Eaux souterraines : comment s’alimentent-elles et comment s’écoulent-elles ?

Eaux souterraines
En France, les aquifères abritent des eaux souterraines formant des nappes qui s’écoulent sur des distances plus ou moins longues et à une vitesse plus ou moins rapide pour atteindre les eaux de surface et les alimenter en eau douce.
Les nappes se rechargent en hiver grâce aux précipitations. Voyons comment ces masses d’eau interagissent et comment les eaux souterraines se rechargent et s’écoulent à l’intérieur de la nappe.

Comment s’alimentent les eaux souterraines ?

Les nappes d’eaux souterraines sont en très grande majorité alimentées par les précipitations. Plus précisément, les nappes se rechargent par l’infiltration des eaux de pluie qui s’introduisent dans les zones de recharges situées au sommet des nappes.

  • Lorsqu’elles sont interceptées par les végétaux, les eaux de pluie sont en partie transférées vers l’atmosphère par évapotranspiration.
  • Lorsqu’elle n’est pas interceptée par les végétaux puis évacuée par évapotranspiration, l’eau de pluie qui tombe au sol est appelée « pluie efficace ».

La pluie efficace se répartit entre ruissellement superficiel et infiltration vers les nappes phréatiques.

Suivant la configuration topographique, la nature du sol et l’intensité des précipitations, l’eau de pluie peut soit :

  • S’évaporer directement du sol.
  • S’écouler sur le sol jusqu’au cours d’eau le plus proche, on parle alors de ruissellement de surface (ou ruissellement superficiel).
  • S’infiltrer dans le sol (et notamment dans les aquifères, qui sont des roches fissurées ou des couches de sable, de gravier ou d’autres matériaux poreux qui contiennent des nappes souterraines et qui sont suffisamment poreuses pour laisser l’eau circuler librement).

Quelles sont les périodes de l’année les plus favorables à la recharge des nappes ?

Les nappes souterraines se rechargent principalement en hiver, lorsque les précipitations sont importantes, les températures plus faibles (moins d’évaporation) et la végétation peu active (moins d’évapotranspiration).

Par ailleurs, le printemps est une saison favorable au rechargement des nappes dans les aquifères fissurés : ces derniers se gorgent en effet plus facilement des eaux de pluie printanières.

En moyenne, les précipitations annuelles en France permettent d’alimenter les nappes phréatiques à hauteur de 20 à 23 %.

Comment l’eau s’écoule vers la nappe souterraine ?

Un écoulement vertical

L’eau de pluie s’infiltre verticalement dans le sol vers la nappe phréatique : la vitesse et la direction de ce mouvement varient suivant la porosité des sols ainsi que la nature et l’épaisseur de la zone non saturée.

Une vitesse d’écoulement variable selon les aquifères 

Suivant le type d’aquifères présents (aquifères poreux, aquifères fissurées, aquifères karstique), la vitesse d’écoulement ne sera pas la même.

Ainsi, l’écoulement d’un volume d’eau donné sur un km pourra prendre :

  • Quelques années en milieu poreux et alluvial,
  • Quelques mois en milieu fissuré,
  • Quelques jours, voire seulement quelques heures dans des aquifères karstiques.

Peut-on évaluer la capacité des sols à l’infiltration ?

Oui, la capacité des sols à l’infiltration est estimée d’après l’étude de la densité des réseaux hydrographiques. L’indice de développement et de persistance des eaux (indice IDPR) permet d’analyser au plan régional, la vulnérabilité des eaux qui en l’absence de données précise du milieu saturé, s’applique aux nappes dites phréatiques.

 

Comment l’eau circule à l’intérieur de la nappe souterraine ?

L’eau se déplace dans les aquifères, elle ne reste jamais immobile. Suivant la nature des aquifères, l’infiltration peut être lente ou rapide : une seule goutte d’eau peut parcourir une même distance à des délais très différents (de quelques jours dans les milieux les plus perméables à plusieurs centaines d’années dans les milieux les moins perméables).

L’aquifère est composée de deux niveaux :

  • La partie inférieure qui abrite la nappe est appelée la zone saturée car tous les pores de la roche sont gorgés d’eau. C’est dans cette zone saturée que se produit l’écoulement de la nappe.
  • La partie supérieure de l’aquifère est la zone non saturée, dans laquelle les pores de la roche contiennent de l’eau sous forme d’humidité, mélangée à l’air.
    La limite supérieure de la zone saturée varie en fonction de la recharge et de la vidange de la nappe. La zone intermédiaire qui est tantôt saturée, tantôt non saturée, est appelée la zone de battement.

L’écoulement de l’eau dans la zone saturée suit la pente naturelle de la couche de sol imperméable située en dessous de l’aquifère.

Cette eau peut parcourir jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres sous terre avant de revenir à la surface sous la forme de sources ou de suintements, voire d’inondation par remontée de nappe, pour alimenter les milieux aquatiques (rivières, lacs, eaux côtières, zones humides…).

Notons par ailleurs que les nappes peuvent communiquer entre elles : les eaux d’un aquifère peuvent rejoindre un autre aquifère plus profond par infiltration.

Enfin, certaines nappes phréatiques peuvent être coincées entre deux couches de sol imperméables : ce sont des nappes captives.

Comment l’eau sort de la nappe ?

Il existe des interactions fortes entre les eaux souterraines et les eaux de surface.

Par un phénomène de drainage naturel, l’eau contenue dans les aquifères peut rejoindre les milieux aquatiques, soit à l’intérieur des terres ou sur le littoral.

En présence de cours d’eau

Sauf s’il coule dans un sol totalement étanche, un cours d’eau est en relation permanente avec la nappe alluviale qui imprègne les terrains sédimentaires situés au fond de sa vallée. En réalité, le cours d’eau et sa nappe d’accompagnement constituent une seule masse d’eau qui s’écoule de l’amont vers l’aval, mais plus lentement quand l’eau se trouve dans la nappe alluviale.

En outre, le niveau du cours d’eau et celui de la nappe peuvent varier l’un par rapport à l’autre :

  • Si le niveau de la nappe alluviale est situé au-dessus du niveau des eaux de surface, l’eau circule en direction du cours d’eau.
  • Si le niveau de la nappe est situé en-dessous du niveau des eaux de surface, l’écoulement des eaux se fait en sens inverse, ce qui fait remonter le niveau de la nappe.

Dans les carrières en eau et les zones humides

En cas d’absence de cours d’eau à proximité, les carrières inondées et les zones humides se rechargent par drainage de la nappe d’eau souterraine. Les eaux souterraines viennent ainsi alimenter la carrière (ou la cuvette) jusqu’à ce que celle-ci atteigne le même niveau que la nappe.

Dans les zones côtières et les estuaires

Dans cette configuration, les eaux souterraines se mélangent aux eaux de surface par l’intermédiaire du sable qu’elles charrient. Ainsi, de véritables réservoirs d’eau douce peuvent rejoindre les eaux salées de la côte. Et inversement, de l’eau salée provenant de la mer peut s’infiltrer dans les nappes souterraines situées à proximité du littoral, par un phénomène d’intrusion saline.

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