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,~ CORAF r c s .~ [I!E!J Atelier de Formation aux Techniques d'Etude de l'eau dans le système Sol - Plante - Atmosphère Mbour, 30 Novembre - 10 Décembre 1992 Cours d' hydrologie n? 1 Le Cycle de l'eau Par Jean Albergel & Erik Braudeau 1. Introduction Ce cours doit servir de rapide introduction aux concepts et méthodes expérimentales qui seront présentés au cours de l'atelier. Le cycle de l'eau peut être présenté à différentes échelles: à l'échelle planétaire on parlera des océans, des calotes glaciaires, de l'eau contenue dans l'atmosphère... à l'échelle continentale on parlera du bilan hydrologique d'un grand bassin fluvial, telle Niger, le Nil, le Congo, ou encore l'Amazone... à l'échelle de la motte de terre on parlera des transferts d'eau dans la structure poreuse du sol. Pour parler du cycle de l'eau dans le système Sol - Plante - Atmosphère nous choisirons deux échelles: - Echelle du versant: C'est l'échelle d'intégration des relations entre les différentes unités de paysage. C'est le niveau essentiel pour la compréhension de la répartition des flux qui conditionnent les cycles de la végétation. - Echelle de la petite parcelle: C'est l'échelle caractéristique de l'état de surface élémentaire. Son rôle est déterminant dans les phénomènes de ruissellement en zone sahéliène. C'est également à ce niveau que sont étudiés les processus d'alimentation hydrique des plantes. 2. Bref historique du concept de cycle de l'eau Depuis la plus haute antiquité les crues des fleuves ont été suivies par des grandes civilisations agricoles (Egypte, Mésopotamie...). Des réalisations hydrauliques de captage des eaux souterraines existent depuis le 8ème siècle Av. J.C. ( qanat près du lac de Van en turquie actuelle). Mais c'est dans J'ancien testament (suivant L'Hôte, 1990) que l'on trouve la première notion intellectuelle du cycle de l'eau. Les deux versets suivants sont les premières citations se rapportant aux composantes atmosphériques et superficielles du cycle de l'eau: Ecclésiaste Prologue -7 (975 av J.C.l : " Tous les torrents vont à la mer, et la mer n'est pas pleine. Au lieu où les torrents vont, là, ils retournent pour aller" Amos V-8 (vers 800 av J.C.) : " Cherchez Le... Il appelle les eaux de la mer, et les répand sur la surface de la terre. L'Eternel est son nom" Ce dernier thème de "l'antique difficulté" d'admettre que les océans ne s'élèvent pas davantage malgré l'apport incessant des fleuves sera abondamment repris et discuté au cour des siècles par de nombreux philosophes et auteurs. L'Hôte (1991) cite: Aristote (384-322 av J.C.), Lucrèce (99-55 av J.C.), Saint Basile (330-379 ap J.C.), le commentateur de la bible Abraham Ibn Ezza (1085-11641 et plus près de nous le Père J. François, professeur de Descartes, dans la science des eaux (1653). De l'époque biblique au moyen âge, de nombreux philosophes, naturalistes, poètes, physiciens, géographes ont traité des mouvements des eaux dans la nature et de leur relation en s'inspirant des théories des philosophes grecs; et notamment des "météorologiques" d'Aristote. A partir de la Renaissance (15 éme siècle), jusqu'à l'année 1800 environ, les observations, les théories, les expériences et les mesures ont permis d'affiner la connaissance de plus en plus exacte que nous avons aujourd'hui du cycle de l'eau (Léonard de Vinci). Au début du 19ème siècle, tous les éléments du cycle de l'eau (pluie, ruissellement, infiltration évaporation) ont été appréhendés et décrits. Ouelques-uns ont même fait l'objet de quantifications dont les ordres de grandeurs sont assez exacts. Ouelques observations: suivies d'hydrométrie, de pluviométrie et de météorologie ont déjà commencé. Ces mesures en des lieux fixes préfigurent les futurs réseaux nationaux puis internationaux qui seront organisés peu à peu au cours des 19ème et 20ème siècles. Durant ces deux siècles, les mesures et les expériences vont se multiplier; les fondements modernes des sciences de l'eau vont être fermement établis, notamment l'hydraulique et l'hydraulique souterraine. 2 2. Quelques ordres de grandeur pour quantifier le cycle de l'eau sur la terre Le tableau 1 montre les quantités d'eau présentes sur terre, sous différentes formes Tableau 1 : Teneur en eau des différentes parties de la terre (Bussart, 1966) Différents domaines Lithosphère primaire Roches sédimentaires Océans et mers Glace des calottes polaires et glaciers Eaux continentales de surface et de subsurface Eaux de circulation souterraine profonde Vapeur d'eau atmosphérique Eau Kg/cm 2 4900 35.4 258 0.87 0.82 5.6 0.0026 Géogrammes (10 20g) 250000 1812 13220 45 41.7 288 0.13 L'eau est en perpétuelle migration cvclioue de la mer à la mer avec comme états intermédaires les plus importants, la glace des calottes polaires et la vapeur d'eau atmosphérique. Cette dernière représente au dessus des océans un volume dix fois plus important qu'au dessus des continents. A chaque cm" de sol terrestre, correspond en moyenne 300 kg d'eau répartis comme suit: kg Eau de mer 258.0 Eau continentale 41.8 Glace continentale 0.87 Vapeur d'eau 0.003 Pour expliquer la présence d'eau sur la planète terre deux hypothèses sont avancées: hypothèse de Rubey (19511 : En tenant compte de la teneur des gaz volcaniques en vapeur d'eau juvénile (0.8%),et la durée des temps géologiques (3.1 0 9 années), toute l'eau des océans et des continents provient de l'arrivée en surface de cette eau juvénile par les sources thermales et émanations liées à l'activité volcanique. La composition chimique actuelle des eaux juvéniles et des eaux de mers ne permet pas d'étayer cette hypothèse. hypothèse de Dauvillier (1947) : La première mer est antérieure à la constitution de la croûte terrestre actuelle. Elle résulte de la condensation d'une vapeur d'eau produite par la réduction des oxydes primitifs ayant lessivé une "mer" d'hallogénures alcalins solidifiés. Cette hypothèse semble infirmée par l'étude géologique des terrains antécambrien les plus anciens qui rend peu probable l'existence d'une eau de mer de composition actuelle et ayant été à température élevée. Sur les 71 % de surface terrestre occupés par les mers , le soleil provoque une évaporation intense. On estime à 383000 km3 (3.83 Gg) la quantité d'eau quittant ainsi annuellement la surface des océans. 346000 km3 (3.46 Gg) reviennent directement à la mer par les précipitations, après un séjour plus ou moins prolongé dans les couches atmosphériques. 37000 km 3 seulement <0.37 Ggl sont entrainés au dessus des continents par les courants aériens et arrivent au sol lors des précipitations. Ces dernières, de l'odre de 99000 km3 (0.99 Ggl sont également alimentées par l'évaporation et la transpiration des eaux du sol ou des réserves de surface (62000 km 3 ). On différencie quatre grandes étapes du cycle de l'eau: 3 A ) Les précipitations Les précipitations, suivant la température et le taux d'humidité des masses d'air sont de la rosée, des pluies, de la neige, de la grêle, du givre ou du verglas. La répartition des masses d'air humide et les précipitations qu'elles induisent, sont régies par les grands paramètres de la planète: rotation de la terre, position relative des océans et des continents, position des zones dépressionaires, déplacement des anticyclones et des fronts, convection thermique. Localement, le relief, la présence de grands lacs, de forêts, ... peuvent influencer la répartion et la forme des précipitations. Dans cet atelier un cours spécifique sur la genèse des pluies au Sahel est programmé. B ) L'écoulement Une partie des précipitations qui arrivent sur les continents se transforme en écoulement. Un écoulement à travers le sol qui rejoint les nappes phréatiques et ressurgit aux points bas de la topographie. Un écoulement directement à la surface du sol suivant les lignes de plus grande pente et que l'on appelle ruissellement. La pluie, mais aussi la glace et la neige ont une action physique d'érosion et une action chimique de dissolution sur les terrains sur lesquels elles tombent. Ainsi se forment des cours d'eau de plus en plus gros et dont l'action dépend du relief et de l'importance du bassin versant. On estime à 35000 krnê la quantité d'eau qui arrive chaque année effectivement dans l'océan. Les cinq plus grands fleuve du monde représentent plus de 22% de ce débit (Amazone: 3210 krn? , Congo: 2130 km" , Gange: , 200 krn" , Yang Tsé Kiang: 690 km3 , Mékong: 500 krnê) (Dussart, 1966) C ) Stockage Les glaciers et calotes glacières sont des lieux où le cycle de l'eau est fortement ralenti. Les réservoirs souterrains profonds sont également des lieux de stockage importants des eaux continentales. L'eau comme la glace a tendance à rejoindre au plus vite le point bas le plus proche. Ce point bas n'est pas toujours l'Océan. Il existe de nombreux bassins fermés dans lesquels les eaux se concentrent sans jamais atteindre la mer (mers fermées Caspienne. Aral, lac Tchad, lac Salé de l'Utah. crvptodépressions en dessous du niveau marin comme la mer Morte). D ) Retour à l'atmosphère Le retour à l'atmosphère de toute l'eau accumulée dans les océans et les continents se fait par évaporation. L'évapotranspiration, phénomène si important du point de vue de la croissance végétale n'intervient que pour une part minime dans la la réhumidification des masses d'air (2%). 4 3. Le cycle de l'eau dans le système Sol- uploads/Geographie/ cour-hydrologie-cycle-de-l-x27-eau 1 .pdf