Une ressource indispensable, l'eau

(Thème facultatif de la classe de 1ère ES)

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Plan de cette page:

Pour les sources et des données plus complètes se référer au cours d'hydrogéologie et à la page sur l'eau sur le site associé.

1. Qu'est-ce que l'eau ?

1.1 L'eau est un corps pur très spécial présent sous trois états sur terre: liquide, solide et gaz


Diagramme simplifié des 3 états de l'eau
(noms des changements de phase)

L'eau pure est une molécule formée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Etant un corps très léger, l'eau, à la pression atmosphérique et à la température ordinaire (25°C) devrait être un gaz, or elle est un liquide. De même, elle ne bout qu'à une température de 100°C, ce qui est très élevé (le diazote par exemple se vaporise à -197°C). L'eau augmente de volume lorsqu'elle se solidifie (la bouteille d'eau éclate dans le congélateur) alors que la plupart des corps diminuent de volume lorsqu'ils se solidifient. De même la glace fond quand on la comprime alors que la plupart des corps restent solides. La plupart des propriétés physiques originales de l'eau sont dues à l'établissement de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau (liaison faible s'établissant entre deux atomes d'hydrogène liés à la molécule d'oxygène qui possède des électrons excédentaires non mis en commun avec l'hydrogène). L'eau liquide a ainsi une véritable structure "pseudocristalline" dont le motif est formé par l'assemblage des molécules d'eau reliées par des liaisons hydrogène.
L'eau est assez conductrice et est un bon solvant des molécules chargées électriquement (comme les acides et les bases, les sels...); par contre elle solubilise mal les composés non chargés électriquement comme les graisses ou les hydrocarbures.

1.2 L'eau pure n'existe pas: les eaux naturelles sont des mélanges

Dans un volume d'eau de mer il n'y a tout au plus que 80% d'eau, le reste est occupé par des êtres vivants (tous les règnes sont représentés, mais les bactéries sont les plus nombreuses), des chlorures (NaCl), des carbonates (CaCO3) et d'innombrables ions. Il y a aussi de nombreuses molécules organiques, déchets et cadavres mais aussi virus... Dans un volume d'eau douce, les êtres vivants sont aussi nombreux mais les ions en plus faible quantité. On retrouve aussi de nombreuses molécules organiques. On peut affirmer que tous les milieux aquatiques terrestres, même souterrains, sont peuplés.
L'eau biologique, c'est-à-dire l'eau contenue dans les êtres vivants est aussi très encombrée: de nombreuses molécules s'y trouvent et s'y déplacent. Si l'eau est un milieu de vie, on peut aussi dire que le vivant est un milieu aqueux (les tissus animaux les plus courants contiennent plus de 70% d'eau).

2. Où trouver de l'eau ?

21 L'eau salée des océans représente le principal réservoir d'eau de la planète

réservoirs
volumes
masses
(1020g)
flux
(1020g.a-1)
temps de séjour
(a)
106 km3

% du volume total des eaux de l'hydrosphère (% du volume des eaux douces) % volume total des eaux du globe terrestre (très approximatif)

hydrosphère

eau "salée": océans
1.340 -1.380

97,1% (78,3%)
13.400-13.800
4,25
3.000-3.172

eaux douces

glaces
24

2,9%
(2,3%)
1,7% (60,0%)
240

12.000

eaux souterraines (phréatiques, et de subsurface)
16-60
1,2% (40,0%)
160-600
0,40
5000-8.250

eaux de surface (lacs, rivières, fleuves)
0,176-0,330
0,01% (0,2%)
1,76-3,30
0,40
0,033 (fleuves)-5,600-10 (lacs)

atmosphère
0,013-0,014
0,001% (0,03%)
0,13
0,40
0,027-0,300

eau biologique
0,00112

0,0001% (0,003%)

lithosphère, asthénosphère et mésosphère

croûte
22,4%
2.430
(1% du poids de la croûte)

manteau
1.500
(0,05% du poids du manteau

2.2 L'eau passe naturellement d'un réservoir à l'autre: c'est le "cycle" de l'eau


Un cycle de l'eau (d'après Tardy) sur terre.

Les chiffres en rouge sont les tailles des réservoirs (en 1020g - voir le tableau (planète bleue) pour d'autres chiffres) et les chiffres en vert sont les flux d'eau (en 1020g pour une année).

On notera qu'au niveau des océans le bilan annuel des précipitations par rapport à l'évaporation est négatif (plus d'eau évaporée que d'eau reçue) alors que le bilan est positif pour les précipitations par rapport à l'évapotranspiration au niveau des continents.

P = Q + E + I ± R

P=précipitations
Q=débit des rivières ou ruissellement
E=évapotranspiration
I=infiltration et R=variations des réserves)

Sur une longue période (moyenne sur plusieurs années) on néglige les réserves.

2.3 L'eau douce souterraine se trouve sous forme de nappes dans des roches porteuses apellées aquifères

L'eau de gravitation (eau gravitaire ou encore eau de gravité) est inutilisable par la végétation car elle s'écoule rapidement à travers un sol qui est poreux avec des pores de grand diamètres (on parle de macropores par lesquels passe l'eau de gravité ou "eau de macroporosité"). Dans le cas d'un sol peu poreux mais avec des pores de petit diamètre (on parle de micropores qui retiennent "l'eau de microporosité") l'eau pénètre dans le sol est y est retenue: c'est l'eau de rétention, utilisable par les plantes sauf pour une fraction liée aux éléments solides du sol (comme le complexe argilo-humique) avec des forces intervenant dans la capillarité (tension superficielle) ou des forces éléctrochimiques.
L'eau de gravité s'écoule vers le sous-sol et va constituer les eaux souterraines.

L'eau qui arrive dans le sous-sol s'y accumule et y circule. Deux paramètres mesurent ces deux aspects:
* la porosité (et plus spécialement la porosité efficace) des roches du sous-sol détermine leur capacité d'accumulation de l'eau (et plus spécialement de l'eau exploitable).
* la perméabilité des roches du sous-sol détermine leur capacité à conduire les eaux souterraines.


Les 3 types de perméabilité : (d'après Enseigner la géologie, Nathan, 1992)
les grains solides sont en ocre, l'eau de rétention en bleu clair et l'eau gravitaire libre en bleu foncé.
C'est la différence d'échelle qui est le paramètre majeur: une imperméabilité en petit ne veut pas dire une imperméabilité en grand.

Remarque: "en petit" fait référence à une grande échelle, c'est-à-dire ici à des structures observables à la loupe; "en grand" fait référence à une petite échelle, c'est-à-dire ici à des structures de plusieurs mètres à pliusieurs centaines de mètres.

Les aquifères sont donc des couches géologiques (roches magmatiques ou métamorphiques fissurées ou roches sédimentaires poreuses ou fissurées) qui contiennent de l'eau exploitable et donc À SATURATION. L'eau contenue formant une nappe ou nappe aquifère. Les nappes phréatiques sont les nappes superficielles accessibles par des puits. Les nappes profondes ne sont accessibles que par des forages coûteux.

Aquifère: formation géologique réservoir poreuse ou fracturée susceptible de contenir ou contenant une nappe d'eau. En fait, le terme désignait habituellement non seulement la roche mais aussi l'eau. Pour éviter toute confusion on préfère actuellement n'employer ce terme que pour désigner la roche. L'eau étant qualifiée de nappe aquifère ou mieux de nappe d'eau souterraine.

 
Schéma théorique d'une coupe d'un terrain présentant une aquifère coincée entre deux couches peu perméables
(le toît au-dessus et le mûr au-dessous).

La partie de l'aquifère la plus à gauche (aire d'alimentation) contient une nappe phréatique (libre) atteinte par le puits P. La surface piézomètrique de la nappe SPnl lorsque l'aquifère est remplie est représentée par le trait bleu.
La partie de l'aquifère qui contient une nappe captive est à droite. Les forages F1 et F2 atteignent la nappe et l'eau y monte jusqu'à la surface piézomètrique SP2 (en violet, trait continu) lorsque l'aquifère est pleine, alors qu'elle atteint par exemple la surface SP3 (en violet, trait pointillé) lorsque l'aquifère est peu remplie. Le forage F2 est un forage artésien dans la mesure où l'eau peut s'écouler naturellement au-dessus du niveau du sol.

Nappe (d'eau souterraine) ou nappe aquifère: masse d'eau continue contenue (recelée) dans une formation géologique. Le terme nappe aquifère est trompeur car il désigne à la fois la masse d'eau et la roche réservoir.
Nappe phréatique: nappe libre peu profonde (atteinte par les forage des puits de particuliers: 0 à 50m) dont le niveau piézomètrique correspond au niveau de l'eau dans un puits. Les nappes plus profondes sont les nappes d'eaux de subsurface (50 à 250 m) puis les nappes d'eaux profondes (au delà de 250 m).
Nappe captive, nappe recélée par une couche perméable entièrement saturée d'eau et comprise entre deux couches (ou épontes) imperméables (aquicludes: matériau comme les argiles, les granites ou les calcaires compacts où l'eau s'écoule très lentement (quelques millimètres par an) car en fait l'imperméabilité n'est jamais totale).
Dans les nappes captives, la pression de l'eau, en tout point, est supérieure à celle de la pression atmosphérique. Un puits artésien abouche une nappe captive. Le niveau piézomètrique est plus haut que le niveau où le forage rencontre la nappe. Si l'eau jaillit à l'air libre on parle de puits artésien jaillissant (puits artésien sens strict). Dans une nappe captive le toît de la nappe et la surface piézométrique sont distincts (sauf si l'aquifère est quasiment vide).
Nappe semi-captive ou imparfaitement captive, nappe recélée par une couche perméable entièrement saturée d'eau dont une des épontes, ou les deux, est une couche semi-perméable.
Nappe libre, nappe recélée par une couche perméable partiellement saturée d'eau et reposant sur une couche imperméable ou semi-perméable.
Elle est en communication directe avec l'air libre à travers les interstices, de façon à ce que la surface piézométrique soit toujours à la pression atmosphérique.

Surface piézomètrique: définie en chaque point par le niveau le plus haut (niveau piézomètrique) atteint par l'eau d'une nappe montant dans un conduit de forage atteignant cette nappe. En coupe cette surface décrit des lignes de niveaux piézomètriques identiques ou isopièzes. Lors d'un prélèvement d'eau, la surface piézomètrique s'abaisse autour du point de pompage, c'est le rabattement de la nappe. Cette surface fluctue bien sûr dans le sens vertical en fonction de l'alimentation et de la vidange.

2.4 L'eau disponible... 

L'eau réellement disponible pour l'homme est en faible quantité au regard de ses exigences d'accessibilité (coût) et de qualité (potabilité).

(d'après SVT, 2nde, Hachette, 1997)
eaux de surface
eaux de source
eaux souterraines pompées
total (hm3/an)
utilisateurs
volume (hm3/an)
% par utilisateur

% par type d'eau
volume (hm3/an)
% par utilisateur

% par type d'eau
volume (hm3/an)
% par utilisateur

% par type d'eau
collectivités (eau potable)
1700
40

8
900
20

100
1700
40

35
4300
industries
3500
64

12
0
0
2000
36

42
5500
centrales thermiques
12000
100

56
0
0
0
0
12000
agriculture
4100
79

19
0
0
1100
21

23
5200
tous utilisateurs (% par type d'eau)
21.300
79
900
3
4800
18
27.000

Lors d'un prélèvement d'eau, la surface piézomètrique s'abaisse autour du point de pompage, c'est le rabattement de la nappe.

Les nappes phréatiques et alluviales par exemple ont des durées de renouvellement très courte (quelques années) alors que les nappes les plus profondes peuvent avoir des durées de renouvellement très longues (l'eau s'y renouvelle extrêmement lentement). En voici quelques exemples:

aquifères
taux annuel moyen de renouvellement
durée de renouvellement (années)

bassin du Sahara septentrional (Algérie, Tunisie)
1,4.10-5
70.000

aquifère des sables verts du bassin de Paris
5.10-5
20.000

aquifères à nappe libre de l'Arizona (USA)
2,5.10-4
4.000

aquifères du bassin de Maranhao (Brésil)
13.10-4
800

Il est donc clair que l'eau "fossile" représente alors une ressource épuisable.

exemples
N°
cations (mg/L)
anions (mg/L)
résidu sec total (mg/L)
Ca
Mg
Na
K
HCO3
SO4
Cl
NO3

eaux minérales

Vichy
1
78
9
1744
115
4263
182
329
0
6720

Badoit
2
272
102
180
-
1700
-
-
-
2254

Contrexéville
3
467
84
7
3
377
1192
7
-
2137

Vittel
4
202
36
3
-
402
306
-
-
949

Evian
5
78
24
5
1
357
10
2,2
3,8
481

Volvic
6
10,4
6
8
5,4
64
6,7
7,5
4
112

eaux d'adduction potable

alluvions calcaires du Doubs
7
92,8
2,4
2,3
1,5
251,5
13,1
8,9
12,4
385

alluvions sableuses de la Savoureuse
8
74
2,5
2,3
0,7
28
5,5
2,6
1,1
116,7

alluvions de la Seine
9
104
3
5,5
1
297
19
12
7
448,5

calcaire de Beauce
10
93
4,7
7,3
2,5
253
6,6
17,5
40
424,6

craie (bordure de côte)
11
101
1
23
1,6
256
21
42
25
470,6

sables yprésiens
12
175
23,9
13,2
3,6
437
122
33
22
829,7

calcaires jurassiques
13
102
4
8
2
238
15
20
2
391

granite
14
19,2
0,1
8
0,8
30
34,3
5,3
-
97,7

 
Echelle logarithmique de Schoeller présentant de classer les eaux souterraines selon leur potabilité.

On a reporté ici 3 lignes du tableau supérieur:
1 (eau minérale de Vichy), 9 (eau potable tirée de la nappe des alluvions de la Seine) et 14 (eau potable pompée d'un granite).

dh=degré hydrotimétrique en degrés français= 5 x ([Ca/40] x 21 + [Mg/24] x2)

La classification des eaux souterraines se fait aussi en 5 classes selon le type d'utilisation préférentielle:
* eau très peu minéralisée (< 250 mg/L), utile pour la fabrication de vapeur mais ne pouvant convenir à la distribution publique sans un apport de sels dissous;
* eau peu minéralisée (250 à 500 mg/L), utilisable par l'industrie et pouvant servir à la distribution publique d'eau potable;
* eau normalement minéralisée (500 mg/L à 1 g/L), correspondant aux normes des eaux potables;
* eau non conforme aux normes de potabilité (1 à 1,5 g/L), mais pouvant être utilisée pour l'irrigation et pour abreuver les animaux.
* eau trop salée ( > 1,5 g/L), impropre en dehors d'un usage balnéaire.

3. Comment et pourquoi l'homme modifie-t-il les équilibres naturels de l'eau ?

3.1 l'homme ne consomme pour sa vie (croissance, respiration, excrétion) qu'une eau rare et en faible quantité: l'eau potable

Les critères de potabilité dépendent des conditions socio-économiques et politiques. Livre p 228. Exemple des nitrates.

Nitrates: une norme aux pieds d'argile, Marian Apfelbaum, La Recherche, 339, février 2001, p 31-34
La consommation de nitrates est totalement inoffensive pour l'homme, sans limite de dose. Concernant les expérimentations chez l'animal, des doses massives, jusqu'à 2500 mg/kg de masse corporelle, n'ont provoqué aucun trouble. Chez l'homme la principale source de nitrates sont les légumes (2 g/kg dans la laitue, les épinards, la betterave, bien davantage dans la scarole, les navets...moins dans d'autres...). La norme édictée par l'OMS et la FAO a été fixée en 1962 à 3,65 mg/kg de masse corporelle et par jour dans un contexte d'épidémie de la maladie bleue du nourisson aux Etats-Unis qui avait été reliée faussement à la consommation d'eaux de pluie riches en nitrates. Et pourtant la norme n'a pas été abandonnée, elle a au contraire été renforcée à une dose journalière de 5 mg/kg de masse corporelle par ... prudence !! ! alors que tous les tests de toxicité sont négatifs!!!
Les eaux de distribution collective qui titrent 40 mg/L de nitrates sont tout à fait potables et totalement inoffensives.

Il s'agit à mon avis clairement d'une pression exercée par les lobbys des eaux enbouteillées (qui sont les mêmes depuis belle lurette qui exploitent les eaux naturelles pour le compte des collectivités locales).

Toutes les aux naturelles étant des milieux de vie, elles contiennent des bactéries alors que les eaux de distribution n'en contiennent pas, en temps ordinaire. L'absence de microorganisme n'est pas un critère absolu. Ils sont fortement représentés dans une eau phréatique et pourtant, normalement ce ne sont pas des souches pathogènes. Le problème étant que dans des pays industrialisés les sites de rejet des eaux usées, infectées par des germes pathogènes, sont voisins des sites de prélèvement des eaux d'utilisation courante.

3.2 l'homme utilise et transforme beaucoup d'eau pour son hygiène et ses activités : l'eau courante et l'eau industrielle

Exemple de documents p 220-221

3.3 l'homme industriel et urbain pollue une grande quantité d'eau mais certains s'efforcent de traiter les eaux usées de façon à ce qu'elles puissent être recyclées sans grand dommage pour l'environnement

p 226-227, 232-233, 234-235