Chapitre 6 sur 17 · L'eau et le temps qu'il fait
Chapitre 5. Ruissellement et infiltration
Ce qui arrive à une goutte de pluie une fois qu'elle a touché le sol, et ce qui décide si elle part en surface ou si elle descend.
Trois destins pour une même goutte
Une goutte de pluie qui touche le sol vient de terminer un voyage, et elle en commence un autre. Ce second voyage est celui que l'on regarde le moins et qui décide le plus : c'est lui qui remplit les rivières, les puits et les réservoirs, et c'est lui qui explique pourquoi deux villages voisins n'ont pas la même eau.
Trois destins se présentent, et Météo-France les résume en une phrase à propos du cycle : « une partie de l'eau ruisselle, alimentant les rivières », tandis que l'autre partie « s'accumule dans les glaciers ou s'infiltre dans le sol ». Il faut ajouter à ces deux-là un troisième destin, déjà connu du premier chapitre : une part de l'eau tombée repart directement dans l'air par évaporation, sans jamais couler ni descendre.
Ce chapitre traite des deux premiers, parce que le troisième a déjà été traité. Ruisseler, c'est glisser en surface le long de la pente. S'infiltrer, c'est entrer dans le sol et descendre entre les grains et les fissures. Une même averse fait toujours les deux à la fois, et la proportion entre les deux n'a rien d'accessoire : elle décide de la crue d'un côté, de la réserve d'eau de l'autre.
Les objectifs de ce chapitre
Chacun s'observe. À la fin du chapitre, ou bien vous le faites, ou bien vous savez quelle section relire.
- Nommer les trois destins possibles d'une eau tombée au sol.
- Distinguer un matériau perméable d'un matériau imperméable, et donner deux exemples de chacun.
- Décrire ce qu'est une nappe d'eau souterraine, et dire ce qui l'empêche de descendre plus bas.
- Citer quatre facteurs qui font pencher une averse vers le ruissellement plutôt que vers l'infiltration.
- Prévoir, pour un terrain décrit en une phrase, si l'eau partira surtout en surface ou surtout en profondeur.
Ce que ce chapitre suppose déjà acquis
Deux prérequis, installés par les chapitres précédents de ce volume : l'évaporation d'une part, la mesure d'une hauteur de pluie et son équivalence en litres par mètre carré d'autre part.
Perméable, imperméable : la propriété qui décide de tout
Un matériau est perméable quand l'eau peut le traverser, et imperméable quand elle ne le peut pas. Ce n'est pas une question de dureté ni d'apparence : un sable est meuble et perméable, une argile est meuble et imperméable, un calcaire fissuré est dur et perméable, un granite sain est dur et imperméable.
Ce qui rend un matériau perméable, ce sont les vides qu'il contient et surtout le fait que ces vides communiquent entre eux. Un sable est fait de grains qui laissent entre eux des espaces reliés : l'eau descend de proche en proche. Une argile est faite de particules minuscules et plates qui se collent les unes aux autres : les vides existent mais ils sont trop fins et trop mal reliés pour laisser passer l'eau à un rythme utile.
Cette propriété se vérifie chez soi en quelques minutes, et l'expérience de ce chapitre y est consacrée. Elle explique aussi une observation de tous les jours : après la même averse, un chemin de terre battue garde ses flaques pendant des heures alors qu'un carré de sable n'en a jamais eu.
Retenez enfin qu'un sol perméable peut cesser de l'être temporairement. Quand ses vides sont déjà pleins d'eau, il est saturé, et l'eau qui arrive ensuite n'a plus de place : elle ruisselle comme si le sol était imperméable. C'est ce qui explique qu'une pluie modérée tombant sur un sol déjà gorgé provoque parfois plus de ruissellement qu'un orage tombant sur un sol sec.
Où va l'eau qui s'infiltre
L'eau qui entre dans le sol ne s'arrête pas à la première couche. Eaufrance décrit le mécanisme : après les pluies, une partie de l'eau pénètre les pores et les fissures du sol, elle est entraînée par la gravité à travers le sol et elle s'infiltre dans le sous-sol jusqu'à être interrompue par un substratum imperméable.
Ce substratum imperméable est la clé de tout le dispositif. Sans lui, l'eau continuerait indéfiniment vers le bas et il n'y aurait ni nappe, ni source, ni puits. Avec lui, l'eau s'arrête et s'accumule au-dessus, remplissant tous les espaces vides de la roche qui la surmonte.
Cette roche poreuse ou fissurée qui contient l'eau porte un nom : c'est l'aquifère. Et l'eau qui remplit ses vides est la nappe. Eaufrance définit les eaux souterraines comme les « réserves d'eau stockées dans les roches poreuses et perméables du sous-sol », et précise que l'eau « s'accumule dans tous les espaces vides de l'aquifère ».
La nappe la plus proche de la surface s'appelle la nappe phréatique. Eaufrance la décrit en deux phrases : « Les nappes phréatiques sont celles qui se trouvent près de la surface. Leur faible profondeur les rend facilement accessibles pour les activités humaines. » C'est donc celle que l'on atteint en creusant un puits, et celle qui alimente la plupart des sources. Retenez que cette accessibilité a un revers exact : ce qui est facile à atteindre par le bas est facile à atteindre par le haut, et ce qui se répand en surface la rejoint.
Une nappe n'est pas immobile. Elle s'écoule très lentement, en suivant la pente du substratum, et elle finit par ressortir quelque part : à une source, dans le lit d'une rivière, ou directement à la mer. Le chapitre suivant montrera que ce retour à la rivière est ce qui fait qu'un cours d'eau coule encore en plein été, longtemps après la dernière pluie.
Les mots à retenir
Cinq mots. Les trois derniers forment un ensemble : la roche, l'eau qu'elle contient, et ce qui l'arrête.
- Le ruissellement
- L'écoulement de l'eau à la surface du sol, en suivant la pente. Il est rapide, il emporte de la terre et il alimente directement les cours d'eau.
- L'infiltration
- L'entrée de l'eau dans le sol par ses pores et ses fissures, puis sa descente sous l'effet de la gravité. Elle est lente et elle alimente les réserves souterraines.
- L'aquifère
- La roche poreuse et perméable du sous-sol, ou la roche fissurée, qui est capable de contenir de l'eau et de la laisser circuler.
- La nappe
- L'eau elle-même, accumulée dans tous les espaces vides de l'aquifère. La nappe phréatique est celle qui se trouve près de la surface, et sa faible profondeur la rend facilement accessible pour les activités humaines.
- Le substratum imperméable
- La couche compacte qui interrompt la descente de l'eau souterraine et sur laquelle la nappe repose. Sans elle, il n'y aurait ni nappe, ni source, ni puits.
Ce qui fait pencher la balance
Ce qui favorise l'infiltration
- Un sol perméable : sable, graviers, calcaire fissuré.
- Un terrain plat ou en pente douce, qui laisse à l'eau le temps d'entrer.
- Une pluie lente et régulière, qui n'apporte pas plus que le sol ne peut absorber.
- Une couverture végétale : les racines ouvrent des passages et les feuilles freinent la chute des gouttes.
- Un sol sec au départ, dont les vides sont disponibles.
Ce qui favorise le ruissellement
- Un sol imperméable : argile, roche saine, et surtout bitume, béton, toitures.
- Une pente forte, qui emporte l'eau avant qu'elle ait pu entrer.
- Une pluie intense et brève, qui apporte plus vite que le sol n'absorbe.
- Un sol nu, tassé ou battu par les gouttes, dont les pores se referment en surface.
- Un sol déjà saturé, dont les vides sont pleins.
Le piège de ce chapitre : se représenter une nappe comme un lac souterrain ou une rivière dans une grotte. Dans l'immense majorité des cas, il n'y a ni salle, ni courant visible, ni surface libre : il y a de la roche, et de l'eau dans les vides de cette roche, comme l'eau d'une éponge. Une nappe, c'est un volume de roche mouillée. La représentation en lac souterrain conduit à deux erreurs graves : croire qu'une nappe se remplit vite parce qu'on la voit comme un récipient, et croire qu'elle est protégée parce qu'on l'imagine fermée. Ni l'un ni l'autre. ET UNE PRÉCISION QUI SORT DU CADRE DE CE LIVRE : le sol filtre certaines particules, il ne rend aucune eau potable pour autant. Une eau de source, de puits ou de nappe ne se boit jamais sur la foi de son origine.
Exemple travaillé. Deux terrains, une même averse
Énoncé : « Un orage apporte 25 mm en vingt minutes. Il tombe sur un coteau argileux en forte pente, labouré et sans végétation, et sur un plateau sableux plat couvert d'herbe. » Où l'eau ruisselle-t-elle le plus ? Exemple guidé jusqu'à l'avant-dernière étape.
- Écrire ce que l'on cherche
On cherche à comparer la part de ruissellement de deux terrains recevant exactement la même pluie. La pluie étant identique, elle ne peut pas expliquer la différence : tout viendra des terrains. - Relever les facteurs du premier terrain
Coteau argileux : sol imperméable. Forte pente : l'eau part vite. Labouré et sans végétation : sol nu, donc pores refermés par le battement des gouttes, et rien pour freiner. Trois facteurs sur trois poussent au ruissellement. - Relever les facteurs du second terrain
Plateau sableux : sol perméable. Plat : l'eau reste sur place et a le temps d'entrer. Couvert d'herbe : les racines ouvrent des passages et les brins freinent les gouttes. Trois facteurs sur trois poussent à l'infiltration. - Tenir compte de l'intensité
25 mm en vingt minutes est une pluie intense. Ce facteur-là joue contre l'infiltration sur les DEUX terrains : même un sable ne peut absorber qu'à un certain rythme. Il faut donc s'attendre à un peu de ruissellement partout, y compris sur le plateau. - À vous : concluez et chiffrez l'apport
Dites lequel des deux terrains ruisselle le plus, puis calculez combien de litres d'eau ce même orage a déposés sur un hectare, c'est-à-dire sur 10 000 mètres carrés. La relation nécessaire est au chapitre 4. Vérifiez au corrigé de l'auto-évaluation, question 5.
Expérience 6. Faire ruisseler et faire infiltrer, côte à côte
Ce qu'il faut : deux barquettes ou deux boîtes basses identiques, du sable ou de la terre de jardin, une assiette plate, un arrosoir ou une bouteille percée d'un petit trou, un verre doseur, un cahier. SÉCURITÉ : cette expérience se fait avec l'accord d'un adulte, et l'adulte est présent. Elle mouille : c'est l'adulte qui choisit l'endroit, dehors ou dans un évier, jamais sur un sol glissant ni près d'un appareil électrique. Le sable et la terre se lavent des mains après, avant de toucher quoi que ce soit d'autre.
- Préparer les deux terrains
Remplissez la première barquette de sable ou de terre, sur trois ou quatre centimètres, sans tasser. Laissez la seconde vide et posez au fond l'assiette plate, retournée : elle jouera le rôle d'une surface imperméable, comme une dalle de béton. - Incliner les deux de la même façon
Calez les deux barquettes avec le même objet sous un même côté, de sorte que les deux pentes soient identiques. Une seule variable doit changer d'une barquette à l'autre : la nature de la surface. Si les pentes diffèrent, l'expérience ne prouve plus rien. - Placer un récipient au bas de chaque pente
Posez un verre au point bas de chaque barquette, de façon à recueillir ce qui s'écoule en surface. C'est ce verre qui mesurera le ruissellement. - Arroser identiquement
Mesurez au verre doseur la même quantité d'eau pour les deux, par exemple un quart de litre. Versez lentement et régulièrement, à la même hauteur et pendant la même durée, avec l'arrosoir ou la bouteille percée. Une pluie versée d'un coup n'est pas une pluie. - Mesurer ce qui est arrivé en bas
Versez le contenu de chaque verre de collecte dans le verre doseur et notez les deux volumes. La différence entre l'eau versée et l'eau recueillie est la part qui n'a pas ruisselé. - Lire le résultat
La barquette à l'assiette recueille presque tout : l'eau a ruisselé. La barquette de sable ou de terre recueille peu ou rien : l'eau s'est infiltrée. Vous venez de reproduire, sur trente centimètres, la différence entre un versant boisé et un parking. - Refaire la même chose sur un sol déjà mouillé
Recommencez sur la barquette de terre sans l'avoir laissée sécher. Le verre de collecte recueille cette fois beaucoup plus. Vous venez de montrer la saturation : un même sol, une même pluie, et un ruissellement bien plus fort parce que les vides étaient déjà pleins.
Ce qu'il faut retenir de ce chapitre
- Une eau tombée au sol a trois destins : ruisseler en surface, s'infiltrer, ou repartir dans l'air par évaporation.
- Un matériau est perméable quand ses vides communiquent et laissent passer l'eau ; un sable est perméable, une argile ne l'est pas.
- L'eau infiltrée descend jusqu'à un substratum imperméable, s'arrête et remplit les vides de la roche qui le surmonte.
- Cette roche est l'aquifère, l'eau qu'elle contient est la nappe, et la nappe phréatique est la plus proche de la surface, donc la plus facilement accessible et la plus exposée.
- Une nappe n'est pas un lac souterrain : c'est un volume de roche mouillée, qui s'écoule très lentement.
- La part qui ruisselle augmente avec la pente, l'imperméabilité, l'intensité de la pluie, l'absence de végétation et la saturation préalable du sol.
Auto-évaluation du chapitre 5
Répondez par écrit, avec les seules connaissances données par ce volume jusqu'ici. Le corrigé est regroupé en fin de volume.
- Un sable et une argile sont tous les deux meubles. Pourquoi l'un est-il perméable et l'autre non ?
- Décrivez en trois phrases ce qui arrive à une goutte qui s'infiltre, jusqu'à ce qu'elle s'arrête. Employez les mots aquifère, nappe et substratum imperméable.
- Une pluie fine tombe pendant six heures sur un sol déjà gorgé d'eau. Un orage bref tombe sur le même sol après trois semaines de sécheresse. Dites d'abord ce que l'énoncé permet de trancher et ce qu'il ne permet pas, puis nommez les facteurs qui jouent dans chaque cas.
- Un quartier remplace un parc par un parking. Citez deux conséquences pour l'eau, l'une en surface et l'autre en profondeur.
- Reprenez l'exemple travaillé des deux terrains : concluez sur celui qui ruisselle le plus, puis calculez le volume d'eau reçu par un hectare sous 25 mm de pluie.