Le cycle hydrologique
- La notion de cycle hydrologique englobe les phénomènes du mouvement et du renouvellement des eaux sur la terre. Cette définition implique que les mécanismes régissant le cycle hydrologique surviennent conjointement. Le cycle hydrologique n'a donc ni commencement, ni fin.
- Les éléments qui composent le cycle de l’eau sont respectivement :
- Les précipitations : eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, sous forme liquide (bruine, pluie, averse) et / ou solide (neige, grésil, grêle) ainsi que les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre, ...).
- L’évaporation : passage de la phase liquide à la phase vapeur, il s'agit de l'évaporation physique.
- L’évapotranspiration : englobe les processus d’évaporation et de transpiration de la végétation
- L’interception : processus selon lequel la pluie (ou dans certains cas la neige) est retenue par la végétation, puis redistribuée en une partie qui parvient au sol et une autre qui s'évapore.
- Le ruissellement ou écoulement de surface : mouvement de l’eau sur ou dans les premiers horizons du sol (écoulement de subsurface), consécutif à une précipitation.
- Le stockage dans les dépressions : processus au cours duquel l’eau est retenue dans les creux et les dépressions du sol pendant une averse.
- L’infiltration : mouvement de l'eau pénétrant dans les couches superficielles du sol.
- La percolation : mouvement de l’eau en profondeur dans les sols faisant suite à l’infiltration.
Les formes de l’eau disponible sur Terre
- L'eau de la planète est présente naturellement sous diverses formes dans l'atmosphère, sur et sous la surface de la Terre, et dans les océans.
- L'eau douce ne constitue que 2,5% de l'eau de la planète et se présente essentiellement sous forme gelée dans les glaciers et les calottes glaciaires. Le reste de l’eau douce est principalement stockée dans les nappes phréatiques et seule une petite partie se trouve en surface et dans l’atmosphère.
- Examiner la façon dont l'eau voyage au cours de son cycle nous permet de mieux comprendre ses interactions avec l'environnement et de mieux évaluer la quantité disponible pour la consommation de l’homme.
- Les précipitations :tels que pluie, neige, rosée, etc. Elles jouent un rôle clé dans le renouvellement des ressources en eau et dans les conditions climatiques et la biodiversité locales. En fonction des conditions locales, les précipitations peuvent alimenter les rivières et les lacs, reconstituer les nappes phréatiques ou retourner dans l'atmosphère par évaporation.
- Les glaciers :stockent l'eau sous forme de neige et de glace et alimentent les cours d’eau locaux de quantités d'eau qui varient en fonction des saisons. Cependant, beaucoup s’amenuisent à l’heure actuelle en raison du réchauffement climatique.
- Les bassins fluviaux : constituent une « unité naturelle » très utile pour la gestion des ressources en eau et nombre d'entre eux s’étendent sur plus d'un pays. Le bassin fluvial de l'Amazone et celui du Congo-Zaïre comptent parmi les plus grands. Le débit des fleuves peut fortement varier d'une saison et d'une région climatique à l'autre. Comme les lacs contiennent de grandes quantités d'eau, ils peuvent atténuer les différences saisonnières dans le débit des rivières et des ruisseaux.
- Les zones humides : notamment les marécages, tourbières, marais et lagunes - recouvrent 6% de la surface émergée de la Terre et jouent un rôle clé dans les écosystèmes locaux et les ressources en eau. Beaucoup de ces zones humides ont été détruites, mais celles qui subsistent aujourd’hui peuvent encore jouer un rôle important dans la prévention des inondations et le maintien du débit des rivières.
- La quasi-totalité de l'eau douce non gelée se trouve sous la surface terrestre et constitue-les nappes phréatiques. Généralement de très bonne qualité, l’eau des nappes phréatiques est principalement extraite pour fournir de l'eau potable ou pour arroser les cultures dans les zones arides. On considère que les ressources sont renouvelables à partir du moment où la nappe phréatique n’est pas vidée plus rapidement que la nature ne lui permet de se reconstituer.
- Toutefois, dans de nombreuses régions sèches, les nappes phréatiques ne se renouvellent pas, ou alors très lentement.
Les ressources en eau disponibles sur Terre
 Disponibilité en eau douce, par Philippe Rekacewicz - La masse d’eau totale de l’hydrosphère ne varie pas au cours des années. L’eau change d’état au cours de son cycle mais sa quantité globale reste inchangée depuis 3 milliards d’années, date de son apparition sur Terre. C’est l’énergie solaire qui est le moteur du cycle de l’eau en entraînant ses changements d’état (Maurel, 2006).
- La quantité d’eau sur Terre est gigantesque : environ 1,4 milliards de km3, d’après les estimations de Shiklomanov et Rodda, 2003 (cité dans UNESCO, 2006). Cependant, 97,5 % de cette quantité se trouve sous forme d’eau salée et 2.5 % sous forme d’eau douce, soit environ 35 millions de km3.
69,5 % de l’eau douce se présente sous forme de glace et de neige permanente, 30,1 % sous forme d’eau souterraine, 0,27 % sous forme d’eau dans les lacs et rivières, 0,13 % sous une autre forme (atmosphère, humidité dans le sol, marais, etc.).
- Chaque année, 577 000 km3 d’eau se renouvellent sur Terre : c’est l’eau qui s’évapore de la surface de l’océan (502 800 km3) et des continents (74 200 km3). Cette quantité d’eau retombe lors des précipitations (458 000 km3 sur l’océan et 119 000 km3 sur les continents). La différence entre les précipitations et l’évaporation sur les continents (119 000 – 74 200 = 44 800 km3/an) représente l’écoulement total des rivières de la Terre (42 600 km3/an) et un écoulement direct des eaux souterraines vers l’océan (2 200 km3/an) (Shiklomanov, 1999).
- La notion de « ressource en eau » (ou « ressource en eau renouvelable », ou « ressource en eau disponible ») désigne les eaux liquides en écoulement, entrant dans le cycle annuel, accessibles aux usages humains. On parle alors « d’eau bleue ». Elle néglige l’eau de pluie utilisée directement par l’agriculture non irriguée, qui fait partie de ce qu’on appelle « l’eau verte », utilisée par l’ensemble des écosystèmes naturels (d’après Marsily, 2006).
- Il faut noter que l’eau verte produit 60 % de la nourriture mondiale (Cosgrove, 2000, Chap. 2, p.6 ; WCD, 2000, p. 49), mais que seule l’eau bleue mobilise de l’énergie.
- Les ressources en eau se constituent à partir des 45 000 km3/an d’eau douce qui s’écoulent sur Terre, mais on estime que seulement 10 000 à 12 000 km3/an sont utilisables. En effet, une partie de l’eau s’écoule en des lieux inhabités, une partie s’écoule trop vite pour être stockée et une certaine quantité d’eau doit continuer à s’écouler au sein des écosystèmes naturels et des nappes souterraines, pour ne pas mettre en danger les équilibres et dynamiques naturels.
- Remarquons toutefois que de grandes quantités d’eau douce ne sont pas comptabilisées dans les ressources en eau, car elles n’entrent pas dans le cycle annuel de l’eau : les glaces représentent 24 millions de km3 d’eau, les nappes souterraines 10 millions de km3 et les lacs 90 000 km3 (Marsily, 2006).
Usage mondial de l’eau
 Utilisation mondiale de l'eau par secteur - Le prélèvement total : il désigne la quantité totale prélevée annuellement pour les besoins domestiques, industriels et agricoles.
A l’échelle mondiale, il semble que les prélèvements n’exercent qu’une pression modérée sur les ressources en eau : ils ne représentent en 2000 que 9 % des ressources renouvelables et les consommations environ 5 %.
- Le prélèvement domestique : il comprend les prélèvements d’eau de consommation personnelle, ceux des établissements commerciaux, services publics et autres usages municipaux. Il peut inclure des données de prélèvements d’usines raccordées au système d’égout.
L’eau prélevée pour les usages domestiques représente 10 % des prélèvements totaux et 2 % des consommations. Le ratio consommation/prélèvement est de 14 %.
- Le prélèvement industriel : il comprend les prélèvements d’eau des usines non raccordées au système d’égout municipal, et peut comprendre, dans certains pays, l’eau de refroidissement utilisée par des usines.
La part des prélèvements industriels dans les prélèvements totaux est de 20 % et de 4 % pour les consommations. Le ratio consommation/prélèvement est de 11 %.
- Le prélèvement agricole : il comprend les prélèvements pour l’irrigation et l’élevage du bétail (d’après Lacoste, 2003).
Le principal utilisateur d’eau est l’agriculture irriguée (65 % des prélèvements et 84 % des consommations). Le ratio consommation/prélèvement de l’irrigation est de 70%. Ces prélèvements sont peu importants dans les pays tempérés. Mais plus le climat est sec, plus l’agriculture doit avoir recours à l’irrigation et plus sa part dans les prélèvements augmente. Des valeurs de l’ordre de 90 % sont fréquentes dans les pays arides (Marsily, 2006).
- Il faut noter que les barrages et réservoirs sont utilisés pour l’irrigation (secteur agricole), pour la production hydroélectrique (secteur industriel), pour l’approvisionnement domestique (secteur domestique), et pour le contrôle des inondations. L’eau évaporée par les barrages et réservoirs représente 5 % des prélèvements et 10 % des consommations totales.
 Usage de l'eau dans le monde
Gestion de l’eau
- La gestion de la ressource en eau s'inscrit dans ces considérations environnementales à travers le développement d'un corpus de principes, de méthodes et d'outils visant à la durabilité ou soutenabilité des hydro-systèmes.
- La gestion de la ressource dépasse les aspects techniques, pour intégrer d'autres dimensions : économique, écologique et environnementale, institutionnelle et sociale, gestion des risques et de l'incertitude, équité sociale et transfert de technologies (Loucks et Gladwell, 1999). Parce que la ressource établit un lien, parfois concurrentiel ou conflictuel, entre des usages divers et différents usagers, le concept d'arbitrage est donc au cœur de la gestion durable de la ressource en eau.
- Les principes de Gestion Intégrée des Ressources en Eau (Integrated Water Ressources Management, IWRM) (AIT, 2003) :
- L'eau est une ressource limitée et vulnérable : Une approche holistique (systémique) et institutionnelle est nécessaire, qui prend en compte la dynamique amont-aval des bassins versants.
- Une approche participative est nécessaire : Sur la base d'un principe de subsidiarité, la participation des usagers à la prise de décision doit être effective, dans le but d'atteindre un consensus.
- Les femmes doivent jouer un rôle-clef dans la gestion de l'eau
- L'eau est un bien économique : En cas de compétition pour la ressource, le prix détermine les conditions d'accès à l'eau. L'approvisionnement en eau doit être rentabilisé.
Gestion des eaux pluviales
 Gestion des eaux pluviales - Les eaux pluviales sont les eaux issues de précipitations non infiltrées dans le sol et rejetées depuis le sol ou les surfaces extérieures des bâtiments dans les réseaux d’évacuation et d’assainissement.
- La maitrise des eaux pluviales vise aujourd’hui à privilégier une gestion de proximité qui se traduit par des principes fondamentaux :
- Gérer l’eau de pluie le plus près du point où elle touche le sol: gestion à la source ou à la parcelle
- Limiter le ruissellement des eaux pluviales : flux, vitesse, volume, distance parcourue…
- Maitriser les pics de pluviométrie et diminuer la quantité d’eau rejetée au réseau
- Réduire les surfaces imperméabilisées ou compenser les effets de l’imperméabilisation : végétalisation des espaces, revêtements drainants…
- Stocker temporairement les eaux pluviales pour écrêter les flux
- Favoriser l’infiltration naturelle in situ pour recharger les nappes phréatiques.
- Développer le végétal dans le cycle de l’eau afin de favoriser l’évaporation de l’eau et l’évapotranspiration par la végétation : toitures terrasses végétalisés…
- L’objectif n’est donc plus désormais d’évacuer les eaux de pluie le plus loin et le plus vite possible via un réseau d’assainissement, mais de gérer les volumes d’eau à la parcelle, grâce à des ouvrages de stockage ou d’infiltration, et de les restituer à faible débit dans le réseau d’assainissement ou par infiltration dans le milieu naturel.
- La régulation des eaux pluviales à la source permet aussi de lutter contre les débordements des réseaux d’assainissement, de réduire les risques d’inondation de l’espace urbain et de pollution du milieu naturel.
- Les enjeux de la gestion des eaux pluviales :
- L’un des premiers enjeux d’une bonne gestion des eaux pluviales est l’aménagement du territoire. Elle permet de poursuivre l’urbanisation des secteurs où les réseaux de collecte sont saturés, alors que les techniques traditionnelles ne le permettent plus.
- Les espaces aménagés pour la gestion de l’eau peuvent jouer un rôle structurant et paysager. Moins minéraux, moins denses, ils constituent souvent des espaces de vie collectifs (jardins, terrains de sports, placettes). Ils représentent parfois une réelle opportunité technique et financière de créer des équipements publics
- Dans ce contexte, la perception de l’eau évolue. Le caractère simple, local et visible des ouvrages contribue à la sensibilisation et à l’éducation environnementale des citoyens. Ils peuvent être des acteurs de la gestion de l’eau, notamment lorsque les ouvrages se trouvent sur leurs terrains. La présence de l’eau rappelle le risque réel d’inondation.
- Différents principes de gestion « à la source » s’imposent pour réduire les risques d’inondation :
- Limiter l’imperméabilisation des surfaces ou compenser les effets de cette imperméabilisation, pour diminuer les quantités d’eau qui ruissellent et le risque d’inondation en aval.
- Limiter les volumes raccordés aux réseaux pour éviter leur débordement en aval (déconnexion et infiltration ou régulation).
- Les enjeux sont importants. Il s’agit de préserver :
- L’alimentation naturelle des nappes et des cours d’eau ;
- La qualité des milieux naturels ;
- Les usages de l’eau (baignade, alimentation en eau potable).
- L’infiltration sur place permet de maintenir les flux d’alimentation naturelle des nappes et petits cours d’eau amont, participant au maintien de la ressource. De plus, les eaux pluviales, interceptées au plus près du lieu où elles tombent sont moins chargées en polluants ; la pollution des milieux récepteurs est ainsi limitée.
- Un bassin de rétention des eaux pluviales est une zone de stockage des eaux pluviales, enterrée ou à ciel ouvert. Deux grandes fonctions peuvent être distinguées :
- Les bassins destinés à récupérer les eaux pluviales polluées issues de surfaces non-absorbantes créées pour les besoins d'aménagement humains. Ces dernières peuvent prendre de multiples formes comme les toitures d'immeubles ou de hangars, voiries et parkings, plates-formes de stockage...
- Les bassins destinés à provisoirement stocker de l'eau pour éviter des inondations en aval dans le bassin versant ; cette eau peut être peu à peu infiltrée vers la nappe ou lentement libérée en période d’étiage. Une zone tampon peut permettre de gérer les fluctuations dans l'apport des eaux de pluie issu de ces surfaces, afin de les restituer d'une manière homogène dans le milieu.
Gestion des cours d’eau
 Canal oued Medjerda, Tunisie - Pour passer à la gestion des cours d’eau, il faut parler de la morphologie des cours d’eau, cette morphologie correspond à la forme que les rivières adoptent en fonction des conditions climatiques et géologiques (nature du sol, débit, pente, granulométrie du fond, etc.). Leur aspect évolue ainsi d’amont en aval mais également de façon transversale : on parle alors de faciès d’écoulement.
- Situé au plus près du cours d’eau, le riverain est le premier acteur de son bon fonctionnement. Pour maintenir l’écoulement naturel de l’eau et assurer la stabilité des berges, il doit entretenir la rivière. Cela implique l’enlèvement des embâcles, l’abattage des arbres menaçant la tenue des berges et le rajeunissement de la ripisylve, conformément à la réglementation.
- Toutes les activités s’exerçant aux abords du cours d’eau peuvent avoir des conséquences directes sur le milieu. Pour préserver la qualité de l’eau et la morphologie du lit, elles doivent s’effectuer selon certaines conditions. Ainsi, le maintien d’une zone non traitée par des produits chimiques au bord de la rivière permet d’éviter la pulvérisation directe de pesticides dans l’eau. Autre exemple, l’aménagement d’abreuvoirs pour le bétail des pâturages adjacents permet d’éviter le piétinement des berges par les animaux.
- Les propriétaires d’ouvrages hydrauliques sont aussi des acteurs privilégiés de la vie de la rivière. Ils peuvent contribuer à limiter la fragmentation du milieu par une manœuvre adaptée des vannes. En automne et en hiver, l’ouverture coordonnée des vannes sur l’ensemble du cours d’eau permet un rétablissement partiel du transit sédimentaire et de la franchissabilité des ouvrages pour les poissons. Le retrait des ouvrages n’ayant plus d’utilité est une autre manière, plus durable, de rétablir la continuité.
Gestion de l’eau par le bassin versant
- Avant d'expliquer ce mode de gestion, rappelons ce qu’est un bassin versant. Appliqué aux eaux de surface, le bassin versant désigne un territoire délimité par les lignes de partage des eaux sur lequel toutes les eaux s’écoulent vers un même point appelé exutoire. On peut désigner un bassin versant autant pour une rivière que pour un lac ou une baie.
- Le bassin versant comme unité de gestion de l’eau :
- Considère toutes les interactions entre les ressources affectant l’eau sur l’ensemble de son territoire d’écoulement;
- Considère l’impact de tous les intervenants affectant la ressource eau même s’ils ne sont pas localisés dans une même unité administrative.
- Territoire isolé au point de vue de l’hydrologie
- Mode de gestion qui tient compte de tous les intervenants et de toutes les ressources comprises sur le territoire naturel d’écoulement des eaux.
- La mise en œuvre de la gestion intégrée de l’eau par bassin versant constitue un engagement majeur de la Politique nationale de l’eau adoptée à l’automne 2002, et vise en premier lieu la réforme de la gouvernance de l’eau. Cette forme de gestion tient compte des enjeux tant locaux que régionaux, et elle a pour fondement une approche écosystémique de la gestion des eaux basée sur les bassins versants. Elle permet de mieux comprendre et d’expliquer les problèmes liés à la quantité et à la qualité de l’eau et des écosystèmes aquatiques puis de trouver des solutions s'inscrivant dans une perspective de développement durable. Cette approche de gestion permet également de mieux établir les priorités d’action en tenant compte des impacts cumulatifs sur le milieu aquatique.
- Ainsi, une gestion intégrée de l’eau doit tenir compte de tout ce qui se passe dans le bassin versant, incluant autant les activités naturelles que les activités humaines. En ce sens, les sols, la végétation, les animaux et les êtres humains font partie d’un bassin versant.
 Barrage Sidi Salem, Béja, Tunisie Gestion des eaux souterraines
- Les eaux souterraines sont la principale source d’eau douce de l’humanité. Les techniques isotopiques permettent de déterminer l’origine et le taux de renouvellement de ces eaux, grâce à l’étude des isotopes stables et des radio-isotopes qu’elles contiennent naturellement.
- Les eaux souterraines représentent 30 % de l’eau douce de la planète. Le reste constitue les calottes polaires (69 %) ainsi que les fleuves et les lacs (1 %). La majeure partie des eaux souterraines est stockée à une grande profondeur dans des aquifères, des roches perméables et des sédiments. Ces eaux sont extraites à l’aide de puits de pompage. Souvent, les aquifères sont des ressources renouvelables, alimentées lentement par l’infiltration d’eaux de pluie pendant des centaines, voire des milliers, d’années.
- La croissance de la population mondiale, l’intensification de l’agriculture, l’augmentation de l’utilisation de l’eau dans l’industrie ont entraîné une hausse continue de la demande en eau souterraine. Dans de nombreuses régions, en raison de la surexploitation des aquifères accessibles, les responsables de la gestion de l’eau sont contraints de recourir à des eaux souterraines anciennes et profondes pour assurer l’approvisionnement en eau douce. À cela s’ajoute la menace que représente l’infiltration, dans les eaux souterraines, de contaminants et de toxines résultant des activités agricoles, industrielles ou urbaines, par exemple.
- Il est essentiel d’évaluer scientifiquement l’origine et le taux de renouvellement des aquifères pour pouvoir utiliser ceux-ci comme source d’approvisionnement en eau durable et fiable. L’étude des isotopes stables et des radio-isotopes naturellement présents dans les eaux souterraines permet de mieux connaître l’origine et le taux de renouvellement de ces eaux. Pour estimer l’âge des eaux souterraines, on utilise des isotopes entrant dans la composition de l’eau (hydrogène, oxygène), des radio-isotopes (tritium), le carbone dissous (carbone 14) et des gaz rares (hélium 3, hélium 4 et krypton 81).
- La gestion de la pollution des eaux souterraines est plus complexe, car il est extrêmement difficile de décontaminer un aquifère. On utilise des isotopes stables et des radio-isotopes (azote 15, carbone 13 et tritium) comme traceurs pour caractériser les sources de contamination et quantifier les transformations et la biodégradation des polluants dans les systèmes aquifères.
Gestion des eaux usées
- La plupart des activités humaines qui utilisent de l’eau produisent des eaux usées. Étant donné que la demande d’eau dans son ensemble augmente, la quantité d’eaux usées produites, et leur charge polluante globale, sont en augmentation constante dans le monde entier.
- Face à la demande en augmentation constante, les eaux usées prennent de l’ampleur en tant que source d’eau alternative fiable, modifiant ainsi le paradigme de la gestion des eaux usées de « traitement et élimination » à « réutilisation, recyclage et récupération de ressources ». À cet égard, les eaux usées ne sont plus considérées comme un problème en quête de solution, mais plutôt comme une partie de la solution aux défis auxquels les sociétés doivent faire face aujourd’hui.
- Les eaux usées peuvent également être une source rentable et durable d’énergie, de nutriments, et d’autres sous-produits utiles. Les bénéfices potentiels de l’extraction de ces ressources à partir des eaux usées dépassent de loin la santé humaine et l’environnement, et ont des implications sur la sécurité alimentaire et énergétique ainsi que sur l’atténuation du changement climatique. Dans un contexte d’économie circulaire, dans laquelle le développement économique est en équilibre avec la protection des ressources naturelles et le développement durable, les eaux usées représentent une ressource largement disponible et précieuse.
- Les eaux usées sont composées d’environ 99% d’eau et 1% de matières solides en suspension, colloïdales et dissoutes.
- Les conséquences de l’émission d’eaux usées non traitées ou mal traitées peuvent être classées en trois catégories :
- Effets nocifs pour la santé humaine.
- Impact négatif sur l’environnement.
- Répercussions néfastes sur les activités économiques.
- Le contrôle et la règlementation les différents flux d’eaux usées sont l’objectif ultime de la gestion des eaux usées. Le cycle de gestion peut être divisé en quatre phases :
- Prévention ou réduction de la pollution à la source
- Collecte et le traitement des eaux usées
- Utilisation des eaux usées en tant que source d’eau alternative
- Récupération de sous-produits utiles
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