Les eaux souterraines - Une ressource rurale importante, Comprendre les eaux souterraines


Fiche technique - ISSN 1198-7138  -  Imprimeur de la Reine pour l'Ontario
Agdex : 716/552
Date de publication : Décembre 2015
Commande no. 15-042
Dernière révision :
Situation :
Rédacteur : H. Simpson, Ph. D

Table des matières

  1. Introduction
  2. Cycle de l'eau
  3. Eau souterraine
  4. Aquiféres et aquitards
  5. Écoulement de l'eau souterraine
  6. Zones de recharge
  7. Âge de l'eau souterraine
  8. Summary
  9. Autres sources d'information

Introduction

Les Ontariens peuvent tous contribuer à préserver la qualité et l'abondance des eaux souterraines. Voici la premiére de quatre fiches techniques d'une série consacrée aux eaux souterraines. Cette fiche vise à renseigner les producteurs et la population rurale en général sur les conditions qui influent sur la présence, les déplacements et la qualité des eaux souterraines, la façon de protéger cette ressource en bonne partie invisible, et sur les raisons qui font que certains matériaux géologiques constituent une meilleure source d'eau que d'autres.

Les autres fiches du MAAARO de cette série sont:

  • Les autres fiches du MAAARO de cette série sont
  • Protéger la qualité des réserves d'eaux souterraines
  • Les puits d'eau privés en milieu rural

L'eau se déplace constamment. La présente fiche technique explique d'où viennent les eaux souterraines, comment celles-ci sont alimentées, comment elles se déplacent dans le sol et pourquoi certains matériaux géologiques constituent une meilleure source d'eau que d'autres. On y présente la terminologie et les notions propres aux eaux souterraines, comme « aquiéfre », « aquitard », « porosité », « formation » et « perméabilité ». Les autres fiches techniques de la série traitent des facteurs qui peuvent compromettre l'intégrité des puits et proposent des moyens de réduire au minimum les risques de contamination de l'eau.

En milieu rural, pouvoir compter sur une source fiable d'eau propre est indispensable à la santé de la population et des entreprises, dont les fermes. En Ontario, la plupart des habitations et des entreprises établies à la campagne et 23 % de la population en général comptent sur les eaux souterraines pour leur approvisionnement en eau. Dans certaines régions, les eaux souterraines peuvent constituer l'unique source d'eau.

Cycle de l'eau

L'eau se déplace constamment d'un point à un autre. Elle change même de forme en cours de route, passant de la phase gazeuse (vapeur) à la phase liquide, de la phase liquide à la phase solide, et de la phase liquide à la phase gazeuse.

Le périple sans fin de l'eau suit un cours appelé « cycle hydrologique » ou « cycle de l'eau » (figure 1). Une fois à la surface du sol, l'eau provenant des précipitations ou l'eau de fonte peut soit ruisseler à la surface du sol et gagner des étendues d'eau (lacs et cours d'eau), soit s'infiltrer dans le sol et être absorbée par les végétaux ou servir à alimenter les réserves d'eaux souterraines. Elle peut aussi s'évaporer de la surface du sol ou des étendues d'eau, ou être libérée par la transpiration des végétaux et être relâchée dans l'atmosphére, le cumul de l'évaporation et de la transpiration étant appelé « évapotranspiration ». Le cycle est complet quand l'eau présente sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère retombe au sol à la faveur des précipitations.

Cycle de l'eau. Ce dessin illustre comment le cycle de l'eau est relié aux précipitations dans les montagnes, lesquelles ruissellent jusqu'aux océans, lacs et rivières.  Ce ruissellement assure aussi la recharge des eaux souterraines. L'eau s'évapore des plans d'eau et retourne dans l'atmosphère.

Figure 1. Le cycle de l'eau

Eau souterraine

L'eau souterraine est l'eau qui s'infiltre dans le sol et traverse les mat´riaux (roches et sédiments, par exemple) qui constituent le sous-sol. Tôt ou tard, l'eau jaillit dans une source, un cours d'eau, un lac ou des terres humides. Elle est alors évacuée vers la surface et fait désormais partie des eaux de surface. Ce processus peut prendre de quelques jours à quelques siècles.

Une fois dans le sol, l'eau s'infiltre et se déplace dans les matériaux qui composent le sous-sol. Prés de la surface et sous celle-ci, on trouve différents types de roches, dont le granit, le schiste argileux, le grès et le calcaire. Dans bien des régions, le substrat rocheux est recouvert de dépôts de sédiments dont l'argile, le limon, le sable et le gravier. On appelle « formation » une couche rocheuse ou sédimentaire qui est constituée de types de matériaux géologiques en particulier (un ou plusieurs).

Les formations géologiques renferment des pores (de petits espaces vides). La « porosité » s'entend du volume de l'espace poral total du sol contenu dans un volume donné de matériau (roches ou sédiments). Plus grande est la porosité d'une formation, plus grand est le volume d'eau que cette formation est à même de retenir. La porosité de formations de sable et de gravier peut atteindre 25-50 %, tandis que celle de certains substrats rocheux trés denses peut être inférieure à 0,1 %.

La vitesse à laquelle l'eau se déplace à l'intérieur d'une formation ainsi que la quantité d'eau déplacée dépendent de la porosité de cette formation et de la façon dont les pores communiquent entre eux. De grandes quantiéts d'eau se déplacent rapidement dans des formations constituées de matériaux dont les pores sont gros, nombreux et interreliés, comme le gravier ou les roches trés fracturées (l'eau circule entre les fissures et les fractures des roches plutôt qu'à travers les pores). Par contre, l'eau se déplace lentement dans l'argile et d'autres formations constituées de matériaux dont les pores sont petits et ne communiquent pas entre eux. Les formations qui laissent l'eau s'écouler facilement et rapidement, comme celles qui sont constituées de dépôts de sable et de gravier ou de grés sont « hautement perméables ». À l'inverse, les formations constituées d'argile, de limon et de granit le sont beaucoup moins (figure 2).

Prés de la surface du sol, les pores sont habituellement remplis d'un mélange d'air et d'eau; l'espace poral est alors dit « non saturé ». Plus profondément dans le sol, les pores sont remplis d'eau; ils sont constamment « saturés ». On entend par « nappe phréatique » le niveau dans le sol au-dessus duquel l'espace poral est non saturé et sous lequel il est saturé.

La nappe phréatique monte ou descend, au rythme des variations saisonnières des précipitations, de l'évapotranspiration et du pompage de l'eau des puits. Tous les puits tirent leur eau d'une profondeur située sous le niveau de la nappe phréatique.

Ce dessin illustre la rapidité à laquelle l'eau se déplace à travers différents types de matériaux géologiques. L'eau circule rapidement dans le gravier en raison de la présence de pores de grandes dimensions qui sont interreliés. L'eau se déplace lentement dans le sable fin et les sols limoneux.

Figure 2. Vitesse de déplacement de l'eau dans divers matériaux (formations) géologiques.

L'eau qui s'infiltre peut s'accumuler et former un aquifère perché sur une couche de sédiment peu perméable, au-dessus de la nappe phréatique principale. Les aquiféres perchés sont habituellement de petites dimensions et constituent rarement une source fiable d'eau souterraine.

Le pompage de l'eau d'un puits a pour effet de modifier le volume des eaux souterraines et la direction d'écoulement de l'eau sous la surface du sol. Pour des précisions sur ce phénomène, voir la fiche technique du MAAARO, Gérer les réserves d'eaux souterraines.

Aquiféres et aquitards

Un aquifère est une formation perméable saturée (imprégnée d'eau) qui peut fournir des quantités utiles d'eau par pompage. Les aquiféres les plus productifs, constitués de sable et de gravier, sont habituellement vastes et profonds et sont alimentés par les eaux de pluie qui s'infiltrent dans le sol. Les aquitards (ou couches encaissantes) sont constitués de matériaux peu perméables, notamment d'argile ou de schiste argileux, qui opposent une résistance au passage de l'eau. Contrairement à la croyance populaire, les eaux souterraines ne s'écoulent pas dans des rivières souterraines (figure 3).

Il existe trois grands types d'aquifères :

  • Les aquifères non confinés (à nappe libre) dont la surface correspond au niveau de la nappe phréatique
  • Les aquifères confinès (à nappe captive), des formations permèables sous-jacentes à un aquitard ou « sandwichées » entre deux aquitards
  • Les aquifères partiellement confinés ou semi-captifs, qui ressemblent à des aquifères confinés, si ce n'est que les aquitards qui les bordent sont plus perméables et se laissent traverser par passablement d'eau.

Les aquifères non confinés sont souvent ceux qu'on retrouve le plus près de la surface du sol et qui sont le plus facilement accessibles. Les aquifères confinés et partiellement confinés sont souvent situés plus profondément dans le sol. Plus un aquifère confiné ou partiellement confiné est profond et plus la couche de matériau qui le recouvre est épaisse, plus cet aquifère et son eau sont protégés des contaminations. Ce point est abordé plus en détail dans la fiche technique du MAAARO, Protéger la qualité des réserves d'eaux souterraines.

La figure 3 illustre différents aquifères. Dans le cas des aquifères non confinés, la nappe phréatique coïncide avec le dessus de l'aquifère. L'aquifère de gravier confiné se forme quand la formation perméable est confinée sous un aquitard d'argile et au-dessus d'un aquitard de schiste argileux, comme le montre l'image.

Ce dessin illustre les différentes couches de sols saturés et non saturés qu'on retrouve au-dessus en en dessous d'une nappe phréatique.

Figure 3. Vue en coupe de différentes formations aquifères.

Écoulement de l'eau souterraine

L'eau s'infiltre dans le sol et alimente les aquifères plus facilement dans les zones où l'on trouve des dépôts perméables à la surface du sol. Une fois dans l'aquifère, l'eau se déplace plus ou moins rapidement selon la perméabilité, la porosité et d'autres caractéristiques des matériaux qui composent l'aquifère.

L'eau souterraine peut progresser de quelques centimètres à quelques mètres par jour dans les aquifères de sable ou de gravier, et de dizaines de mètres par jour (vitesse rapide) et même davantage dans des aquifères constitués de roches très fracturées. Dans certains aquitards, il arrive que l'eau ne progresse même pas de quelques millimètres par jour (vitesse lente).

En général, l'eau souterraine se déplace depuis des zones de recharge vers des zones d'évacuation, ces dernières étant les sources, cours d'eau, lacs, terres humides, etc. L'eau qui s'infiltre dans des terres hautes ou en amont d'une rivière pénètre dans le sol jusqu'à l'aquifère superficiel, puis se déplace horizontalement à travers les différentes formations jusqu'à ce qu'elle atteigne un plan d'eau de surface et s'y déverse.

Le parcours exact de l'eau peut être complexe. En général, toutefois, l'eau emprunte la trajectoire qui lui offre le moins de résistance et circule à travers les formations les plus perméables. Une partie de l'eau de recharge peut aussi descendre dans le sol, traverser des aquifères non confinés et aller alimenter des aquifères confinés plus profonds. Tôt ou tard, parfois des kilomètres plus loin, l'eau atteint des zones d'évacuation où elle rejoint les eaux de surface.

Ce dessin illustre de l'eau qui s'écoule vers le bas depuis des points plus élevés et qui percole dans des aquifères plus profonds et des zones d'évacuation.

Figure 4. L'eau souterraine s'écoule dans le sol depuis les zones de recharge vers les aquifères plus profonds et les zones d'évacuation dans les eaux de surface.

Zones de recharge

Les zones de recharge permettent à une quantité considérable d'eau de s'infiltrer dans le sol. Parfois, ces zones sont concentrées et ne couvrent qu'une petite partie seulement de la superficie totale du territoire. Ainsi, 80 % de l'infiltration des eaux souterraines peut survenir dans 20 % de la superficie du territoire quand celle-ci comporte de vastes dépôts de sable et de gravier perméables.

Ailleurs, là où le paysage est plat ou dans les sols peu perméables (ex. : dans les sols argileux ou limoneux), l'infiltration peut se faire très lentement, mais sur une vaste superficie. En présence de précipitations, il peut alors y avoir infiltration ou recharge (figure 4).

Âge de l'eau souterraine

L'âge de l'eau souterraine représente la durée depuis laquelle l'eau est dans le sol. Il peut s'écouler beaucoup de temps entre le moment où l'eau s'infiltre dans le sol jusqu'à ce qu'elle atteigne une zone d'évacuation ou qu'elle soit pompée du sous-sol dans un puits. Plusieurs méthodes sont utilisées pour déterminer dans quel sens et à quelle vitesse l'eau souterraine se déplace, ainsi que son âge.

Dans le cas des puits peu profonds situés dans des aquifères non confinés constitués de matériaux perméables, l'âge de l'eau peut s'exprimer en semaines, en mois ou en années. Par comparaison, l'âge de l'eau peut s'exprimer en dizaines voire en centaines d'années et parfois davantage dans le cas des puits construits dans des aquifères confinés.

L'importance de l'âge de l'eau dans la protection des puits d'eau privés est expliquée plus en détail dans la fiche technique du MAAARO, Protéger la qualité des réserves d'eau souterraines.

Summary

L'accès à une source fiable d'eau propre est indispensable à la santé de la population ainsi qu'à la santé des entreprises rurales, particulièrement dans le cas des exploitations agricoles. Le fait de savoir comment l'eau se déplace et se renouvelle contribuera à atténuer les risques de contamination.

Ressources

MAAARO, Les puits, série " Pratiques de gestion optimales ontario.ca/maaaro

Ministère de l'Environnement et de l'Action en matière de changement climatique de l'Ontario. Well Aware - A Well Owner's Guide (vidéo en anglais seulement).

Ministère de la Santé et des Soins de longue durée de l'Ontario. Pour garantir la salubrité de l'eau de votre puits - Trousse de documentation pour vous aider à prendre soin de votre puits.

La présente fiche technique a été mise à jour par Hugh Simpson, Ph. D., analyste de programme, MAAARO, Guelph; Jim Myslik, JPM Consulting, Marden; Brewster Conant, Ph. D., Département des sciences de la terre, Université de Waterloo. La fiche a été révisée par Tim Brook, ingénieur, gestion de l'eau, MAAARO, Elora; Rebecca Shortt, ingénieur, qualité de l'eau, MAAARO, Simcoe; et H.J. Smith, spécialiste en gestion environnementale, MAAARO.


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