Cycle de l'eau et ses états

Les notes suivantes sont extraites du cours "Environnement et ressources naturelles - Compartiment eau" de Christelle YACOU de l'Université des Antilles, année universitaire 2025-26, Licence Pro chimie analytique, qualité, contrôle, environnement (EC. 52.1).

Chapitre 2 : L'eau dans la nature

L'eau est une ressource essentielle à la vie, se présentant sous trois états naturels :

• Solide : neige et glace.
• Liquide : eau chimiquement pure ou chargée en solutés.
• Gazeux : à divers degrés de pression et de saturation.

Les changements de phase de l'eau dépendent de la température et de la pression. L'eau est un agent principal de transport d'éléments physiques, chimiques et biologiques en raison de sa circulation permanente et de ses changements d'état.

Le cycle hydrologique (ou cycle de l'eau)

Le cycle hydrologique englobe l'ensemble des phénomènes liés aux mouvements, pertes et renouvellements de l'eau sous toutes ses formes à la surface de la planète. Il se déroule en trois phases principales : superficielle, souterraine et atmosphérique.

Phases du Cycle de l'Eau

1. Évaporation et Évapotranspiration
   • Sous l'effet de la chaleur solaire, l'eau s'évapore et s'élève vers l'atmosphère à l'état de vapeur pure.
   • L'évapotranspiration est la somme de toutes les pertes d'eau transformée en vapeur. Elle comprend :
     • L'évaporation : passage direct de l'eau à l'atmosphère, dépendant de la différence entre la pression de vapeur saturante et la pression de vapeur réelle.
     • La transpiration des plantes : volume d'eau transitant par les plantes pour leur croissance et évaporé par les feuilles, phénomène non négligeable.
2. Condensation et Précipitations
   • En contact avec des masses d'air plus froides, la vapeur d'eau se condense et forme les nuages.
   • Les gouttelettes d'eau en suspension se chargent de poussières atmosphériques et absorbent des gaz comme l'O₂ et surtout le CO₂.
   • La réaction du CO₂ avec l'eau forme de l'acide carbonique :

     \mathrm{H_2O_{(l)}} + \mathrm{CO_2_{(g)}} = \mathrm{H_2CO_3}

   • Les précipitations (pluie, neige, grêle) atteignent le sol avec un pH acide, de l'ordre de 6.
3. Retour à la Mer

   L'eau a deux voies principales pour retourner à la mer après les précipitations :

   • L'infiltration dans le sol pour former des nappes souterraines. L'acidité de l'eau entraîne la dissolution des minéraux des sols calcaires.
   • Le ruissellement en surface du sol, formant torrents et rivières, entraînant des matières solides.

Le cycle de l'eau est alimenté par le soleil et fonctionne comme un gigantesque appareil distillatoire. Le bilan global (perte = gain) se résume par :

Précipitations = ruissellement + évaporation + transpiration + infiltration

Il est important de noter que l'eau, au cours de son cycle, n'est jamais pure à l'état naturel ; elle se charge d'éléments divers au contact des milieux traversés. L'eau utilisée pour la consommation domestique et industrielle est donc très éloignée de la simple formule $\mathsf{H}_2\mathsf{O}$.

Répartition des Ressources en Eau

La quasi-totalité de l'eau sur Terre (plus de 97%) est constituée par les océans, les mers et les lacs salés. Cette eau salée est difficilement utilisable en raison des coûts élevés de dessalement. L'accessibilité des réserves en eau douce est un problème majeur en raison de leur répartition inégale à la surface du globe, entraînant des défavorisations dans certaines régions.

Ressources en Eau Naturelles pour l'Homme

Pour ses besoins (consommation humaine, industrie, agriculture), l'homme utilise deux types de ressources naturelles :

• Les eaux de surface

  Déf : Toutes les eaux circulant ou stockées à la surface des continents (rivières, fleuves, lacs...).

  • Leur composition chimique dépend de leur parcours et est généralement riche en gaz dissous.
  • Les paramètres physiques (température, turbidité, coloration) varient saisonnièrement.
  • Ces ressources sont facilement accessibles mais fragiles et vulnérables à la pollution.
• Les eaux souterraines

  Déf : Toutes les eaux s'infiltrant dans le sol et le sous-sol qui ne sont ni réévaporées ni retournées à la mer par ruissellement (nappes aquifères).

  • Elles sont souvent de très bonne qualité bactériologique.
  • Leur température et composition chimique sont sensiblement constantes.
  • Elles présentent une absence quasi générale d'oxygène dissous.
  • Certaines nappes sont également vulnérables à la pollution.

Nappe aquifère

Une nappe aquifère est une zone de terrain poreux et perméable formant une roche-réservoir, limitée à la partie inférieure par une roche imperméable.

Situation de l'eau en Guadeloupe

La Guadeloupe (1650 km²) est caractérisée par un climat tropical tempéré par l'influence maritime et les alizés, des températures élevées (25°C) et un air humide toute l'année, avec une variation des précipitations selon les saisons humide et sèche.

Masses d'Eau en Guadeloupe

• Total de 47 cours d'eau enregistrés.
• 11 masses d'eau côtières (littorales).
• 6 masses d'eau souterraines.
• 1 plan d'eau (Retenue de Gaschet), le seul de plus de 50 ha.

Les cours d'eau sont principalement concentrés en Basse-Terre, particulièrement sur la "Côte-au-vent", offrant d'importantes ressources superficielles (rivières) et souterraines (sources). Les dépendances (Marie-Galante, Les Saintes) ne présentent que des ravines à écoulement temporaire.

Types de Masses d'Eau Souterraines

• Les masses d'eau sédimentaires calcaires de Grande-Terre et Marie-Galante.
• Les masses d'eau volcaniques de Basse-Terre et Saint-Martin.
• La Désirade présente des caractéristiques à la fois volcaniques et calcaires.

Les surfaces des principales masses d'eau souterraines (MESO) en Guadeloupe sont :

C - Entités présentes dans l'eau

1. Matières en suspension

Ce sont des matières solides que l'eau transporte sans dissolution jusqu'au point de prélèvement. Elles sont visibles à l'œil nu et d'origine diverse (débris de roche, sable, boue, argile, matières végétales, "rouilles"). Le paramètre clé pour les caractériser est la TURBIDITE (mesurée en NTU).

2. Matières organiques en solution

Elles résultent de la décomposition des végétaux et de la pollution industrielle. Elles sont à l'origine de la COLORATION et du MAUVAIS GOÛT de l'eau.

3. Matières colloïdales

Elles incluent les émulsions (huiles minérales, suies, argile colloïdale, etc.). Elles sont presque invisibles à l'œil nu (taille nanomètre-micromètre) et possèdent des charges électriques de surface ayant un effet de répulsion qui les maintient en suspension.

4. Matières vivantes

Il s'agit d'organismes vivants (végétaux et animaux) tels que champignons, algues, bactéries, larves d'insectes. Ces matières sont rarement présentes dans les eaux de distribution publique mais le sont souvent dans les eaux de puits.

5. Gaz dissous

Les principaux gaz présents dans l'eau sont l'azote ($\mathrm{N}_2$), l'oxygène ($\mathrm{O}_2$) et le dioxyde de carbone ($\mathrm{CO}_2$). Ils peuvent être sous deux formes : libre (gaz) ou dissoute. Leur solubilité dépend de la température et de la pression du milieu : elle augmente avec la pression et diminue avec la température.

6. Substances minérales dissoutes (ions majeurs)

L'ensemble des corps minéraux peut se dissoudre dans l'eau. Leur dissociation électrique (ionisation) produit des cations (ions positifs) et des anions (ions négatifs).

• Cations : $\mathrm{Ca^{2+}}$, $\mathrm{Mg^{2+}}$ (responsables de la dureté), $\mathrm{Na^+}$, $\mathrm{K^+}$.
• Anions : $\mathrm{HCO_3^-}$ (responsable de l'alcalinité), $\mathrm{Cl^-}$, $\mathrm{SO_4^{2-}}$, $\mathrm{NO_3^-}$.

Leur combinaison détermine la minéralisation de l'eau (résidu sec).

Exemple des sels de calcium :

7. Substances organiques dissoutes

• Acides humiques & fulviques : responsables de la coloration et ayant une réactivité avec les désinfectants.

8. Éléments traces métalliques (ETM)

• $\mathrm{Fe}$, $\mathrm{Mn}$ : souvent présents naturellement.
• $\mathrm{Pb}$, $\mathrm{Cd}$, $\mathrm{As}$ : généralement d'origine anthropique ou géochimique spécifique (volcanisme, sols ferrallitiques).

Qualité de l'eau et Analyse

La qualité de l'eau est déterminée par l'analyse de la nature et de la concentration des ions, des gaz et des matières organiques. Une analyse de l'eau peut porter sur plusieurs caractéristiques :

Les Titres (mesures globales d'ions)

Certains ions ayant des comportements similaires peuvent être analysés globalement et regroupés en "titres", exprimés en meq.l⁻¹ ou en °f (degrés français).

Le Titre Hydrotimétrique (TH ou Dureté)

Le TH mesure la somme des cations alcalino-terreux (ions calcium $\mathrm{Ca^{2+}}$ et magnésium $\mathrm{Mg^{2+}}$). Ces ions contribuent à la formation du tartre.

• TH total : mesure l'ensemble des ions $\mathrm{Ca^{2+}}$ et $\mathrm{Mg^{2+}}$.
• TH calcique : mesure uniquement les ions calcium.
• TH magnésien : mesure uniquement les ions magnésium.

Classification de la dureté de l'eau :

Les Titres Alcalimétriques TA et TAC

Ils mesurent les substances alcalines (hydroxydes, carbonates, etc.) présentes dans l'eau.

• TA (Titre Alcalimétrique simple) : mesure la totalité des bases libres, une des deux valences des ions carbonate et une des trois valences des ions orthophosphate.

  $\mathrm {T A} = \left[ \mathrm {O H} ^ {-} \right] + \frac {\left[ \mathrm {C O} _ {3} ^ {2 -} \right]}{2} + \frac {\left[ \mathrm {P O} _ {4} ^ {3 -} \right]}{3} $

  Le TA est mesuré in situ par addition d'acide titré en présence de phénolphtaléine (vire du rouge à l'incolore à pH 8,3). Le TA est nul si le pH de l'eau est inférieur à 8,3.

• TAC (Titre Alcalimétrique Complet) : mesure l'ensemble des anions suivants : hydroxydes $\mathrm{OH^-}$, carbonates $\mathrm{CO_3^{2-}}$, hydrogénocarbonates $\mathrm{HCO_3^-}$, hydrogénosilicates $\mathrm{HSiO_3^-}$, et deux des trois valences des ions $\mathrm{PO_4^{3-}}$.

  $\mathrm {T A C} = \left[ \mathrm {O H} ^ {-} \right] + \left[ \mathrm {C O} _ {3} ^ {2 -} \right] + \left[ \mathrm {H C O} _ {3} ^ {-} \right] + \left[ \mathrm {H S i O} _ {3} ^ {-} \right] + \frac {2 \times \left[ \mathrm {P O} _ {4} ^ {3 -} \right]}{3} $

  Le TAC est mesuré in situ avec du méthylorange (hélianthine), l'addition d'acide étant arrêtée lorsque l'échantillon vire du jaune franc au jaune orangé (pH 4,5). Le TAC est positif si le pH est supérieur à 4,5 (ce qui est le cas pour toutes les eaux naturelles).

Relations entre pH, TA et TAC pour différentes compositions d'eaux :

Détermination de la Qualité de l'Eau

La qualité de l'eau est évaluée en comparant les concentrations de substances physico-chimiques ou d'éléments biologiques à des concentrations de référence (réglementations et normes) établies en fonction des usages (potable, baignade, environnemental).

Code SANDRE

Le SANDRE (Système ANALYTIQUE de Données sur les Réseaux d'Eau) est un organisme national français qui définit les référentiels techniques et les formats normalisés pour l'échange de données sur l'eau entre les différents acteurs (laboratoires, services publics, exploitants, chercheurs).

Quelques exemples de codes SANDRE :

• pH : Code Sandre 1302
• Nitrates ($\mathrm{NO_3^-}$) : Code Sandre 1340
• Ammonium ($\mathrm{NH_4^+}$) : Code Sandre 1335 (note : 1328 est pour Carbonates)
• Dureté totale (TH) : Code Sandre 1599

Paramètres Principaux d'Analyse

Les principaux paramètres analysés pour déterminer l'état des masses d'eau incluent :

Paramètres d'Évaluation de l'État des Masses d'Eau

• Eaux superficielles (cours d'eau, plans d'eau, eaux côtières et de transition)
  • État chimique : 45 substances (pesticides, métaux, polluants industriels, etc.).
  • État écologique : comprend les éléments biologiques (faune et flore aquatique), hydromorphologiques et physico-chimiques (température, bilan d'oxygène, salinité, acidification, nutriments).
  • En plus pour les eaux douces : 31 polluants spécifiques.
• Eaux souterraines
  • État chimique : nitrates, pesticides, métaux, polluants industriels, etc.
  • État quantitatif.

Des listes de substances actives régionales (PPP - Produits Phytopharmaceutiques) et de micropolluants sont également surveillées, incluant des substances interdites (chlordecone) et des substances émergentes (caféine, ciprofloxacine, bisphenol A).

Points Clés

• L'eau existe sous trois états et est un agent de transport essentiel grâce au cycle hydrologique.
• Le cycle de l'eau est alimenté par l'énergie solaire, impliquant l'évaporation, la condensation et les précipitations acides.
• Les ressources d'eau douce sont inégalement réparties, incluant les eaux de surface (vulnérables) et les eaux souterraines (souvent de meilleure qualité mais également vulnérables).
• La Guadeloupe dispose de ressources en eau concentrées principalement en Basse-Terre, avec des spécificités géologiques pour ses nappes.
• Les entités présentes dans l'eau peuvent être classées en : matières en suspension, matières organiques en solution, matières colloïdales, matières vivantes, gaz dissous et substances minérales/organiques dissoutes.
• La qualité de l'eau est évaluée par l'analyse de ses caractéristiques physiques, physico-chimiques, chimiques et microbiologiques, en référence aux normes.
• Les "titres" tels que le TH (dureté) et les TA/TAC (alcalinité) sont des indicateurs clés de la composition ionique de l'eau.
• Le SANDRE est l'organisme de référence pour la normalisation des données sur l'eau en France.