LES FLUX SOUTERRAINS

Écoulements, sources, résurgences, drainage naturel et hydraulique lente : comprendre les mouvements invisibles de l’eau

L’eau qui pénètre dans le sol ne disparaît pas.

Elle entre dans un réseau souterrain complexe où elle peut :

s’infiltrer verticalement ;
circuler latéralement ;
alimenter une nappe ;
émerger sous forme de source ;
rejoindre un cours d’eau ;
être stockée pendant des mois, des années ou parfois beaucoup plus longtemps ;
être prélevée par les racines ;
ou poursuivre son trajet vers un autre bassin hydrogéologique.

Ces mouvements constituent les flux souterrains.

Ils sont l’une des parties les moins visibles du cycle de l’eau, mais aussi l’une des plus importantes pour comprendre les écosystèmes.

Une rivière visible en surface peut être alimentée par une rivière invisible sous nos pieds.

1. L’eau souterraine est en mouvement

Une nappe n’est pas nécessairement un réservoir immobile.

Même lorsque la vitesse est très faible, l’eau peut circuler sous l’effet :

de la gravité ;
des gradients de charge hydraulique ;
de la pression ;
des différences de potentiel ;
des variations de niveau de nappe.

On peut représenter simplement :

       ZONE DE RECHARGE              ↓         ↓    ↓    ↓────────────────────────       ZONE NON SATURÉE             ↓             ↓════════════════════════════        NAPPE / AQUIFÈRE════════════════════════════       → → → → → → →          écoulement                  ↓              SOURCE                  ↓               RIVIÈRE

2. Le gradient hydraulique

L’eau souterraine se déplace sous l’effet d’un gradient hydraulique.

De manière simplifiée : i=LΔh

où :

i = gradient hydraulique ;
Δh = différence de charge hydraulique ;
L = distance entre les deux points.

Plus le gradient est important, plus le potentiel d’écoulement est élevé, toutes choses égales par ailleurs.

3. La loi de Darcy

Pour un milieu poreux homogène, la relation fondamentale est : q=−Ki

ou : q=−KLΔh

avec :

q : flux spécifique ;
K : conductivité hydraulique ;
i : gradient hydraulique.

Le signe négatif indique que l’eau se déplace vers les charges hydrauliques décroissantes.

P=AF

P=FA=100 N2 m2=50 PaP=\frac{F}{A}=\frac{\text{100}\,\mathrm{N}}{\text{2}\,\mathrm{m}^2}=\text{50}\,\mathrm{Pa}P=AF=2m2100N=50Pa

FFF

AAA

m²

AAAFA

Donner un avis

Le principe est simple, mais ses applications deviennent rapidement complexes dès que le sous-sol devient hétérogène.

4. La vitesse réelle de l’eau

Le flux de Darcy n’est pas nécessairement la vitesse réelle de déplacement de l’eau.

Il faut tenir compte de la porosité efficace.

Une approximation peut s’écrire : v=neq

où :

v = vitesse moyenne effective ;
q = flux de Darcy ;
ne = porosité efficace.

Cette distinction est fondamentale lorsqu’on cherche à déterminer les temps de transfert.

5. L’hydraulique lente

Dans certains systèmes, les flux souterrains sont extrêmement lents.

Quelques exemples :

argiles ;
aquitards ;
formations peu perméables ;
aquifères profonds ;
systèmes à faible gradient.

L’eau peut alors mettre :

des mois ;
des années ;
des décennies ;
parfois des siècles ;

à parcourir certaines distances.

Cette lenteur donne au sous-sol une propriété particulière :

il constitue une mémoire hydrologique du territoire.

6. La mémoire hydrologique

Un sol superficiel peut réagir à une pluie en quelques heures.

Une nappe superficielle peut répondre en quelques jours ou semaines.

Un aquifère profond peut conserver la trace d’événements hydrologiques beaucoup plus anciens.

On obtient :

ATMOSPHÈRE  heures → jours       ↓SOL  jours → mois       ↓NAPPE SUPERFICIELLE  semaines → années       ↓AQUIFÈRE PROFOND  années → siècles

Les échelles dépendent naturellement des systèmes hydrogéologiques.

7. Les écoulements verticaux

Après infiltration, l’eau peut descendre sous l’effet de la gravité.

Ce flux est souvent appelé percolation.

Mais le déplacement vertical peut être ralenti ou interrompu par :

horizons argileux ;
roches peu perméables ;
niveaux compactés ;
nappes perchées.

L’eau peut alors changer de direction.

8. Les écoulements latéraux

Une fois dans une couche suffisamment perméable, l’eau peut circuler horizontalement ou selon une pente faible.

Exemple :

         pluie          ↓↓↓──────────────────────        sol          ↓          ↓──────────████████─────          → → → → →       écoulement latéral                    →                 SOURCE

Ces flux latéraux peuvent expliquer certaines zones constamment humides en bas de pente.

9. Les nappes perchées

Une couche peu perméable peut provoquer l’accumulation temporaire d’eau au-dessus d’une nappe principale.

On obtient une nappe perchée.

Elle peut alimenter :

sources temporaires ;
zones humides ;
végétation hydrophile ;
petits écoulements.

Ces systèmes sont particulièrement sensibles à la succession :

pluie → recharge → saturation → drainage → assèchement.

10. Les sources

Une source correspond à une émergence naturelle d’eau souterraine à la surface.

Elle peut apparaître lorsque :

la nappe rencontre la topographie ;
une couche imperméable force l’eau à émerger ;
une fracture conduit l’eau vers la surface ;
un système karstique concentre les écoulements.

11. Source de déversement

Une situation classique se produit sur un versant.

        relief          ╲           ╲            ╲             ╲──────────────╲────────       couche perméable         → → → →────────████████████────       couche peu        perméable             ● SOURCE             ↓           ruisseau

L’eau souterraine rencontre une couche moins perméable et ressort à flanc de coteau.

12. Les sources de contact

Une source peut apparaître à la limite entre deux formations présentant des perméabilités très différentes.

Par exemple :

sable sur argile ;
calcaire sur marne ;
graviers sur substrat peu perméable.

L’eau descend dans la couche perméable puis est contrainte de s’écouler latéralement.

13. Les sources de fracture

Dans certaines roches, l’eau circule principalement par :

fractures ;
fissures ;
failles.

Le flux peut être fortement concentré.

Une petite fracture peut donc transporter beaucoup plus d’eau qu’une grande surface de roche peu perméable.

14. Les résurgences

Le terme résurgence est particulièrement utilisé en contexte karstique.

L’eau peut pénétrer dans :

fissures ;
dolines ;
pertes ;
conduits souterrains.

Elle circule ensuite dans un réseau karstique avant de réapparaître en surface.

       PLUIE         ↓      DOLINE        ╲         ╲          ╲       ╔════════╗       ║ KARST  ║ →→→→       ╚════════╝                    ↓               RÉSURGENCE                    ↓                  RIVIÈRE

15. Source et résurgence : une distinction utile

Dans un ouvrage scientifique, il est préférable de distinguer :

Source : terme général pour une émergence d’eau souterraine.

Résurgence : terme généralement réservé à une réapparition d’eau ayant pénétré dans un système souterrain, notamment karstique.

La terminologie doit cependant être adaptée au contexte hydrogéologique régional.

16. Les sources temporaires

Toutes les sources ne fonctionnent pas toute l’année.

On peut distinguer :

sources pérennes ;
sources saisonnières ;
sources temporaires ;
sources liées aux événements pluvieux.

Le débit peut évoluer considérablement.

17. L’hydrogramme d’une source

On peut mesurer le débit d’une source dans le temps.

On obtient une courbe :

Débit ↑ │       /\ │      /  \ │     /    \____ │____/           \____ │ └────────────────────→ temps       pluie

Cette courbe peut fournir des informations sur :

la taille du système ;
la vitesse de réponse ;
le stockage ;
la restitution progressive.

18. Une source comme fenêtre sur le sous-sol

Une source est donc un observatoire naturel.

Son débit peut renseigner sur :

recharge ;
stockage ;
conductivité ;
saisonnalité ;
sécheresse ;
connexions hydrologiques.

C’est un point de mesure particulièrement précieux dans une démarche Omakëya™.

19. Le débit de base des rivières

Pendant les périodes sans pluie, certains cours d’eau continuent à couler.

Une partie de leur débit peut provenir :

des eaux souterraines.

On parle de débit de base.

Schématiquement :

          PLUIE            ↓      ┌───────────┐      │   NAPPE   │      └─────┬─────┘            ↓       débit de base            ↓         RIVIÈRE

20. La rivière peut également alimenter la nappe

La relation peut être inversée.

Selon le gradient hydraulique, un cours d’eau peut :

recevoir de l’eau de la nappe ;
perdre de l’eau vers la nappe ;
alterner entre les deux.

On parle de relations rivière–aquifère.

21. Les rivières gagnantes et perdantes

Rivière gagnante

La nappe alimente la rivière.

Rivière perdante

La rivière alimente la nappe.

Système mixte

Le comportement varie spatialement ou temporellement.

Cette relation est essentielle pour comprendre :

les sécheresses ;
les assecs ;
les zones humides ;
les échanges thermiques ;
la qualité des eaux.

22. Le drainage naturel

Le drainage naturel correspond au transfert spontané de l’eau hors d’un système de stockage.

Il peut se faire :

verticalement ;
latéralement ;
vers une rivière ;
vers une source ;
vers une nappe plus profonde.

Le drainage participe à la régulation du niveau des eaux souterraines.

23. Un sol peut être naturellement drainant

Un sol ou sous-sol très perméable peut permettre :

infiltration rapide ;
percolation importante ;
drainage profond.

À l’inverse, un horizon peu perméable peut ralentir fortement ces processus.

24. Les horizons peu perméables

Ils jouent parfois un rôle de barrière hydraulique.

Exemples :

argile ;
marne ;
roche compacte ;
horizon fortement cimenté.

Ils peuvent provoquer :

engorgement temporaire ;
ruissellement latéral ;
nappe perchée ;
émergence d’une source.

25. Les écoulements préférentiels

L’eau ne suit pas toujours un chemin uniforme.

Elle peut emprunter préférentiellement :

biopores ;
fissures ;
fractures ;
anciennes racines ;
galeries de lombrics ;
conduits karstiques.

Ces chemins peuvent considérablement accélérer le transfert.

26. Le paradoxe de l’écoulement préférentiel

Un sol peut avoir une faible conductivité hydraulique moyenne mais présenter localement des flux très rapides.

Cela signifie qu’une moyenne : Kmoyen

peut masquer des chemins préférentiels.

C’est un point critique pour :

pollution ;
nitrates ;
pesticides ;
recharge ;
transfert de chaleur.

27. Les flux souterrains et la pollution

Une molécule infiltrée peut suivre un chemin :

surface  ↓biopore  ↓fissure  ↓nappe

avec très peu de temps de contact avec la matrice du sol.

La capacité de filtration du sol peut alors être fortement réduite.

C’est pourquoi :

la restauration de la structure du sol doit être accompagnée d’une réflexion sur les flux préférentiels.

28. La température des eaux souterraines

Les eaux souterraines présentent généralement une température beaucoup plus stable que l’air de surface.

Cette inertie thermique est liée à :

profondeur ;
stockage ;
faible amplitude thermique ;
propriétés thermiques du sol et de la roche.

Les sources peuvent ainsi présenter une eau relativement fraîche en été et relativement douce en hiver par rapport aux températures extrêmes de l’air.

29. Les flux souterrains et les écosystèmes

Les eaux souterraines peuvent alimenter :

sources ;
zones humides ;
mares ;
rivières ;
végétation riparienne.

Leur influence dépasse donc largement le sous-sol.

Une modification de la nappe peut provoquer : baisse de nappe→baisse des sources→asseˋchement des zones humides→modification de la biodiversiteˊ.

30. Le rôle des racines

Certaines végétations peuvent accéder à des zones hydriques profondes.

Les racines peuvent :

capter l’eau de la zone non saturée ;
exploiter des nappes peu profondes ;
modifier la distribution de l’humidité ;
transférer de l’eau vers l’atmosphère.

Dans certaines conditions, des phénomènes de redistribution hydraulique peuvent également contribuer au transfert d’eau entre horizons.

31. L’hydraulique lente comme réserve climatique

Un système souterrain possédant une grande inertie peut amortir les variations rapides.

Par exemple :

Pluie extrême     ↓Recharge     ↓STOCKAGE SOUTERRAIN     ↓Restitution lente     ↓Source     ↓Rivière

Le sous-sol fonctionne alors comme une réserve tampon.

32. Mais cette inertie possède une contrepartie

Un aquifère lent se recharge lentement.

Donc :

un stock important n’est pas nécessairement un stock rapidement renouvelable.

Une exploitation excessive peut produire un déficit durable.

C’est particulièrement important pour les aquifères profonds.

33. Bilan hydrologique souterrain

À l’échelle d’un système : ΔSnappe=R+Alat−D−P−S

où, selon le système :

R = recharge ;
Alat = apports latéraux ;
D = drainage ;
P = prélèvements ;
S = sorties naturelles, par exemple sources.

Cette écriture doit être adaptée au système étudié.

34. Mesurer les flux souterrains

Une démarche scientifique peut associer :

Piézométrie

Mesure du niveau d’eau.

Débitmétrie

Mesure des sources et cours d’eau.

Conductivité hydraulique

Essais hydrauliques.

Traçage

Colorants ou traceurs adaptés au contexte.

Géophysique

Méthodes électriques, électromagnétiques ou autres techniques adaptées.

Isotopes

Étude de l’origine et du temps de résidence.

35. Le réseau Omakëya™ de surveillance

Pour un territoire étudié en profondeur :

        STATION MÉTÉO             ↓          PLUIE             ↓      ┌─────────────┐      │   SOL       │      └──────┬──────┘             ↓      PIEZOMÈTRE 1             ↓      PIEZOMÈTRE 2             ↓       SOURCE 1             ↓       RIVIÈRE             ↓       SOURCE 2

Les données peuvent être synchronisées.

36. Vers une courbe pluie → nappe → source

Un objectif particulièrement intéressant est de rechercher les décalages temporels : P(t)→H(t+Δt1)→Q(t+Δt2)

où :

P = pluie ;
H = niveau piézométrique ;
Q = débit de source.

On peut alors caractériser :

temps de réponse ;
stockage ;
inertie ;
restitution.

37. Le modèle conceptuel Omakëya™

Pour chaque territoire, il serait pertinent de construire un modèle conceptuel hydrogéologique :

Entrées

pluie ;
neige ;
irrigation ;
cours d’eau.

Stockages

sol ;
zone non saturée ;
nappes perchées ;
aquifère principal ;
aquifères profonds.

Flux

infiltration ;
percolation ;
écoulement latéral ;
drainage ;
sources ;
pompages.

Sorties

évapotranspiration ;
sources ;
rivières ;
captages ;
drainage régional.

38. Le jumeau numérique souterrain

À terme, ces données peuvent être intégrées dans un modèle numérique 3D.

       TOPOGRAPHIE            ↓      ┌───────────┐      │   SOL     │      ├───────────┤      │ HORIZON A │      ├───────────┤      │ HORIZON B │      ├───────────┤      │ AQUIFÈRE  │      ├───────────┤      │ SOCLE     │      └───────────┘          ↓ ↓ ↓      FLUX 3D

Le modèle peut ensuite simuler :

pluie ;
sécheresse ;
pompage ;
recharge ;
évolution climatique ;
modification de l’occupation du sol.

39. Applications à l’échelle d’un jardin

Même à petite échelle, cette compréhension est utile.

Elle permet de détecter :

zones constamment humides ;
sources temporaires ;
remontées de nappe ;
ruissellements souterrains ;
horizons imperméables ;
zones favorables aux mares ;
zones où un arbre peut accéder à une réserve profonde.

Un jardin peut ainsi être considéré comme une petite unité hydrologique intégrée au bassin versant.

40. Applications à l’échelle du territoire

À l’échelle d’un bassin versant, on peut chercher à préserver :

zones de recharge ;
zones humides ;
têtes de bassin ;
sources ;
nappes ;
corridors hydrologiques.

La stratégie devient alors :

protéger les zones où l’eau entre dans le système et les zones où elle ressort.

41. Principe d’ingénierie écologique

Une approche classique cherche souvent à évacuer rapidement l’eau.

L’hydrologie régénérative cherche davantage à :

ralentir → infiltrer → stocker → redistribuer → restituer lentement.

ÉVACUATION RAPIDE        ↓   perte du stockHYDROLOGIE RÉGÉNÉRATIVE        ↓ ralentissement        ↓ infiltration        ↓ stockage        ↓ flux souterrain        ↓ restitution lente

Il ne s’agit cependant pas de retenir toute l’eau partout : le fonctionnement naturel du bassin doit être respecté.

42. Les flux souterrains constituent le réseau invisible qui relie les sols, les nappes, les sources, les rivières et les écosystèmes.

Ils permettent de comprendre pourquoi :

une source peut continuer à couler longtemps après une pluie ;
une rivière peut rester alimentée pendant une sécheresse ;
une nappe peut mettre des années à se reconstituer ;
une pollution peut persister longtemps ;
une zone humide peut dépendre d’un écoulement souterrain invisible.

La notion essentielle à retenir est celle d’inertie hydrologique.

Plus le système souterrain est lent, plus il peut amortir les variations du climat — mais plus sa restauration et son renouvellement peuvent également prendre du temps.

Dans la Vision Omakëya™, le sous-sol devient ainsi une infrastructure naturelle à part entière : Sol→Zone non satureˊe→Aquifeˋre→Source→Rivieˋre

et cette infrastructure doit être diagnostiquée, mesurée, modélisée et protégée au même titre qu’un réseau hydraulique construit par l’homme.