Série eaux souterraines – Article 3 : Gestion des eaux souterraines

Interview d'un hydrogéologue, qui nous éclaire sur la gestion des eaux souterraines

gestion des eaux souterrraines

A l’approche de la journée mondiale de l’eau dédiée aux eaux souterraines (le 22 mars), Eau’Dyssée a interviewé M. Patrick Lachassagne, Président du Comité Français d’Hydrogéologie. Cet échange a donné lieu à une série de trois articles sur les eaux souterraines.
(1) Le métier d’hydrogéologue,
(2) Les nappes souterraines et processus hydrogéologiques,
(3) La gestion des ressources en eaux souterraines.

Vous lisez le troisième article, dédié à la gestion des ressources en eaux souterraines.

Eau'Dyssée : Dans le précédent article, nous avons vu que les ressources en eaux souterraines constituent le premier stock d’eau douce sur terre après les calottes glaciaires. Quels sont les autres avantages pour l’homme de mettre en place une gestion des eaux souterraines ?

Patrick Lachassagne : Le premier avantage des ressources en eaux souterraines, c’est qu’il s’agit d’une ressource en eau généralement disponible toute l’année. Ceci s’explique par l’inertie liée à la faible vitesse d’écoulement de l’eau dans la roche. Même après une succession d’années sèches, de l’eau sera encore disponible dans les nappes. Et ceci au contraire des rivières, dont les eaux de ruissellement s’assèchent rapidement après les pluies.

La deuxième raison, c’est que ces nappes d’eaux souterraines occupent en général de grandes surfaces sous nos pieds. On peut donc réaliser un forage au plus près des lieux de consommation. Pour les eaux de surface, au contraire, on peut être obligés de construire des canalisations sur de grandes distances pour amener l’eau au lieu de consommation.

Enfin, beaucoup de nappes dites « alluviales » sont exploitées en France. Cela signifie que l’on pompe de l’eau dans des alluvions (des sables, des graviers) qui se situent à proximité d’une rivière, et non directement dans la rivière. L’avantage de prélever dans la nappe, c’est que la roche alluvionnaire assure une filtration de l’eau de la rivière. Le traitement pour potabiliser l’eau coûte donc moins cher.

Et les nappes présentent-elles également des inconvénients pour leur exploitation ?

Oui, elles peuvent présenter des inconvénients. Ainsi, il n’y a pas toujours des nappes d’eau souterraines qui répondent aux besoins. Prenons l’exemple d’un industriel qui ne peut effectuer qu’un seul forage. S’il a besoin d’un débit de 500 m3/h, il va falloir avoir un aquifère très efficace sous l’usine. Il n’est pas sûr de l’avoir sous ses pieds, ni même à une distance raisonnable. Cela peut conduire à implanter l’usine en fonction des ressources en eaux souterraines. C’est d’ailleurs souvent ce qui se produit.

L’autre inconvénient s’explique par la très forte inertie des nappes, et du stock très important par rapport à la ressource renouvelable. Si le nombre de forages n’est pas maîtrisé, on peut dépasser la ressource renouvelable ou la limite de prélèvements sans impact. Et cela, sans s’en rendre compte immédiatement. Au mieux, on verra peut-être le niveau de la nappe baisser. Néanmoins, si la nappe fait 500 mètres d’épaisseur et qu’on voit une baisse de seulement quelques mètres, on peut ne pas s’inquiéter alors qu’il le faudrait.

Pouvez-vous nous expliquer cette notion de ressource renouvelable ?

C’est une notion très importante. Jusqu’à présent, nous avons surtout parlé de stock. Ce qui est important dans la gestion des ressources en eaux souterraines, ce n’est pas tant le stock que la ressource renouvelable. La ressource renouvelable, c’est la quantité d’eau qui rentre chaque année dans les aquifères. Parce que si on prélève en moyenne plus que ce qui ne rentre chaque année, petit à petit, le stock va se vider. Une bonne gestion consiste donc à pomper au final moins d’eau que la recharge annuelle. Et même encore moins, puisqu’il faut s’assurer de ne pas créer d’impact non plus sur les écosystèmes ou les utilisateurs humains de la nappe. L’une des clés du métier d’hydrogéologue est de proposer des éléments techniques aux décideurs pour assurer une bonne gestion d’un aquifère.

Prenons l’exemple du Sahara. Il existe d’énormes réserves d’eau souterraines dans le Sahara. Ces réserves se sont constituées il y a plusieurs milliers d’années, quand le climat du Sahara était plus humide. Mais en raison du climat actuel, ces nappes se renouvellent très faiblement. Certaines ne se renouvellent même pas du tout, ou se vident davantage qu’elles ne se remplissent, du fait du lent écoulement de l’eau souterraine dans le système. Cela aura comme conséquence le tarissement de certaines oasis dans le futur.

Comment améliorer la gestion de cette ressource à faible taux de renouvellement ?

La gestion de ces ressources en eaux souterraines pose une question éthique, qui est similaire au domaine minier. On parle d’ailleurs d’exploitation minière de ces eaux souterraines. On est capable de calculer son épuisement, comme pour un champ pétrolier ou un gisement d’or.

C’est une question politique qui mérite d’être débattue et tranchée au niveau local, par les autorités, les habitants et les acteurs de ces régions-là. Vaut-il mieux garder cette eau pour les générations futures ? Mais pourquoi ne pas les exploiter aujourd’hui ? En effet, exploiter cette ressource aujourd’hui peut permettre de répondre aux besoins des populations actuelles et de créer de la richesse, et ainsi trouver une solution autre pour les générations futures.

Les hydrogéologues sont là pour apporter les éléments techniques qui permettent un choix éclairé par les acteurs locaux.

Dans le cas de tels aquifères transfrontaliers, la politique doit être encore plus difficile à trancher, les différents Etats ayant des enjeux différents.

Oui. A cet égard, il y a des organisations internationales telles que le l’Observatoire du Sahara et du Sahel, par exemple. Il obtient des financements internationaux, ou des financements des pays concernés, pour mener des études hydrogéologiques les plus objectives possibles. Ces études fournissent des éléments d’aide à la décision aux États. Le cas échéant, elles aident ces États à discuter entre eux et à avoir une politique commune, ou du moins concertée, sur ces ressources en eau.

Ces problématiques et les accords entre Etats relatifs au partage des ressources en eaux souterraines existent. Mais il y a moins d’antériorité que pour les eaux de surface, car les ressources en eaux souterraines sont moins bien connues.

Avez-vous d'autres exemples d'aquifères transfrontaliers ?

Oui. Il existe par exemple des aquifères transfrontaliers entre les États-Unis et le Mexique et entre le Canada et les États-Unis. En Amérique du Sud, citons l’aquifère du Guarani, entre le Brésil, l’Uruguay, le Paraguay et l’Argentine.

Plus près de chez nous, citons l’aquifère du Rhin. Pour celui-ci, les problématiques concernent aussi bien la qualité des eaux que la quantité.

Et dans nos régions tempérées, quel est l’état de la gestion des ressources en eaux souterraines ?

Dans la majorité des cas, les eaux souterraines sont exploitées sans dépasser non seulement la ressource renouvelable mais, encore mieux, un impact acceptable.

En France, nous sommes relativement protégés. Néanmoins, on a pu être amené à donner, dans le passé, des autorisations de prélèvement sans avoir suffisamment d’éléments techniques. Par exemple, dans la région de Bordeaux, la nappe de l’Éocène, une nappe d’excellente qualité, était surexploitée. Il y a donc eu un plan subventionné par l’Agence de l’Eau pour reporter une partie des prélèvements vers d’autres nappes et arrêter la surexploitation de la ressource.

Dans des pays en voie de développement, deux problématiques se posent. D’une part, les ressources en eaux souterraines sont souvent moins bien connues par manque de moyens. D’autre part, la réglementation est insuffisamment adaptée ou inappliquée. Cela peut conduire à la surexploitation de certaines eaux souterraines, principalement pour les usages agricoles. C’est le cas en Inde, au Pakistan, au Maroc, ou même en Espagne. Il y a ainsi de nombreux exemples dans le monde de nappes surexploitées, pour lesquelles rendre l’exploitation de ces ressources durable est un véritable enjeu.

Peut-on gérer les aquifères pour optimiser les ressources en eau disponibles ?

Oui, il existe différentes méthodes de gestion des aquifères, que l’on peut classer par niveau de gestion croissant. Tout d’abord, il y a l’utilisation d’une partie seulement de la recharge naturelle de la nappe, que nous venons d’expliquer. Ensuite, il y a la gestion active, pour certains aquifères qui se prêtent bien à un déstockage important en saison sèche, et sous réserve qu’ils se rechargent bien après en saison des pluies. Et enfin, il y a la recharge artificielle.

Pouvez-vous nous expliquer ce qu’est la gestion active ? Puis nous évoquerons ensuite la recharge artificielle.

Pour la gestion active, les aquifères d’intérêt sont ceux qui sont quasiment pleins en permanence. Cela signifie que l’aquifère est plein rapidement quand la saison des pluies arrive. La recharge est donc limitée. La nappe déborde rapidement et l’excédent d’eau alimente les crues des cours d’eau. Mais si la précaution a été prise de vider partiellement ces aquifères pendant la saison sèche qui a précédé la recharge, la recharge en saison des pluies pourra être plus importante. Il faut bien sûr s’assurer que la recharge liée aux précipitations est supérieure à ce qu’on a pompé dans la nappe auparavant. Pour certains de ces aquifères, leur inertie est telle que même plusieurs saisons avec une recharge plus faible que la normale peuvent être gérées.

Par exemple, l’aquifère de la source du Lez à Montpellier, qui est un aquifère calcaire, est utilisé de cette manière-là depuis plusieurs dizaines d’années, avec deux gros avantages. D’une part, l’aquifère sert à l’alimentation de l’agglomération de Montpellier, et une partie de l’eau pompée est mis dans la rivière, afin qu’elle coule toute l’année. D’autre part, lors des premiers gros épisodes pluvieux en automne, on a davantage d’infiltration dans l’aquifère. En conséquence, les débits dans la rivière sont plus faibles, ce qui réduit les inondations.

Qu’est-ce que la recharge artificielle des nappes ?

Définition

Partons du constat que, dans nos régions humides, on a de l’eau en excédent à certaines périodes de l’année, et même des inondations. Et puis, à d’autres périodes de l’année, on manque d’eau.

Certains aquifères peuvent être remplis davantage que ce que la nature ne les remplit. Ainsi, si un aquifère se situe à proximité d’une source d’eau qui est excédentaire à certains moments, on peut forcer une partie de l’excédent à s’infiltrer vers les nappes souterraines ; c’est ce qu’on appelle la recharge artificielle. Cela revient à stocker, dans l’aquifère, l’eau qui se serait écoulée rapidement vers la mer, pour la pomper quand on en a besoin, en saison sèche. Par ailleurs, quand on a stocké davantage d’eau que ce que ne le ferait la nature, on peut reprendre plus d’eau de l’aquifère que s’il n’y avait pas eu de recharge artificielle.

Réutilisation des eaux usées

Certains pays du monde utilisent même les eaux usées traitées des villes pour recharger artificiellement les nappes. Ce procédé n’est pas encore entré dans les mœurs en France, notamment parce qu’il y a des précautions à prendre. Si ces eaux usées sont suffisamment bien traitées, elles deviennent potables, ou presque. Dans certains pays, notamment des pays arides semi-arides comme l’Australie, Israël, des pays du Maghreb, etc., ces eaux usées sont réinfiltrées dans le sol pour qu’elles rejoignent des aquifères, avec un double gain. Tout d’abord, en s’infiltrant dans le sol, les eaux vont subir un traitement de finition, c’est à dire que la qualité des eaux va être encore améliorée. Enfin, en rejoignant une nappe, les eaux vont la recharger, augmentant ainsi la ressource exploitable.

Conclusions sur la gestion active et la recharge artificielle

En conclusion, on retrouve des problématiques similaires entre la gestion d’aquifères gérés avec la gestion active ou la recharge artificielle, et la gestion de barrages construits sur les cours d’eau. Pour le parallèle avec la gestion active, il est nécessaire que le barrage réservoir soit à un niveau bas au début de la période de remplissage, sinon le barrage arrive rapidement à cote haute et cette eau sera perdue. Dans le cas de la recharge artificielle, on stocke de l’eau qui se serait rapidement écoulée vers la mer, pour un usage ultérieur, comme on le ferait dans un barrage réservoir.

Imaginons maintenant qu’on ait besoin de se procurer de nouvelles ressources en eau. Comment détecter une nappe et connaître ses caractéristiques ?

Les cartes géologiques

L’approche classique et la plus robuste consiste tout d’abord à comprendre l’infrastructure géologique. On utilise pour cela des cartes géologiques, de qualité et de précision variables. Celles-ci permettent d’avoir une idée du type de roches qu’on va trouver sous nos pieds en un lieu donné. Cette information permet de savoir si on a des roches poreuses ou perméables, voire même d’estimer leur perméabilité et donc le débit qu’on peut espérer d’un ou plusieurs forage(s). On peut compléter cela avec des observations sur le terrain. Des bases de données établies sur des forages existants permettent également d’améliorer la connaissance de la nappe.

Les mesures géophysiques

D’autres moyens de mesure sont les méthodes géophysiques. Cela consiste à émettre du courant électrique ou des vibrations dans le sol. En retour, on enregistre la résistivité électrique des roches ou la vitesse de propagation des ondes. Ceci nous informe, avec certes un peu d’imprécisions, sur les caractéristiques du sous-sol. Mais ces méthodes sont de plus en plus performantes. Il existe même une méthode consistant à exciter électromagnétiquement les molécules d’eau, la résonance magnétique des protons. Dans ce dernier cas, il est quasiment possible de compter le nombre de molécules d’eau, voire même d’estimer la perméabilité de la roche.

Les pompages d'essai

Toutes ces méthodes permettent non seulement de faire de la prospection hydrogéologique, mais aussi de pré-dimensionner des forages.
On effectue également ce que l’on appelle des pompages d’essai, c’est à dire qu’on va utiliser le forage qu’on vient de réaliser ou un forage qui existe déjà. On va pomper de l’eau dedans et on va étudier comment l’eau s’écoule vers le forage. En effet, en s’écoulant vers le forage, l’eau subit des frottements qui sont inversement proportionnels à la perméabilité de la roche. Et donc l’abaissement du niveau d’eau à proximité du forage nous permet de déterminer non seulement la perméabilité, mais aussi la porosité de la roche. L’interprétation des pompages d’essai, c’est un des B-A BA qu’apprend l’hydrogéologue pendant sa formation.

L'étude de la chimie de l'eau

L’hydrogéologue étudie également la chimie de l’eau. En étudiant par exemple des gaz dissous dans l’eau, on peut en déduire quand l’eau s’est infiltrée et quel est le temps d’écoulement de l’eau dans les nappes. On s’appuie principalement sur des traceurs anthropiques, c’est-à-dire des gaz qui ont été émis par l’homme dans l’atmosphère. On connaît leur historique d’émissions et ces gaz ressortent avec un certain retard dans l’eau souterraine. De ce retard, on déduit le temps d’écoulement de l’eau. On peut aussi utiliser des traceurs naturels, des traceurs radioactifs comme le Carbone 14 par exemple. L’eau s’écoule en emprisonnant le traceur, et celui-ci disparaît d’autant plus que le temps passé par l’eau dans l’aquifère est long.

De même, en étudiant la composition isotopique des atomes d’oxygène et d’hydrogène qui constituent les molécules d’eau, on peut déterminer à quelle altitude l’eau s’est infiltrée. Ceci permet de localiser les zones de recharge des nappes. Il y a ainsi de très nombreux outils à disposition des hydrogéologues pour comprendre avec précision le cycle de l’eau, et plus particulièrement la partie de ce cycle qui se passe en souterrain.

Utilisez-vous des outils numériques ?

On peut en effet aussi faire de la modélisation. Cela consiste à modéliser le cycle de l’eau à partir des lois d’écoulement de l’eau dans le sous-sol. La modélisation permet par exemple d’apprécier l’impact d’un nouveau forage sur le débit d’une rivière ou sur les sources d’une oasis, etc. In fine, la modélisation permet de choisir la distance à laquelle on va implanter le forage d’une oasis. Ceci permet de s’assurer qu’il n’ait pas d’impact sur l’oasis (diminution du débit des sources qui alimentent l’oasis), ou alors un impact considéré acceptable. La modélisation est ainsi un outil puissant, fondé sur les données acquises sur le terrain.

Et quid des satellites ?

Les approches par satellite ne permettent pas de détecter les nappes. En revanche, elles peuvent permettre de quantifier les variations de stocks des eaux souterraines, à des échelles spatiales toutefois assez larges. On a ainsi pu quantifier de manière assez précise les prélèvements d’eau en Inde et au Pakistan, à l’échelle du pays. Par ailleurs, les satellites sont aussi utilisés dans d’autres composantes du cycle de l’eau. Ils permettent de compléter les observations sur la pluie, sur la recharge, sur l’évapotranspiration, etc.

Pour finir parlons du changement climatique. Quel impact pour nos ressources en eau souterraines ?

Plutôt que de parler de changement climatique, je préfère parler de changement global. Le changement global, ce sont tous les impacts anthropiques. Ils peuvent être directs, tels que les pompages par exemple, ou indirects, tels que le changement climatique. Sur les aquifères, il y a trois types d’impacts principaux.

La surexploitation des ressources

Premièrement, si on regarde au niveau global, il faut revenir à cette question de ressources renouvelables et de non-surexploitation des ressources en eaux souterraines. C’est un élément clé et, même sans considérer les impacts du changement climatique, certaines ressources en eaux souterraines sont déjà surexploitées par l’homme. Néanmoins, tous les éléments techniques pour éviter la surexploitation sont à disposition.

Le changement climatique

Deuxièmement, les scénarios climatiques, même s’ils sont encore très imparfaits pour la prévision des pluies, fournissent des tendances. Certaines régions du globe verront une augmentation ou une intensification des précipitations. Cela inclut plus d’évènements intenses, peut-être moins bien répartis dans l’année. Mais aussi une augmentation des températures conduisant – on l’oublie parfois – à une hausse de l’évapotranspiration. L’hydrogéologue est capable de prendre tous ces éléments en considération. En les rentrant dans des modèles hydrogéologiques, il peut ainsi estimer les impacts du changement climatique.

Le changement d'usage des sols

Et enfin, le troisième impact est lié au changement d’occupation des sols. Par exemple, pour l’Europe, évoquons la déprise agricole. Celle-ci a eu lieu notamment au XXe siècle. En France, elle a concerné de nombreuses régions de France, et en particulier le Massif Central. Cette déprise agricole a conduit au développement de la forêt. La forêt consommant plus d’eau que les prairies, l’évapotranspiration a augmenté, conduisant ainsi à une diminution de la recharge des nappes.

En Afrique subsaharienne à l’inverse, on a vu au cours des dernières décennies une augmentation de la recharge et des ressources en eau souterraines. Celle-ci s’explique par la déforestation et la coupe des espèces végétales, dont les racines pompaient de l’eau dans la nappe. Les agriculteurs ont mis en culture, et donc ont favorisé le ruissellement. L’eau ruisselée s’accumule ensuite dans des mares. Puis elle s’infiltre et contribue à recharger la nappe, là où, avant, l’évapotranspiration dominait.

A Niamey (Niger) par exemple, cela pose même des problèmes. La remontée de la nappe provoque des inondations dans certains quartiers de la ville. Elle conduit à l’abandon de certaines maisons et engendre des maladies hydriques.

Enfin, l’artificialisation des sols peut également conduire à une diminution de la recharge vers les nappes.

Conclusion

En conclusion, il faut prendre en considération ces changements globaux pour une meilleure gestion des ressources en eau, et notamment des eaux souterraines. Cette gestion doit se faire de manière intégrée, en considérant ensemble les eaux de surface et les eaux souterraines. Plusieurs des exemples évoqués dans ces trois articles montrent en effet l’interdépendance entre eaux de surface et eaux souterraines.

M. Lachassagne, un grand merci pour le temps que vous nous avez consacré.

Cet article sur la gestion des eaux souterraines conclut notre série « Eaux souterraines ». Cette série d’article vous a plu ? Faites nous en part dans les commentaires ! Vous avez des envies particulières sur le thème de l’eau ? C’est également le bon endroit pour nous le dire !

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