Le cycle hydrologique de l’eau

Cours le cycle hydrologique de l’eau, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

ORIGINES ET CAPTAGES DES EAUX
Le cycle hydrologique de l’eau (rappel d’hydrologie)

Le cycle hydrologique de l’eau dans la nature peut être schématisé ainsi:
L’évaporation, principalement à partir de la surface des océans (soit environ 75 % de la surface de la terre) génère ‘a formation de nuages en montant en altitude. Ces nuages, qui sont poussés par le vent vers le continent, se condensent et donnent lieu à des précipitations (pluies, neiges ou grêle).
Sur le continent, l’eau des précipitations peut s’évaporer de nouveau (évaporation directe ou évapotranspiration à travers la végétation, les animaux et l’être humain), ou ruisseler dans des cours d’eau (rivières ou oueds) pour rejoindre les océans par écoulement de surface, ou encore s’infiltrer dans le sol pour ensuite rejoindre aussi les océans par écoulement souterrain.
Au niveau d’un pays (ou d’une région), on parle plutôt de bilan hydrologique. Le bilan hydrologique de l’eau est tout simplement le bilan régional du cycle de l’eau. Ce bilan peut être schématisé comme suit : P =E + R + I
Avec:
P: total des Précipitations 1an (mesuré par des pluviomètres)
E: total des Evaporations 1an (estimé par quelques formules)
R: total des Ruissellements/an (mesuré par les stations hydrométriques)
1 : total des Infiltrations / an (non mesuré)
Ainsi, le bilan hydrologique s’écrit sous la forme suivante :
En ce qui concerne la Tunisie, qui est caractérisée par un climat aride ou semi-aride, la pluviométrie est faible et l’évaporation est importante. A titre indicatif, Les valeurs ci-dessous donnent (juste à titre indicatif) un ordre de grandeur des moyennes des différents termes du bilan hydrologique en Tunisie et en France.
En Tunisie (en moyenne)
. P = 33 109 m3/an
. E = 80 %. P
. R = 10 % .P
. I = 10 % .P
En France (en moyenne) :
. P = 720 109 m3/an
. E = 65 %. P
. R = 25 % .P
. 1 = 10 % .P

Ressources en eau
Généralités

Rappelons que l’eau couvre 75% de la surface du globe terrestre. Le volume total des eaux est d’environ 1,3.109 km3 dont 97% sont constituées par les océans et les mers et 2% par les glaciers. Seulement 1% de ces eaux est constitué d’eau douce disponible pour les diverses consommations de l’homme.
Comme nous l’avons indiqué, le climat en Tunisie est aride (ou semi-aride) caractérisé par une faible pluviométrie, un fort ensoleillement et une forte évaporation.
D’après les statistiques de l’Institut National de la Météorologie (LN.M), comme le montre la figure 2.1 (les moyennes annuelles des précipitations en Tunisie pour la période: 1961-1990), la pluviométrie varie de 1300 mm/an (à l’extrême Nord-Ouest) à moins de 100 mm/an (à l’extrême Sud) avec une moyenne d’environ 336 mm/an. Cette valeur peut être considérée très faible comparée à d’autres moyennes annuelles : la moyenne annuelle sur la terre est d’environ 760 mm/an, la moyenne en France est 800 mm/an, la moyenne au Québec (Canada) est d’environ 1500 mm/an.
La période pluvieuse commence à partir du mois de Septembre et s’échelonne pratiquement jusqu’au mois de Mars. Les plus fortes moyennes mensuelles de la pluie se situent pendant les mois d’Octobre, Novembre et Décembre. La pluie a généralement un caractère orageux.
Notons que les pertes par évaporation sont très importantes en Tunisie (environ 80% du volume total des précipitations) avec des moyennes annuelles variant de 1600 mm/an au nord à 2400 mm/an au sud. Les statistiques de l’LN.M montrent que les plus fortes évaporations se font pendant la saison estivale (les mois de Juin, Juillet et Août).
Ainsi, nos ressources exploitables en eau douce sont très limitées. Elles sont estimées à 4600 millions de m3 par an, et se répartissent en :
. Eaux de surface: les eaux des oueds et des cours d’eau.
. Eaux souterraines: les eaux des nappes souterraines.
L’utilisation de nos ressources en eau se répartie ainsi:
. Eau Potable : 10 % (pour environ 8,5 millions d’habitants).
. Eau d’Irrigation : 85 % (pour environ 400 000 ha de périmètres irrigués).
. Industries : 5%
Ces ressources sont très faibles comparées à d’autres pays : en Egypte, le barrage d’Assouane, sur le Nil, a une capacité de 34.109 m3 (soit environ 7 fois nos ressources en eau), en France, les ressources sont estimées à 180.109 m3/an (l’utilisation est limitée à environ 5.109 m3/an, pour l’eau potable, 5.109 m3/an pour l’irrigation et 25.109 m3/an pour les industries dont environ 17.109 m3/an sont consommés par l’E.D.F.).
Non seulement les ressources en eaux en Tunisie sont très faibles, mais en plus leur exploitation pose trois problèmes majeurs:
– Le caractère orageux des pluies, ce qui nécessite la construction de barrages.
– La mauvaise répartition spatiale des ressources entre le Nord, le Centre et le Sud, ce qui nécessite la construction d’ouvrages de transport (canaux, conduites).
– La salinité relativement élevée des eaux, ce qui nécessite soit des mélanges avec des eaux plus douces soit le dessalement des eaux saumâtres.
En tout cas, ces problèmes rendent encore plus coûteuse l’exploitation de nos ressources en eaux. Par ailleurs, un large programme visant la réutilisation des eaux usées traitées est en cours.
Ainsi, plus que 30 millions de m3 sont actuellement réutilisés pour l’irrigation de 6000 ha (principalement dans les Gouvernorats de Monastir, de Sousse et de l’Ariana). En outre, une partie des eaux usées traitées sert à la recharge artificielle des nappes d’eaux souterraines (site d’oued Souhil dans le Gouvernorat de Nabeul).
Notons aussi qu’une partie des eaux mobilisées se perd pour diverses raisons, dont la vétusté des réseaux de distribution et la non adaptation des modes d’irrigation. Afin de limiter ces pertes en eau, les autorités encouragent les agriculteurs à adopter les techniques d’économie d’eau pour l’irrigation de leurs cultures. De même, la SONEDE a mis au point un programme pour réduire le taux de perte en eau de son réseau à environ 25%.
Les ressources en eaux de surface
Nos ressources exploitables en eaux de surface sont estimées en moyenne à 2700 millions de m3 par an. Ce potentiel est lié à 85% aux eaux des oueds dont les lits se remplissent lors des périodes pluvieuses de l’automne, de l’hiver et du printemps. L’écoulement de base en eaux de surface représente 15% de ce potentiel (d’après le Ministère de l’Environnement et de l’Aménagement du Territoire: Rapport National sur « L’état de l’Environnement », 1995).
L’utilisation des eaux de surface pour l’alimentation en eau potable présente quelques inconvénients : une température variable en fonction des saisons, un traitement est nécessaire, une composition chimique qui la rende moins agréable à boire. Néanmoins, on fait appel en Tunisie à ces eaux parce qu’elles ont quelques avantages : plus abondantes que les eaux souterraines et plus de facilité de prise.
La salinité moyenne-des apports de l’écoulement de base est relativement élevée: elle atteint en moyenne 2 g/l. Quant aux apports de crues, ils sont de meilleure qualité avec une salinité moyenne de l’ordre de 1 g/l. Toutefois, nous remarquons que les eaux de surface saumâtres (salinité supérieure à 3 g/l.) restent localisées:
– Pour le Nord, au niveau des oueds de Mellègue et Tessa,
– Pour le Centre, ce sont les écoulements de base de l’oued Zéroud qui ont la salinité la plus élevée avec 4,6 g/l alors que les eaux des crues sont caractérisées par une salinité inférieure à
2 g/l.
Pour le Sud, les apports de base des eaux de surface ont une salinité de l’ordre de 4 à 5 g/l, alors que les apports des crues ont une salinité de l’ordre de 1,5 g/l.
Les ressources en eaux souterraines
Les eaux souterraines sont les eaux des nappes : couches de terrains perméables saturés d’eau. Nous distinguons deux catégories de nappes:
– Les nappes phréatiques (ou nappes de surface) elles sont à moins de 50 mètres de profondeurs et généralement séparées de la surface par quelques couches de terrains perméables. Selon les régions, la profondeur varie de quelques mètres à 20 à 30 mètres. Ces nappes sont alimentées principalement par infiltration à partir de la surface ou par écoulement souterrain.
– Les nappes profondes (ou nappes captives) : leurs gisements sont situés à plus de 50 mètres de profondeur et parfois même à plus de 2500 m de profondeur dans le Sud du pays. Ces nappes sont alimentées principalement par écoulement souterrain.
Le potentiel en e aux souterraines est évalué à 1 900 millions de m3 par an, se répartissant entre : 700 millions de m3 par an, à partir des nappes phréatiques, et 1 200 millions de m3 par an, à partir des nappes profondes. Globalement, les nappes phréatiques sont actuellement surexploitées avec 760 millions de m3 pompés par an. L’exploitation des nappes profondes atteint environ 1 000 millions de m3 par an, le reste le sera très prochainement suite à la réalisation des forages prévus (d’après le Ministère de l’Environnement et de l’Aménagement du Territoire: Rapport National sur « L’état de l’Environnement », 1995).
L’exploitation de ces eaux souterraines se fait à l’aide de : 76 000 puits de surface, 76 sources, et plus de 320 forages jaillissants et 2000 forages pompés.
Les nappes phréatiques sont caractérisées dans leur ensemble par des salinités variant de moins de 1,5 g/l à plus de 5 g/l. Ce sont les nappes côtières qui détiennent le degré de salinité le plus élevée, atteignant et même dépassant les 6 g/l. Quant aux nappes profondes, elles sont caractérisées par une salinité variant de moins de 1,5 g/l à 3 à 5 g/l. Certaines nappes profondes du Centre et du Sud notamment se distinguent par le caractère saumâtre de leurs eaux (nappe profonde de Sfax dans la zone avale, nappe du complexe terminal à Djerba, Zarzis et Ben Gerdane).
Compte tenu de la surexploitation des nappes de surface, la recharge artificielle des nappes d’eaux souterraines a été intégrée dans la stratégie décennale de développement des ressources en eau en Tunisie. Ainsi, la recharge artificielle a permis de recharger plusieurs nappes réparties à travers le pays : Teboulba, Békalta, Mornag, Mateur, Ras Jebal, Grombalia, Nadhour, Oued Siliana et Kairouan.
En outre, une partie des eaux usées traitées est actuellement utilisée pour la recharge artificielle des nappes d’eaux souterraines, par exemple au site d’Oued Souhil dans le Gouvernorat de Nabeul.

Captage des Eaux de Surface

Compte tenu du caractère orageux des pluies en Tunisie, la mobilisation des eaux de surface se fait essentiellement par les barrages et les lacs collinaires. Sur le potentiel annuel de 2 700 millions de m3 d’eaux de surface, seuls 2 100 millions de m3 sont mobilisables par les barrages et les barrages collinaires, le reste, c’est à dire 600 millions de m3 par an, ne pouvant être mobilisé que par les lacs collinaires et les ouvrages de C.E.S (Conservation des Eaux des Sols).
Afin de mobiliser la totalité des eaux de surface d’ici l’an 2002, la stratégie nationale de développement des ressources a prévu la réalisation de : 21 grands barrages, 205 petits barrages (ou barrages collinaires), 1400 lacs collinaires et 400 ouvrages de C.E.S.
Actuellement, la réalisation de ces différents ouvrages est presque terminée.
Un barrage est un ouvrage (ou obstacle) qui permet de retenir l’eau dans le lit d’un oued en cas de crue et constituer (ou stocker) ainsi une réserve d’eau (c’est la retenue du barrage). Un barrage peut avoir un ou plusieurs objectifs : le stockage de l’eau, la protection contre les inondations, la production de l’énergie hydro-électrique ou l’alimentation de la nappe.
On distingue plusieurs types de barrages (voir schémas dans la page suivante) : barrage poids, barrage à contreforts multiples (barrage Ben Métir), barrage voûte (barrage Kasseb), barrage à voûtes multiples (barrage Mellègue), barrage en terre (barrages de Sidi Salem, Sidi
Sâad, Nébhana, Joumine, Sejnane, Siliana, Ghézala, Bir Mchargua, El Houareb, etc.) ou barrage en enrochement. (voir figure 2.4)
Les barrages souples (constitués d’une digue en terre ou en enrochement) sont actuellement les plus réalisés puisqu’ils sont les moins coûteux. Néanmoins, ces types de barrages où sont utilisés des matériaux locaux, nécessitent : un écran ou un noyau imperméable en argile (pour limiter les fuites), un évacuateur de crues (pour éviter le débordement du barrage au-dessus de la digue), un réseau de drainage des eaux à travers la digue et un traitement spécial de la fondation (pour limiter l’infiltration des eaux).
Une prise d’eau (accessible par une passerelle à partir du barrage ou non accessible, visible ou inondée dans la retenue) doit être prévue au milieu de la retenue pour le prélèvement d’eau.
Cette prise d’eau doit être munie d’au moins deux ouvertures (une au niveau d’eau haut dans la retenue pour les prélèvements d’eau en hiver, et une au niveau bas pour les prélèvements en été), qui sont équipées par des vannes, et des conduites souterraines pour acheminer l’eau jusqu’à destination. Il faut aussi prévoir une chambre de manoeuvre des vannes (manoeuvre électro.-mécanique et manoeuvre manuelle de sécurité) ainsi que des vannes de sécurité.

Captage des Eaux Souterraines

Comme nous l’avons mentionné, une nappe est une couche de terrain perméable qui est saturée d’eau. L’exploitation des eaux souterraines dépend principalement du type de nappe.
Exploitation des nappes phréatiques
Les nappes phréatiques (ou nappes de surface), à cause de leurs présences très proches de la surface de la terre (une profondeur inférieure à 50 mètres), sont généralement caractérisées par une eau à la pression atmosphérique : l’eau est en contact avec l’atmosphère à travers les grains des couches supérieures perméables (généralement sableuses).
L’exploitation de ces nappes se fait généralement à l’aide de puits: ouvrages de 3 à 5 mètres de diamètre et de profondeur allant jusqu’à 30 mètres.
Quand un débit d’eau Q est pompé à partir d’une nappe phréatique, au bout d’un certain temps, un régime d’équilibre va s’établir entre la nappe et le puits qui va se traduire par un abaissement de la hauteur d’eau dans le puits jusqu’à une valeur h inférieure à la hauteur initiale H. La différence (H-h), désignée par s, prend le nom de rabattement de la nappe.
Ce rabattement dépend du débit pompé, du rayon du puits, de l’épaisseur et la perméabilité de la nappe. La formule de Dupuit nous donne une relation entre toutes ces grandeurs :
Dans laquelle Q est le débit pompé (en m3/s), K est la perméabilité de la nappe (en m/s), H et h sont les hauteurs d’eau dans la nappe avant et après pompage respectivement (en m), r est le rayon du puits (en m), R est le rayon d’action du puits (c’est la distance entre l’axe du puits et le point où l’influence du pompage ne se fera pas sentir, en m) et s est le rabattement (en m).
(voir figure 2.2).
Exploitation des nappes profondes
Les nappes profondes (ou captives), à cause de leur grande profondeur (allant jusqu’à 2500 mètres), sont généralement caractérisées par une eau à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Ainsi, l’eau de ces nappes peut éventuellement jaillir toute seule et atteindre le niveau du sol sans aucun pompage.
L’exploitation de ces nappes se fait généralement à l’aide de forages tubés de faible diamètre (soit environ de 25 et 34 centimètres).
Les forages sont entièrement exécutés à partir de la surface par des foreuses : par percussion (battage) ou rotation, à sec ou avec injection de l’eau ou de la boue pour faciliter le forage.
Dans une nappe captive, le rabattement s est défini comme étant l’abaissement de la pression d’une valeur initiale H à une pression inférieure h. Dans ce cas, la formule de Dupuit s’écrit:
Dans laquelle e est l’épaisseur de la nappe (en m). Notons que, pour les nappes captives, le produit de la perméabilité K par l’épaisseur e s’appelle la transmissivité : T = K.e (en m2/s)
(voir figure 2.3).
Notons que les différentes nappes en Tunisie font l’objet d’études et d’un suivi continu de la part du Ministère de l’Agriculture. En effet, exploitation d’une nappe, l’exécution de nouveaux forages ou puits et l’augmentation s débits pompés nécessitent des études détaillées préalables dont les objectifs sont:
 de ne pas surexploiter la nappe, pour éviter les risques de la vider, d’augmenter énormément le rabattement et de salinisation des nappes côtières, etc. Il faut alors déterminer la capacité de la nappe (son taux d’alimentation).
 de bien choisir l’emplacement des nouveaux forages pour ne pas perturber le fonctionnement des forages existants (abaisse nt des pressions et/ou des débits). Les nouveaux forages doivent être exécutés en dehors es rayons d’action des anciens forages.
La modélisation hydrogéologique des nappes est actuellement le meilleur moyen disponible qui permet de répondre à toutes ces questions. En effet, le modèle, après une phase de calage sur des mesures in-situ, permet de prévoir le comportement de la nappe suite à n’importe quelle sollicitation (augmentation des débits, nouveaux forages, etc.).

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