Épuisement des eaux souterraines

L'épuisement ou la surexploitation des eaux souterraines est le processus d’extraction d'eau souterraine au-delà du rendement d'équilibre d'un aquifère. Les eaux souterraines constituent l'une des plus importantes sources d'eau douce et se trouvent sous terre. La principale cause de l'épuisement des nappes phréatiques est le pompage excessif de ces eaux depuis les aquifères souterrains.

Au cours d'une longue période d'épuisement des eaux souterraines dans la vallée Centrale de Californie, les brèves périodes de rétablissement sont principalement dues à des événements météorologiques extrêmes qui ont généralement provoqué des inondations et ont des conséquences sociales, environnementales et économiques négatives.

Un rechargement insuffisant peut entraîner un épuisement de la nappe phréatique, réduisant ainsi son utilité pour l'homme. L’épuisement peut également avoir des impacts sur l’environnement autour de l’aquifère, tels que la compression et l’affaissement du sol, des changements climatiques locaux, des modifications de la chimie du sol et d’autres détériorations de l’environnement local.

Rendements

Il existe deux types de rendements : le rendement sûr et le rendement durable. Le débit de prélèvement sécuritaire correspond à la quantité d’eau souterraine qui peut être prélevée sur une période donnée sans dépasser le taux de recharge à long terme ni affecter l’intégrité de l’aquifère. Le rendement durable est la quantité d'eau extraite qui peut être maintenue indéfiniment sans impacts hydrologiques négatifs, en tenant compte à la fois du taux de recharge et des impacts sur les eaux de surface.

Aquifères

Les aquifères sont des formations géologiques avec des parties hydrauliques qui permettent le stockage et la libre transmission de l'eau à travers ses pores et fissures. Les aquifères sont composées de la nappe phréatique, la zone de saturation, la couche imperméable. Il existe deux types d'aquifères selon la localisation des aquifères, leur comportement hydrologique et la géologie caractéristique à savoir : les aquifères libres, celles confinés et semi-confinés.

Les aquifères libres ou souterrains ne présentent pas de formation imperméables. Dans ces aquifères, la zone non saturée est située entre la surface du sol et la nappe phréatique et l'eau est en contact avec l'air et à la pression atmosphérique.

Ceux confinés contrairement à ceux libres, ils ne sont pas en contact avec l'atmosphère en raison de la présence de matériaux imperméables ou confinants. Dans un aquifère actif, l'eau sature totalement les pores ou les fissures, de sorte que lors du forage, elle monte jusqu'à ce qu'il y ait équilibre avec la pression hydraulique et la pression atmosphérique.

Les aquifères semi-confinés sont des aquifères sous pression et présentent une très grande perméabilité car ils sont considérés comme des aquitards.

Extraire de l'eau souterraine des aquifères non captifs revient à emprunter de l'eau : il faut la recharger à un rythme approprié. La recharge peut se faire par recharge artificielle et par recharge naturelle.

Mécanisme

Lorsqu'on extrait de l'eau souterraine d'un aquifère, un cône de dépression se crée autour du puits. À mesure que l'aspiration de l'eau se poursuit, le rayon du cône augmente. Un prélèvement excessif d'eau (surexploitation) peut entraîner des conséquences négatives telles qu'une baisse du niveau de la nappe phréatique, un affaissement des sols et une diminution de l'apport d'eau de surface aux cours d'eau. Dans les cas extrêmes, l'eau qui alimente naturellement la nappe phréatique est prélevée directement dans les ruisseaux et les rivières, ce qui abaisse leur niveau. Cela affecte la faune sauvage, ainsi que les humains qui pourraient utiliser l'eau à d'autres fins.

Le processus naturel de recharge des aquifères s'effectue par percolation des eaux de surface. Une nappe phréatique peut être rechargée artificiellement, par exemple en injectant directement dans la nappe phréatique les eaux usées récupérées après leur traitement (épuration). Un exemple en est le District des eaux du comté d'Orange en Californie : cette organisation récupère les eaux usées, les traite jusqu'à un niveau approprié, puis les réinjecte systématiquement dans les aquifères pour une recharge artificielle.

Étant donné que chaque bassin d'eau souterraine se recharge à un rythme différent en fonction des précipitations, de la couverture végétale et des pratiques de conservation des sols, la quantité d'eau souterraine qui peut être pompée sans danger varie considérablement d'une région du monde à l'autre, et même au sein d'une même province. Certaines nappes phréatiques mettent très longtemps à se recharger, et un surexploitation peut donc assécher certaines réserves d'eau souterraines. L'affaissement se produit lorsque l'on extrait une quantité excessive d'eau souterraine des roches qui supportent un poids plus important lorsqu'elles sont saturées. Cela peut entraîner une réduction de la capacité de l'aquifère.

Les variations de la disponibilité en eau douce résultent d'activités naturelles et humaines (liées au changement climatique) qui perturbent les schémas de recharge des nappes phréatiques. L'irrigation est l'une des principales activités anthropiques à l'origine de l'épuisement des eaux souterraines. Environ 40 % de l'irrigation mondiale est assurée par les eaux souterraines, et lirrigation est la principale activité à l'origine de la perte de stockage des eaux souterraines aux États-Unis.

Autour du monde

Classement des pays qui utilisent les eaux souterraines pour l'irrigation :

Pays	Millions d'hectares ( ) irrigué par les eaux souterraines
Inde	26,5
USA	10.8
Chine	8.8
Pakistan	4.9
L'Iran	3.6
Bangladesh	2.6
Mexique	1.7
Arabie Saoudite	1.5
Italie	0,9
Turquie	0,7
Syrie	0,6
Brésil	0,5

Ce classement est basé sur la quantité d'eau souterraine utilisée par chaque pays pour l'agriculture. Ce problème prend de l'importance aux États-Unis (notamment en Californie), mais il est un problème persistant dans d'autres parties du monde, comme cela est documenté au Pendjab, en Inde, en 1987.

États-Unis

Aux États-Unis, on estime à 800 km³ de nappe phréatique qui sont épuisées au cours du XX^e siècle. Le développement des villes et autres zones de forte concentration de consommation d'eau exerce une pression considérable sur les ressources en eaux souterraines. Dans les scénarios post-aménagement, les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines sont réduites ; il y a moins de mélange entre la surface et le sous-sol (écoulement hypodermique), ce qui entraîne un abaissement des nappes phréatiques.

Les taux de recharge des eaux souterraines sont également affectés par la hausse des températures qui augmente l'évaporation et la transpiration de surface, ce qui entraîne une diminution de la teneur en eau du sol. Les modifications anthropiques du stockage des eaux souterraines, telles que le surpompage et l'épuisement des nappes phréatiques combinées aux changements climatiques, remodèlent efficacement l'hydrosphère et ont un impact sur les écosystèmes qui dépendent des eaux souterraines.

Déclin accéléré des réservoirs souterrains

Selon un rapport de 2013 de l'hydrologue chercheur Leonard F. Konikow de l'Institut d'études géologiques des États-Unis, l'épuisement de l'aquifère d'Ogallala entre 2001  – 2008 représente environ 32 % de l'épuisement cumulé au cours de l'ensemble du 20^e siècle. Aux États-Unis, les plus grands utilisateurs d'eau des aquifères comprennent l'irrigation agricole et l'extraction de pétrole et de charbon. Selon Konikow, « la diminution cumulée des réserves d’eau souterraine aux États-Unis s’est accélérée à la fin des années 1940 et s’est poursuivie à un rythme linéaire quasi constant jusqu’à la fin du siècle. Outre ses conséquences environnementales largement reconnues, cette diminution des réserves d’eau souterraine compromet également la durabilité à long terme de ces ressources pour répondre aux besoins en eau du pays ».

Selon une autre étude de l'institut sur les prélèvements dans 66 grands aquifères américains, les trois principaux usages de l'eau extraite des aquifères sont l'irrigation (68 %), l'approvisionnement public en eau (19 %) et « l'industrie auto-approvisionnée » (4 %). Les 8 % restants des prélèvements d’eau souterraine sont destinés à « l’auto-approvisionnement domestique, à l'aquaculture, à l'élevage, à l'exploitation minière et à la production d'énergie thermoélectrique ».

Impacts environnementaux

Le prélèvement d'eau souterraine pour l'approvisionnement en eau potable abaisse le niveau global de la nappe phréatique, c'est-à-dire le niveau auquel se trouve l'eau souterraine dans une zone donnée. La baisse du niveau de la nappe phréatique peut diminuer le débit des cours d'eau et réduire le niveau d'eau dans d'autres plans d'eau tels que les zones humides et les lacs. Dans les systèmes karstiques, le prélèvement massif d'eau souterraine peut entraîner la formation de dolines ou un affaissement lié à la nappe phréatique. La surpression entraîne une instabilité de la pression dans les confinements calcaires et l'effondrement des sédiments, créant ainsi un gouffre. Le surexploitation des nappes phréatiques dans les régions côtières peut entraîner une réduction de la pression de l'eau dans une nappe phréatique, favorisant ainsi l'intrusion d'eau salée. Si l'eau salée contamine une nappe phréatique d'eau douce, cette nappe ne peut plus être utilisée comme source fiable d'eau douce pour les agglomérations et les villes. La recharge artificielle pourrait rétablir la pression d'eau douce et ainsi stopper l'intrusion d'eau salée. Cependant, cette méthode peut s'avérer économiquement inefficace et indisponible en raison du coût élevé du processus.

Lorsque les aquifères ou les puits d'eau souterraine subissent un prélèvement excessif, les concentrations chimiques dans l'eau peuvent changer. Des substances chimiques telles que le calcium, le magnésium, le sodium, le carbonate, le bicarbonate, le chlorure et le sulfate peuvent être trouvées dans les sources d'eau souterraine. Les modifications de la qualité de l'eau dues à la surexploitation peuvent la rendre impropre à la consommation humaine, rendant ainsi les sources d'eau souterraine inutilisables comme source d'eau potable.

Le surexploitation peut également affecter les organismes vivant dans les aquifères souterrains, connus sous le nom de tygobiontes. La perte d'habitat de ces créatures due au surexploitation réduit la biodiversité dans certaines régions.

Les impacts environnementaux du pompage excessif comprennent :

• Affaissement lié aux eaux souterraines : l'effondrement du sol dû à un manque de soutien (de l'eau qui s'épuise). Le premier cas recensé d'affaissement de terrain remonte aux années 1940. L’affaissement des sols peut aller d’un simple glissement de terrain local à l’affaissement de toute une région. L'affaissement peut entraîner des dommages aux infrastructures et aux écosystèmes ;
• l'abaissement de la nappe phréatique rend l'accès à l'eau plus difficile pour les ruisseaux et les rivières ;
• réduction du volume d'eau dans les cours d'eau et les lacs due à la diminution de leur apport en eau par la recharge des aquifères par les eaux de surface ;
• impacts sur les animaux qui dépendent des cours d'eau et des lacs pour leur nourriture, leur eau et leur habitat ;
• détérioration de la qualité de l'eau ;
• l'augmentation du coût de l'eau pour le consommateur est due à la baisse du niveau de la nappe phréatique : il faut davantage d'énergie pour pomper l'eau à une plus grande profondeur, ce qui entraîne une hausse des coûts d'exploitation pour les entreprises, qui répercutent cette dépense sur le consommateur ;
• diminution de la production agricole due au manque d'eau ;
• perturbations du cycle de l'eau.

Affaissement lié aux eaux souterraines

L'affaissement lié aux eaux souterraines est l'affaissement ou l'enfoncement des sols résultant d'une extraction non durable des eaux souterraines. C'est un problème croissant dans les pays en développement à mesure que les villes augmentent en population et en consommation d'eau; sans règlementation et contrôle adéquats du pompage. Selon une estimation, 80 % des problèmes graves d'affaissement des sols aux États-Unis sont associés à l'extraction excessive des eaux souterraines.

Effets socio-économiques

Le pompage excessif des ressources en eau a des répercussions socio-économiques dues aux inégalités de coûts qui augmentent à mesure que le niveau de la nappe phréatique baisse. À mesure que le niveau de la nappe phréatique baisse, il faut creuser des puits plus profonds pour atteindre l'eau de l'aquifère. Cela nécessite non seulement d'approfondir les puits existants, mais aussi de creuser de nouveaux puits. Les deux procédés sont coûteux. Des recherches menées au Pendjab montrent que le coût élevé de la technologie permettant de maintenir l’accès à l’eau pénalise davantage les petits propriétaires fonciers que les grands propriétaires fonciers, car ces derniers disposent de plus de ressources « à investir dans la technologie ». Par conséquent, les petits propriétaires fonciers, qui ont traditionnellement un revenu inférieur à celui des grands propriétaires fonciers, ne peuvent pas bénéficier de la technologie qui permet un meilleur accès à l'eau. Cela crée un cycle d'inégalités, car les petits propriétaires fonciers qui dépendent de l'agriculture disposent de moins d'eau pour irriguer leurs terres, ce qui entraîne une baisse de leurs récoltes.

De plus, le pompage excessif a des répercussions socio-économiques en raison des lois sur les affectations budgétaires antérieures. Le droit de priorité d'appropriation stipule que la première personne à utiliser l'eau d'une source d'eau en conserve le droit. Ces droits engendrent des inégalités socio-économiques, car les entreprises et/ou les grands propriétaires fonciers disposant de revenus plus élevés peuvent conserver leurs droits sur l'eau. Parallèlement, les nouvelles entreprises ou les petits propriétaires fonciers ont moins accès à l'eau, ce qui réduit leur capacité à réaliser des profits. En raison de cette inégalité, les petits agriculteurs du Pendjab, qui disposent de moins de droits d'eau, ont tendance à cultiver du maïs ou du riz moins productif ; tandis que les grands propriétaires fonciers du Pendjab peuvent utiliser davantage de terres pour la riziculture car ils ont accès à l'eau.

Solutions possibles

Recharge artificielle

Puisque la recharge est le renouvellement naturel de l'eau, la recharge artificielle est le renouvellement artificiel des eaux souterraines, bien qu'il n'existe qu'une quantité limitée d'eau appropriée disponible pour le renouvellement.

Techniques de conservation de l'eau

D'autres solutions consistent à mettre en œuvre des techniques de conservation de l'eau afin de réduire le surprélèvement. Ces mesures comprennent l’amélioration de la gouvernance pour assurer une gestion adéquate de l’eau, l’incitation à la conservation de l’eau, l’amélioration des techniques agricoles pour assurer une utilisation efficace de l’eau, la modification des régimes alimentaires au profit de cultures nécessitant moins d’eau et l’investissement dans des infrastructures qui utilisent l’eau de manière durable. L'État de Californie met en œuvre certaines techniques de conservation de l'eau en raison des sécheresses qui frappent l'État. Certaines de leurs techniques comprennent l'interdiction : 1) d'arroser l'extérieur de manière à ce que l'eau ruisselle sur les trottoirs ou autres surfaces dures qui n'absorbent pas l'eau, 2) de laver les véhicules avec un tuyau d'arrosage sans robinet d'arrêt, 3) d'arroser dans les 48 heures suivant une pluie de 6 mm (un quart de pouce), et 4) d'arroser les pelouses ornementales commerciales/industrielles.

Incitation à la conservation de l'eau

Les techniques utilisées par la Californie en situation d'urgence sont utiles ; toutefois, il est important d'être incité à les mettre en œuvre. La ville de Spokane a mis en place un programme visant à encourager les aménagements paysagers durables, appelé SpokaneScape. Ce programme encourage les aménagements paysagers économes en eau en offrant aux propriétaires jusqu'à 500 $ de crédit sur leur facture d'eau s'ils adaptent leurs jardins avec des plantes économes en eau.

Notes et références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Groundwater depletion » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Articles connexes

• Nappe phréatique
• Recharge des eaux souterraines
• Eau potable
• Surexploitation
• Crise de l'eau
• Surpopulation humaine

Liens externes

• Les dangers du pompage des eaux souterraines, enjeux scientifiques et technologiques