17L’eau souterraine

Par une chaude journée d’été, les champs sont secs et les ruisseaux sont bas. Pourtant, au pied d’une colline, l’eau continue de sortir du sol, froide et claire, comme tout l’hiver, et remplit un bassin. Il n’a pas plu depuis des semaines. D’où vient cette eau, et comment sort-elle de la roche ?

Tu sais déjà

Presque toute l’eau de la Terre est de l’eau salée ; l’eau douce n’en est qu’une petite partie, stockée surtout sous forme de glace et sous le sol (Chapitre 3). Des roches comme le grès et le calcaire sont faites de grains ou de coquilles collés entre eux, tandis que l’argile et l’argilite sont faites de particules très fines (Chapitre 15). Dans le livre de physique, tu as suivi l’eau tout au long du cycle de l’eau : elle s’évapore des mers, se condense en nuages et retombe sous forme de pluie ou de neige.

17.1 La pluie s’infiltre

Quand la pluie tombe sur les terres, l’eau peut prendre trois chemins. Une partie s’évapore et retourne dans l’air. Une partie s’écoule à la surface, le long des pentes, jusque dans les ruisseaux et les rivières : c’est le ruissellement. Le reste s’infiltre dans le sol.

Définition 17.1 (Infiltration)

L’infiltration est la pénétration de l’eau de pluie, ou de la neige fondue, dans le sol, à travers la terre et jusque dans les roches.

La quantité d’eau qui s’infiltre dépend du terrain. Sur une pente raide, sur un sol nu ou dur, sur une route ou un parking, ou quand le sol est déjà gorgé d’eau, la plus grande partie de l’eau ruisselle. Sur une pente douce, sous l’herbe et les arbres, sur un sol sableux, une plus grande partie a le temps de s’infiltrer.

17.2 Roches poreuses et roches perméables

Regarde à la loupe une poignée de sable sec : entre les grains, il y a de minuscules espaces vides. Verse de l’eau dessus, et l’eau remplit ces espaces. Beaucoup de roches sont ainsi : elles sont pleines de petits trous entre leurs grains, ou de fines fissures.

Définition 17.2 (Porosité)

Les pores d’une roche sont les espaces vides entre ses grains et dans ses fissures. Une roche qui a des pores est poreuse. Sa porosité est la part de son volume occupée par les pores, exprimée en pourcentage.

Définition 17.3 (Perméabilité)

Une roche est perméable quand l’eau peut la traverser, parce que ses pores sont assez grands et reliés les uns aux autres. Elle est imperméable quand l’eau ne peut pas la traverser. La perméabilité indique avec quelle facilité l’eau traverse une roche.

Ces deux idées ne sont pas les mêmes. L’argile est très poreuse : la moitié de son volume est faite de pores. Mais ses pores sont si minuscules que l’eau y reste collée : l’argile est imperméable. Le sable a moins de pores que l’argile, mais ils sont larges et reliés entre eux : le sable est perméable. Un granite sans fissures n’a presque aucun pore.

Le tableau donne la porosité de quelques matériaux, et la part de l’eau qui s’en écoule d’elle-même quand ils sont pleins d’eau. Le reste reste collé aux grains.

Méthode 17.4 (Quelle quantité d’eau une roche contient-elle ?)

1. Trouve le volume de la roche (pour un bloc : longueur $\times$ largeur $\times$ hauteur).
2. Multiplie par la porosité et divise par 100 : tu obtiens le volume des pores, donc l’eau que contient la roche quand elle est pleine.
3. Pour l’eau qui s’écoule, utilise le second pourcentage de la même façon. (1 mètre cube, c’est 1000 litres.)

Exemple 17.5 (Un mètre cube de sable)

Un mètre cube de sable, plein d’eau, contient $1000 \times 25 \div 100 = 250$ litres d’eau dans ses pores. Parmi eux, $1000 \times 22 \div 100 = 220$ litres s’écoulent d’eux-mêmes ; 30 litres restent collés aux grains. Un mètre cube d’argile contient deux fois plus d’eau, 500 litres, mais seulement 20 litres s’en écoulent.

Au laboratoire — Sable ou argile ? (en classe, avec l’enseignant)

Deux pots de fleurs percés d’un trou au fond sont posés au-dessus de deux verres. L’un est rempli de sable sec, l’autre de terre argileuse sèche, tassée. L’enseignant verse le même verre d’eau dans chacun, au même moment. À travers le sable, l’eau goutte bientôt dans le verre du dessous. Sur l’argile, l’eau reste en surface comme une flaque, et seules quelques gouttes passent, lentement : le sable est perméable, l’argile ne l’est pas.

17.3 L’eau souterraine et le niveau de la nappe

Creuse un trou dans le sable d’une plage, à quelques pas de la mer : au bout d’un moment, de l’eau apparaît au fond du trou. Tu as atteint l’endroit où tous les pores du sable sont pleins d’eau.

Définition 17.6 (Eau souterraine)

L’eau souterraine est l’eau du sous-sol qui remplit les pores et les fissures du sol et des roches.

Définition 17.7 (Niveau de la nappe)

Au-dessous d’une certaine profondeur, tous les pores de la roche sont pleins d’eau : c’est la nappe d’eau souterraine. Le niveau de la nappe est le haut de cette zone remplie d’eau. Au-dessus, les pores contiennent de l’air et un peu d’eau ; au-dessous, ils sont pleins d’eau.

Le niveau de la nappe n’est pas plat. Il suit la forme du terrain, mais en plus doux : plus haut sous les collines, plus bas sous les vallées. Il monte et descend aussi avec les saisons. Après une saison des pluies, la pluie qui s’est infiltrée le fait monter ; après une longue saison sèche, l’eau s’écoule lentement vers les sources et les rivières, et le niveau de la nappe descend.

L’eau souterraine est un grand stock d’eau douce. De toute l’eau douce de la Terre, environ 69 % est de la glace et de la neige permanente, et environ 30 % est de l’eau souterraine ; l’eau douce de tous les lacs n’en représente qu’environ un quart de pour cent. L’eau souterraine est plus de cent fois plus abondante que l’eau douce des lacs.

17.4 Sources et puits

Définition 17.8 (Source et puits)

Une source est un endroit où l’eau souterraine sort d’elle-même du sol, là où le niveau de la nappe rencontre la surface. Un puits est un trou creusé ou foré jusqu’au-dessous du niveau de la nappe, pour que l’eau souterraine en remplisse le fond et puisse être remontée.

La coupe ci-dessous traverse une vallée des collines de Varden, la région de nos exercices. Les collines sont faites de craie, un calcaire blanc, tendre, poreux et perméable. Sous la craie se trouve une couche d’argilite, qui est imperméable. La pluie s’infiltre dans la craie, remplit ses pores et s’arrête sur l’argilite.

La source coule là où la base de la craie rencontre le versant : l’eau ne peut pas descendre à travers l’argilite, elle s’écoule donc sur le dessus de l’argilite et sort sur la pente. Tant qu’il y a de l’eau dans la craie au-dessus de l’argilite, la source continue de couler, même pendant un été sec : voilà la réponse à la question posée au début du chapitre.

Regarde les deux puits. Le puits A est profond de 100 m ; son fond est sous le niveau de la nappe en toute saison, il donne donc toujours de l’eau. Le puits B est encore plus profond, 105 m, mais il a été creusé plus haut sur la colline : son fond est sous le niveau de la nappe après la saison des pluies et au-dessus après la saison sèche. En été, le puits B est à sec. Ce qui compte, ce n’est pas la profondeur d’un puits, mais de combien son fond descend sous le niveau le plus bas de la nappe.

Remarque 17.9 (Un puits peut se tarir)

Pomper l’eau d’un puits fait baisser le niveau de la nappe autour de lui. Si l’on pompe l’eau plus vite que la pluie ne recharge la roche, le niveau de la nappe descend sans cesse : le puits donne de moins en moins d’eau et peut se tarir. Deux voisins qui pompent dans la même roche partagent la même eau : une pompe peut assécher le puits de l’autre.

17.5 Les aquifères

Définition 17.10 (Aquifère)

Un aquifère est une couche de roche poreuse et perméable, pleine d’eau souterraine, qui laisse cette eau s’écouler vers les sources et les puits. La pluie qui s’infiltre le recharge.

La craie des collines de Varden est un aquifère : elle est poreuse, elle est perméable, et les fermes des collines y puisent leur eau. L’argilite qui se trouve dessous n’est pas un aquifère : l’eau ne peut pas la traverser. Plus profond encore, sous l’argilite, se trouvent un calcaire et un grès, qui peuvent eux aussi contenir de l’eau ; pour l’atteindre, il faut forer un puits à travers toute l’argilite.

L’eau souterraine fait partie du cycle de l’eau. La pluie s’infiltre dans un aquifère ; l’eau souterraine circule lentement à travers les pores ; elle ressort aux sources et dans les rivières, qui l’emportent jusqu’à la mer ; là, elle s’évapore, et retombe sous forme de pluie. Prendre de l’eau dans un aquifère, c’est comme prendre de l’eau dans une citerne que la pluie remplit lentement : cela ne dure que si nous ne prenons pas plus que ce que la pluie rapporte.

17.6 Garder l’eau souterraine propre

L’eau qui s’infiltre dans le sol est filtrée en chemin : les feuilles, les particules de terre et les petites bêtes sont retenues par le sol et par la roche. C’est pourquoi l’eau d’une source ou d’un puits paraît en général d’une clarté de cristal. Mais les substances dissoutes dans l’eau ne sont pas retenues : elles descendent avec elle jusqu’à la nappe.

L’eau souterraine peut être abîmée par ce que les gens déposent sur le sol : les engrais et les pesticides répandus sur les champs et les jardins, le sel répandu sur les routes verglacées, le carburant qui fuit d’une cuve, les déchets jetés en plein air, le débordement de fosses septiques mal entretenues. Une fois dissoutes dans un aquifère, ces substances sont difficiles à éliminer, et l’eau peut ne plus être potable sans traitement. L’eau d’un puits doit donc être analysée avant d’être bue, et il vaut mieux garder les engrais, le carburant et les déchets loin des puits et des sources.

Les substances dissoutes voyagent avec l’eau souterraine. Sous le niveau de la nappe, l’eau descend lentement la pente : depuis l’endroit où la nappe est haute, sous les collines, jusqu’à l’endroit où elle est basse, aux sources et aux rivières. Une fuite qui s’infiltre ne reste donc pas là où elle est tombée. Elle descend jusqu’à la nappe, puis dérive vers l’aval avec l’eau souterraine, vers tout ce qui se trouve plus bas sur la pente.

Méthode 17.11 (Un puits est-il menacé ?)

1. Repère où le niveau de la nappe est haut et où il est bas : il est haut sous les collines et bas près des sources et des rivières.
2. L’eau souterraine s’écoule du haut vers le bas : dessine son sens avec une flèche.
3. Un puits ou une source situé en aval d’une source de pollution, sur le chemin de cette flèche, est menacé ; un puits situé en amont ne l’est pas.

Exemple 17.12 (Une nouvelle cuve de carburant pour la ferme)

Une agricultrice, sur un versant de craie, boit l’eau de son propre puits, à mi-pente, et veut installer une nouvelle cuve de carburant dans l’un de deux champs : l’un en amont du puits, l’autre en aval, près du ruisseau. L’eau souterraine s’écoule vers le bas de la pente. Une fuite dans le champ d’amont dériverait vers le puits ; une fuite dans le champ d’aval s’en éloignerait, vers le ruisseau. Le champ situé en aval du puits est le meilleur choix pour le puits — et une cuve posée sur un bac qui retient toute fuite est encore mieux, puisque le ruisseau compte aussi.

Sur le terrain — Repérer les sources

Pendant une promenade avec un adulte, regarde le long du pied d’une pente. Une source se signale souvent par une tache de terre humide, une ligne d’herbe plus verte ou de roseaux dans un champ sec, un petit ruisseau qui part de nulle part, ou un bassin de pierre ou un abreuvoir construit pour recueillir l’eau. Sur une carte de randonnée détaillée, les sources sont marquées par un petit symbole. Observe depuis le chemin : ne bois jamais l’eau d’une source qui n’a pas été analysée.

17.7 Exercices

Exercice 17.1 ★

Classe ces matériaux en « perméables » et « imperméables » : sable, argile, graviers, granite sans fissures, argilite, craie.

Solution

Solution de Exercice 17.1.

Perméables : sable, graviers, craie. Imperméables : argile, granite sans fissures, argilite.

Exercice 17.2 ★

Associe chaque mot à sa définition : source ; puits ; niveau de la nappe ; aquifère. (a) Le haut de la zone où tous les pores sont pleins d’eau. (b) Une couche poreuse et perméable qui contient de l’eau souterraine. (c) Un endroit où l’eau souterraine sort d’elle-même. (d) Un trou qui descend sous le niveau de la nappe.

Solution

Solution de Exercice 17.2.

(a) niveau de la nappe ; (b) aquifère ; (c) source ; (d) puits.

Exercice 17.3 ★

(a) Nomme les trois chemins que peut prendre l’eau de pluie quand elle tombe sur les terres. (b) Après un orage, où l’eau ruisselle-t-elle le plus : sur un parking ou sur une prairie ? Pourquoi ?

Solution

Solution de Exercice 17.3.

(a) Elle s’évapore et retourne dans l’air ; elle ruisselle à la surface jusque dans les ruisseaux ; elle s’infiltre dans le sol (infiltration). (b) Sur le parking : sa surface dure ne laisse presque pas d’eau s’infiltrer, donc l’eau ruisselle. Dans la prairie, le sol et l’herbe en laissent s’infiltrer une grande partie.

Exercice 17.4 ★

Vrai ou faux ? Corrige les phrases fausses. (a) Une roche poreuse est toujours perméable. (b) Sous le niveau de la nappe, les pores sont pleins d’eau. (c) Le niveau de la nappe est plat, comme la surface d’un lac. (d) Il y a plus d’eau douce sous le sol que dans tous les lacs.

Solution

Solution de Exercice 17.4.

(a) Faux : l’argile est très poreuse mais imperméable, parce que ses pores sont minuscules. (b) Vrai. (c) Faux : il suit la forme du terrain, en plus doux, et il monte et descend avec les saisons. (d) Vrai : environ 30 % de toute l’eau douce est de l’eau souterraine, contre environ un quart de pour cent dans les lacs.

Exercice 17.5 ★★

Un seau contient 10 litres de sable sec. La porosité du sable est de 25 %. Combien d’eau peux-tu verser dans le seau avant qu’il ne déborde ? Combien d’eau s’écoulerait par un trou percé au fond (22 %) ?

Solution

Solution de Exercice 17.5.

$10 \times 25 \div 100 = 2.5$ : tu peux verser 2.5 litres avant que le seau ne déborde. $10 \times 22 \div 100 = 2.2$ : 2.2 litres s’écouleraient par le trou.

Exercice 17.6 ★★

Un bloc de calcaire mesure 2 m sur 1 m sur 1 m. (a) Quel est son volume, en mètres cubes et en litres ? (b) Sa porosité est de 20 % : combien de litres d’eau contient-il quand il est plein ? (c) De cette eau, 18 % du volume s’écoule. Combien de litres s’écoulent, et combien restent collés ?

Solution

Solution de Exercice 17.6.

(a) $2 \times 1 \times 1 = 2$ mètres cubes, soit 2000 litres. (b) $2000 \times 20 \div 100 = 400$ litres. (c) $2000 \times 18 \div 100 = 360$ litres s’écoulent ; $400 - 360 = 40$ litres restent collés.

Exercice 17.7 ★★

Utilise la coupe à travers les collines de Varden. (a) À quelle altitude se trouve la source ? la rivière ? (b) La source est-elle plus haut ou plus bas que la rivière ? Où va l’eau de la source ? (c) Pourquoi n’y a-t-il pas de source au milieu du versant de craie ?

Solution

Solution de Exercice 17.7.

(a) La source est à environ 203 m, la rivière à environ 132 m. (b) La source est environ 70 m plus haut que la rivière : son eau descend la pente jusqu’à la rivière. (c) À l’intérieur du versant de craie, le niveau de la nappe est sous le sol ; il ne rencontre la surface que là où la base de la craie, posée sur l’argilite imperméable, affleure sur la pente.

Exercice 17.8 ★★

Au puits A, le sol est à 401 m ; le niveau de la nappe est à 336 m après la saison des pluies et à 314 m après la saison sèche. (a) À quelle profondeur sous le sol se trouve l’eau à chaque saison ? (b) De combien de mètres le niveau de la nappe baisse-t-il entre les deux saisons ?

Solution

Solution de Exercice 17.8.

(a) Après la saison des pluies : $401 - 336 = 65$ m ; après la saison sèche : $401 - 314 = 87$ m. (b) $336 - 314 = 22$ m.

Exercice 17.9 ★★

Un agriculteur veut un nouveau puits au sommet de la colline, à l’extrémité droite de la coupe. Ce puits doit-il être plus profond ou moins profond que le puits A ? Explique à l’aide du niveau de la nappe.

Solution

Solution de Exercice 17.9.

Plus profond. Le niveau de la nappe suit la forme du terrain, mais en plus doux : au sommet de la colline, il est plus haut que sous le puits A, mais le sol monte beaucoup plus, si bien que l’eau se trouve plus loin sous la surface (sur la coupe, à plus de 110 m de profondeur).

Exercice 17.10 ★★

Un mètre cube d’argile contient 500 litres d’eau mais n’en donne que 20 litres. Explique pourquoi un puits creusé dans l’argile ne donne presque pas d’eau, alors que l’argile en est pleine.

Solution

Solution de Exercice 17.10.

Les pores de l’argile sont minuscules : l’eau reste collée aux paillettes et ne peut pas traverser l’argile pour aller vers le puits. L’argile est poreuse mais imperméable : seule une petite quantité d’eau (20 litres sur 500) s’en écoule.

Exercice 17.11 ★★★

De toute l’eau douce de la Terre, 30.1 % est de l’eau souterraine et 0.26 % se trouve dans les lacs. (a) Combien de fois plus d’eau douce y a-t-il sous le sol que dans les lacs ? (b) De toute l’eau douce, environ 69 % est de la glace et de la neige. Quelle part reste-t-il pour tout le reste (eau souterraine, lacs, rivières, air, sol…) ? (c) Pourquoi l’eau souterraine est-elle si importante pour l’eau potable ?

Solution

Solution de Exercice 17.11.

(a) $30.1 \div 0.26 \approx 116$ : plus de cent fois plus. (b) $100 - 69 = 31$ : il reste environ 31 %, dont environ 30 pour l’eau souterraine à elle seule. (c) C’est de loin le plus grand stock d’eau douce liquide ; la glace est gelée, et elle se trouve surtout loin, dans les régions polaires et sur les montagnes. Et l’eau souterraine se trouve presque partout sous nos pieds.

Exercice 17.12 ★★★

Deux fermes voisines sont posées sur la même craie. Un été, la première ferme installe une pompe puissante et remplit un grand étang ; quelques semaines plus tard, le puits de la seconde ferme se tarit, alors que personne n’y a touché. Explique ce qui s’est passé, et ce que les deux agriculteurs pourraient faire.

Solution

Solution de Exercice 17.12.

Les deux puits puisent dans le même aquifère de craie. La pompe puissante a retiré l’eau plus vite que la pluie ne recharge la craie : le niveau de la nappe a donc baissé tout autour, jusque sous le fond du second puits, qui s’est tari. Les agriculteurs pourraient se mettre d’accord pour pomper moins, surtout en été, partager un même puits, ou approfondir le second puits ; surtout, ils ne devraient pas prendre plus d’eau que la pluie n’en rapporte.

17.8 Problème : Le puits de la ferme des collines de Varden

Problème 17.1

Problème du week-end — les roches sous une ferme des collines de Varden, l’eau stockée dans sa craie, et combien de jours elle durerait sans pluie

Une ferme des collines de Varden est posée sur la craie, à côté du puits A de la coupe. L’agriculteur veut savoir combien de temps le puits pourrait faire vivre la ferme pendant une longue sécheresse, si aucune pluie ne venait recharger la craie.

Partie I — Les roches sous la ferme.

1. Nomme la roche sur laquelle est posée la ferme, et la roche qui se trouve dessous. Laquelle est perméable ?
2. Explique pourquoi une source coule au pied de la pente, sous la ferme.
3. Utilise la coupe : le sol de la ferme est à 401 m et le niveau de la nappe est à 336 m après la saison des pluies. À quelle profondeur se trouve l’eau ?
4. Après la saison sèche, le niveau de la nappe est à 314 m. Le puits A est profond de 100 m. Atteint-il encore l’eau ? De combien de mètres ?

Partie II — L’eau de la craie. L’agriculteur peut drainer la craie autour du puits dans un bloc de 100 m de long, 50 m de large et 2 m d’épaisseur, sous le niveau de la nappe. La craie est un calcaire : utilise une porosité de 20 % et une part d’eau qui s’écoule de 18 %.

5. Quel est le volume du bloc, en mètres cubes ?
6. Combien de mètres cubes d’eau remplissent ses pores ?
7. Combien de mètres cubes d’eau s’en écoulent dans le puits ? Combien restent collés dans la craie ?
8. Exprime en litres l’eau qui s’écoule.

Partie III — Combien de temps cela dure.

9. La ferme (maison, animaux et potager) utilise 18 mètres cubes d’eau par jour. Combien de litres cela fait-il ?
10. Combien d’eau la ferme utilise-t-elle en une semaine ?
11. Pourquoi le stock d’eau de la craie ne s’épuise-t-il pas lors d’une année normale ?
12. Sans aucune pluie, pendant combien de jours l’eau qui s’écoule du bloc suffirait-elle à la ferme ?

Solution

Solution de Problème 17.1.

1. La ferme est posée sur la craie ; dessous se trouve l’argilite. La craie est perméable, l’argilite ne l’est pas.

2. La pluie s’infiltre dans la craie et s’arrête sur l’argilite. Là où la base de la craie affleure sur la pente, le niveau de la nappe rencontre le sol et l’eau sort : c’est la source.

3. $401 - 336 = 65$ m sous le sol.

4. Le fond du puits est à $401 - 100 = 301$ m, sous le niveau de la nappe, à 314 m : le puits atteint encore l’eau, de $314 - 301 = 13$ m.

5. $100 \times 50 \times 2 = 10\,000$ mètres cubes.

6. $10\,000 \times 20 \div 100 = 2000$ mètres cubes.

7. $10\,000 \times 18 \div 100 = 1800$ mètres cubes s’écoulent ; $2000 - 1800 = 200$ mètres cubes restent collés.

8. $1800 \times 1000 = 1\,800\,000$ litres.

9. $18 \times 1000 = 18\,000$ litres par jour.

10. $18 \times 7 = 126$ mètres cubes par semaine.

11. La pluie de la saison humide s’infiltre dans la craie et la recharge chaque année (tant que les fermes ne pompent pas plus que ce que la pluie rapporte).

12. $1800 \div 18 =$ 100 jours : un peu plus de trois mois sans aucune pluie.