Les problèmes relatifs à l’évaluation des réserves à l’échelle continentale ou m ê m e à l’échelle mondiale sont relativement siinples, car il ne s’agit que d’estiiner quelque chose de statique, des volumes et non des débits. C’est s o m m e toute un travail de géométrie à étendre aux échelles considérées.
Nous entendons par réserves, les vollimes d’eau qui se trouvent dans les terrains. L a réserve naturelle comprend la réserve de lu zone rïu&ration, la réserve de lu zone de satiira- tion. Dans le cas de la nappe captive exploitée la réserve naturelle est modifiée car la réserve de la zone de saturation se divise en rlserue de base et résercie de décompression.
On ne peut plus parler de réserve naturelle, mais alors de réserve totale.
L’un des problèmes est d’évaluer les parts de chacune de ces réserves, en particulier de celle de décompression, volume changeant fonction de la variation de pression provoquée.
Dans le cas de la réserve de la zone d’aération, fa part disponible à la végétation présente un intérêt capital car elle conditionne toute la vie. Contrairement au mouvement de l’eau, les évaluations des réserves ne font pas intervenir les climats du moins fondamentalement puisqti’il ne s’agit que d’estimer le contenu de volumes fixes. hidemment les régions de permafrost sont à traiter différemment.
E n somme les évaluations des réserves à l’échelle continentale ou inondiale ne peuvent se faire que par une sommation des réserves distribuées géographiquement suivant les différentes zonalités géologiques.
Un continent est en effet formé d’une mosaïque de boucliers constitués par des terrains cristallins el métamorphiques, de plateformes recouvertes de sédiments plus O L I moins horizontaux, de cuvettes sédimentaires souvent tres profondes et de chaînes de montagnes plissées réccntes ou anciennes.
Chaque 618iiicnt de cette mosaïque préscnte ses caractères spéciaux et par conséquent des modalités de réserves différentes. Dans cette &valuation des réservcs souterraines i I’Cclielle mondiale ou m h e à la siinple échelle continentale des comparaisons peuvent
étre tres suggestives, comparaisons avec les eaux superficielles continentales liquides, sol ides.
Si l’on ne considère qiiel’échelle locale en certains cas, les réserves des eaux superficielles doivent être prises en considération. Pi.eiions quelques exemples: La nappe artésienne des sables verts du Bassin de Paris contient une réserve estimée &environ 430 k m 3 , l’ensemble des nappes captives d u Terliaire d u Bassin d’Aquitaine u n volume d’environ IO0 kin3.
Or en Aquitaine, les lacs de Hourtin, Carcan, Lacanau, Cazaux et de Parentis contien- nent 12 kin3 d’eau; volume non n é & d d e . Mais il est bien évident qLis la réserve utile est proportioiinellement beacoup plus hible dans le cas des eaux souterraines que dans celui des eaux superficielles.
Dans certaines régions, m ê m e la part des eaux souterraines est
&
comparer à des parts beaucoup plus importantes constituées par des lacs dont voici quelques volumes :18 910 km3
i
Keller 1961Baïkal 23 ODO km3
Tanganyi ka
Nyassa 8 400 km3
Régionalement aussi i l y aurait à faire la comparaison avec les réserves permanentes de glace et de neige.
À l’échelle continentale, la proportion est plus en faveur des eaux souterraines, mais varie suivant la zonalité géologique, proportion favorable dans le cas de bassins sédimen- taires, défavorable dans le cas de boucliers ou de hautes cl-iajnes plissées.
L a disproportion est naturellement aussi fonction du climat, suivant que le climat froid accumule les réserves de glace, suivant que le climat aride donne la prépondérance aux réserves d’eau souterraine. Par exemple, à la nappe captive du Continental inter- calaire du Sahara ayant une réserve d’environ 50 O00 km3, on ne peut opposer aucune réserve valable d’eau superficielle.
Parmi les problèmes importants des réserves d’eau souterraine, il y a lieu de mentionner ceux de leur variation dans le temps, de leur renouvellement, de leur qualité, de leur exploitation. Mais ceux-ci sont tellement liés aux mouvements de l’eau souterraine qu’on ne peut les examiner que dans ce contexte.
PROBLEMES
DES MOUVEMENTS DE L’EAU SOUTERRAINELes problèmes relatifs au mouvement de l’eau ne peuvent donc être séparés du contexte d u cycle général de l’eau car ce mouvement n’est qu’un chainon de l’ensemble de la circulation dans ce cycle.
À l’échelle géologique, cette circulation n’est pas constante car elle est sous l’influence non seulement des variations cliniatologiques, mais aussi des mouvements de l’écorce terrestre faisant varier les structures des aquifères, les contours dcs continents, les reliefs et les niveaux des océans. C’est seulement en ne considérant qu’un espace de temps relativement court que l’on peut fernier un bilan et encore faut-il tenir compte des variations positives ou négatives des réserves, conséquence des phénomènes antérieurs.
Ces changements ne sont souvent en effet pas aussi rapides que les causes des modifications du cycle général de l’eau.
L e bilan instantané est plus facile à établir que le bilan dans un intervalle de temps plus ou moins long. C’est par conséquent par lui qu’il faut commencer.
Le bilan à l’échelle mondiale ne peut pas être monté en partant des moyennes obtenues pour chacun des éléments du bilan. O n n’aurait qu’une image trop grossière car les conditions géographiques, cliinatologiques et géologiques sont trop susceptibles de varier d’un continent à l’autre. I1 ne peut être obtenu que par une intégration des bilans calculés à l’échelle continentale. Le résultat de ce calcul du bilan à l’échelle mondiale doit être le m ê m e que celui tiré de l’évaporation des océans et des précipitations SLIT ceux-ci.
H. Schoeller
Inversement ce dernier mode de calcul ne peut servir de base pour la m ê m e raison : variabilité trop grande des éléments d’un continent à un autre.
Le bilan à l’échelle mondiale peut servir de référence aux bilans continentaux ou aux bilans plus localisés. O n devra alors relier ces derniers à l’aridité ou à l’humidité des climats et aux conditions topographiques et hydrogéologiques.
E n effet i l est bon d’insister sur ce que les mouvements de l’eau sont beaucoup trop liés à la nature des terrains. À l’échelle continentale la zonalité géologique se traduit par une m ê m e zonalité hydrogéologique. Les boucliers avec leurs roches cristallines et cristallophyliennes se comportent d’une manière tout à fait différente des plate-formes et des grands bassins sédimentaires; et les chaînes de montagnes ont leurs caracteres tout particuliers. Etdans chacune de ces aires hydrogéologiques, la diversification des roches, c o m m e par exemple dans les bassins sédimentaires, les roches sableuses, les roches cal- caires, les roches argileuses, modifie complètement les caracteres hydrogéologiques; et la structure géologique déterminant la proportion des nappes captives et des nappes libres change aussi.
I1 y a donc tout un travail analytique à faire avant d’aboutir à un résultat global.
Et puis dans chaque continent il peut y avoir des climats différents. Chacune des analyses ou des synthèses précédentes doit donc étre traitée suivant le climat de chaque partie : humide chaud, humide tempéré, aride chaud, aride froid, à permafrost.
Le partage des précipitations en eau superficielle et en eau souterraine soulève encore nombre de problèmes. Il y a certes les facteurs conditionnant le ruissellement. Mais ce ne sont pas les seuls. A titre d’exemple, je présenterai ce qui suit :
Une nappe n’est pas toujours capable d’absorber toute l’eau qui pourrait s’infiltrer à travers la surface de la zone d’alimentation. J’appellerai capacité d’ingestion OLI capacité d’absorption : Qni, le débit maxima qu’une nappe est capable de faire circuler, et capacité d’injrltration : Q i , la quantité d’eau qui serait susceptible de s’infiltrer étant donné la nature de l’aquifère, de la surface du sol, l’évapotranspiration et les hauteurs de pluie.
Prenons le cas d’une nappe captive. L a capacité d’ingestion Q m
=
ks (yip) hrnllm lmyhm la charge motrice;
E l’épaisseur de la nappe;
K le coefficient de perméabilité.
II y a alors des sources de trop plein de nappe captive (fig. I).
étant la longueur du trajet;
L a nappe ne peut absorber plus que Qm. Si donc Qi> K R í y / p ) hm/lin, la nappe déborde..
FIGURE 1. Nappe captice (legeride dans íe teste)
Si par contre Q i <ILE (r/p) hm/lm, par cxcmplc, parce que lec chutes de pluie sont tids fili-
bles, OLI bien parce que la I:erm9abilité Icest tr6s Blevte c o m m e dans les massifs crlcaires où d’ailleurs souvent / 1 ~ 7 / h est très grand, la surface dc la nappc doit descendi-e en ainont jusqu’à ce que ia force niotike yhi/íi soit scuiement suirisante pour friirc mouvoir l’eau.
Dans cc cas : Qnz
=
Q i=
Kc (r/p) hi/li. I1 n’y a pas dc sources dc trop plein. L a surface de ia nappe est situtc bicn cn dcssous de l’alllcuremeiit de la zone d’alimentation.¡
,es priticipuux problèmes d’évuliraiiuti ùes E U U X souterruines
Ces considérations interviennent aussi dans le cas des nappes libres. Les phénomènes y sont parfois plus sensibles en raison de l’influence plus directe des périodes d’alimentation et des périodes de sécheresse. I1 est facile de démontrer qu’en période d’alimentation par toute la nappe surface de la nappe, l’inclinaison de cette surface doit augmenter. C o m m e généralement le niveau de base aval est relativement fixe, par suite de I’acroissement de la pente, la surface de la nappe peut atteindre la surface du sol à l’amont. L a nappe y déborde. Quant à la capacité d’absorption Q m de la nappe,
y H m 2 - h 2 P lm Q m
= K-
eile est égale au débit maximum (fig. 3) de la nappe lorsque la surface de celle-ci tangente juste la surface du sol en amont. L a capacité d’infiltration est égale a Q i = Cil.
C i étant le coefficient maximum d’infiltration et I la longueur de la nappe.
la France.
C e cas s’observe fréquemment. II est toujours typique dans les Landes du Sud-Ouest de
FIGURE 2. Noppe libre (Idgende dons le iexle)
L e rapport C
=
Qrn/Qi pzut être apprlé le coeficierzt d’ingestion ou le coeficiení d’absorption de la nappe.Lorsque C > 1, ia nappe ne déborde pas.
Lorsque C<l, la nappe déborde à l’amont.
L e coefficient d’ingestion dépend :
1. de Tet de yi/,u, c’est-à-dire de la transmissivité et de la charge motrice, autrement dit 2. des conditions d’infiltration à travers la surface du sol:
3. des conditions climatiques, hauteurs de p!uie et évapotranspiration.
dc l’aquifère et de la disposition structurale;
Sous un ineine climat, cz sont les condition; 1 et 2 qui rno:li-kS-nt la c3i)xitj d’inzzstion Sous un climat humide, dans les systèmes hydrauliques dc nappe libre à terrains à perinéa- bilité d’interstice (sables, alluvions, etc.) et à surface du sol pau inclinér, on a des nappes de trop plein eil tête c o m m e par exemple les nappes des sables des Lsndes.
Lorsqu-, les aquifères ont une tres grande perinéabilité, ce qui arrive fréquemmejit dans les calcaires, la faible augmentation consécutive de la pate de la surface piézométrique permet d’écouler toute l’eau d’infiltration. II n’y a pas de source de débordement. Parfois cependant ces conditions ne sont pas remplies, localement du moins, de telle sorte que certains avens fonctionnent c o m m e sources (Causses, Salvayre 1969) (Karst de Yougo- slavie).
Sous un climat humide, presque toutes les nappes captives des grands bassins sédi- mentaires ont un coeficieiit d’ingestion < 1 , avec des sources de trop plein ou de débor-
dement dc tête clc nappe captivc. La laiblc valeur de la charge motrice : ;li, duc à la grande longueur des trajets cle l’cati, cn est la cituse cssenliellc. Donnons coninic cxeiiiple,
la nappc dcs Sables verts du Bassin de Paris, la nappe des Sables éoc6nes du Bassin d’Aquitaine. En premiiii-e approxiination, on peut donner coniine coeíficienl d’ingeslion les valeurs suivantes :
0,08 pour la nappe des Sables verts du Bassin de Paris, cntre 0,lj et 0,4 pour la nappe des Sables inférieurs d’Aquitaine.
A u contraire les massifs montagneux à très grande différence de niveau entre les zones d’alimentalion et d’émergence pour une faible longueur des trajets, :li devient élevé. L’on peut alors avoir : Qin/Qi
=
1. L a surface de la nappe est alors relativeinent profonde en amont et il n’y a pas de sources de trop plein.Dans le cas de cliinat aride, en raison de la faible pluviosité de hautes valeurs de I’éva- potranspiration potentielle, à peu près toutes les nappes libres ont un coeficient d’iiiges- lion égal à 1. L a surface de la nappe reste sous la suriace du sol en amont. El nombreuses sont les nappes captives sans sources de trop plein. Néaninoins beaucoup de nappes de grands bassins artésiens ont des coefficients d’absorption i 1, des sources de trop plein en raison de la grande longueur des trajets, méine dans le cas d’aquifère calcaire.
I1 ressort de cet aperçu q u e ce qui détermilie le débit d’iine nuppe o11 si l’on veut ,sa res- ,~oiirce riatiirelie, ce n’est pas tant Ia capacité d’ixfiltration yiie kr capacité d’ingestion.
Sous climat humide la capacité d’ingestion est souvent plus faible que la capacité d’infiltration même dans le cas des nappes libres, tandis que sous climat aride la tendance inverse se produit. C e sont évidemment des problèmes importants car ils conditionnent le partage en eau superficielle et en eau souterraine.
A
ces conditions sont rattachées les notions de taux de renouvellement qui, on le voit, ne sont pas tant liées aux conditions climatiques qu’aux possibilités de transport d’eau par les nappes. C e taux est évidemment assez variable :Taux Durde
N a p p e Albien Bassin de Paris 13 x 10-5 52 500
Bassin d’Aquitaine 5 x 10-5 20 000
N a p p e Albien Sahara 1,4x 10-5 I0 000
C e renouvellement ne modifie pas les réserves mais a son importance dans le lessivage des aquifères. Il serait intéressant de mettre en relation ce taux de renouvelleinent avec la teneur en sels des eaux.
Revenons aux bilans :
Dans un bilan à l’échelle du bassin on dispose des méthodes de calcul d’à peu très tous les éléments du bilan. O n connaìt le débouché aval des eaux superficielles, le débit de la nappe qui échappe à l’aval au cours d’eau; on connaít le débit qui à l’amont peut entrer dans la nappe ou dans les cours d’eau à partir d’un autre bassin. Les délimitations ne sont pas insurmontables. O n connaît les chutes de pluie. O n peut estimer I’kvapo- transpiration. Les problèines sont surtout relatifs à la précision des mesures et des données.
À l’échelle continentale, il y a donc la sommation des bassins qui peuvent être assez différents les uns des autres suivant qu’ils sc trouvent sur un bouclier, une plate-forme, ou dans une chaíne de montagnes.
O n peut certes procéder plus clobaleinent cn calculant tous les débits dcs cours d’eau qui se jettent dans les océans. Mais si cela cst la majeure partie de ce qui quitte les conti- nents, cc n’est pas la totalité, car il laut y ajmikr le dkbil cler CBUX souterraines, IC débit
Les principniin prohlenies d’éouliiution ríes-enlrx soiiterrciiizes
des nappes phréatiques se déversant au niveau de la mer, le débit des nappes captives se déversant dans la profondeur des océans. 11 s’agirait de les évaluer, d’en connaître la proportion relativement aux écoulements des eaux superficielles. I1 est vraisemblable que par suite de longue~ir de rivage, le débit des nappes phréatiques se déversant dans les océans doit être plus grand que celui des nappes captives profondes qui ont une vilesse de circulation très lente. Ces déversements des eaux souterraines dans les océans est certaine- ment négligeable le long des rivages des boucliers, niais par contre, à prendre en considé- ration le long des rivages recoupant les plate-formes et très irrégulier le long des chaînes de montagnes.
C’est à grand tort que l’on pourrait évaluer le bilan de l’eau sur les continents, en incluant dans les calculs le bilan de l’eau sur les océans. Cela ne peut se faire que dans l’étude à l’échelle mondiale, puisque chaque continent peut avoir sa particularité en raison des variations de climat, de morphologie, de géologie d’un continent à l’autre.
Dans toutes les évaluations à l’échelle mondiale, où l’on lie le bilan des océans à celui des continents, on néglige l’apport des eaux souterraines aux océans. Mais avant de savoir si on peut Véritablement le négliger, il s’agirait d’en déterminer l’ordre de grandeur.
Dans les écoulements il faut tenir compte des quantités d’eau soit provenant de réserves, soit au contraire mises en réserve et qui par conséquent s’ajoutent ou échappent au bilan instantané. Mais alors nous faisons intervenir le temps soit contemporain, soit d’ordre géologique.
Les variations océaniques ont une influence sur les réserves. Les variations de I’éva- poration augmentent OLI diminuent les hauteurs de pluie sur les continents. Le déséquilibre entre l’évaporation de la nier et le retour des précipitations des continents intervient également. C’est le cas du stockage de l’eau sous forine de glace OLI l’inverse la libération de ce stockage.
Les conséquences sont Line variation du niveau de !a nier. Mais une variation du niveau de la mer peut encore être produite pai’ des modifications tectoniques du fond de la mer création de fosse géosynclinale, de crêtes médio océaniques, de chaínes de montagnes, par la sédimentation. U n e large transgression sur une aire continentale par affaissement déterminera un abaissement du niveau de la mer. Tout cela n’est pas sans effet sur Lin bilan à longue durée. En effet la montée du niveau de la mer créera un stockage de l’eau souterraine dans toutes les nappes se déversant dans la mer le long des plate-formes et autres bassins sédimentaires. L’abaissement du niveau de la mer fera l’inverse. Ces variations ont été importantes, 30 à 100 ni lors des périodes glaciaires.
Mais à l’échelle de l’année, il est facile de calculer que ces effets sont négligeables, car ces variations ne sont que de l’ordre de 1 à 5 mm/an, ce qui ne produit qu’un mouvement relatif négligeable du stock de l’eau souterraine.
C e qui se passe sur les continents est aussi à prendre en considération.
II y a le stockage de l’eau sous forme de glace et son déstockage modifiant le bilan pendant et à la fin des périodes glaciaires.
L e stockage des pluies et son déstockage dans les nappes libres à circulation générale- ment rapide ne présentent souvent qu’un déphasage très court d’une k quelques années seulemen t.
Si dans les nappes captives qui ont un fort volant en raison de la faible vitesse de circulation, les variations annuelles ou pluriannuelles sont insensibles, il n’en est pas de m ê m e vraisemblable du stockage ayant eu lieu pendant les périodes pluviales si évidem- ment il y avait possibilité de stockage par un déficit de trop plein en tête de nappe pendant la période précédente. Le volume d’eau stocké mettra plus longtemps a se résoudre.
I1 y a encore bien d’autres causes de perturbations des bilans, en particulier par suite des modifications de la vitesse de circulation, de modifications des volumes et des struc- tures des réservoirs. Ce sont en particulier les mouvements épirogéniques et orogéniques des continents et ceux-ci ne sont pas négligeables m ê m e à une échelle plus petite que l’échelle géologique.
H. Schocller
UTILISATION ET CONSERVATION
Dans de tels problèmes, il y a toujours lieu d’examiner l’utilisation et la conservation des eaux souterraines.
Utilisation et conservation sont deux actions complémentaires. O n ne peut envisager l’une sans l’autre.
L’ UTíLISATION comprend les besoins pour l’agriculture (eau naturelle du sol, irri- gation), les besoins pour la végétation naturelle, en particulier les îorêts, les besoins pour l’alimentation de l’homme, du bétail, pour la pisciculture, les besoins des villes, les besoins de l’industrie, etc.
O n peut classer ces besoins en fonction de leur extraction : eau retirée du sol et des nappes par les racines des végétaux, eau retirée des nappes pour tous les besoins, soit par des exutoires naturels, soit par des exutoires artificiels.
Le problème qui se pose est d’établir un équilibre entre ces besoins et de déterminer
Le problème qui se pose est d’établir un équilibre entre ces besoins et de déterminer