LA RECHARGE DES NAPPES

Comprendre, mesurer et restaurer le transfert de l’eau depuis les précipitations jusqu’aux aquifères

La recharge des nappes constitue l’une des grandes fonctions hydrologiques d’un territoire.

Une pluie qui s’infiltre dans le sol ne rejoint pas nécessairement une nappe. Elle peut être :

interceptée par la végétation ;
stockée dans le sol ;
consommée par l’évapotranspiration ;
transférée latéralement ;
drainée vers un cours d’eau ;
retenue temporairement dans une nappe perchée ;
ou finalement atteindre la zone saturée d’un aquifère.

Comprendre cette succession de transferts permet de passer de la simple gestion de la pluie à une véritable hydrologie intégrée du territoire.

La recharge d’une nappe est le résultat d’un parcours de l’eau à travers l’ensemble du système sol–végétation–géologie–climat.

1. Qu’est-ce qu’une nappe souterraine ?

Une nappe souterraine est une zone du sous-sol où les pores ou fissures sont suffisamment remplis d’eau pour constituer un système aquifère exploitable ou hydrologiquement significatif.

Il faut distinguer :

Aquifère

Formation géologique capable :

de stocker de l’eau ;
et surtout de la transmettre.

Nappe

Eau souterraine occupant une partie de cet aquifère.

Aquitard

Formation qui transmet l’eau très lentement.

Aquiclude

Formation très peu perméable pouvant pratiquement empêcher les transferts à l’échelle considérée.

2. Un aquifère n’est pas nécessairement une grande « cavité »

Une représentation populaire imagine parfois une nappe comme un immense lac souterrain.

Dans la majorité des aquifères poreux, ce n’est pas le cas.

L’eau occupe :

les pores entre les grains ;
les fissures ;
les fractures ;
les conduits karstiques.

On peut schématiser :

        SOL──────────────────────        ↓ pluie        ↓ infiltration────────────────────── ZONE NON SATURÉE   pores partiellement       remplis d'eau──────────────────────      NIVEAU DE NAPPE══════════════════════      ZONE SATURÉE══════════════════════        AQUIFÈRE══════════════════════

3. Le cycle de recharge

Le parcours simplifié est :

             PRÉCIPITATIONS                    ↓             INTERCEPTION                    ↓                 SOL                    ↓              INFILTRATION                    ↓             ZONE NON SATURÉE                    ↓             PERCOLATION                    ↓             ZONE SATURÉE                    ↓                 NAPPE                    ↓          ÉCOULEMENT SOUTERRAIN             ↙            ↘          SOURCE       RIVIÈRE

Mais une partie importante de l’eau peut être consommée avant d’atteindre la nappe.

4. Le bilan simplifié de recharge

On peut écrire : P=I+R+ET+ΔS+D

avec :

P : précipitations ;
I : interception ;
R : ruissellement ;
ET : évapotranspiration ;
ΔS : variation du stockage dans le sol ;
D : drainage profond.

Dans une première approximation, la recharge profonde est associée à la fraction de D qui atteint effectivement la zone saturée.

5. La recharge n’est donc pas égale à l’infiltration

C’est une distinction fondamentale.

On peut avoir : infiltration eˊleveˊe

sans avoir : recharge eˊleveˊe.

Pourquoi ?

Parce que l’eau infiltrée peut être :

stockée dans le sol ;
absorbée par les racines ;
évaporée ;
transmise latéralement ;
retenue au-dessus d’une couche peu perméable.

Ainsi :

infiltrer n’est que la première condition de la recharge.

6. La zone non saturée

Entre la surface et la nappe se trouve généralement une zone où les pores contiennent simultanément :

de l’air ;
de l’eau.

Cette zone est essentielle.

Elle constitue une véritable zone de transfert hydrologique.

L’eau y subit :

infiltration ;
percolation ;
adsorption ;
réactions chimiques ;
absorption biologique ;
filtration ;
transformation des contaminants.

7. Le front de recharge

Lors d’un épisode pluvieux important, l’eau peut progresser vers le bas sous la forme d’un front d’humectation.

Avant pluie──────────────── surface████████████████████ sol humide ███--------------------     sol sec     ↓     ↓   nappeAprès pluie──────────────── surface████████████████████████████████████████████████  ← front humide       ↓       ↓       ↓════════════════════       NAPPE

La vitesse réelle dépend fortement des propriétés du sol et du sous-sol.

8. Les temps de transfert

L’une des caractéristiques les plus importantes d’un aquifère est son temps de transfert.

Une eau tombée aujourd’hui peut rejoindre :

une nappe superficielle en quelques jours ;
une nappe plus profonde en plusieurs mois ;
certains aquifères en plusieurs années ;
certains systèmes en plusieurs décennies ;
parfois davantage.

Il n’existe donc pas une seule « vitesse de l’eau souterraine ».

9. Temps de transfert ≠ vitesse d’écoulement

Il faut distinguer :

Vitesse de l’eau

Vitesse réelle de déplacement dans les pores.

Temps de transfert

Durée nécessaire à une molécule ou un volume d’eau pour parcourir un trajet donné.

Temps de résidence

Durée moyenne pendant laquelle l’eau reste dans le système avant d’en sortir.

Ces notions sont fondamentales en hydrogéologie.

10. Un exemple conceptuel

Imaginons :

profondeur de nappe : 20 m ;
vitesse effective moyenne : 0,1 m/j.

Une approximation simplifiée donnerait : t=0,120 t=200 jours

Mais ce calcul ne constitue pas une estimation hydrogéologique fiable à lui seul.

Pourquoi ?

Parce que le trajet réel peut être :

tortueux ;
hétérogène ;
préférentiel ;
ralenti par des horizons peu perméables.

11. La recharge rapide

Certaines situations favorisent des transferts rapides :

fissures ;
fractures ;
galeries ;
conduits karstiques ;
macropores ;
zones très perméables.

Dans un système karstique, par exemple, l’eau peut atteindre rapidement la zone saturée.

Cela augmente également la vulnérabilité aux pollutions.

12. La recharge lente

Dans un milieu relativement homogène et peu perméable, l’eau peut progresser beaucoup plus lentement.

On peut avoir :

pluie ↓sol ↓horizon B ↓horizon C ↓aquifère

avec des temps de transfert importants.

Cette lenteur peut contribuer à une certaine protection vis-à-vis des variations climatiques de court terme.

Mais elle signifie aussi que :

les effets d’une sécheresse ou d’une surexploitation peuvent apparaître avec retard.

13. Les aquifères libres

Dans un aquifère libre, la surface supérieure de la zone saturée constitue la nappe phréatique.

Elle est directement influencée par :

infiltration ;
précipitations ;
sécheresse ;
pompages ;
évapotranspiration ;
échanges avec les cours d’eau.

Le niveau de la nappe peut donc fluctuer relativement rapidement.

14. Les aquifères captifs

Un aquifère captif est confiné sous une formation relativement peu perméable.

La recharge peut alors se produire :

dans une zone d’affleurement ;
latéralement ;
à travers une zone de confinement ;
à partir d’un autre compartiment hydrogéologique.

Le temps de renouvellement peut être beaucoup plus long.

15. Les nappes perchées

Une nappe perchée peut se développer au-dessus d’un horizon peu perméable situé dans la zone non saturée.

Surface────────────────────       ↓↓↓       ↓↓↓───────████████──────      horizon peu       perméable     ~~~~~~~~~     NAPPE     PERCHÉE     ~~~~~~~~~───────────────      ↓      ↓ lent

Ces nappes peuvent être temporaires.

Elles jouent parfois un rôle important dans :

zones humides ;
alimentation végétale ;
petits écoulements ;
biodiversité.

16. La recharge diffuse

La recharge diffuse correspond à une infiltration relativement répartie sur une surface importante.

Elle peut provenir :

des précipitations ;
de l’infiltration sous végétation ;
de sols perméables.

C’est un mécanisme important dans de nombreux bassins versants.

17. La recharge concentrée

À l’inverse, l’eau peut se concentrer avant de pénétrer dans le sous-sol.

Exemples :

fossés ;
dépressions ;
mares ;
noues ;
cours d’eau ;
pertes karstiques ;
zones d’infiltration aménagées.

Cela peut augmenter localement la recharge.

Mais :

concentrer l’eau concentre également les risques de transfert des contaminants.

18. Les bassins d’infiltration

Un bassin d’infiltration peut être conçu pour :

recevoir l’eau ;
ralentir son déplacement ;
favoriser l’infiltration ;
réduire le ruissellement.

Mais son implantation doit tenir compte :

de la perméabilité ;
de la profondeur de nappe ;
de la géologie ;
des usages du sol ;
de la qualité de l’eau ;
des captages voisins.

19. Hydrogéologie : la géologie commande le système

La recharge dépend fortement de la géologie.

On peut rencontrer :

Aquifères alluviaux

Graviers, sables et dépôts fluviatiles.

Aquifères calcaires

Fissures, fractures et karst.

Aquifères dans les roches fracturées

Granites, schistes, roches métamorphiques ou cristallines.

Aquifères poreux

Sables et graviers.

Chaque système possède une architecture hydraulique différente.

20. Porosité et perméabilité

Il faut distinguer deux propriétés.

Porosité

Proportion de vides dans le matériau.

Perméabilité

Aptitude du matériau à laisser circuler l’eau.

Un matériau peut donc avoir :

beaucoup de pores mais une faible capacité de transmission.

C’est particulièrement important pour certaines argiles.

21. Conductivité hydraulique

La conductivité hydraulique K caractérise la facilité avec laquelle l’eau se déplace dans un milieu donné sous un gradient hydraulique.

Dans une formulation simplifiée de Darcy : q=−Kdldh

avec :

q : flux spécifique ;
K : conductivité hydraulique ;
h : charge hydraulique ;
l : distance.

Le signe négatif traduit le déplacement vers les charges hydrauliques plus faibles.

22. La loi de Darcy

La loi de Darcy constitue l’une des bases de l’hydrogéologie moderne.

Elle permet de relier :

propriétés du milieu ;
gradient hydraulique ;
flux d’eau.

Elle devient fondamentale lorsqu’on veut passer du simple diagnostic à la modélisation quantitative des nappes.

23. La nappe comme système dynamique

Le niveau d’une nappe résulte d’un équilibre entre :

Entrées

recharge ;
apports latéraux ;
infiltration depuis les cours d’eau.

Sorties

sources ;
cours d’eau ;
pompages ;
drainage ;
écoulements souterrains.

Schématiquement :

              RECHARGE                 ↓        ┌─────────────────┐        │      NAPPE      │        └─────────────────┘          ↓      ↓      ↓       SOURCE  RIVIÈRE  POMPAGE

24. Le niveau piézométrique

Le niveau piézométrique constitue une donnée fondamentale.

On peut suivre son évolution dans le temps :

Niveau  ↑  │      /\   │     /  \      /\  │____/    \____/  \____  │  └──────────────────────→ temps

Cette série temporelle permet de détecter :

recharge ;
sécheresse ;
pompages ;
tendances ;
décalages temporels.

25. Le temps de réponse d’une nappe

Une pluie importante ne provoque pas nécessairement une remontée immédiate du niveau.

On peut observer : pluie→infiltration→percolation→recharge→reˊponse pieˊzomeˊtrique

avec un décalage : Δt

Ce délai constitue une information hydrogéologique extrêmement précieuse.

26. Les isotopes : tracer l’âge de l’eau

L’hydrogéologie moderne dispose d’outils permettant d’étudier l’origine et l’âge relatif des eaux.

On peut notamment utiliser :

isotopes stables de l’eau ;
tritium ;
carbone 14 ;
certains gaz dissous.

Ils permettent d’étudier :

origine ;
renouvellement ;
mélange ;
temps de résidence.

27. La qualité des eaux souterraines

La recharge ne concerne pas uniquement la quantité.

Elle concerne également :

la qualité de l’eau qui pénètre dans l’aquifère.

L’eau peut transporter :

nitrates ;
phosphates ;
pesticides ;
métaux ;
hydrocarbures ;
sels ;
microorganismes.

Le sol peut jouer un rôle de :

filtre ;
tampon ;
réacteur biologique ;
échangeur chimique.

28. Le sol comme filtre

Pendant le transfert :

EAU DE PLUIE     ↓──────────────SOL     ↓adsorptionfiltrationdégradationtransformation     ↓ZONE NON SATURÉE     ↓AQUIFÈRE

Certains contaminants peuvent être :

retenus ;
transformés ;
dégradés ;
immobilisés.

D’autres peuvent traverser rapidement le système.

29. Les nitrates

Les nitrates constituent un exemple particulièrement important.

Ils sont :

très solubles ;
peu retenus par de nombreux sols ;
facilement transportés avec l’eau.

Une recharge importante sous une zone agricole peut donc contribuer au transfert des nitrates vers la nappe.

Cela montre pourquoi :

gestion de l’eau et gestion de l’azote doivent être conçues ensemble.

30. Le rôle de la végétation

La végétation peut :

intercepter la pluie ;
consommer l’eau ;
modifier la structure du sol ;
favoriser l’infiltration ;
réduire le ruissellement ;
modifier les flux préférentiels.

Mais il faut éviter l’idée simpliste selon laquelle :

« planter des arbres recharge toujours davantage les nappes ».

Les arbres consomment également de grandes quantités d’eau par évapotranspiration.

Le bilan dépend donc du contexte.

31. Forêt, prairie et sol nu

Trois systèmes peuvent présenter des bilans hydrologiques différents.

Sol nu

ruissellement potentiellement élevé ;
érosion ;
faible interception.

Prairie

couverture continue ;
racines nombreuses ;
infiltration potentiellement élevée.

Forêt

interception importante ;
forte activité racinaire ;
forte évapotranspiration ;
infiltration et redistribution dépendant du sol, du climat et de la structure.

Il faut donc raisonner en bilan hydrique complet, et non en fonction d’un seul processus.

32. La recharge et le changement climatique

Le changement climatique peut modifier :

quantité annuelle de pluie ;
saisonnalité ;
intensité des événements ;
durée des sécheresses ;
évapotranspiration ;
recharge efficace.

Une augmentation des pluies intenses ne signifie donc pas nécessairement une augmentation de la recharge.

Si le sol est sec et compacté : pluie intense→ruissellement

plutôt que : pluie intense→recharge.

33. Le paradoxe des pluies extrêmes

Une pluie de 100 mm peut représenter : 100 L/m2

Mais si une grande partie ruisselle, la recharge réelle peut rester faible.

À l’inverse, plusieurs pluies modérées peuvent permettre une recharge importante lorsque :

le sol est déjà structuré ;
l’évapotranspiration est faible ;
les sols sont suffisamment humides ;
le drainage profond est possible.

34. Le rôle des sols vivants dans la recharge

La logique Omakëya™ peut être résumée ainsi :

SOL VIVANT   ↓agrégats   ↓macropores   ↓infiltration   ↓stockage   ↓percolation   ↓recharge potentielle

Mais cette chaîne doit toujours être confrontée à :

géologie ;
profondeur de nappe ;
climat ;
végétation ;
évapotranspiration.

35. Restaurer la recharge sans polluer

C’est un principe majeur de l’hydrologie régénérative.

Il ne suffit pas de maximiser : Qrecharge

Il faut rechercher : Recharge suffisante+Qualiteˊ suffisante

Une infiltration très rapide d’une eau contaminée peut être écologiquement catastrophique.

36. Les zones de protection

Autour des captages d’eau potable, la conception hydrologique doit intégrer :

zones de protection ;
activités agricoles ;
stockage de produits ;
assainissement ;
ruissellement ;
infiltration ;
risques accidentels.

Le dimensionnement doit donc être réalisé avec une approche hydrogéologique complète.

37. Le bassin versant comme unité fondamentale

Une nappe ne peut pas toujours être étudiée indépendamment du territoire.

Il faut parfois considérer :

          BASSIN VERSANT       ╱                 ╲   pluie                   pluie     ↓                       ↓ sols ───────→ rivière ←──── sols     ↓ recharge     ↓   NAPPE     ↓ sources / rivière / captage

Le bassin versant devient alors l’unité de compréhension.

38. Le modèle Omakëya™ de recharge

Pour les futurs modèles numériques, on pourra conceptualiser : R=f(P,I,ET,S,K,G,T)

avec :

P : précipitations ;
I : infiltration ;
ET : évapotranspiration ;
S : stockage du sol ;
K : propriétés hydrauliques ;
G : géologie ;
T : temps de transfert.

Il ne s’agit pas d’une équation universelle de recharge, mais d’une structure de modèle permettant d’organiser les variables.

39. Les indicateurs hydrogéologiques Omakëya™

Un projet pourrait suivre :

Quantité

pluie ;
infiltration ;
drainage profond ;
niveau piézométrique ;
débit des sources.

Qualité

nitrates ;
conductivité ;
pH ;
température ;
oxygène dissous ;
contaminants spécifiques.

Dynamique

temps de réponse ;
temps de transfert ;
amplitude saisonnière ;
tendance pluriannuelle.

40. Vers le jumeau numérique hydrogéologique

À terme, les données pourraient être intégrées dans un modèle numérique :

          SATELLITE              ↓          TOPOGRAPHIE              ↓             SIG              ↓     ┌─────────────────┐     │ MODÈLE DU SOL   │     └────────┬────────┘              ↓        MODÈLE HYDRIQUE              ↓     ┌─────────────────┐     │ MODÈLE NAPPE    │     └────────┬────────┘              ↓       JUMEAU NUMÉRIQUE              ↓      SCÉNARIOS 2030      SCÉNARIOS 2050      SCÉNARIOS 2100

On pourrait alors simuler :

sécheresse ;
changement d’occupation des sols ;
nouveaux ouvrages ;
modification de l’agriculture ;
augmentation des surfaces imperméables ;
restauration des sols ;
évolution climatique.

41. Le principe fondamental du Tome 7

La recharge des nappes montre que :

l’eau souterraine n’est pas séparée du jardin, du champ ou de la forêt.

Elle est l’aboutissement d’une chaîne de processus : Atmospheˋre→Veˊgeˊtation→Sol→Sous-sol→Aquifeˋre

et inversement : Aquifeˋre→Sources→Rivieˋres→Sols→Veˊgeˊtation→Atmospheˋre

Le cycle de l’eau est donc véritablement souterrain et aérien à la fois.

42. Une politique de recharge efficace ne consiste pas simplement à « faire infiltrer davantage ».

Elle doit chercher à :

ralentir l’eau → favoriser l’infiltration → stocker dans le sol → permettre la percolation → protéger la qualité → recharger les aquifères → maintenir les sources et les cours d’eau.

Et surtout :

une nappe est un patrimoine hydrologique dont le temps de renouvellement peut être beaucoup plus long que celui d’un jardin, d’une culture ou même d’une génération humaine.

C’est pourquoi la conception Omakëya™ doit intégrer simultanément hydrologie de surface, pédologie, végétation, hydrogéologie et qualité des eaux.