Chapitre 2  : cycle de l’eau 

Les Perturbations du Cycle de l'Eau : Forçages Naturels et Anthropiques

L'eau, dont la molécule est notée , est essentielle à la vie et existe sur Terre sous trois états principaux : solide (glace), liquide et gazeux (vapeur). La transition entre ces états, régie par la température, est au cœur d'un système dynamique et complexe appelé le cycle de l'eau, qui est aujourd'hui profondément perturbé par des forçages naturels et humains.

I. Les Fondamentaux du Cycle de l'Eau

A. Les Trois États de l'Eau et les Changements d'État

La structure de l'eau varie selon son état, en fonction des liaisons hydrogène entre les molécules :

• État Gazeux (Vapeur) : Les liaisons moléculaires sont inexistantes, les molécules sont libres et agitées.

• État Liquide : Les liaisons moléculaires sont faibles et discontinues, permettant aux molécules de glisser les unes sur les autres.

• État Solide (Glace) : Les liaisons sont fortes et organisées de manière géométrique, formant une structure cristalline.

Ces états ne sont pas stables dans la nature et passent de l'un à l'autre via des changements d'état :

• Fusion : Passage du solide au liquide (fonte de la glace).

• Vaporisation / Évaporation : Passage du liquide au gaz.

• Sublimation : Passage direct du solide au gaz (évaporation de la neige).

• Condensation : Passage du gaz au liquide (formation des nuages).

• Congélation / Solidification : Passage du liquide au solide.

B. Le Rôle des Paramètres Orbitaux et de l'Effet de Serre

La température, principal moteur des changements d'état, dépend de la distance de la planète au Soleil.

• Vénus (proche du Soleil) : Températures très élevées (), l'eau est principalement sous forme de vapeur.

• Mars (plus éloignée) : Températures basses ( en moyenne), l'eau est principalement sous forme de glace.

• La Terre : Située à une distance de 150 millions de km du Soleil, sa température théorique sans atmosphère serait de . L'eau devrait y être majoritairement solide.

L'effet de serre est le phénomène par lequel l'atmosphère retient une partie de l'énergie émise par la Terre, réchauffant sa surface. Grâce à lui, la température moyenne de la Terre passe de à environ , permettant l'existence de l'eau liquide en abondance.

C. La Répartition Inégale des Masses d'Eau

Les masses d'eau désignent les grands réservoirs où l'eau est stockée sur Terre. Leur répartition est extrêmement hétérogène.

• 97% du volume total : Mers et océans (eau salée), impropre à la consommation humaine directe.

• 3% restant : Eau douce.

Cette eau douce est elle-même inégalement répartie :

• Glaciers et calottes polaires : La plus grande partie de l'eau douce, stockée sous forme solide dans les régions froides.

• Eaux souterraines : Stockées dans les roches (lithosphère), leur volume dépend de la porosité et de la perméabilité du sous-sol.

• Eaux de surface : Lacs, rivières, etc., ne représentant qu'une infime fraction.

Il existe également une hétérogénéité spatiale, avec un hémisphère Sud bien plus océanique (80% d'océans) que l'hémisphère Nord (61%).

II. Le Grand Cycle et le Petit Cycle de l'Eau

On distingue deux cycles principaux :

1. Le Grand Cycle de l'Eau (naturel) : Un cycle continu depuis 1,5 milliard d'années, engageant des volumes considérables (millions de km³) et des transferts entre l'océan, l'atmosphère et les continents.

2. Le Petit Cycle de l'Eau (anthropique) : Un cycle créé par les sociétés humaines, qui concerne l'alimentation en eau potable (AEP) et le traitement des eaux usées (assainissement).

A. Le Grand Cycle de l'Eau (Naturel)

1. Mécanismes et Termes du Bilan Hydrologique

Le grand cycle est une boucle de transferts et de changements d'état : évaporation, condensation, précipitations, infiltration, et ruissellement. Pour le quantifier, les hydrologues utilisent les termes suivants :

• P : Précipitations (pluie, neige, grêle).

• ETR : Évapotranspiration Réelle (combinaison de l'évaporation des surfaces et de la transpiration des plantes).

• I : Infiltration (eau qui pénètre dans le sol).

• RU : Réserve Utile (eau contenue dans le sol et disponible pour les plantes).

• W0 : Eaux souterraines (stockées dans les aquifères).

• R : Ruissellement (écoulement de l'eau à la surface du sol).

• Eb : Écoulement de base (part des eaux souterraines qui alimente les cours d'eau).

• E : Écoulement total d'un cours d'eau.

Deux équations fondamentales décrivent le bilan d'un bassin versant à l'équilibre :

Exemple de la Vesle à Reims : Sur 700 mm de précipitations annuelles, environ 550 mm sont perdus par évapotranspiration, laissant seulement 150 mm pour l'écoulement (50 mm de ruissellement et 100 mm d'infiltration alimentant l'écoulement de base).

2. Hétérogénéité Spatiale et Temporelle

Le grand cycle est loin d'être uniforme :

• Hétérogénéité spatiale : Elle est due aux diversités climatiques (qui influencent P et ETR), biogéographiques (qui influencent ETR et RU) et géomorphologiques (qui influencent I et W0). Cela se traduit par des écoulements de fleuves variant de 3 mm/an dans les zones arides à plus de 3000 mm/an dans certaines zones montagneuses.

• Hétérogénéité temporelle (Saisons hydrologiques) : Le cycle de l'eau s'organise en quatre phases au cours de l'année.

  1. Surplus hydrique : . Alimente le ruissellement et l'infiltration. C'est la période des hautes eaux et des crues.

  2. Vidange de la Réserve Utile (RU) : . Les plantes puisent dans la RU, le débit des rivières commence à baisser.

  3. Déficit hydrique : et RU vide. Période des plus basses eaux (étiage) et des sécheresses.

  4. Reconstitution de la RU : , mais l'eau sert d'abord à remplir la RU avant d'alimenter les cours d'eau.

B. Le Petit Cycle de l'Eau (Anthropique)

Ce cycle gère l'eau pour les usages humains.

1. Alimentation en Eau Potable (AEP)

Il s'agit de fournir les 150 litres d'eau utilisés en moyenne par jour et par habitant en France.

• Captage : L'eau est prélevée dans les nappes souterraines (via des puits et forages) ou dans les eaux de surface (rivières).

• Traitement : Si la qualité de l'eau est insuffisante, elle est traitée en usine pour devenir potable.

• Stockage : L'eau traitée est stockée dans des réservoirs (châteaux d'eau).

• Distribution (Adduction) : Elle est acheminée vers les usagers via un réseau de canalisations.

2. Assainissement des Eaux Usées

Après utilisation, l'eau souillée doit être traitée avant d'être rejetée dans le milieu naturel.

• Collecte : Les eaux usées sont collectées via un réseau d'égouts.

• Types de réseaux :

  • Réseau unitaire : Mélange les eaux usées et les eaux de pluie (système ancien posant des problèmes de surcharge des stations d'épuration).

  • Réseau séparatif : Collecte séparément les eaux usées (dirigées vers la station) et les eaux pluviales (souvent rejetées directement en rivière). C'est la tendance actuelle.

• Traitement : Les eaux usées sont traitées dans une station d'épuration (STEP).

• Rejet : L'eau traitée (effluent) est restituée à une rivière.

III. Les Forçages Naturels du Cycle de l'Eau

Le cycle de l'eau est contrôlé par des facteurs naturels, ou forçages.

A. Paramètres Orbitaux et Variations Climatiques

Les cycles de Milankovitch (variations de l'excentricité, de l'obliquité et de la précession de l'orbite terrestre) modifient sur des milliers d'années la quantité d'énergie solaire reçue, provoquant l'alternance de périodes glaciaires et interglaciaires.

• Période Glaciaire : Faible énergie solaire, faible taux de (), climat froid. D'immenses volumes d'eau sont stockés sous forme de glace, le niveau marin est bas ().

• Période Interglaciaire : Forte énergie solaire, taux de plus élevé (), climat chaud. La fonte des glaces libère de l'eau liquide, le niveau marin est élevé.

B. Le Cycle de l'Eau en Périodes Froides et Chaudes

Le fonctionnement hydrologique est radicalement différent entre ces périodes.

Les vallées fluviales actuelles sont un héritage de ces conditions passées, notamment des puissants écoulements des périodes froides.

IV. Les Forçages Anthropiques et leurs Impacts

Depuis la révolution industrielle, les activités humaines sont devenues un forçage majeur, perturbant tous les compartiments du cycle de l'eau.

A. Les Prélèvements d'Eau

La "Grande Accélération" a vu la consommation d'eau multipliée par 7 au XXe siècle.

• Agriculture : Principal consommateur mondial () pour l'irrigation.

  • Exemple catastrophique : L'assèchement de la mer d'Aral pour la culture du coton. Sa surface a été réduite de 66 000 km² à 7 000 km².

  • Controverse actuelle : Les méga-bassines, réservoirs de surface remplis par pompage dans les nappes, qui posent des questions de partage de la ressource et d'évaporation.

• Industrie et Énergie : Deuxième poste mondial, mais premier en France à cause du refroidissement des centrales nucléaires, qui prélèvent et évaporent des quantités d'eau colossales.

• Alimentation en Eau Potable (AEP) : Bien que minoritaire en volume, ce prélèvement est vital. Il est menacé par les fuites de réseaux et la pollution.

• Canaux de navigation : Nécessitent des prélèvements importants, pouvant causer l'assèchement local des rivières.

B. Les Rejets et les Pollutions

L'eau utilisée est rejetée, souvent chargée en polluants.

• Sources de pollution :

  • Diffuses : Agriculture (nitrates, pesticides).

  • Concentrées : Eaux usées domestiques, rejets industriels, ruissellement urbain.

• Conséquences :

  • Qualité médiocre de la plupart des cours d'eau français.

  • Abandon de captages d'eau potable devenus trop pollués.

  • Risques sanitaires : 1,8 milliard de personnes boivent de l'eau non dépolluée, entraînant des épidémies (choléra, typhoïde).

C. Les Altérations Physiques des Écosystèmes Aquatiques

• Imperméabilisation des sols : L'urbanisation augmente le ruissellement, provoquant des crues "éclair" rapides et violentes en ville.

• Occupation des zones inondables : En France, 22 millions de personnes vivent en zone inondable, augmentant la vulnérabilité aux crues.

• Disparition des zones humides : Drainées pour l'agriculture ou l'urbanisation, 50% de leur surface mondiale a disparu en un siècle. Or, elles sont des puits de carbone essentiels et des zones tampons pour les crues.

• Modification des cours d'eau : Endiguement, recalibrage, et surtout construction de barrages.

  Ces ouvrages créent une fragmentation écologique, barrant la route aux sédiments et aux espèces migratrices (ex: saumon), favorisant la prolifération d'espèces invasives (ex: silure).

V. Projections Futures et Actions à Mener

Les projections du GIEC dessinent un avenir où les perturbations s'intensifient.

A. Projections Climatiques et Hydrologiques

• Événements extrêmes : Augmentation de la fréquence et de l'intensité des sécheresses et des pluies diluviennes. Les contrastes saisonniers seront accentués (hivers plus humides, étés plus secs en France).

• Fonte des glaces et permafrost : La fonte du permafrost libère du méthane, un puissant gaz à effet de serre, créant une rétroaction positive qui accélère le réchauffement.

• Acidification des océans : L'absorption de rend l'océan plus acide, ce qui diminue sa capacité à absorber davantage de (autre rétroaction positive).

• Montée du niveau de la mer : Due à la dilatation thermique de l'eau et à la fonte des glaces continentales, elle menace les zones côtières du monde entier. Des inondations autrefois centennales pourraient devenir annuelles.

B. Actions et Stratégies d'Adaptation

Face à ces défis, une double approche est nécessaire :

1. Actions préventives (Atténuation) :

   • Baisse drastique des émissions de gaz à effet de serre : l'action la plus fondamentale.

   • Gestion raisonnée de l'eau à l'échelle du bassin versant.

   • Aménager des zones d'expansion des crues (ZEC) pour laisser l'eau déborder sans danger.

   • Lutter contre l'artificialisation des sols (Objectif "Zéro Artificialisation Nette" en France).

2. Actions curatives (Adaptation) :

   • Renaturation des corridors fluviaux et restauration des zones humides pour optimiser leurs services écosystémiques.

   • Défense côtière (digues) et repenser l'habitat dans les zones les plus vulnérables.

   • Mettre en place des accords transfrontaliers pour la gestion des ressources en eau partagées afin de prévenir les conflits.

Points Clés à Retenir

• Le cycle de l'eau est un système complexe, naturellement hétérogène dans l'espace et le temps, mais aujourd'hui fortement déréglé.

• Les activités humaines (forçages anthropiques) perturbent ce cycle à toutes les échelles, principalement via les émissions de GES, les prélèvements massifs et les altérations physiques des milieux.

• Le réchauffement climatique intensifie le cycle de l'eau, menant à des événements extrêmes plus fréquents, une montée des océans et un stress hydrique accru.

• Les écosystèmes aquatiques sont profondément dégradés par l'urbanisation, la pollution et la fragmentation due aux barrages.

• Des actions urgentes sont requises, combinant la réduction des émissions à la source (atténuation) et des stratégies d'adaptation locales et globales pour gérer une ressource en eau de plus en plus sous pression.