 2.1.2 Rchauffement et minralisation secondaires ...............................82

a) Circulation profonde..........................................................................82 b) Origine de la minralisation ..............................................................83 c) Lenrichissement en gaz ....................................................................83 d) Problmes d'exploitation des eaux thermominrales.........................85

3 La gothermie ................................................................................................85 A11 La qualit des eaux ........................................................................................89

1 Caractristiques naturelles.............................................................................89 2 Les contaminants naturels .............................................................................90

2.1 Dissolution et altration.........................................................................90 2.2 Biseau sal .............................................................................................90 2.3 Milieux confins....................................................................................90 2.4 Matire organique naturelle...................................................................91

3 Les pollutions anthropiques...........................................................................91 3.1 Pollution domestique .............................................................................91 3.2 Pollution urbaine ...................................................................................91 3.3 Pollution industrielle .............................................................................91 3.4 Pollution agricole...................................................................................92

4 Les contaminations induites par lactivit humaine ......................................92 5 Lautopuration .............................................................................................92

B - OUTILS ET METHODE DE L'HYDROGEOLOGIE..............................95 B1 Documentation pralable...............................................................................97

1.1 Cartes topographiques et gologiques ...................................................97 1.2 Inventaires et fichiers ............................................................................97 1.3 Publications et rapports indits..............................................................98

B2 Etude de la gomtrie des rservoirs aquifres .............................................99 1 Observations et reconnaissances de terrain ...................................................99 2 Prospection gophysique .............................................................................102

2.1 Caractristiques gnrales ...................................................................102 2.1.1 Mthodes lectriques : .................................................................102

a) Polarisation spontane .....................................................................102 b) Mthode lectrique des rsistivits..................................................102

2.1.2 Mthodes magntiques ................................................................104 2.1.3 Mthodes lectromagntiques .....................................................104

5

2.1.4 Mthodes gravimtriques ............................................................105 2.1.5 Mthodes sismiques.....................................................................105

a) Mthode sismique rfraction ...........................................................105 b) Sismique rflexion haute rsolution : ..............................................106

2.2 Limites des mthodes gophysiques ...................................................107 3 Sondages de reconnaissance........................................................................107 4 Puits, tranches et galeries de reconnaissance.............................................108 5 Synthse gomtrique..................................................................................109

B3 Caractrisation des aquifres.......................................................................112 1 Infiltration de l'eau.......................................................................................112 2 Restitution de l'eau ......................................................................................114

2.1 Nature et localisation des sources .......................................................114 2.2 Conditions d'mergence.......................................................................115 2.3 Dbit et rgime des sources.................................................................116

3 Echanges entre rservoirs aquifres ............................................................117 4 Pizomtrie des nappes................................................................................119

4.1 Dfinitions et mthodes.......................................................................119 4.2 Cartes pizomtriques .........................................................................120 4.3 Variations pizomtriques ...................................................................123

5 Essais d'eau et pompages d'essai .................................................................124 5.1 Mesures en laboratoires.......................................................................124 5.2 Essais ponctuels en puits ou sondages.................................................124

5.2.1 Essais Lefranc..............................................................................125 5.2.2 Essais Lugeon..............................................................................125 5.2.3 Mesures au micromoulinet ..........................................................125

5.3 Pompages d'essais................................................................................126 5.3.1 Essai de puits ...............................................................................126 5.3.2 Essai de nappe .............................................................................128

6 Les analyses d'eau........................................................................................130 6.1 Les analyses physico-chimiques..........................................................130

6.1.1 Rle du sol et des rservoirs superficiels. Exemple de la Montagne Noire (Guyot, 1983) ....................................................................................130 6.1.2 Signature des pisodes de pluie efficace.Exemple de la Fontaine de Vaucluse (Mudry, 1987 ; Emblanch, 1997) ................................................131 6.1.3 Composantes de recharge. ...........................................................132

a) Exemple de la nappe du Souss (Maroc, Hsissou et al., 2000)........132 b) Exemple de la basse valle du Var (Guglielmi et Mudry, 1996) ....133

6.1.4 Drive de la qualit des eaux en cours d'exploitation. Exemple du graben de Pinchinade, (Mouans-Sartoux, Alpes-Maritimes) (Reynaud et al, 1999) 134

6.2 Les isotopes .........................................................................................135 6.2.1 Utilit en hydrogologie ..............................................................135 6.2.2 Dtermination de limpluvium dun aquifre : exemple de la Fontaine de Vaucluse (Blavoux et al. 1992, Malzieu 1987) .......................136 6.2.3 Echanges eau - gaz du sol - roche : exemple du karst profond de la valle du Doubs (Celle-Jeanton et al. 2002, Mudry et al. 2002) .................137

6.3 Les analyses microbiologiques............................................................138 7 Les mthodes dtude des aquifres karstiques...........................................139

7.1 Particularits du karst ..........................................................................139 7.2 Etude palogographiques..................................................................140 7.3 Etudes hydromtriques et physico-chimiques .....................................140

6

7.3.1 Les dbits.....................................................................................140 7.3.2 Les paramtres physico-chimiques..............................................141

7.4 La splologie......................................................................................141 7.4.1 La localisation des drains accessibles .........................................142

a) Lever topographique........................................................................142 b) Radioreprage..................................................................................142 c) Mthode magntique. ......................................................................143

7.4.2 La localisation des drains inconnus.............................................143 7.5 Les traages deau ou traages d'essais ...............................................143

7.5.1 Approche qualitative : .................................................................143 7.5.2 Approche quantitative : ...............................................................144

7.6 Les essais de vidange prolonge..........................................................147 8 La modlisation des coulements souterrains .............................................149

8.1 Modles dterministes .........................................................................149 8.2 modles stochastiques ou globaux.......................................................150

B4 Synthses hydrogologiques et bilans .........................................................151 B5 Sourciers et sourcellerie ..............................................................................155

C - LA RESSOURCE EN EAU ........................................................................157 C1 Les besoins en eau et leur volution............................................................158

1 Consommation d'eau ...................................................................................158 2 Usages domestiques et agriculture ..............................................................159

2.1 LAEP : Alimentation en eau potable .................................................159 2.2 Fonctionnement urbain........................................................................161 2.3 Agriculture :.........................................................................................161 2.4 Mise en bouteilles :..............................................................................161

3 Usages techniques de l'eau souterraine .......................................................162 3.1 Energie hydraulique et hydrolectricit ..............................................162 3.2 Refroidissement des centrales thermiques et nuclaires : ..................164 3.3 Pompes chaleur et gothermie ..........................................................164 3.4 Industrie :.............................................................................................164

C2 L'exploitation des aquifres.........................................................................165 1 Recherches pralables .................................................................................165 2 Mthodes de captage ...................................................................................166

2.1 Captages de sources.............................................................................166 2.2 Tranches drainantes et galeries drainantes ........................................167 2.3 Puits et puits drains rayonnants ........................................................168 2.4 Forages d'eau .......................................................................................169

3 Entretien des captages .................................................................................170 4 L'exploitation des aquifres littoraux ..........................................................171

4.1 Cas gnraux .......................................................................................171 4.1.1 Etudes du biseau sal...................................................................171 4.1.2 Traitement....................................................................................172

4.2 Les aquifres karstiques littoraux........................................................172 4.2.1 Dtection des mergences sous-marines. ....................................172 4.2.2 Exploitation .................................................................................173

a) Prlvement l'exutoire ..................................................................173 b) Prlvement dans l'aquifre.............................................................174

C3 La protection des aquifres..........................................................................175 1 La rglementation europenne ....................................................................175 2 Le contrle sanitaire de l'eau potable ..........................................................175

7

3 Vulnrabilit, ala, risque............................................................................179 3.1 Vulnrabilit ........................................................................................179 3.2 Ala et risque.......................................................................................179

4 Les primtres de protection .......................................................................180 4.1 Primtre de protection immdiate (PPI) ............................................181 4.2 Primtre de protection rapproche (PPR) ..........................................181 4.3 Primtre de protection loigne (PPE) ..............................................182 4.4 Primtres de protection satellites (PPIs ou PPRs) ..............................182

5 Le problme des nitrates..............................................................................183 6 Effluents domestiques et assainissement.....................................................185 7 L'puration...................................................................................................185

7.1 L'puration autonome ..........................................................................185 7.2 L'puration collective ..........................................................................186

C4 La gestion des aquifres ..............................................................................188 1 Dfinition.....................................................................................................188 2 Les tudes ....................................................................................................190

2.1 Lacquisition des donnes, les contrles et les suivis sur les bassins .190 2.1.1 Rseaux de donnes.....................................................................190 2.1.2 Etat actuel de la connaissance en France.....................................191

2.2 Lacquisition de la connaissance au niveau de laquifre ...................192 2.2.1 Objectifs ......................................................................................192 2.2.2 Outils dtude et de suivi.............................................................192

3 Les actions sur les aquifres ........................................................................193 3.1 Actions quantitatives ...........................................................................193

3.1.1 Mthodes de recharge des aquifres............................................194 a) Infiltration autochtone favorise......................................................194 b) Apport allochtone par drivation de cours deau ............................194 c) Ralimentation artificielle des aquifres (daprs Detay, 1997) .....195 d) RAN par infiltration ........................................................................196 e) RAN par injection............................................................................196

3.1.2 Barrages dinfro-flux .................................................................196 3.1.3 Le problme du colmatage ..........................................................197

3.2 Actions qualitatives .............................................................................198 3.2.1 Lutte contre les pollution ponctuelles .........................................199 3.2.2 Lutte contre la contamination de fond.........................................200

a) Dnitrification..................................................................................200 b) Dferritisation et dmanganisation..................................................200 c) Dcontamination radioactive...........................................................200

4 Loptimisation de lexploitation des aquifres karstiques...........................200 4.1 Barrages souterrains ............................................................................200 4.2 Le cas de la source du Lez...................................................................202

C5 Exemples de recherche d'eau pour A.E.P. ...................................................204 1 Exploitation d'une nappe libre (Mouans-Sartoux, Alpes-Maritimes) .........204 2 Exploitation d'une nappe captive (Bassin du Paillon, Alpes-Maritimes)....206

D - HYDROGEOLOGIE DU GENIE CIVIL ...............................................209 D1 L'eau et la construction................................................................................210

1 Fluctuations naturelles de la nappe .............................................................210 2 Influence des ouvrages tablis en terrain aquifre ......................................212

2.1 Rle de barrire hydraulique ...............................................................212 2.2 Rabattement provoqu.........................................................................213

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D2 Les mouvements de terrain..........................................................................215 1 L'eau et les instabilits.................................................................................215 2 Les glissements............................................................................................216

2.1 Caractristiques et particularits des glissements ...............................216 2.2 Causes des glissements........................................................................217 2.3 Traitement des glissements..................................................................217

2.3.1 Le drainage superficiel ................................................................218 2.3.2 Les tranches drainantes..............................................................218 2.3.3 Les drains fors subhorizontaux..................................................219 2.3.4 Les drains fors verticaux............................................................220 2.3.5 Les galeries drainantes ................................................................220

2.4 Exemple du glissement de la Clapire (Alpes Maritimes, Saint-Etienne-de-Tine)..........................................................................................................220 2.5 Exemple du glissement d'Ardisson (Alpes-Maritimes, La Trinit).....222 2.6 Exemple du glissement du Quiaus (Alpes-Maritimes, Gorbio) ..........225

3 Les affaissements et effondrements.............................................................226 3.1 Caractrisation et causes......................................................................226 3.2 Evolution naturelle ..............................................................................227

3.2.1 Effets de la dissolution ................................................................227 3.2.2 Effets de la suffosion ...................................................................229

3.3 Impact des actions humaines ...............................................................230 3.3.1 Mise en solution ..........................................................................230 3.3.2 Ractivation de circulations karstiques .......................................231 3.3.3 Lessivage de remplissages meubles ............................................232

3.4 Exemple d'effondrements Mougins (Alpes-Maritimes) en 1998......233 3.4.1 Evnements constats et actions engages ..................................233 3.4.2 Structure gologique et hydrogologique....................................234 3.4.3 Caractristiques locales ...............................................................236 3.4.4 Karstification du massif et cause des dsordres ..........................236

D3 Les travaux souterrains................................................................................239 1 Problmes poss par l'eau souterraine .........................................................239 2 Incidence des eaux souterraines sur la conduite des travaux ......................239 3 Impact hydrogologique des tunnels sur leur environnement.....................243 4 Exemple du tunnel ferroviaire de Braus (Alpes-Maritimes) .......................244

4.1 Caractristiques gnrales ...................................................................244 4.2 Conditions gologiques et hydrogologiques......................................244 4.3 Problmes hydrogologiques poss par le creusement du tunnel .......246

4.3.1 Traverse du Turonien aquifre...................................................246 4.3.2 Traverse du Jurassique aquifre chevauchant le Trias ..............247 4.3.3 Enseignements tirer de cette exprience...................................247

5 Exemple du tunnel ferroviaire de Monte-Carlo (Principaut de Monaco)..248 5.1 Caractristiques gnrales ...................................................................248 5.2 Conditions gologiques et hydrogologiques......................................248 5.3 Problmes hydrogologiques poss par le creusement du tunnel .......249

5.3.1 Traverse du chevauchement du Mont des Mules ......................250 5.3.2 Tarissement de la source Ingram.................................................250

5.4 Enseignements tirer de cette exprience...........................................250 D4 Les barrages et les retenues .........................................................................252

1 Caractristiques gnrales ...........................................................................252 2 Stabilit des barrages...................................................................................253

2.1 Effet de l'rosion rgressive et des renards .........................................254

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2.2 Effet des sous-pressions ......................................................................255 2.3 Prvention et traitement.......................................................................257

3 Etanchit des retenues................................................................................258 3.1 Phnomnes d'pignie........................................................................258 3.2 Substratum karstique ...........................................................................259

3.2.1 Risque extrme de retenue vide...................................................260 3.2.2 Effet des travaux d'tanchit......................................................261 3.2.3 Cas particulier des stockages en poljs .......................................262

4 Instabilits des rives de retenues .................................................................264 4.1 Instabilits naturelles ...........................................................................264 4.2 Rle des vidanges ................................................................................265 4.3 Exemple du glissement du Vajont (Italie) ...........................................266

D5 Les stockages souterrains ............................................................................268 1 Le stockage souterrain du gaz .....................................................................268 2 Le stockage des dchets nuclaires .............................................................269

2.1 Nature des dchets ...............................................................................269 2.2 Contexte hydrogologique des sites de stockage ................................270

2.2.1 Stockage de surface .....................................................................270 2.2.2 Enfouissement .............................................................................270

E - CONCLUSIONS .........................................................................................271 1 Lentit EAU ...............................................................................................271 2 Limportance socio-conomique de leau ...................................................271 3 Le rle stratgique de leau et les risques de conflits internationaux..........272

3.1 Histoires d'eau .....................................................................................272 3.1.1 Exemples en Europe ....................................................................272

a) Monaco ............................................................................................272 b) Malte................................................................................................273

3.1.2 Exemples dans le Monde Arabe ..................................................273 a) L'asschement de l'Irak par ses voisins ...........................................273 b) Le conflit Isralo-palestinien...........................................................274 c) La Grande Rivire de l'Homme.......................................................275

4 Eau et dveloppement durable.....................................................................276 4.1 Aspect quantitatif.................................................................................276 4.2 Aspect qualitatif...................................................................................277

4.2.1 Les intrusions salines...................................................................277 4.2.2 Les nitrates...................................................................................277 4.2.3 Les pesticides...............................................................................277 4.2.4 Les polluants rcents ou inconnus...............................................277

5 L'hydrogologue du futur : gestionnaire des eaux souterraines ..................277

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Avant Propos

La fin du XXme sicle a t marque par une prise de conscience plantaire de limportance de la sauvegarde de lenvironnement. Le XXIme sicle sattelle dimmenses chantiers dont celui doffrir de leau potable tous les habitants de la plante. Face la dmographie galopante et la pollution, leau pure devient de plus en plus rare. Tantt source de vie, tantt source de mort, allie ou ennemie, leau est indissociable de lhistoire de lHomme. Elle est un enjeu vital quil faut apprendre grer et partager. De nombreux conflits du monde moderne sont, si on y regarde de prs, lis lenjeu de la possession de leau. Nous vivons depuis plusieurs dcennies les guerres de lor noir, mais les guerres de lor bleu sont dj prsentes. Lhydrogologie intresse de nombreux domaines de la socit. Pourtant, mme sil nest dacte plus anodin que celui douvrir un robinet ou de tirer une chasse deau, lorigine de leau reste souvent baigne de mystre. Veines deau au cheminement tortueux, immenses lacs souterrains, baguettes, pendules, peuplent les rcits de nos compatriotes. Pagnol nest pas si loin, lorsque lon voit des lus prfrer le sourcier lhydrogologue pour dfinir lavenir de leur collectivit ; on peut alors comprendre limmense travail qui reste accomplir pour faire vaciller lobscurantisme qui rgne encore dans ce domaine pourtant si proche de nous. Ecrire un ouvrage sur lhydrogologie est une dmarche dlicate du fait de luniversalit de cette matire et des immenses progrs raliss depuis 150 ans. Aussi, lassociation dun hydrogologue, dun gographe et dun ingnieur nous a sembl une dmarche ncessaire pour permettre lapproche pluridisciplinaire quimpose de plus en plus la science moderne. Les auteurs ont voulu privilgier une vision la plus large possible et illustrer chaque chapitre par des exemples pris en France quand cela tait possible. Chaque domaine abord souffre donc de sa superficialit, mais nous esprons que le lecteur pourra y satisfaire sa curiosit et que cela le conduira se plonger dans des ouvrages plus spcialiss.

11

A - NOTIONS D'HYDROGEOLOGIE

12

A1 Dfinition et histoire de l'hydrogologie

1 La Science de l'eau souterraine

1.1 Etymologie et dfinition L'hydrogologie (du grec hydra : l'eau , ge : la terre et logos : le discours) peut tre dfinie comme la science qui traite de l'eau souterraine. Cependant leau est une entit : eau des prcipitations, eaux de surface, glaces, eaux souterraines participent un cycle perptuel. Lhydrogologie est donc indissociable de l'hydrologie de surface, de la climatologie, de la gologie, de la gographie. De plus, comme toutes les sciences modernes, elle fait appel aux innombrables domaines de la physique, de la chimie et de la biologie. Leau devenant un enjeu de plus en plus important, lhydrogologue moderne est aussi confront des problmes sociaux et politiques. Plus, peut-tre, que toute autre science, lhydrogologie impose aujourdhui une approche pluridisciplinaire. La dfinir prcisment est donc un exercice difficile. O commence et o se termine le monde souterrain de lhydrogologue ? Leau contenue dans le magma en fait-elle partie ? Les sources chaudes des dorsales sous-marines relvent-elles de lhydrogologie ? Doit-on qualifier deau souterraine une rivire qui traverse une grotte-tunnel comme au Mas dAzil (Arige) ? Le sol, o se produisent dimportantes ractions physico-chimiques et do leau peut tre extraite par la vgtation, est-il un domaine souterrain ? Le perglisol et les glaces souterraines nintressent-il pas plus le glaciologue ? Le lecteur comprendra donc que la dfinition toute simple de science de leau souterraine est suffisamment vague pour rester la plus prcise.

1.2 Histoire Le corps humain ne peut se passer deau plus de deux jours. La qute de l'eau est ncessairement la premire action de l'homme dans l'tude de son environnement. Chez les grands singes on assiste dj la recherche dune certaine qualit. Les chimpanzs et les babouins, lorsque leau est boueuse, savent ainsi creuser des trous dans les berges des cours deau pour rcuprer de leau filtre. Cette premire dmarche dhydrogologue qui remonte donc au-del des origines de lhomme, laisse imaginer que nos anctres avaient certainement le souci de disposer dune bonne eau de boisson. La prsence frquente de sources proximit des habitats prhistoriques pourrait traduire cette recherche de qualit.

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1.2.1 Les plus anciennes relations Tout comme les gurisseurs ont prcd la mdecine et les alchimistes la chimie, lart du sourcier, anctre toujours prsent de lhydrogologue, se perd dans la nuit des temps (cf. chap. B6). La Bible dcrit Mose frappant une roche pour en faire jaillir une source ; sagit-il dune version religieuse de la baguette du sourcier ?

Quelques textes antiques dcrivent des eaux souterraines. Mille ans avant notre re, le Styx dHomre, visit par Ulysse, ressemble une classique rivire souterraine. Un texte en caractres cuniformes, grav en - 800 lentre de la grotte du Tunnel de Tigris (Lice, Turquie), relate la visite, par le roi assyrien Shoulman Ashardou III, du cours souterrain, long de quelques centaines de mtres, du fleuve Tigre. Une plaque en bronze, dcouverte dans le palais du roi et actuellement au British Museum de Londres, dcrit cette incursion et montre le rle de leau de percolation dans la construction dune stalagmite (Hill et Forti, 1997).

1.2.2 Les modles des Grecs Les savants de lAntiquit grco-romaine ont interprt de nombreux phnomnes hydrogologiques sans apporter de solution satisfaisante (Ellenberger, 1988). Le monde mditerranen est en effet riche en phnomnes karstiques majeurs, avec dimportantes sources utilises pour alimenter les cits. Les Anciens, confronts ces systmes complexes, se sont carts des schmas simples et ceci a sans doute t un frein la dcouverte des mcanismes fondamentaux de lhydrogologie. On souhaitait de plus dfinir une mcanique universelle permettant de relier entre eux des phnomnes aussi varis que le volcanisme, les courants marins ou les importantes sources.

Malgr la connaissance de systmes perte-rsurgence, comme celui de la Reka (Slovnie) et de sa rsurgence la source du Timavo, prs de Trieste (Italie), cits par Strabon (Ier sicle av. JC), les eaux de surface et les eaux souterraines taient considres comme deux domaines distincts. Ayant observ que, malgr l'apport de nombreux fleuves, le niveau de la mer ne montait pas, les Anciens imaginaient l'existence de pertes marines absorbant un flot d'eau de mer continu, hypothse sans doute appuye par lexemple des katavotres dArgostoli (Cphalonie, Grce) o leau de mer qui sengouffre dans des pertes marines actionne des moulins (cf. chap. A.9). Aristote (IVme sicle av. J.C) pense ainsi que la mer Caspienne se dverse dans la mer Noire grce un exutoire profond. Ces pertes permettaient aussi dexpliquer les courants marins. Pour Anaxagore (Vme sicle av. J.-C.), cette eau de mer infiltre alimentait dimmenses rservoirs souterrains d'eau douce. Platon (IVme sicle av. J.-C.) imagine plutt un immense gouffre, le Tartare, recevant tous les cours deau et alimentant mers, lacs, fleuves et sources. Mais pour retenir une origine marine, il faut envisager la filtration du sel et un mcanisme permettant lascension de leau dans les terres. En observant probablement les violents panaches de vapeur des volcans et les courants d'air de certaines grottes, Thals (Vme sicle av. J.-C.) suppose que le moteur se trouve dans la pousse des terres et dans les souffles souterrains. Lucrce (Ier sicle av. J.-C.) suppose que la mer est filtre de son sel par les terres.

Pourtant quelques mcanismes fondamentaux avaient t perus. Aristote (IVme

sicle av. J.-C.) avait pressenti les mcanismes de lvaporation. Vitruve (Ier sicle av. J.-C.) avait bauch le cycle de l'eau en observant que leau des valles slevait des points bas, formait des nuages puis de la pluie, sinfiltrait dans les fissures du sol pour

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rapparatre au pied des montagnes. Hrodote (Vme sicle av. J.-C.), puis Pline (Ier sicle) avaient saisi la relation entre les dolines, lieux privilgis d'infiltration de l'eau , et les sources.

Cependant Snque (Ier sicle), synthtisant dans Questions Naturelles les penses

de ses prdcesseurs ne retient que l'existence d'un immense rservoir souterrain deau douce aliment par la transformation en eau de lair contenu dans des cavits souterraines.

1.2.3 Le Moyen Age et la Renaissance: l'alambic souterrain. Au Moyen Age, la pense grecque reste la seule admise lorsquelle est compatible avec la Bible et l'invention de l'imprimerie permet la diffusion de la pense.

Un des premiers ouvrages consacr aux eaux souterraines est celui de Jacques Besson (1569) Lart et science de trouver les eaux et fontaines caches sous terre , mais le vritable prcurseur de lhydrogologie est Bernard Palissy auteur de l'ouvrage Des Eaux et des Fontaines (1580). Il dmontre que leau des sources a pour origine les pluies infiltres dans les fissures et abmes du sous-sol jusqu des niveaux impermables, saccumulent en rserves souterraines et circulent en direction des sources. Des observations dans les grottes des Pyrnes lui montrent que les panaches de vapeur deau exhals par certaines grottes sont aussi lis aux eaux dinfiltration.

Pourtant ses penses ne simposent pas et la thorie gnralement admise est celle de

lalambic souterrain (Figure 1), o leau de mer qui pntre sous terre par des canaux, abandonnant son sel, est chauffe par le feu central, puis condense dans les montagnes, pour y alimenter des lacs souterrains qui se dversent lextrieur par des sources.

Figure 1 : Lalambic souterrain : gravure du XVIIeme sicle

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1.2.4 Le XVII me sicle : le cycle de leau La gologie moderne est en train de natre en Occident. Quelques ouvrages majeurs traitant des eaux souterraines peuvent tre signals "Mundus subterraneus" (Athanasius Kircher, 1665) ; "Principia philosophiae" (Descartes,1664) ; "Prodromus" (Stenon,1669), mais ils reprennent le concept de lalambic souterrain. C'est en 1674, que louvrage de Pierre Perrault De lorigine des Fontaines , rvle limportance de lvaporation et de linfiltration. Perrault prouve que le dbit du cours amont de la Seine ne correspond quau sixime de la quantit deau de pluie reue par le bassin. Une fraction importante de leau a donc disparu. Mariotte (1620-1684) arrive la mme conclusion et la mme poque, Halley (1656-1742) quantifie lvaporation. Le moteur permettant le passage de leau de la mer aux montagnes et le mcanisme de la filtration du sel sont ainsi lucids en mme temps. La notion moderne de cycle de leau nat donc au XVIIme sicle, aprs plus de deux millnaires de discussions des plus grands savants de la plante.

1.2.5 La naissance de lhydrogologie Les concepts de base de l'infiltration ayant t poss, les mcanismes du devenir de leau la surface du sol sont prciss par La Mtherie (1791). En 1856 Darcy, ingnieur des Ponts et Chausses, en charge de l'alimentation en eau de Dijon, dfinit la loi mathmatique qui, reliant permabilit des terrains et gradient hydraulique, rgit le parcours des eaux souterraines (cf. chap. A.6.2). Cette loi marque le dbut de lhydrogologie moderne. Les grands problmes de lhydrogologie de la fin du XIXme sicle sont surtout lis au creusement des puits et lexploitation des nappes alluviales. Les tudes sont de ce fait nombreuses. Elles concernent principalement les relations entre la gologie et les eaux souterraines, la dfinition des lois de lhydraulique souterraine et ltude de la chimie des eaux.

A cette mme poque, Camprieu (Gard), Edouard Alfred Martel, en suivant le cours souterrain du ruisseau du Bonheur jusqu la source de Bramabiau, jette les bases de la splologie. Mais cette dernire activit, juge trop sportive, est gnralement ddaigne par les universitaires et ce nest que vers 1960 que la cration du laboratoire de Moulis par Philippe Renault et Flix Trombe entrane la naissance en France de lhydrogologie karstique, branche laquelle une part importante de cet ouvrage sera consacre. Le XXme sicle voit lessor des grands travaux parfois pharaoniques, tels que les gigantesques barrages sur les grands fleuves modifiant lhydrogologie de rgions entires, ou la Grande rivire de lHomme (Libye) (cf chap. E3). Ces grands chantiers sont parfois endeuills de drames comme la catastrophe de Malpasset (cf. chap. D4) qui montre le rle important de lhydrogologie en gnie civil. La fin du XXme sicle est marque par lapparition de la modlisation numrique. Lordinateur sappuyant sur la loi de Darcy et ses drivs et collectant les donnes acquises par linstrumentation toujours plus performante grce aux progrs de llectronique, permet de simuler le fonctionnement des aquifres et den faciliter la gestion. Mais cest aussi le sicle de la pollution et la contamination des aquifres de Bretagne et de Normandie par les nitrates nest hlas que le premier d'une multitude de problmes qualititifs qui vont s'amplifier dans le futur.

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1.3 Les axes de recherche actuels

1.3.1 Hydrogologie applique Lhydrogologie du XXIme sicle doit faire face un dfi : comment offrir de leau potable aux 9 milliards dhabitants de la terre en 2050 ? Ceci dans un contexte o la notion de dveloppement durable sest impose. Lhydrogologie du futur sera certainement celle de la gestion active des aquifres (Detay, 1997). Si la ressource globale est juge satisfaisante sur le plan quantitatif, la protection contre les pollutions est probablement le dbouch principal des tudes hydrogologiques.

Ainsi l'chelle de l'Hexagone, un travail immense reste accomplir : la mise en uvre de la directive cadre communautaire du 23 octobre 2000. Celle-ci requiert, dici 2015, de rendre conformes des normes europennes, sauf exceptions justifies, les diffrentes catgories de "masses" deau prsentes sur le territoire, y compris les eaux souterraines. Mais de nouvelles pollutions existent (antibiotiques, hormones,) issues des consommations humaines et animales ; elles sont rejetes dans le milieu naturel o leur comportement reste trs mal connu.

La gestion des dchets organiques, chimiques ou nuclaires, pose le problme de la

contamination long terme des aquifres. Comment tre assurs que les dchets nuclaires enfouis dans des formations juges impermables et stocks dans des conteneurs tanches ne vont pas, au fil des sicles, subir laction de leau souterraine et contaminer pendant des milliers d'annes leau de nos descendants ?

1.3.2 Hydrogologie fondamentale Quelques axes de recherche peuvent tre souligns, comme le rle de leau dans la tectonique et le magmatisme, la profondeur des circulations souterraines, la comprhension des mcanismes de mise en place des grands systmes karstiques (Fontaine de Vaucluse, Port Miou), la modlisation des coulements karstiques et le rle de la microbiologie dans les proprits physico-chimiques des eaux souterraines. Enfin, lheure o nous crivons cet ouvrage, lhydrogologie devient extra-terrestre puisque les fabuleuses images et donnes de Mars envoyes par la sonde europenne Mars Explorer et les robots Spirit et Opportunity apportent la preuve de la circulation deau martienne qui est peut tre encore prsente ltat liquide dans le sous-sol de la plante rouge. Les vestiges d'une mer sale ont t dcouverts, et de nombreuses formes du relief traduisent, non seulement la prsence d'coulements d'eau de surface dans le pass, mais aussi l'existence de sources et d'affaissements pseudo-karstiques lis des circulations d'eau souterraine.

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A2 Place des eaux souterraines dans les Sciences de la Terre

Les eaux souterraines sont un agent gologique gnral ; elles jouent un rle actif dans les processus godynamiques, grce la large distribution spatiale de leur coulement et leur forte capacit interagir avec lenvironnement (Toth, 1999). Ces deux proprits existent, avec une intensit variable, toutes chelles de temps et despace. Les interactions chimiques incluent prcipitation/dissolution, hydratation, hydrolyse, oxydorduction, attaque acide, change de bases Les interactions physiques comprennent les phnomnes de concentration, de nanofiltration, de lubrification et de modification des pressions de pore. Linteraction hydrodynamique ou cintique comprend les processus de convection, avec transfert de masse (eau, soluts, particules) ou dnergie (chaleur).

1 Eau souterraine et godynamique externe Dans la godynamique externe, leau souterraine joue ses deux rles fondamentaux de vecteur et de solvant. Dans son rle de solvant, leau souterraine a jou au cours des temps gologiques un rle dans la mise en solution des minraux. Selon leur solubilit et/ou leur rapidit d'altration, la surface terrestre va voluer une vitesse plus ou moins perceptible l'chelle humaine. Ainsi, un seul pisode de pluie sur un diapir sal en zone aride va produire des modifications instantanes de la morphologie, un coulement d'eau rapide dans des gypses provoquer des effondrements sensibles l'chelle annuelle, la karstification des calcaires et dolomies tre tout juste perceptible l'chelle humaine et l'altration des roches endognes se faire avec des effets morphologiques visibles l'chelle plurisculaire.

En revanche, dans son rle de vecteur, l'eau dplace substances en solution, en mulsion ou en suspension. Du fait de la taille variable des vides dans le milieu souterrain, les eaux pourront entraner seulement certains petits ions (cas des barrires

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de permabilit argileuses dans certains gisements de ptrole), ou bien l'ensemble des substances en solution (cas gnral des aquifres), ou encore les soluts plus des particules en suspension (argiles, particules organiques dont parasites, bactries, virus, ...) dans le cas des aquifres avec des drains (chenaux graveleux en nappe alluviale, fractures dans les roches consolides, drains karstiques).

Dans le cycle de l'eau, le partage entre ruissellement et infiltration aura donc une grande incidence sur lrosion des sols et des roches des bassins versants, sur l'crtement des pics de crue et sur le soutien des dbits dtiage des cours deau. Ce partage est la fois fonction de la permabilit des sols et de leur substratum, mais aussi du rgime des prcipitations. Ainsi, un orage mditerranen en milieu marneux engendrera une crue violente, de courte dure et une forte turbidit dans les eaux de surface, alors qu'une prcipitation ocanique de mme hauteur sur un plateau crayeux peu karstifi ne provoquera qu'une monte trs amortie du niveau des eaux de surface, sans incidence sur leur turbidit.

2 Eau et ptrole Dans les gisements de ptrole, les hydrocarbures (huile et gaz) expulss des roches-mres (o ils ont matur) par la pression lithostatique, migrent vers la surface en remplaant l'eau plus dense dans les pores des roches, jusqu' ce qu'ils rencontrent un pige, la roche rservoir couverte par une roche peu permable (argileuse ou compacte), dans une configuration gomtrique favorable (biseau, top anticlinal, coin de faille...). Ptrole et gaz subissent un entranement par l'coulement latral des eaux souterraines; leur diffrence de densit et de viscosit prs, ils obissent aux mmes lois d'coulement que l'eau. Cependant, la migration des hydrocarbures est un phnomne lent et la circulation d'eau souterraine peut modifier la taille des vides de la roche (cimentation ou dissolution des grains - Machel 1999). Dans les milieux trs peu permables, la composition chimique de l'eau originellement sale peut tre modifie dans le sens d'une concentration (saumures de gisement de ptrole).

3 Eau et gtes minraux Tant dans le domaine des grands bassins sdimentaires que dans celui de l'hydrothermalisme (Garven et al. 1999), l'eau souterraine est le vecteur des minralisations. Dans le premier cas, les coulements lents dans des milieux porosit diffrente, dans l'autre la remonte d'eaux profondes par les fractures, permettent la cristallisation de minraux. Ainsi, la migration de saumures dans les fractures du socle hercynien, grce la dnivele topographique, a permis l'accumulation de dpts plombifres gants dans des carbonates en Amrique du Nord.

4 Transferts de fluide profonds La circulation de fluides (gaz + liquides) dans des fractures d'importance crustale permet la remonte des circuits thermominraux caractriss par des minralisations leves en certains composs dissous et en gaz (dioxyde de carbone, radon... des sources carbo-gazeuses). Ce contenu minral, dont les proprits thrapeutiques ont t utilises dans le thermalisme, peut aussi prsenter des risques sanitaires (arsenic, baryum, fluor, radioactivit).

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5 Rle de l'eau dans le magmatisme L'eau souterraine joue un rle majeur dans la dynamique volcanique. En priode normale, l'infiltration d'eau mtorique (pluie ou neige) sur les volcans, qui sont des reliefs souvent levs, donc plus intensment arross que leur pimont, alimente la production de leur panache de vapeur. En cas d'apport massif d'eau souterraine en profondeur (dversement d'une nappe dans la chemine, prcipitations exceptionnelles...) cette eau vadose est le phnomne dclencheur des ruptions volcaniques, car elle peut se vaporiser au contact de la lave chaude. S'ensuivent des ruptions explosives, qui pulvrisent le bouchon de lave form dans la chemine. Les maars, le phratomagmatisme sont des types de fonctionnement volcanique dans lesquels l'eau joue un rle encore plus grand, en renforant le caractre explosif des ruptions.

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A3 Dbouchs de l'hydrogologie

1 L'eau source de vie

L'eau est un lment indispensable l'tre humain qui, au repos, en consomme deux trois litres par jour, fournis pour moiti par son alimentation. C'est en fait la survie de toutes les espces animales et vgtales qui est conditionne par l'eau, constituant des animaux 70% et des vgtaux 90%.

Les besoins en eau de l'homme augmentent considrablement dans le temps et

touchent des domaines de plus en plus nombreux pour satisfaire ses exigences de confort et d'agrment et pour rpondre une demande conomique croissante.

La consommation d'eau pour les usages domestiques subit un accroissement trs

sensible, indpendamment de la progression dmographique (cf. chap. C1) . La moyenne journalire par habitant dpasse aujourd'hui en France 200 litres, alors qu'elle tait de 160 litres en 1990, 145 litres en 1980 et 130 litres en 1975. Les besoins alimentaires n'en reprsentent qu'une part rduite, de l'ordre de 4% (1% pour la boisson et 3% pour la cuisson des aliments), et ce sont donc les autres usages qui ont le plus augment, suivant en cela la progression du niveau de vie et du confort de l'homme.

On constate en outre, du fait d'une exigence accrue des normes sanitaires et du dveloppement rcent des forages profonds, une sollicitation croissante des eaux souterraines, mieux protges des pollutions que les eaux superficielles.

Les autres usages de l'eau ne ncessitent pas d'eau potable, mais reprsentent la

majeure partie des besoins. Leur progression dans le temps est galement spectaculaire pour les mme raisons et pour rpondre aux exigences de la rentabilit des entreprises et de l'conomie de march.

Sauf pour la production hydrolectrique et pour le refroidissement des centrales

thermolectriques qui consomment beaucoup d'eau mais prlvent essentiellement dans les rivires, les autres activits sollicitent de plus en plus les ressources souterraines,

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aisment accessibles aujourd'hui et n'influant pas directement sur le "dbit rserv" des cours d'eau.

Cette production d'eau augmente trs vite dans les pays europens et aux Etats-Unis

o elle donne parfois lieu des gaspillages. Sa rpartition est par contre trs ingale et les zones d'utilisation intensive ne sont pas toujours les mieux pourvues par la nature. La ressource est en outre relativement faible dans certains pays d'Asie, du Proche-Orient et d'Afrique qui sont confronts des dsquilibres croissants.

2 L'eau source de gne

L'eau souterraine a une influence trs importante sur la majorit des problmes de construction et de gnie civil, sur les conditions d'amnagement du territoire et sur la protection des biens et des personnes.

Son rle n'a souvent t reconnu que tardivement, la suite de vritables catastrophes

ou aprs des sinistres plus limits se traduisant par des retards de chantiers, des incidences imprvues sur l'environnement, des destructions d'ouvrages, voire des pertes humaines.

L'intervention de l'hydrogologue est aujourd'hui rentre dans les murs et tend se systmatiser dans le cadre des grands travaux et des diverses tudes d'amnagement :

- travaux de terrassements et tudes de tracs (routiers, autoroutiers et ferroviaires) ;

- excavations profondes atteignant la nappe ou recoupant des horizons aquifres, - gros chantiers imposant des rabattements de nappe prolongs ; - tunnels et travaux souterrains ; - barrages ; - tude et prvention des mouvements de terrain et des remontes de nappes.

3 Protection et gestion des ressources en eau

Les eaux de consommation (boisson et cuisson), ainsi que les eaux qui rentrent dans la fabrication de produits alimentaires doivent rpondre des normes sanitaires de plus en plus strictes. Les autres usages sont nettement moins contraignants, mais possdent souvent leurs propres critres de qualit, afin de garantir la protection du matriel utilis et des produits traits ou fabriqus.

La protection des paramtres physico-chimiques de l'eau adapts ses diffrentes

utilisations est de plus en plus considre, en particulier en ce qui concerne l'alimentation humaine. Elle dbouche sur des tudes d'impacts avant la mise en uvre de projets susceptibles d'altrer la ressource en eau (dcharges, rejets de substances polluantes, stockages dangereux, ...) et sur la dfinition de primtres de protection destins scuriser les captages pour A.E.P.

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La sollicitation accrue des nappes souterraines et les prlvements excessifs dans

certains aquifres ne sont pas toujours adapts leurs conditions de recharge et peuvent conduire l'appauvrissement des rserves disponibles. La ncessit d'une gestion intgre des nappes, d'un point de vue tant qualitatif que quantitatif, prend de plus en plus d'importance. Cette vision se gnralise trs nettement depuis quelques dcennies et a t largement favorise par la Loi sur l'Eau du 3 janvier 1992 et ses dcrets d'application. Elle permet la prise en compte de l'eau souterraine dans une dmarche globale d'amnagement, de protection et de gestion, intgrant galement l'ensemble du milieu naturel et humain, et tend accrotre le rle de l'hydrogologue.

4 Place et dbouchs de l'hydrogologie

Dans la socit d'aujourd'hui, l'hydrogologie occupe une place de plus en plus importante dans la politique d'amnagement du territoire, en particulier dans les rgions forte densit de population et/ou fort dveloppement industriel ou agricole.

L'hydrogologue intervient dans de nombreux domaines de la vie publique : - l'enseignement et la recherche au sein des structures de formation (universits et

grandes coles) et des organismes de recherche (CNRS, INRA, Ministres), - la recherche, l'tude, la protection et la gestion des ressources en eau souterraine, - l'examen de l'influence des eaux souterraines lors des grands travaux et des

chantiers de gnie civil, ainsi que l'impact de leur ralisation sur l'environnement hydrogologique,

- l'analyse du rle de l'eau dans les mouvements gravitaires (boulements, glissements, effondrements) et la prvision des remontes critiques de nappes.

Il s'intgre aussi de plus en plus frquemment dans des quipes pluridisciplinaires

(administrations, lus, urbaniste, paysagiste, hydrologue, conomiste), soit la faveur de programmes de diagnostic, de gestion ou de planification, soit la faveur d'tudes prvisionnelles menes l'chelle d'une rgion, d'un bassin, d'une communaut de communes, d'une commune, soit encore l'occasion d'un grand projet structurant.

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A4 Les cycles de leau

La circulation et le sjour de leau dans le sous-sol sont une tape dun processus sans fin, le cycle de leau. Par les prcipitations et le ruissellement, une fraction de leau entrane dans ce cycle sinfiltre sous terre. Linfiltration, en renouvelant leau des rservoirs souterrains, alimente les circulations profondes lorigine des sources. Mais il existe aussi un cycle interne de l'eau, dans lequel une fraction est entrane en profondeur dans les zones de subduction et restitue par l'intermdiaire du volcanisme

1 Le cycle interne

1.1 Origine de leau sur Terre La dtection de leau dans lunivers est rendue difficile par labsorption des radiations par latmosphre terrestre. Il faut donc se placer lextrieur de cette dernire. Les donnes recueillies, en particulier par le tlescope infrarouge de lAgence spatiale europenne ISO (Infrared Spatial Observatory) et le satellite amricain SWAS (Submillimeter Wave Astronomy Satellite), montrent que l'eau existe un peu partout dans notre galaxie. Elle est largement rpartie dans l'Univers.

L'hydrogne y est prsent ds les premiers instants du Big Bang. L'atome d'oxygne de la molcule d'eau apparat plus tard, issu des ractions de fusion nuclaire dans les toiles. L'eau existe dans lUnivers sous forme de gaz, de glace ou dhydrates et aussi sous forme liquide sur les plantes (Reeves, 1981). Grce sa signature spectrale, l'eau a pu tre mise en vidence la surface et la priphrie d'toiles de temprature peu leve ainsi que dans les nuages molculaires interstellaires (Figure 2). La Terre est ne, il y a environ 4,5 milliards dannes, dagrgats de gaz et poussires contenant dj des silicates hydrats et de la glace. Ces grains ont pu former, par accrtion, des corps kilomtriques, puis des plantes telluriques au sein desquelles le volcanisme et les impacts ont permis le dgazage de leau sous forme de vapeur.

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Figure 2 : Pics d'absorption dans l'infrarouge caractrisant la prsence deau dans la nbuleuse d'Orion (d'aprs Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Figure 3: Signature spectrale de l'eau dans la comte Hale-Bopp, mesure par le satellite ISO (d'aprs Crovisier et al, 1997)

L'apport d'eau par les comtes a aussi pu jouer un rle important. La glace est en effet un constituant majeur des comtes, confirm par ISO sur la comte Hale-Bopp (Figure 3). La sonde Rosetta, lance en 2004 devrait atteindre vers novembre 2014 la comte Churuymov-Gerasimenko et fournir des informations sur sa constitution. Ces objets entrent parfois en collision avec les plantes comme on a pu le voir lors des impacts de la Comte Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter en 1994. Elles peuvent donc contribuer au stock deau. Cependant le rapport isotopique deutrium sur hydrogne est plus lev

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dans les comtes tudies que sur la Terre, ce qui montre que cette contribution est partielle.

Trois proprits remarquables permettent leau liquide dtre prsente la surface

de la Terre : - la Terre est place une distance du Soleil qui permet lexistence de leau sous ses

trois tats ; - la prsence de l'atmosphre induit un effet de serre sans lequel la temprature

moyenne au sol serait de -15C ; - leau en gelant se dilate et peut donc flotter. Elle forme une couche isolante qui

protge leau liquide du gel. Dans le cas contraire elle coulerait au fond des ocans et la Terre pourrait tre beaucoup plus froide.

On estime que vers 4,4 milliards dannes la Terre possdait dj sa taille actuelle

avec une atmosphre et une hydrosphre. Leau est prsente dans les crotes continentales et ocaniques. A lintrieur de la

Terre, les roches du manteau contiennent encore aujourd'hui environ 0,3% deau, ce qui reprsenterait un volume dune deux fois celui des ocans. Ce gisement profond donne naissance des eaux juvniles dont le volume annuel, estim quelques km3, est ngligeable sur un court terme (Castany, 1980), mais laccumulation de ces faibles quantits sur des centaines de millions dannes a contribu la mise en place de lhydrosphre.

1.2 Cycle interne de l'eau L'eau du manteau est partiellement restitue en surface par les magmas basaltiques ou directement par des sources chaudes et des fumerolles trs minralises comme les fumeurs noirs et les diffuseurs blancs des dorsales mdio-ocaniques. L'analyse des produits issus de la partie suprieure du manteau atteste de la prsence d'eau. Les laves d'Hawa (USA) peuvent contenir jusqu' 0,45% d'eau et celles des Trappes du Dekkan (Inde) jusqu' 0,6%. De mme, de l'eau est-elle prsente dans les fragments de pridotite, d'origine mantellique plus profonde.

Au fond des ocans, l'eau de mer s'infiltre dans la crote et hydrate les roches. La

teneur en eau de la crote altre atteint 1 2%. Dans les zones de subduction, la crote est entrane vers le manteau qui s'enrichit ainsi en eau.

On estime que la quantit d'eau rejoignant la profondeur est comprise entre 5 et 16

1011 kg par an. Le bilan est difficile quantifier. Il est considr comme quilibr puisque le niveau des ocans est relativement stable.

La prsence d'eau dans le manteau est trs importante car, en modifiant les points de

fusion et la viscosit des minraux, elle change les proprits physico-chimiques des roches et joue certainement un rle dans les mcanismes de convection responsables de la tectonique des plaques (Gillet, 1993).

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2 Rpartition de leau

Figure 4 : Diffrents types d'eau sur la plante

Leau existe sous forme gazeuse dans latmosphre, sous forme liquide dans les ocans, les cours deau et les aquifres, sous forme solide dans les neiges, glaciers, calottes et banquises, mais leau est aussi prsente dans la plupart des roches : l'eau de constitution qui entre dans la formule des minraux ; l'eau prsente dans les pores ferms (ponces, tourbes,...) ; l'eau adsorbe, fixe lectriquement aux surfaces ioniques, et extractible ou non par

les racines des plantes ; enfin l'eau gravitaire qui peut circuler dans les pores et discontinuits ouverts des

roches. C'est le domaine de lhydrogologie. Elle peut occuper d'importants volumes souterrains et constituer des rserves de plus en plus sollicites (Figure 4).

Figure 5 : Rpartition plantaire des principaux gisements deau profonde

27

Le tableau 1 prsente une estimation de la rpartition de leau sur le globe. Il ne sagit

que dun ordre dide, car lvaluation des rserves souterraines est trs variable selon les auteurs, entre 7 et 30.106 km3.

Tableau 1 : Estimation de la rpartition de leau sur Terre

Volumes deau stocks

Totaux Eaux douces

en 103 km3 en 103 km3 en % des eaux douces

totales

OCEANS

et banquises sales

1 350 000

LACS SALES 100

GLACE : calottes, glaciers, neiges, perglisol

23 000

23 000

60

EAUX SOUTERRAINES

Aquifres

tranche 0-800 m

8 000

tranche> 800 m 8 000

16 000

39

Humidit du sol 16 16

EAU DE SURFACE DES CONTINENTS

Lacs 176 176

Lits des cours deau 2 2

ATMOSPHERE 13 13

EAU BIOLOGIQUE 1 1

1

HYDROSPHERE 1 390 000 40 200 100

GLOBE (0,3% du manteau)

2 000 000

Daprs le BRGM, la France compte environ 200 aquifres rgionaux de 100 100 000 km2 exploitables renfermant quelques 2 000 km3 d'eau. On estime que 100 km3/an s'coulent vers les sources et les cours d'eau, et que 7 km3 /an sont puiss dans les nappes d'eau souterraine.

28

2.1 Le Cycle de leau

2.1.1 Moteur du cycle et bilan radiatif Depuis son dgazage de lintrieur du globe vers lhydrosphre, leau passe sans cesse dun rservoir lautre, entrane dans un cycle sans fin dont les moteurs sont le Soleil et le flux gothermique. Une partie de lnergie rayonne est rflchie par la terre (ocans inclus) et par latmosphre, lautre partie est absorbe par ces deux milieux. Le rayonnement est rmis depuis la terre vers latmosphre et de cette dernire vers lespace et la terre. Le sol reoit en moyenne 95 W.m-2. La Figure 6 dcrit les pourcentages respectifs des rayonnements mis, rflchis et absorbs.

Figure 6 : Rayonnement solaire

Figure 7 : Bilan radiatif selon la position gographique

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Le bilan radiatif global est quilibr, la Terre reoit autant dnergie du Soleil quelle en met, ce qui lui permet de ntre ni une sphre aride, ni une boule de glace. Cependant ce bilan est localement dsquilibr, les zones polaires o le rayonnement solaire est rasant sont dficitaires, tandis que lquateur o le rayonnement est maximum est excdentaire (Figure 7). Linclinaison de laxe des ples, la rpartition spatiale des continents et des mers, les variations daltitude, les circulations atmosphriques et les courants ocaniques modifient localement ce schma pour donner les multiples climats de la Terre et dfinir ainsi les valeurs trs disperses de prcipitations et dvapotranspiration. Sous leffet du rayonnement solaire, leau des ocans et des surfaces terrestres passe en phase gazeuse, et s'lve dans latmosphre o elle se condense sous forme de gouttelettes (Figure 8). Elle retombe dans les ocans et sur terre sous forme de prcipitations liquides ou neigeuses. Leur volume annuel est estim 577 000 km3. Les prcipitations alimentent les dpts de glace et de neige dans les zones froides. Une partie des prcipitations peut tre intercepte par la vgtation et rejoindre l'atmosphre par vaporation ou sublimation. Dans les zones chaudes, la pluie non intercepte par la vgtation fournit les eaux de ruissellement qui, en se runissant, forment les cours deau. Elles sont utilises par le rgne vivant et forment leau biologique. Une partie des prcipitations pntre dans le sous-sol et constitue les eaux dinfiltration, domaine de l'hydrogologie. En effet, lorsque leau atteint un terrain permable, elle peut sinfiltrer. Linfiltration est partielle et diffuse dans la plupart des cas ou quasi nulle lorsque la roche est impermable (argiles), mais elle peut tre concentre et totale dans certains systmes karstiques, o des cours deau se jettent dans des cavits souterraines (cf. chap. A.8)

Figure 8 : Cycle externe de leau

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Lhydrogologie sintresse principalement la partie souterraine du cycle entre linfiltration et la restitution. Cette dernire pouvant tre rapide mais aussi trs lente, comme dans le cas des aquifres fossiles du Sahara, pour lesquels le transit de l'eau peut prendre plusieurs milliers d'annes.

TABLEAU 2 : ORDRE DE VITESSE DE TRANSIT DANS LES DIFFRENTS RSERVOIRS :

milieu naturel temps de transit

atmosphre quelques heures quelques jours

glaces continentales quelques centaines quelques milliers dannes

surface du sol quelques jours quelques mois

aquifres quelques semaines plusieurs centaines de milliers d annes

Les aquifres et les glaces jouent donc un rle de rgulateur long terme des eaux qui transitent sur les continents. Hormis les eaux infiltres protges du rayonnement les autres classes deau sont nouveau soumises au changement de phase par : sublimation des glaces et neiges ; vaporation des eaux douces de surface et des ocans ; utilisation et transpiration de leau par les organismes vivants, et plus

particulirement la vgtation. Ces trois termes sont regroups sous le nom dvapotranspiration ET. Cette dernire

peut affecter une tranche de sol de quelques mtres quelques dizaines de mtres, variable selon les climats. Dans les milieux surface deau libre ou dpourvus de vgtation, vaporation et vapotranspiration sont confondues.

Sur une portion de territoire :

RETIQP +++=

avec P prcipitations ; Q lame deau coule ; I lame deau infiltre ; ET vapotranspiration, R variation des rserves. Les valeurs sont gnralement exprimes

en mm

Les prcipitations efficaces PE correspondent leau rellement disponible pour alimenter ruissellement et infiltration.

ETPPE =

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2.2 Les systmes hydrologiques et les bilans Le cycle de leau peut saborder lchelle du globe, mais aussi celle des units

gographiques ou structurales qui forment les systmes hydrologiques. On peut classer ces systmes en trois domaines.

2.2.1 Bassin hydrologique Il correspond au bassin versant dun cours deau et de ses affluents, limit

gnralement par les crtes topographiques, sauf dans certains cas, les zones karstiques par exemple (cf. chap. A8). Au niveau du bassin, sur un long terme, le bilan est quilibr. Le volume des prcipitations efficaces est thoriquement gal au volume total deau coule.

TQPE =avec QT : lame d'eau coule totale, exprime en mm

Cependant QT nest pas facile apprhender, car une partie de leau circule en

souterrain et peut tre vacue du systme de faon occulte, par exemple en direction d'un autre bassin ou directement en mer dans les zones littorales.

2.2.2 Aquifre Laquifre (du latin aqua fero : porter l'eau) est une structure gologique permable contenant de leau, comme, par exemple, des alluvions de rivire, des granites fissurs, un plateau calcaire, etc. Issue de linfiltration, leau contenue dans un aquifre circule dans le sous-sol et nourrit une ou plusieurs sources, ou se dverse de faon occulte dans un milieu rcepteur, mer, lac, cours deau ou autre aquifre. Un aquifre est caractris par sa gomtrie, sa superficie et sa profondeur, et par les caractristiques intrinsques de la roche dont il est form, lithologie, porosit, permabilit, fracturation, homognit, etc. L'aquifre permet un stockage plus ou moins important et plus ou moins long de l'eau infiltre; le transit peut aller de quelques heures plusieurs centaines de milliers d'annes.

2.2.3 Bassin hydrogologique Ce systme correspond la partie souterraine contenant de leau, d'une portion, de la totalit ou de plusieurs bassins hydrologiques. Il est constitu dun ou plusieurs aquifres.

2.2.4 Bilans Afin dtudier le fonctionnement des systmes hydrologiques on effectue des mesures et des bilans, en quantifiant les entres et les sorties deau, afin dvaluer les volumes deau circulant dans les diffrents rservoirs du cycle.

RETQP ++=32

avec P prcipitations ; Q ruissellement et coulements souterrains ; ET vapotranspiration ; R variation des rserves (eau souterraine, neige, glace) pendant la

priode d'tude. Les valeurs peuvent tre exprimes en mm ou en m3 Ce bilan s'effectue sur une anne hydrologique, priode d'environ 12 mois choisie pour que les variations des rserves R soient minimales. La frquence et la dure des mesures sont des points trs importants. Du fait des variations climatiques, une rflexion sur une dure de dix ans est indispensable pour travailler sur une anne hydrologique reprsentative. Plus la frquence des mesures est leve, plus la prcision sera importante. Lidal est de pouvoir disposer de mesures en continu, ce que les progrs de llectronique et de linformatique rendent abordable financirement. Ces points sont gnralement les plus difficiles faire admettre par les matres d'ouvrage, lors des tudes d'hydrogologie applique, car les problmes poss (renforcement des ressources, lutte contre la pollution,...) demandent gnralement une rponse rapide.

2.3 Lvapotranspiration Des diffrentes parties du cycle de leau, lvapotranspiration est le point le plus dlicat valuer. Contrairement aux pluies ou aux coulements qui peuvent faire lobjet dune approche quantitative satisfaisante, bien que peu prcise, il est actuellement trs difficile de mesurer directement le flux de vapeur deau dans latmosphre. Lvapotranspiration dpend de nombreux facteurs : temprature du sol, de lair et de leau, hygromtrie de lair, tat et quantit deau contenue dans le sol, rayonnement solaire, vent et pression atmosphrique, nature et tat de la vgtation, topographie et exposition.

2.3.1 Calcul de lvapotranspiration

a) Calcul thorique A l'chelle de l'Europe, on considre qu'environ 60 % de l'eau des prcipitations repart dans l'atmosphre par vapotranspiration.

Diverses formules permettent dvaluer lvapotranspiration. Il convient de diffrencier lvapotranspiration potentielle ETP qui est la quantit deau thoriquement vaporable par une surface d'eau libre, et lvapotranspiration relle ETR, qui est la quantit deau rellement vapore et dpend des conditions naturelles (vgtation, nature du sol,...) et dautre part de la quantit deau disponible dans le sol aussi appele rserve utile (RU). Cette quantit d'eau est comprise entre 0 (rserve superficielle vide)

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pendant l'tiage et une valeur maximale appele rserve en eau facilement utilisable (RFU ou RUMax).

Le volume de cette rserve est videmment li la porosit et l'paisseur du sol. Il correspond une lame d'eau de quelques dizaines de mm sur les roches compactes dpourvues de sol, jusqu' 300 mm dans des sols profonds.

Pour rapprocher ces notions de celles des agromtorologues, la rserve vide correspond moins que le point de fltrissement permanent, la rserve pleine plus que la capacit au champ (cf. chap. A5.1).

Si (Pj+RUj-1) ETPj, alors ETRj = ETPj Si (Pj+RUj-1) < ETPj, alors ETRj < ETPj Les zones dsertiques ont ainsi une ETP trs leve mais une ETR trs rduite, du fait

dune RU nulle. Utilise en agronomie, l'ET0 (vapotranspiration de rfrence) est

lvapotranspiration dune surface de rfrence, sous un climat donn, dans des conditions bien dfinies, correspondant un gazon homogne en phase active de croissance, bien aliment en eau et couvrant totalement le sol. L'ETP peut tre value l'aide de nombreuses formules (Thornthwaite, Turc, Primault, Penman, FAO-Penman-Monteith...)

b) Formule de Thornthwaite

ETP = 16 (10 t / I)a f()

avec ETP: vapotranspiration potentielle mensuelle (mm)

I : indice thermique annuel = i des 12 mois prcdents (mmoire thermique)

avec l'indice mensuel i = (t / 5)1,514

t : temprature moyenne mensuelle (C)

a (coefficient fonction de I) = 6,75.10-7 I3 7,71.10-5 I2 + 1,79.10-2 I + 0,4923

f() : facteur fonction de la latitude et de la saison, donn par des tables Cette formule est bien adapte aux climats prcipitations rgulires (ocanique,

quatorial), mais ne convient pas aux climats saison sche marque.

c) Formule de Turc (1961)

Elle est tablie pour tout pas de temps (mensuel, dcadaire ou journalier). Par rapport la prcdente, cette formule fait intervenir le rayonnement solaire que l'on peut mesurer

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avec un pyranomtre ou reconstituer partir de la dure d'insolation mesure l'hliographe.

ETP = 0,013 n ( t / t + 15) (Rg + 50) [1 + (50 hr) / 70 ]

avec

ETP (mm) ;

n : dure en jours de la priode de calcul (1 jour, 10, 30,) ;

t : temprature moyenne de la priode (c) ;

Rg : rayonnement solaire global (cal.cm-2.j-1), mesur au pyranomtre . Si l'on ne dispose que d'un hliographe, on peut l'estimer :

avec Rga : rayonnement extraterrestre (cal.cm-2.j-1) donn par les tables d'Angot, d'aprs la formule d'Angstrm, fonction de la latitude et de la saison

( )HhRR gag 62,018,0 +=

h : dure relle d'insolation

H : dure maximale possible d'insolation (dure astronomique du jour), donne par des tables, fonction de la latitude et de la saison.

Le dernier terme ne doit tre utilis que lorsque l'humidit relative (hr en %) descend

en dessous de 50% (climat mditerranen ou plus aride).

d) Formule de Primault (1962)

Etablie pour tout pas de temps (mensuel, dcadaire ou journalier), cette formule fait intervenir humidit relative, altitude et saison.

ETP = c [ A [(103 hr) / 100] (ts +2 tp) + B]

avec ETP (mm) ;

tp : dure en jours de la priode de calcul (1 jour, 10, 30,) ;

hr : humidit relative de la priode en % ;

ts : dure d'insolation en h

c = - 0,5068 sin [(2 / 365) j + 0,5593] 0,0711 sin [(4 / 365) j + 0,6112] + 0,6271

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avec j : numro du jour de l'anne

A = - 0,12 + 0,00306 h 2,83.10-6 h2 + 9,45.10-10 h3

B = 0,5387 + 0,0003263 h 6,525.10-7 h2

avec h : altitude en m Elle est bien adapte aux rgions de reliefs (300 1200 m), telles que le Jura. D'autres formules, comme celles de Penman ou Penman-Monteith, rajoutent des

paramtres supplmentaires lis par exemple au vent et l'humidit, qu'il n'est pas toujours possible d'acqurir. Elles sont surtout utilises par les agromtorologues.

TABLEAU 3 : COMPARAISON DES VALEURS DE L'ETP A VOINESTI ( SOUS CARPATES, ROUMANIE ) CALCULES PAR DIFFRENTES MTHODES. D'APRS MAFTEI, 2002

mois Thornthwaite Turc Penman FAO Penman-Monteith

Annuel 639,77 743,87 1118,25 704,11

On remarque les grandes variabilits ; les mthodes de Turc et de FAO Penman-Monteith semblent les mieux adaptes. La Figure 9 prsente une estimation de l'ETP dans les diffrentes zones climatiques du globe, calcule par la mthode de Priestley- Taylor, drive de la formule de Penman.

Figure 9 : Evapotranspiration potentielle annuelle des diffrentes zones du globe. D'aprs Ahn et Tateishi, 1994.

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e) Mthode du bilan hydrologique On conoit bien que, compte tenu des multiples paramtres et de la diversit des environnements naturels, lapproche exprimentale puisse tre aussi prcise que le calcul. Lvapotranspiration relle peut ainsi tre calcule en faisant le bilan sur un long terme des entres et sorties deau sur des units hydrologiques ou hydrogologiques bien circonscrites. Si, sur lensemble du bassin, on connat bien les prcipitations, grce des rseaux de pluviomtres et les dbits des cours d'eau grce des seuils de mesure.

RQsQeETR =

avec Qe ensemble des flux entrants; Qs ensemble des flux sortants; R variation des rserves

Si ces mesures peuvent tre acquises sur plusieurs annes pour minimiser lincertitude lie au renouvellement des rserves souterraines, alors le terme R devient ngligeable puisque leau infiltre est restitue sous forme dcoulement et ETR = Qe - Qs

f) Mthodes exprimentales L'ETR peut tre mesure exprimentalement l'aide d'un lysimtre, bac qui contient un sol couvert ou non de vgtation et dont on value la quantit d'eau infiltre et draine par rapport celle apporte par les prcipitations. La mesure peut se faire par pese ou par collecte de l'eau infiltre.

Figure 10: Evapotranspiration relle mesure sur des parcelles aux Pays-Bas (d'aprs Lambert, 1996)

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g) Mesures directes La tldtection permet d'laborer, partir d