Le cycle de l’eau et sa composante continentale

Commençons par décrire la partie continentale du cycle de l’eau. Le cycle hydrologique ou cycle de l’eau est l’ensemble des processus intervenant dans la circulation perpétuelle de l’eau sur et sous la surface de la Terre (Fig. 1.1). Comme l’illustre cette figure, l’eau des océans s’évapore, puis se condense dans les nuages, avant de précipiter sous forme de pluie ou de neige sur les surfaces continentales ou les océans. Par la suite l’eau provenant des pluies ou de la fonte des glaciers et du manteau neigeux peut ruisseler et rejoindre des fleuves, des lacs ou l’océan. Elle peut aussi s’évaporer ou être captée par la végétation (elle sera ensuite renvoyée dans l’atmosphère via la transpiration des plantes ou utilisée lors de la photosynthèse). Le retour de l’eau dans l’atmosphère dû à l’évaporation sur le sol ou la transpiration de la végétation constitue l’évapotranspiration. En s’insérant à travers les fissures naturelles des sols (infiltration) ou bien en migrant lentement à travers le sol (percolation), elle va rejoindre les eaux souterraines (notamment les nappes phréatiques). Cette eau souterraine n’est toutefois pas stockée indéfiniment et finit par retourner vers les fleuves, les lacs, les océans ou encore s’évaporer (ou être utilisée par les activités humaines). Ce cycle est d’une grande importance, car il permet de réguler l’énergie reçue par la Terre et influe donc sur la température de la Terre et des océans. Pendant les différentes étapes de ce cycle, considéré comme fermé, l’eau apparaît sous tous ses états - liquide, gazeux ou solide - et se déplace entre différents réservoirs constituant l’hydrosphère : les glaciers, les eaux souterraines, les océans, l’atmosphère et le sol.

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Figure 1.1 – Illustration du cycle de l’eau. 1.1.1 L’évapotranspiration

Le rayonnement électromagnétique émis par le soleil et absorbé par le système climatique sol- atmosphère-océan de la Terre est le principal moteur du cycle de l’eau. Le rayonnement solaire reçu par les couches supérieures de l’atmosphère sont d’une puissance totale de 340 W.m−2 . La part de cette énergie interceptée par la surface contribue à son réchauffement et provoque les différents changements d’état de l’eau, sous certaines conditions de température et de pression. Le soleil chauffe les surfaces continentales et océaniques, déclenchant de l’évaporation à la surface des océans, des rivières, des lacs, mais aussi dans la végétation et sur le sol, vers l’atmosphère. L’émission de vapeur d’eau, ou évapotranspiration, résulte de deux phénomènes : l’évaporation, qui est un phénomène purement physique à partir des sols humides et des différents plans d’eau, et la transpiration des plantes.

C’est par le mouvement des molécules d’eau que débute l’évaporation. A l’intérieur d’une masse d’eau liquide, les molécules vibrent et circulent de manière désordonnée. Ce mouvement est lié à la température : plus elle est élevée, plus le mouvement est amplifié et plus l’énergie associée est suffisante pour permettre à certaines molécules de s’échapper et d’entrer dans l’atmosphère. En théorie, dans des conditions de pression et de température données, le processus d’évaporation est possible tant que la pression de vapeur effective (pression de la vapeur d’eau dans l’air) reste inférieure à une certaine valeur. Celle-ci n’est autre que la pression de vapeur saturante, pression à laquelle la phase gazeuse est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à la température de la surface évaporante. Le rapport entre la pression de vapeur effective et saturante, ou en d’autres termes le rapport entre le contenu en vapeur d’eau de l’air et sa capacité maximale à en contenir, se définit comme l’humidité

relative de l’air. Ainsi, pour qu’il y ait évaporation, il faut que le gradient de pression dû à la vapeur d’eau soit positif. Ceci signifie que la pression de vapeur effective doit être inférieure à la pression de vapeur saturante (dans le cas contraire, la vapeur d’eau aura plus tendance à se liquéfier) ou que l’humidité relative de l’air soit inférieure à 1. Les conditions de température, pression et d’humidité conditionnent ainsi le phénomène d’évaporation de l’eau.

Une bonne partie de l’évaporation de l’eau s’effectue via la transpiration des plantes. Les racines des végétaux captent l’eau qui se trouve dans le sol et, une fois parvenue aux feuilles, une partie de l’eau va s’évaporer à travers les stomates des feuilles (micropores par lesquels l’eau s’évapore). L’autre partie va servir à la photosynthèse. Cette évapotranspiration dépend de deux éléments : la chaleur fournie par le rayonnement solaire et la quantité d’eau disponible dans le sol. La quantité d’énergie solaire arrivant à la surface terrestre est le facteur déterminant de la transpiration mais elle est aussi très sensible aux variations des climats et des saisons. L’évapotranspiration dépend également de l’eau disponible dans le sol. En ce qui concerne la végétation, lorsque l’eau se fait plus rare, les stomates se referment et la transpiration se ralentit. La plante évite ainsi de trop souffrir du manque d’eau. Lorsque ce manque d’eau s’aggrave et qu’il atteint le minimum vital, la plante se flétrit puis meurt. Plus généralement, l’évaporation n’est pas la même en été et en hiver. Son importance diffère également dans les pays froids ou chauds. L’évaporation est beaucoup plus importante en été lorsque le rayonnement solaire est le plus intense.

1.1.2 Les précipitations

L’eau évaporée monte dans l’atmosphère et est transportée par les flux d’air. Quand elle atteint les couches supérieures de l’atmosphère plus froides, la vapeur d’eau condense et forme les nuages. Ensuite, sous les effets de la gravité, l’eau liquide tombe à la surface de la Terre sous forme de

précipitations liquide - pluie - ou solide - neige. Les précipitations au-dessus d’une surface continentale peuvent être interceptées par plusieurs réservoirs : la végétation ou canopée, les étendues d’eau permanentes ou temporaires que constituent les lacs, les plaines d’inondations et les rivières, ainsi que le sol lui-même sur lequel l’eau ruisselle ou s’infiltre.

Les feuilles et les branches, en agissant comme un écran, peuvent intercepter une grande partie des précipitations. Une certaine portion de cette eau est ensuite égouttée, généralement avec une énergie cinétique moindre que celle de la pluie initiale. L’autre portion est retenue assez longtemps pour être évaporée et ne jamais atteindre la surface du sol. Seule cette deuxième portion est désignée ici par le terme d’interception. L’interception varie énormément dans l’espace, principalement en fonction des espèces végétales et des conditions météorologiques. Les facteurs contrôlant la capacité de la canopée à intercepter et stocker de l’eau sont liés au feuillage (forme, taille, rugosité, turgidité, orientation, caducité, âge ...) et notamment sa densité, d’où l’intérêt de prendre en compte un indice foliaire (LAI, de l’anglais Leaf Area Index ) qui correspond au rapport entre la surface de toutes les feuilles et la surface de sol située à la verticale. Si l’interception des précipitations est influencée par l’écran végétal, elle l’est aussi par de nombreux facteurs météorologiques. Ce sont surtout les caractéristiques d’intensité-durée des précipitations qui contrôlent la capacité d’interception. Ainsi, le pourcentage d’interception diminue avec l’intensité des précipitations.

1.1.3 Le ruissellement et l’infiltration

Les caractéristiques d’intensité-durée de l’épisode pluvieux impactent également la répartition ruissellement-infiltration des précipitations tombant directement sur le sol nu. Le ruissellement de surface constitue l’écoulement d’eau liquide sur la surface du sol. À l’opposé, l’infiltration désigne le processus par lequel l’eau pénètre le sol. Les premiers millimètres du sol servent d’interface entre les eaux qui s’infiltrent dans le sol et qui peuvent servir à alimenter les végétaux ou à recharger la nappe phréatique et les eaux qui ruissellent et qui sont responsables de l’érosion des sols. Cette interface est donc particulièrement importante car beaucoup de processus physiques dépendent de cette séparation des eaux de pluie entre eaux de subsurface et de surface.

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Les propriétés hydriques des sols varient d’un endroit à l’autre dans le paysage. Les taux d’infiltra- tion dépendent fortement du couvert végétal puisque les végétaux et matières organiques augmentent la porosité du sol et agissent ainsi sur sa conductivité hydraulique. En absence d’un couvert végétal, la porosité du sol près de la surface peut diminuer fortement sous l’impact des gouttes de pluie et former une croûte de battance. Dans ce cas, le taux d’infiltration est très faible. Le ruissellement Hortonien

est provoqué lorsque l’intensité de la pluie est supérieure au taux d’infiltration du sol ; la pluie arrive à une vitesse plus importante et ne peut être absorbée par le sol. Lors de fortes pluies, il est possible que des eaux qui ont infiltré et se sont écoulées dans le sol resurgissent en surface pour provoquer un ruissellement par retour ou exfiltration. Il se peut également que les eaux de pluie tombent direc- tement sur un sol complètement saturé à cause d’une remontée de la nappe phréatique en proximité d’un cours d’eau. Dans ce cas, nous parlons de ruissellement sur sol saturé ou ruissellement de Dunne

(Dunne and Black, 1970). Le ruissellement de surface ne se constitue pas seulement des précipitations non-infiltrées. Ainsi, le phénomène de fonte des neiges et même des glaciers gonfle ce ruissellement. L’eau s’écoule sous forme de petits cours d’eau et torrents vers des canaux plus larges comme les fleuves et atteint in fine un océan ou une mer (dans ce cas on parlera de bassin exoréique). Ces cours d’eau peuvent aussi se regrouper en plans d’eau comme des mares ou des lacs dans les dépressions du sol et ne jamais atteindre un océan ou une mer (on parlera de bassin endoréique).

Parallèlement, l’eau arrivant à la surface du sol peut pénétrer dans les pores du sol grâce à l’attraction gravitaire. Concrètement, la gravité n’est qu’un des facteurs qui détermine le mouvement de l’eau dans le sol. Sur un sol sec, l’eau est fortement aspirée dans le sol par des forces de succion connues sous le nom de succion matricielle. Cette force d’attraction est le résultat de la forte attraction entre les molécules d’eau et les surfaces minérales d’une part, et l’attraction entre les molécules d’eau entre elles d’autre part. La première est un phénomène d’absorption, la deuxième de cohésion. La succion matricielle dépend de la teneur en eau du sol : plus le sol est sec, plus l’attraction est forte. C’est pour cela que typiquement les taux d’infiltration sont bien plus faibles sur des sols humectés ou saturés où la succion matricielle devient négligeable. Une fois infiltrées dans le sol, les eaux de

percolation (infiltration profonde) se dirigent verticalement vers la nappe phréatique (Fox, 2008). La nappe phréatique (ou nappe aquifère) est une réserve d’eau qui se trouve sous la surface de la terre au-dessus d’une poche de terre imperméable. De manière générale, toute formation géologique qui peut stocker et transmettre de l’eau est appelée un aquifère. Par nappe, on entend la partie saturée en eau du sol, c’est-à-dire celle où les interstices entre les grains solides sont entièrement remplis d’eau. Au-dessus, on peut trouver des terrains non saturés, dans lesquels les interstices contiennent aussi de l’air. Cette couche est appelée la zone non saturée ou encore zone vadose. Les nappes phréatiques sont donc alimentées par les précipitations via l’infiltration de l’eau dans le sol et s’écoulent souvent naturellement par des sources, par les berges d’un cours d’eau ou directement dans les océans. Excepté pour les canaux bétonnés, le lit d’un cours d’eau est un lieu d’échange entre l’eau s’écoulant dans le cours d’eau et les eaux de la nappe connectée. En fonction des gradients entre la surface de la nappe et le niveau du cours d’eau, la nappe peut alimenter le cours d’eau ou le cours d’eau peut alimenter la nappe.

Le cycle de l’eau est ainsi un ensemble de processus permanents qui déplacent continuellement les masses d’eau entre l’océan, l’atmosphère et les surfaces continentales. Ce qui nous intéresse dans ces travaux de thèse, c’est d’être capable d’établir, de suivre et de comprendre les variations et la dynamique spatio-temporelle des eaux douces à la surface des continents. Pour cela, l’ensemble des mécanismes physiques introduits ci-dessus peuvent être théorisés sous forme de modèles hydrologiques et être simulés ou estimés numériquement.