Cycle de l'eau

Fiches techniques

Gestion de l'eau Régénération des sols

Rivière dans la forêt amazonienne. Jlwad

La quantité d’eau présente sur Terre est constante. Elle se répartit entre plusieurs réservoirs d’eau que sont l’atmosphère, les mers et océans, les glaciers et calottes glaciaires, les cours d’eau, les lacs, les nappes phréatiques et la végétation. L’eau circule entre ces différents réservoirs sous forme d’eau liquide ou de vapeur d’eau gazeuse. L’ensemble de ces flux entre réservoirs constitue le cycle de l’eau.

Fonctionnement du cycle de l’eau

Le cycle de l’eau peut se résumer comme suit :

Schéma simplifié du cycle de l'eau dans un bassin versant où le fonctionnement du cycle de l'eau est optimal (ex : forêt de feuillus).

L’accumulation dans l’atmosphère

L’eau de pluie se forme par condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère sous forme d’eau liquide. Sur les continents, les deux tiers des pluies sont provoquées par la couverture végétale. Les précipitations proviennent du mélange de la vapeur d'eau issue de la mer et de l'évapotranspiration des terres, selon la répartition suivante :

• 60 % d’eau évapo-transpirée par la végétation en milieu continental (en particulier les feuillus).
• 30% d’eau issue de l’évaporation de l’eau de mer. L’énergie solaire rend possible l’évapotranspiration de l’eau par la végétation grâce à la photosynthèse. L’énergie solaire correspond au moteur du cycle de l’eau.
• 10 % sont évaporés du sol.

Le retour à l’océan (rivières et ruissellements de surface)

• Une partie de l’eau de pluie s'évapore immédiatement (≈10%).
• Une autre partie de l’eau de pluie s’infiltre dans les sols. L’eau infiltrée dans les sols rejoint les eaux souterraines et nappes phréatiques par gravité. Une part des eaux souterraines alimente les cours d’eau et rivières qui se jettent dans l’océan (≈30%). L’eau du sol et des nappes phréatiques peut être également captée par les racines de la végétation.
• Une autre partie de l’eau de pluie peut s’écouler en surface par ruissellement. L’eau de ruissellement de surface alimente directement les rivières et cours d’eau qui se jettent dans l’océan sans infiltration préalable dans les sols. Dans une forêt de feuillus, ces ruissellements de surface sont inexistants, l’intégralité de l’eau de pluie non évaporée s’infiltre dans le sol. La part des eaux de pluie qui retourne à l’océan n’excède alors pas 30%. Dans un écosystème où la végétation est moins abondante ou dans les zones artificialisées, des ruissellements de surface ont lieu. L’eau de pluie est alors rejetée en excès vers l’océan par la rivière (>30%).

Cycle de l'eau complet (USGS)

Prélèvement vs ressource

Les prélèvements en eau ne représentent que 2 à 3% de la ressource en eau, c’est-à-dire du volume des précipitations annuelles. La ressource en eau ne fait pas défaut mais l’enjeu est de parvenir à mieux capter cette ressource et de mieux raisonner ses usages à l’échelle collective.

Schéma de l'origine et des usages des prélèvements d'eau.

Une fois prélevée, l’eau est utilisée pour :

• L’utilisation humaine (34%) - y compris alimentation mais aussi sanitaires et lavage.
• L’utilisation agricole (46%) - y compris irrigation et usage dans les processus agricoles. L'eau utilisée pour l’irrigation retourne soit dans les bassins aquifères, soit dans l'atmosphère par évapotranspiration.
• L’utilisation industrielle et production énergétique (20%).

Une fois utilisée, l’eau fait l’objet de traitements avant de finir dans les cours d’eau, ou bien d’être infiltrée dans les sols et éventuellement de rejoindre les bassins aquifères. In fine, l’eau utilisée est renvoyée à la mer. Les rejets en rivière sont sources de pollutions et amplifient la vidange des bassins versants. Recycler l'eau signifie de ne pas la jeter en mer via les rivières, donc de la réinfiltrer dans les sols après traitement ou de la recycler pour des usages non domestiques comme l'arrosage.

NB : L’eau est utilisée et non consommée, car elle ne disparaît pas - dans tous les cas, elle finit par retourner dans le cycle ! En revanche, son utilisation s’accompagne d’une pollution plus ou moins importante.

La végétation dans le cycle de l’eau

La végétation occupe une place centrale dans la régulation du cycle de l’eau. A l’interface entre le sol et l’atmosphère, elle est nécessaire au maintien de l’équilibre entre évaporation, transpiration, infiltration et ruissellement des eaux de pluie.

Elle diminue l’évaporation par :

• un effet brise-vent,
• la création de zones ombragées et humides par le feuillage,
• la diminution de la température du sol (environ 20°C de moins).

Elle limite le ruissellement et favorise l’infiltration par :

• le ralentissement de l’eau de pluie par le feuillage,
• la structuration du sol par les racines qui assurent une bonne porosité et stabilité du sol (réserve utile),
• la protection contre l’érosion grâce au tapis d’humus (matière organique et végétale décomposée).

Phénomène d’évapotranspiration

La végétation participe localement à la création des précipitations par la transpiration des feuilles.  La transpiration est conditionnée par plusieurs facteurs :

• L’espèce végétale : tous les végétaux n’ont pas la même capacité de transpiration. Un feuillu transpire deux fois plus qu'un conifère et provoque donc deux fois plus de pluie qu’un conifère. Dans l’idéal, une forêt ne devrait pas être constituée de plus d’un tiers de conifères. Il en va de même du maïs qui a une capacité d’évapotranspiration bien supérieure au blé par exemple.
• Les conditions climatiques : l'humidité et la température de l’air, le vent et le rayonnement solaire impactent la capacité d’évapotranspiration des plantes.

Une plante en stress hydrique n’évapotranspire plus (les feuilles s’assèchent). Pour garder le cycle en fonctionnement, il est donc nécessaire de fournir de l’eau aux plantes.

Le cycle d’évapotranspiration est nécessaire pour déclencher les pluies sur le bassin versant. Dit autrement, l’absence d’évapotranspiration va générer une absence de pluie. Inversement, il pleut pratiquement de manière continue au-dessus des jungles, et jamais au - dessus des déserts, quelle que soit la distance à l’océan.

Rôle clé de l’arbre

L’arbre joue un rôle primordial dans le cycle de l’eau. 

• La profondeur de ses racines est essentielle à la communication entre la surface du sol et les nappes superficielles (nappes des sables dans les Landes ou nappes d'accompagnement des cours d'eau par exemple).
• Le réseau mycorhizien favorise l’hydratation du sol et de la végétation environnante.

En réponse aux variations météorologiques à l’échelle locale, l’arbre permet donc de réguler l’accès aux eaux profondes.

Dérèglement du cycle de l’eau

Les perturbations du cycle de l’eau se traduisent par un dérèglement de la répartition annuelle des pluies qui donne lieu à une alternance d’inondations et d’épisodes de sécheresse.

Augmentation de la température

Une température plus élevée augmente la capacité d’évaporation. En pratique, l’air chaud peut contenir plus d’eau que l’air froid. Ce phénomène s’observe avec la rosée : en refroidissant à la surface des plantes, l’air se déleste de son excès d’eau.

Infiltration insuffisante et ruissellement excessif

Schéma simplifié du cycle de l'eau altéré dans un bassin versant où l'infiltration de l'eau est insuffisante (densité végétale insuffisante et/ou sols artificialisés).

Lorsque le fonctionnement du cycle de l’eau est optimal, seul 30% de l’eau de pluie est restituée à la mer par la rivière. Lorsque l’infiltration de l’eau dans les sols est insuffisante, cette proportion augmente. :

• Au niveau de la Garonne, 50% de l’eau de pluie est aujourd’hui rejetée en mer.
• En 2020, cette proportion a atteint 75% au niveau de la Sèvre Niortaise en Nouvelle Aquitaine.

Cet excès d’eau non stockée dans les sols sortant du bassin versant conduit à une diminution du volume d’eau qui peut être transpirée par la végétation, donc à une diminution du volume des précipitations. Aux inondations succèdent donc des périodes de sécheresse.

Infiltration et qualité du sol

L’infiltration de l’eau dans le sol est étroitement liée au type de sol et à la qualité du sol.

La texture du sol conditionne évidemment sa capacité d’infiltration, mais on peut améliorer ce taux d’infiltration en régénérant la vie du sol : un sol vivant a une structure qui favorise l’infiltration de l’eau et limite le ruissellement.

De même que pour sa capacité d’infiltration, la structure du sol a un impact direct sur sa capacité de rétention (réserve utile).

Plusieurs mécanismes sont à l’œuvre :

• Les racines (y compris les réseaux mycorhiziens)
• Les espaces laissés par la faune du sol (microfaune, mais aussi bien sûr vers de terres, etc…)

A l’inverse, le travail du sol, le tassement et le labour diminuent le taux d’infiltration et de rétention de l’eau dans le sol. Même s’il augmente la porosité du sol, le labour détruit les réseaux mycorhiziens et les micropores recouverts de matière organique nécessaires à la stabilité du sol.

Un sol nu génère par ailleurs des phénomènes de battance.

Artificialisation des sols

La diminution de la couverture végétale du fait de la déforestation, de l'urbanisation et de certaines pratiques agricoles a dégradé la qualité des sols et a perturbé le cycle de l’eau tant à l’échelle locale que globale.

La réduction de la surface occupée par la végétation a pour conséquences :

• Une diminution du volume des pluies formées dans les terres due à la réduction de l’évapotranspiration.
• Une communication entravée entre les eaux superficielles et les eaux plus profondes par la déforestation et l'absence d’arbres dans certaines zones agricoles ou certaines zones urbanisées.

Les revêtements imperméables du sol tels que les routes et trottoirs des zones urbanisées font obstacle à l’infiltration de l’eau. 

De même, de nombreuses parcelles qui avaient comme rôle de servir de tampon lors des grosses pluies (parcelles inondables, zones humides, etc…) ont été asséchées et drainées au fil du temps pour favoriser la production agricole ou la construction de bâtiments, accentuant le phénomène de ruissellement.

En résumé, au même titre que les sols nus ou ayant une faible densité végétale, les sols artificialisés rendus imperméables génèrent un excès de ruissellement qui perturbe le cycle de l’eau, accentue les  inondations et réduit l’évapotranspiration, donc les précipitations.

Comparaison d’un écosystème désertique et d’une forêt de feuillus

Une forêt de feuillus correspond à un écosystème idéal où le petit cycle de l’eau, aussi appelé cycle court, a un fonctionnement optimal. Dans un écosystème désertique où la végétation est peu présente et la vie du sol peu abondante, le petit cycle de l’eau est altéré voire inexistant. Le tableau ci-contre récapitule différents paramètres du cycle de l’eau dans ces deux écosystèmes.

	Désert	Végétation (feuillus)
Précipitations	Irrégulières	Régulières
Ruissellement	Maximal	Minime
Evapotranspiration	Nul	Max
Réserve hydrique	Minimale	Maximale (sol structuré)
Flux de l’eau	Rapide	Lent

La régulation du cycle de l’eau nécessite de prendre en compte les liens structurels qui existent entre la couverture végétale et forestière, l’activité biologique et la qualité du sol et les flux d’eau qui constituent le cycle de l’eau.

Quels leviers de régulation ?

Le dérèglement du cycle de l’eau survient lorsqu’une part trop importante (supérieure à 30%) des eaux de pluie est rejetée en mer par ruissellement.

Les solutions qui peuvent être mises en place pour remédier à ce dérèglement consistent à favoriser la rétention d’eau et limiter les ruissellements de surface pour éviter que l’eau de pluie ne soit rejetée en excès vers la mer.

Freiner et réguler le débit de l’eau

Plus l’eau de pluie prend du temps à descendre vers la mer, plus elle a de facilité à s’infiltrer dans le sol. De nombreuses techniques permettent de ralentir l’écoulement de l’eau, et plus ces techniques sont mises en œuvre en amont des bassins versants, plus elles sont efficaces.

• Noues, fossés et infrastructures hydrologiques passives : les noues et les fossés permettent de retenir l’eau sur les coteaux pour lui laisser le temps de s’infiltrer.
• Végétation et forêts : un terrain structuré par la végétation va ralentir l’écoulement de l’eau.
• Castors : les castors, grâce à leurs barrages, augmentent le niveau des cours d’eau, et irriguent de cette manière une surface très importante.

• Les terrasses : sur un terrain en pente, la culture en terrasses permet de fractionner l’écoulement des eaux de ruissellement et de ralentir le retour de ces eaux à la mer.  Cette architecture se retrouve notamment dans les pays d’Asie qui cultivent des rizières en terrasses dans des milieux pentus.

Structures de rétention d’eau

Il existe une diversité de structures qui permettent de conserver l’eau :

• Les barrages : ces constructions assurent un contrôle du débit des cours d’eau et/ou un stockage de l’eau. Les barrages peuvent également avoir vocation à produire de l’hydroélectricité.

• Les retenues collinaires : les eaux de ruissellement de surface peuvent être retenues et temporairement stockées par la mise en place de digues dans des vallons. L’eau stockée peut s'infiltrer lentement et/ou être prélevée pour l’irrigation, la consommation humaine et les usages industriels.

• Les bassines agricoles : elles correspondent à des réservoirs d’eau creusés dans le sol et recouverts d’un film étanche. Contrairement aux retenues collinaires, l’eau stockée dans les bassines agricoles provient de prélèvements effectués dans les nappes phréatiques pendant les périodes dites de hautes eaux ou dans les rivières en crue. Ce stockage des eaux profondes en surface permet de rendre l’eau facilement accessible pour l’irrigation en été. Bien qu’elles fassent l’objet de nombreuses controverses et posent des questions d’équité sociale entre les agriculteurs, elles n’en restent pas moins un moyen de sécuriser l’approvisionnement en eau des cultures et de maintenir une couverture végétale vivante en période estivale, dès lors qu’elle font l’objet d’une gestion rigoureuse.

Pratiques agricoles favorisant l’infiltration d’eau

Le taux d’infiltration de l’eau dans le sol étant fonction de la qualité du sol et de sa couverture végétale, favoriser l’infiltration de l’eau revient à privilégier des pratiques agricoles qui améliorent la stabilité structurale du sol et qui maximisent la densité végétale.

L’ Agriculture de Conservation des Sols

L’Agriculture de Conservation des Sols repose sur trois piliers :

• Maximiser la couverture végétale tout au long de l’année par des couverts végétaux ou paillis.
• Diversifier les successions culturales et les associations de cultures pour étendre l’exploration du sol, l’exploitation de l’eau du sol et optimiser sa restructuration.
• Réduire voire supprimer le travail du sol pour maintenir sa stabilité structurale assurée par la végétation et l’activité biologique du sol. Le passage des engins agricoles doit être limité pour minimiser le tassement du sol et les coûts de production.

Cet ensemble de pratiques présente plusieurs bénéfices :

• Une augmentation de la teneur en matière organique du sol.
• Une amélioration de la structuration du sol.
• Une augmentation de l’activité biologique des sols.

Ces bénéfices concourent à favoriser l’infiltration et la rétention de l’eau dans le sol et à limiter le ruissellement.

L’ Agroforesterie

L’agroforesterie consiste à associer des arbres et des cultures sur une même parcelle agricole. Compte tenu du rôle central de l’arbre dans la régulation du cycle de l’eau, l’extension de l’agroforesterie est indispensable pour :

• Limiter l’évaporation grâce à l’effet brise-vent des arbres et haies implantés dans les exploitations agricoles.
• Protéger les sols et cultures en cas de fortes intempéries.
• Assurer le rechargement des nappes phréatiques et l’approvisionnement des cultures en eau par le réseau racinaire des arbres.
• Diminuer la température ("climatisation naturelle").

Non seulement la réintroduction des arbres et des haies sur les parcelles agricoles rend les cultures plus résilientes aux sécheresses et inondations qui tendent actuellement à s’intensifier, mais elle contribue également à réguler le cycle de l’eau, donc à atténuer les sécheresses et inondations.

Le keyline design

Organiser ses parcelles selon les principes du keyline design va permettre à la fois de diriger, infiltrer, stocker, répartir les eaux de ruissellement et d'en évacuer l’excédent (vers des noues ou bassins), mais aussi d’infiltrer de l’oxygène et des nutriments tout ceci dans le but de favoriser le développement d'un sol vivant, profond et présentant une grande fertilité biologique. Il est moins coûteux d’atteindre ce but dans un paysage qui a été organisé à cette fin.

Ne pas confondre consommation et ressource

L’eau ne disparaît pas. C’est un cycle. La seule façon de perdre de l'eau douce est de la rejeter en mer au lieu de la recycler dans les terres. On ne manque pas d'eau, on en jette trop.

Plus on a d’eau, plus on a de végétation, et plus on a de végétation, plus on a d’eau. En période de sécheresse, la tentation est forte de réduire l’irrigation qui constitue la moitié de la consommation d’eau. Mais consommation n’est pas ressource. Réduire l’irrigation revient à amplifier la sécheresse. En effet, en période de sécheresse, l’irrigation est nécessaire au maintien de la vie des sols et de la couverture végétale, elle-même nécessaire à la bonne régulation du cycle de l’eau. Conserver l’irrigation lorsqu’elle est indispensable, contribue au bon fonctionnement du cycle de l’eau et permet à terme de limiter les périodes de sécheresse.

La bonne santé hydrique d'un bassin versant dépend de sa densité végétale (surtout l'été), l’idéal étant la densité végétale de l'écosystème forestier (de feuillus).

La version initiale de cet article a été rédigée par Laurent Denise.

Sources

• Covès H. 2022. Conférence Paysages in Marciac. La chaîne des Alvéoles. [06/09/2022]https://www.youtube.com/watch?v=ZhtQ89NzOjs&t=1s
• Denise L. 2022. Conférence Paysages in Marciac. Ver de Terre Production. [06/09/2022] https://www.youtube.com/watch?v=CZFqOMy3dwo&t=5883s
• Denise L. 2020. L'effet PARASOL de l'atmosphère.[09/2022]. https://www.mediaterre.org/actu,20200624084144,1.html
• Denise L.2020. Les crues excessives de l'hiver préparent mathématiquement les sécheresses de l'été. [09/2020]. https://www.mediaterre.org/actu,20200211092626,2.html
• Galabert JL, Comprendre les cycles hydrologiques et cultiver l’eau pour restaurer la fécondité des sols et prendre soin du climat, Documentation ISI — Initiatives et Solu- tions Interculturelles, Version 2, 25 juillet 2022. https://interculturelles.org/wp-content/uploads/2022/07/Comprendre-les-cycles-hydrologiques-et-cultiver-l-eau-v1-WEB.pdf
• Planetoscope. 2022.Les précipitations en France en litres d'eau de pluie. [09/2022]. https://www.planetoscope.com/eau-oceans/620-.html