Les eaux souterraines et leurs origines

1. Définitions

Les eaux souterraines sont toutes les eaux contenues dans le sous-sol, dans les pores et les fissures des roches.

Un aquifère est une formation géologique (couche de roche) perméable, qui contient de l'eau et la laisse circuler, de sorte qu'on peut l'exploiter par des puits, des forages ou des sources. Exemples : sables, graviers, grès, granite fracturé et son arène, calcaire fissuré.

Une nappe (ou nappe d'eau souterraine) est l'ensemble de l'eau qui sature les vides d'un aquifère.

Les roches imperméables (argile, granite sain non fissuré, schiste compact) ne laissent pas circuler l'eau : elles limitent les nappes. On les appelle parfois aquicludes ou couches imperméables.

2. L'organisation verticale : zone non saturée et zone saturée

Quand l'eau de pluie s'infiltre, elle traverse d'abord une zone où les vides des roches contiennent à la fois de l'air et de l'eau : c'est la zone non saturée (ou zone d'aération). L'eau y descend verticalement sous l'effet de la gravité.

Plus bas, au-dessus d'une couche imperméable, tous les vides sont remplis d'eau : c'est la zone saturée, c'est-à-dire la nappe.

La limite supérieure de la nappe s'appelle la surface de la nappe ou surface piézométrique. Son altitude en un point est le niveau piézométrique : c'est le niveau auquel l'eau se stabilise dans un puits.

Le niveau varie avec les saisons. Pendant la saison des pluies, l'infiltration recharge la nappe : son niveau monte. Pendant la saison sèche, la nappe continue à se vider vers les sources, les rivières et les puits, sans être rechargée : son niveau baisse. C'est pourquoi le puits peu profond d'Aïssatou peut être à sec en fin de saison sèche : le niveau de la nappe est passé sous le fond du puits.

3. Les origines des eaux souterraines

L'origine météorique (la principale). La quasi-totalité des eaux souterraines provient des précipitations qui se sont infiltrées. Elles participent au cycle de l'eau : elles sont renouvelées chaque année par la recharge, plus ou moins vite selon la profondeur.

L'origine juvénile (magmatique). Une très petite quantité d'eau provient des profondeurs de la Terre : elle est libérée par les magmas lors de leur refroidissement. Elle apparaît par exemple dans certaines sources chaudes des régions volcaniques. Elle n'a jamais participé au cycle de l'eau auparavant, d'où son nom (« jeune »).

Les eaux fossiles. Ce sont des eaux très anciennes, infiltrées il y a des milliers voire des dizaines de milliers d'années, sous des climats différents, et qui ne sont plus (ou presque plus) renouvelées aujourd'hui. Les grandes nappes profondes situées sous le Sahara en sont un exemple : elles se sont remplies à des époques où le climat était plus humide. On y rattache aussi les eaux piégées dans les sédiments au moment de leur dépôt. Exploiter une eau fossile, c'est puiser dans un stock qui ne se reconstitue pas.

4. Les facteurs de l'infiltration

La part de la pluie qui s'infiltre dépend :

• de la perméabilité du sol et des roches : forte dans le sable et l'arène, faible dans l'argile ;
• de la pente : sur une pente forte, l'eau ruisselle ; sur un plateau ou un terrain plat, elle a le temps de s'infiltrer ;
• de la végétation : elle freine le ruissellement et ses racines ouvrent des chemins à l'eau ;
• de l'intensité de la pluie : une pluie fine et longue s'infiltre mieux qu'une averse violente ;
• de l'état du sol : un sol déjà saturé ou tassé (piste, cour de terre battue) ne laisse plus entrer l'eau.

La part de la pluie qui s'infiltre et atteint la nappe s'appelle la recharge. Rapportée aux précipitations, elle donne le coefficient d'infiltration.

5. Nappe libre, nappe captive, nappe artésienne

La nappe libre (ou phréatique). Elle repose sur une couche imperméable mais n'est pas recouverte par une autre couche imperméable. Sa surface est libre de monter et de descendre, et elle est à la pression atmosphérique. Elle est rechargée directement par la pluie qui tombe au-dessus d'elle. C'est la nappe des puits peu profonds, comme celui d'Aïssatou. Proche de la surface, elle est vulnérable à la pollution (latrines, déchets).

La nappe captive. Elle est coincée entre deux couches imperméables, une en dessous et une au-dessus. Elle n'est rechargée que là où l'aquifère affleure, parfois loin du point de captage (la zone d'alimentation). L'eau y est sous pression : quand un forage perce la couche imperméable du dessus, l'eau monte dans le forage au-dessus du toit de l'aquifère. Mieux protégée par la couche du dessus, elle est souvent de meilleure qualité et moins sensible aux saisons : c'est souvent ce type de nappe qu'atteint un forage profond.

La nappe artésienne. C'est une nappe captive dont la pression est si forte que le niveau piézométrique est au-dessus de la surface du sol : l'eau jaillit d'elle-même du forage, sans pompe. Cela arrive quand la zone d'alimentation est située plus haut que le forage.

6. La circulation de l'eau dans une nappe

L'eau d'une nappe n'est pas immobile : elle s'écoule lentement des zones où le niveau piézométrique est le plus haut vers celles où il est le plus bas, c'est-à-dire en général des plateaux vers les vallées, où elle alimente les sources et les rivières.

La vitesse de l'eau souterraine est très faible : de quelques centimètres à quelques mètres par jour dans un sable, beaucoup moins dans une roche peu perméable.

Le gradient hydraulique mesure la pente de la surface de la nappe :

i = Δ hL (différence de niveau piézométrique ÷ distance horizontale ; sans unité).

La réserve d'une nappe. Toute l'eau contenue dans les pores ne peut pas être extraite : une partie reste accrochée aux grains. La part de volume qui peut s'écouler s'appelle la porosité efficace ; elle est toujours inférieure à la porosité totale. Pour une nappe, volume d'eau exploitable = surface × épaisseur saturée × porosité efficace.