Le cycle de l'eau

L'eau suit un cycle très précis

Le cycle de l'eau correspond à un processus selon lequel l'eau se déplace entre différents endroits, tout en changeant de forme et d'état.

On parle de cycle puisque, en effet, il n'y a aucune perte car la quantité d'eau qui entre dans ce processus reste toujours la même, elle subit juste des modifications d'états.

C'est un cycle biogéochimique et cela signifie que, comme tous les cycles biogéochimiques, celui-ci concerne le cycle des éléments chimiques nécessaires à la manifestation et au déploiement de la vie. Dans le cas du cycle de l'eau, les éléments chimiques sont stockés dans des réservoirs qui sont :

  • L’atmosphère ;
  • L'hydrosphère et les éléments qui s'y forment ;
  • Les sols et les roches de la lithosphère ;
  • La biosphère.

Le cycle de l'eau se distingue néanmoins des autres cycles biogéochimiques par deux caractéristiques puisque la molécule d'eau ne subit aucune transformation au cours de son cycle et les êtres-vivants y interviennent très peu.

La répartition de l'eau sur le globe terrestre

Dans les endroits pauvres en eau, les être-vivants peuvent trouver l'eau nécessaire à leur développement dans leur nourriture.

L’eau est l’élément le plus répandu sur la planète mais aussi le constituant le plus important des êtres-vivants.
L'Homme est en effet lui-même constitué de 70% d'eau).

97,5% de l'eau présente sur Terre est salée. Elle constitue donc les océans et les mers de notre planète. Au niveau des hémisphères, celui du nord comporte moins d'eau que celui du sud et toutes les étendues salées de ces deux hémisphères représentent 1350 millions de km3. Ils recouvrent donc les deux tiers de la planète.

Le reste de l'eau disponible sur Terre est de l'eau douce. Parmi ces dernières, 2,59% sont immobilisées par les eaux souterraines ou sous forme de glace (eau non directement disponible pour les êtres-vivants). Les 0,1% restants représentent l'eau de surface et l'eau d'humidité du sol, ces dernières étant accessible des être-vivants.

Le plus grand réservoir d'eau douce au monde est le lac Baïkal. Il se situe en Sibérie et représente 1/5 du réservoir mondial avec une profondeur plus de 1600 mètres !

Cependant, seuls 0,007% de l'eau hydrosphérique sont utilisables par l'Homme et sont constitués de ces réservoirs :

  • Cours d'eau ;
  • Lacs ;
  • Nappes de sub-surface.

Le reste n'est pas facilement exploitable ou alors demanderait des coûts de forage trop élevés

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L'hydrogéologie

L’hydrologie correspond à la science qui étudie l’eau dans le sous-sol. Ses applications sont importantes. Nous allons donc ici étudier comment caractériser le milieu souterrain et comment comprendre grâce à ses caractéristiques (porosité et réservoir) comment ce réservoir peut être plus ou moins productif.

Les différents types de réservoirs

Le calcaire est une eau poreuse qui est donc un excellent réservoir

On peut considérer qu’en fonction des caractéristiques et de la nature des roches, on peut trouver 3 grands types de réservoir :

  • Réservoir poreux : composé de roches sédimentaires poreuses comme, par exemple, le calcaire ou le grès.

Dans ces pores, l’eau des précipitations efficaces est stockée et accumulée.

Ce milieu poreux peut être considéré comme hétérogène à grand échelle (microscope ou loupe binoculaire) mais considéré comme homogène à petite échelle (échelle du terrain). Le géologue va donc observer des données de terrain (via sondage, forage, etc.).

  • Réservoir fissuré : composé de roches non poreuses (pas de stockage d’eau dans les pores) mais roches fracturées et fissurées où l’eau peut se stocker (exple : granite, basalte, roches magmatiques en général, calcaire micritique)

Pour qu’il y ait stockage, il faut qu’il y ait suffisamment de fissures et que les fissures soient interconnectées pour que l’eau puisse circuler et s’accumuler. Plus on va en profondeur, moins il y a de fissure. La roche ne sera réservoir que sur la zone superficielle (10m de réservoir sur 50m de granite). Le milieu est hétérogène à grande échelle et homogène à petite échelle.

  • Réservoir karstique : milieu carbonaté, calcaire qui subit de la dissolution. Il est d’abord fissuré puis formé de conduits et de grottes. Le milieu est hétérogène quelque soit l’échelle.

En hydrogéologie, on dissocie les méthodes d’approche pour les milieux fissurés et poreux pour les milieux karstiques (on fait des traçages pour suivre les conduits).

Il est important de retenir que selon le type de réservoir, les vitesses de transfert d’eau et des polluants seront différents :

  • Milieu poreux : une gouttelette d’eau met 1 an pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer, traverser le sable jusqu’à une couche imperméable et être retenue et stockée dans les pores du sables. Lorsque tous les pores sont remplis d’eau, on parle de zone saturée

  • Milieu saturé : une gouttelette d’eau met 3 à 6 mois pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer tant que les fissures sont suffisamment interconnectées.

  • Milieu karstique : une gouttelette d’eau met 1 à 30 heures pour parcourir, en horizontal, 1 km.

On en déduit ainsi la notion de vulnérabilité du milieu : comment le milieu va réagir face à une pollution de surface.

Dans un milieu karstique, le risque est plus élevé car l’eau circule très rapidement, il est plus vulnérable que le milieu poreux. Le milieu poreux est le milieu le moins vulnérable car sa vitesse de transfert est plus faible.

On observe la notion de vulnérabilité pour protéger les milieux.

L’eau n’est pas filtrée dans un milieu karstique, il y a beaucoup de dissolution et donc d’éléments en suspension. La qualité de l’eau évolue en fonction des précipitations.

Les nappes souterraines

Définitions

Un aquifère correspond au terrain (ou roche) dont les pores ou fissures communiquent et sont suffisamment larges pour que l’eau puisse y circuler librement sous l’effet de la pesanteur. Pour simplifier, aquifère = roche réservoir + eau

Un aquiclude correspond au terrain (ou roche) contenant de l’eau mais dont les pores ou fissures sont trop petits ou non communicant pour que l’eau puisse y circuler librement sous l’effet de la pesanteur comme, par exemple, l'argile. L’aquiclude constitue la base de l’aquifère.

Un aquitard correspond aux terrains (ou roches) trop peu perméables pour permettre un écoulement latéral par gravité, mais suffisamment perméables pour permettre un transfert vertical lent vers ou en provenance d’un aquifère (phénomène de drainage) comme, par exemple, le sable très argileux.

Une nappe souterraine correspond au contenu quasi-continu de l’eau mobile présente dans un aquifère qui sera donc le contenant.

Un cour de physique chimie vous aidera à comprendre.

Les différents types de nappes

La pluie permet de recharger les nappes souterraines

Nappes libres

On parle de nappe libre lorsque l’aquifère n’est pas surmonté (ou du moins pas suffisamment importante pour mettre la nappe sous pression) par une roche imperméable et que le toit de la nappe (= surface libre ou surface piézométrique) est à la pression atmosphérique.

Le toit oscille en fonction des saisons, il est optimal en Avril qui correspond à la période des hautes eaux. La différence entre la période des hautes eaux et la périodes de faibles eaux, la hauteur peut atteindre 20 m.

La distance entre mur de la nappe (ou base de la nappe) et le toit de la nappe s’appelle hauteur piézométrique. Elle correspond à l’épaisseur de la nappe, de l’aquifère.

L’intersection avec la surface piézométrique et la surface topographique va donner naissance aux sources.

La surface piézométrique suit le relief.

La nappe perchée

C’est une nappe libre au dessus d’une autre nappe libre. Sa vulnérabilité est supérieure à celle de la nappe sous cette dernière car elle est victime de toutes les eaux de surface.

Nappes captives

On parle de nappe captive lorsque l’aquifère est surmonté par une roche imperméable et la pression de la nappe est à une pression supérieure à la pression atmosphérique.

Lorsque l’on perce le toit de l’aquifère, le niveau d’eau va remonter pour être en équilibre donc le niveau piézométrique est supérieur en altitude au toit de l’aquifère car le niveau piézométrique est en équilibre avec la pression atmosphérique. On parle de forage artésien  ou d’artésianisme.

Pour rappel, un forage artésien correspond à un forage où l'eau jaillit du sol.

Nappe semi-captive

On parle de nappe semi-captive lorsque l’on a deux aquifères séparés par un aquitard.

On a en premier une nappe libre puis une nappe captive. On parle de nappe semi captive car il y a un aquifère.

Par exemple, on peut en trouver à Merlimont, au Touquet ou encore à Fort Mahon.

Il y a 2 cas de figures possible :

  • Le niveau piézométrique de la nappe captive est en dessous du niveau de la nappe libre : on a un phénomène de drainance normal. En effet, la nappe libre va alimenter la nappe captive. La nappe libre est la nappe la plus vulnérable aux pollutions mais la nappe captive peut aussi être polluée dès que la pollution aura traversé l’aquitard.
  • Le niveau piézométrique de la nappe captive est au dessus du niveau de la nappe libre : on a un phénomène de drainance inverse. En effet, la nappe captive va alimenter la nappe captive. Donc la pollution en surface ne pollue pas la nappe captive. La tendance peut s’inverser si on pompe trop l’eau de la nappe libre.

On peut suivre les variations du niveau d’eau grâce à un piézomètre, un premier s’arrête dans la nappe libre, le deuxième dans la nappe captive. On peut ainsi comparer les niveaux piézométrique.

La courbe piézométrique

Grâce à une sonde piézométrique utilisée après forage, on peut mesurer la profondeur du toit de la nappe.

Les graphiques montrent l’évolution de la profondeur de la nappe sur la courbe du dessus et la courbe du dessous montre les précipitations efficaces qui rechargent la nappe.

Les amplitudes piézométriques sont très importantes chez les nappes libre. Au niveau de chaque année, on voit un pic, qui correspond à la recharge, et une chute, qui correspond à la décharge. On peut également voir l’évolution de la nappe qui retranscrit les évolutions pluviométriques. Par exemple lors qu'il y a beaucoup de pluies ou encore des sécheresses.

Ces courbes nous permettent d’observer ce qui est utilisable, il faut éviter de prélever de l’eau lorsque les nappes sont au niveau le plus bas.

Le forage a une action sur la nappe. En effet, au niveau du forage, le toit de la nappe est plus en profondeur et modifie les lignes de partage des eaux donc l’eau ne s’infiltre plus de la même manière. L’amont hydraulique arrivera forcément au niveau du captage et ce quelque soit le cas de figure. Cependant, lorsque l’on pompe, on crée un cône de rabattement : le niveau piézométrique, qui est dit dynamique car la nappe est exploitée, est différent et plus profond que le niveau statique.

Le niveau statique est le niveau piézométrique lorsque la nappe est au repos, elle n’est pas exploitée.

Avec un forage, même en aval hydraulique, la pollution peut rejoindre le forage à cause du cône de rabattement. Il est donc important de savoir le mesurer.

Pour conclure, le relevé des variations piézométriques permet :

  • De suivre l’impact des situations de sécheresse de certains aquifères.
  • D’évaluer les ressources renouvelables des aquifères et de quantifier les volumes exploitables.
  • De limiter, si nécessaire, l’usage de certains captages en fonction des ressources en eau.

Exercice : estimation de la concentration en ions nitrate

Lorsque les eaux polluées atteignent la nappe phréatique, les eaux distribuées au robinet peuvent devenir impropres à la consommation. Pour qu'une eau soit potable, le taux limite d'ions nitrate qu'elle doit contenir est fixé à 50 mg.L-1.

Vérifions si l'eau de notre robinet répond bien à cette norme.

Étude préliminaire à la préparation de solutions de nitrate de sodium

  • Montrer qu'il faut peser une masse m = 0,17 g de nitrate de sodium NaNO3 (s) pour préparer un volume V0 = 250 mL de solution S0 de concentration C0 = 8,0 . 10-3 mol.L-1.

Calcul de la masse m de nitrate de sodium NaNO3 (s).

On sait que :

    \[ m = n \times M \]

et

    \[ C = \frac { n } { V } \]

donc

    \[ m = C \times V \times M \]

Avec :

  • m correspondant à la masse de nitrate de sodium NaNO3 (s) en gramme ;
  • n correspondant à la quantité de matière de nitrate de sodium NaNO3 (s) en mol ;
  • M correspondant à la masse molaire de nitrate de sodium NaNO3 (s) en g.mol-1 ;
  • C correspondant à la concentration de nitrate de sodium NaNO3 (s) en g.L-1 ;
  • Et V correspondant au volume de nitrate de sodium NaNO3 (s) en litre.

On va alors calculer la masse molaire M :

    \[M = 23 + 14 + 3 \times 16 \]

Donc on a M = 85 g.mol-1

On va ensuite procéder au calcul de la quantité de matière n :

    \[ n = \frac { m } { M } = \frac { 0,17 } { 85 } \]

Donc on a n = 2 . 10-3 mol

Pour finir, on va calculer la masse m :

    \[ m = 8,0 \cdot 10 ^ { - 3 } \times 0,25 \times 85 \]

On a donc m = 0,17 g.

  • Écrire l'équation associée à la dissolution du nitrate de sodium NaNO3 (s)

    \[ Na ^ { + } + NO _ { 3 } ^ { - } \rightarrow NaNO _ { 3 } \]

  • Calculer la concentration effective molaire [ NO3] en ions nitrate dans la solution S0.

Pour cela, on utiliser la formule suivante :

    \[ \left[ NO_ { 3 } ^ { - } \right] = \frac { n } { V } \]

En procédant à l'application numérique, on obtient

    \[  \left[ NO_ { 3 } ^ { - } \right] = \frac { 2,0 \cdot 10 ^ { - 3 } } { 0,25 } \]

Et on trouve que la concentration effective molaire [ NO3] = 0,08 mol.L-1.

Manipulation

  • Préparer par dissolution 250 mL de solution Sde concentration C0 = 8,0 . 10-3 mol ;
  • Préparation des autres solutions par dilution : garder chaque solution dans un bécher portant l'indication de la solution ;
    • Préparer par dilution de S0 20 mL de solution S1 de concentration C1 = 4,0 . 10-3 mol.L-1 ;
    • Préparer par dilution de S0 50 mL de solution S2 de concentration C2 = 1,6 . 10-3 mol.L-1 ;
    • Préparer par dilution de S1 50 mL de solution S3 de concentration C3 = 8,0 . 10-4 mol.L-1 ;
    • Préparer par dilution de S3 20 mL de solution S4 de concentration C4 = 4,0 . 10-4 mol.L-1 ;
    • Préparer par dilution de S3 50 mL de solution S5 de concentration C5 = 1,6 . 10-4 mol.L-1.

Exploitation

  • Calculer la concentration massique [ NO 3- ] en ions nitrate en mg.L-1, dans la solution S0 puis en déduire [ NO 3- ] en mg.L-1 dans les solutions S1, S2, S3, S4, S5.

Présenter les résultats dans un tableau comme le suivant :

Solution[ NO 3- ] en mol.L-1[ NO 3- ] en mg.L-1Valeur de la bandelette
S0
S1
S2
S3
S4
S5

Vous trouverez les réponses du tableau à la fin du sujet afin de vous permettre de poursuivre le TP en cas d'erreur de manipulation.

  • Verser quelques mL des solutions S1, S2, S3, S4, S5 dans les 5 tubes à essais numérotés du bureau ;
  • Verser quelques millilitres d'eau du robinet dans le sixième tube ;
  • Estimer la concentration en ion nitrate dans les tubes 1 à 6 en y plongeant une bandelette test, remplir la dernière ligne du tableau ;
  • Les résultats obtenus par lecture sur l'échelle de tentes sont-ils conformes aux valeurs calculées ?
  • Estimer la concentration en ion nitrate dans l'eau du robinet.
  • Confirmer le caractère potable de l'eau du robinet.

Correction du tableau et des questions

Solution[ NO 3- ] en mol.L-1[ NO 3- ] en mg.L-1Valeur de la bandelette
S08 . 10-3496500
S14 . 10-3248250
S21,6 . 10-399,2100
S38 . 10-449,650
S44 . 10-424,825
S51,6 . 10-49,9210
  • Les résultats obtenus par lecture sur l'échelle de tentes sont-ils conformes aux valeurs calculées : Oui, ils le sont.
  • Estimer la concentration en ion nitrate dans l'eau du robinet : Il y a environ
    10 mg.L-1 de nitrate dans l'eau du robinet.
  • Confirmer le caractère potable de l'eau du robinet : L'eau du robinet est entièrement potable, car d'après les données du début d'énoncé, le taux limite d'ions nitrate qu'elle doit contenir est fixé à 50 mg.L-1.
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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !