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Vidéos : Eau douce, cycle hydrologique et gestion durable

Vidéo 1

1. Introduction et expertise

• Instructeur : Paolo Perona, professeur en hydraulique et ingénierie de l’eau à l’EPFL.
• Expertise : hydraulique théorique et expérimentale, morphodynamique des rivières et gestion des ressources en eau.
• Objectif du cours : comprendre le rôle de l’eau douce, son cycle, sa disponibilité et l’importance d’une gestion durable pour les besoins humains et environnementaux.

2. La Terre : une situation astronomique unique

• La Terre est la seule planète du système solaire où l’eau peut coexister sous trois formes :
  • Gazeuse
  • Liquide
  • Solide
• Conditions de pression et température :
  • Elles permettent d’être à proximité du point critique, ou point triple, du diagramme des phases.

Comparaison planétaire

• Vénus :
  • Trop près du Soleil
  • L’eau n’existe que sous forme de vapeur
• Mars :
  • Trop loin du Soleil
  • L’eau n’existe que sous forme solide
• Terre :
  • À la bonne distance
  • Permet un ajustement parfait pour la vie

3. L’eau comme moteur des processus terrestres

• L’eau alimente des processus fondamentaux qui façonnent la planète.

Géomorphologie

• L’altération des roches produit environ 100 milliards de tonnes de sédiments par an.
• Cela représente :
  • 17 000 fois la pyramide de Gizeh
  • Ou 70 % du Mont Everest

Érosion et transport

• Environ 20 % du sol érodé est livré aux océans.
• Cela correspond au ratio de livraison des sédiments.

Écomorphodynamique

• Il s’agit de l’interaction entre les processus physiques, comme l’eau et le sable, et les processus biologiques.
• Cette interaction crée les habitats naturels.

4. L’hydrosphère et l’écosystème

• Zones abiotiques (inertes) :
  • Atmosphère
  • Hydrosphère, c’est-à-dire l’eau sous toutes ses formes
  • Lithosphère
• Définition de l’écosystème :
  • Intersection entre une sphère biotique, donc vivante, et une sphère abiotique
  • L’ensemble forme l’écosphère

Rôle métabolique

• Photosynthèse :
  • L’eau est un réactif pour les plantes
• Respiration :
  • L’eau est un produit, ou déchet naturel, pour les animaux

5. Le cycle hydrologique et transport

• Le cycle hydrologique correspond aux transferts d’eau entre les réservoirs terrestres.
• L’eau y est renouvelable, ce qui impose de préserver les processus permettant ce renouvellement.

Mécanismes de transport

• Advection :
  • Déplacement dû au mouvement d’un fluide
  • Exemple : air chaud transportant la vapeur
• Convection :
  • Transfert de chaleur ou de matière par mouvement interne du fluide
  • Exemple : eau chaude qui monte
• Diffusion :
  • Mouvement des particules d’une zone concentrée vers une zone moins concentrée, sans mouvement global du fluide
  • Exemple : parfum

Équilibres et disparités

• Sur Terre :
  • Précipitations > évapotranspiration
  • Cela crée les rivières et glaciers
• Sur Mer :
  • Évaporation > précipitations
• Répartition de l’évaporation terrestre :
  • 25 % finit dans la mer
  • 75 % retombe sur terre

6. Chiffres clés sur la disponibilité de l’eau

• L’eau est abondante, mais la part utilisable est infime.

Données générales

• Volume total sur Terre :
  • 1,4 milliard de km³
  • Soit 600 000 Monts Everest
• Salinité :
  • L’eau de mer contient 33 à 37 g de sel par litre

Répartition de l’eau

• Eau salée :
  • 97,5 %
• Eau douce :
  • 2,5 % seulement du total

Répartition de l’eau douce

• Glaces et neiges :
  • 68,9 %
  • Difficilement accessible
• Eaux souterraines :
  • 30,8 %
  • Nécessitent des pompes
• Lacs et rivières :
  • 0,3 % seulement

Conclusion cruciale

• L’eau douce directement accessible ne représente que 0,0075 % de l’eau totale sur Terre.
• Cela correspond à seulement 45 Monts Everest sur les 600 000 initiaux.

Vidéo 2

1. L’eau en tant que ressource

• Les ressources naturelles sont classées en fonction de leur capacité à se régénérer.
• La renouvelabilité désigne la vitesse à laquelle une ressource peut se reconstituer une fois consommée.
• Les ressources non renouvelables, comme le pétrole ou le charbon, se reconstituent très lentement, voire pas du tout.
• L’eau, sous toutes ses formes, tout comme l’énergie solaire, est une ressource renouvelable car elle se régénère naturellement à l’échelle humaine.

2. Le temps de renouvellement de l’eau

• Les cycles hydrologiques déplacent l’eau sur Terre et garantissent sa régénération.
• Cependant, les perturbations de ce cycle modifient la durabilité des ressources.
• Le temps de renouvellement est très variable :
  • De quelques heures
  • À des milliers d’années selon les masses d’eau concernées
• Les très grands stocks d’eau nécessitent un temps de renouvellement largement décalé par rapport à l’échelle de nos vies humaines.

Calcul pour l’atmosphère

• Le volume d’eau dans l’atmosphère dépend :
  • De l’évaporation, qui apporte l’eau
  • Des précipitations, qui la retirent
• En considérant une moyenne constante, ou régime permanent :
  • L’évaporation est égale aux précipitations
• En divisant le stock d’eau moyen par le flux annuel, on estime que l’eau reste environ 8,22 jours dans l’atmosphère.
• Cela signifie qu’en moyenne, un événement de précipitation décharge l’atmosphère environ une fois par semaine.

3. Renouvellement quantitatif vs qualitatif

• Le ruissellement permet de recharger l’eau en quantité.
• Il restaure également sa qualité au fil du temps.
• L’écoulement fluvial est l’élément le plus important du cycle hydrologique.
• Si l’Homme arrêtait de polluer les rivières, l’eau pourrait retrouver sa pureté naturelle.

Pollution

• La pollution chimique, industrielle, pharmaceutique ou agricole, ainsi que les matériaux résistants comme les microplastiques ou les PFAS, peuvent persister pendant des dizaines d’années.
• Par conséquent, la qualité de l’eau et les écosystèmes peuvent être affectés bien au-delà du simple temps de renouvellement physique de l’eau.

Leçon à retenir

• Le système terrestre n’a pas une capacité infinie.
• Il est impératif de concevoir une charge polluante maximale tolérable pour les activités humaines afin de garantir une conception durable.

Exemple

• En juin 2024, la mer Adriatique a connu une prolifération d’algues.
• Cette situation a été causée par l’accumulation de nutriments, azote et phosphore, suite à une sécheresse, exacerbée par des pluies exceptionnelles et le lent renouvellement de cette mer peu profonde.

4. L’utilisation de l’eau douce dans le monde

Moyennes mondiales

• 69 % de l’eau douce est utilisée pour les activités agricoles.
• 19 % est destinée à l’industrie.
• 12 % est réservée aux usages domestiques.

Impact des revenus des pays

• La répartition de l’utilisation de l’eau dépend fortement du revenu interne du pays.
• Pays à faibles revenus :
  • Utilisent proportionnellement beaucoup plus d’eau pour l’agriculture
• Pays à revenus élevés :
  • Utilisent davantage d’eau pour l’industrie et l’usage domestique
  • Cela est lié à la densité de population et au niveau de disponibilité des biens de consommation

5. Utilisations consommatrices vs non consommatrices

• Utilisations consommatrices :
  • Ce sont toutes les utilisations qui altèrent la disponibilité de l’eau après son usage
  • Soit en modifiant sa quantité
  • Soit en modifiant sa qualité
  • Presque toutes nos utilisations entrent dans cette catégorie
• Utilisations non consommatrices :
  • Elles ne modifient pas la quantité d’eau
  • Mais elles altèrent sa distribution dans le temps ou l’espace
• Exemple :
  • Un barrage qui stocke de l’eau modifie le régime d’écoulement naturel de la rivière
  • Mais ne consomme pas l’eau au sens strict

Vidéo 3

1. La gestion des ressources en eau : un enjeu de responsabilité

• La durabilité ne consiste pas seulement à trouver une solution technologique.
• Elle exige également de la responsabilité.

Exemple en Afrique

• Une installation de pompage solaire, financée par un pays riche, a gaspillé de l’eau pendant près de trois ans, à raison de 8 heures par jour.
• La cause était simplement un tuyau trop petit pour la capacité de la pompe.

Conflit international : bassin de l’Amou-Daria

• Ce bassin, grand comme 5,5 fois la Suisse, est partagé entre cinq pays :
  • Afghanistan
  • Kirghizistan
  • Tadjikistan
  • Turkménistan
  • Ouzbékistan
• Depuis les années 1960, de grands projets d’irrigation ont réduit les apports d’eau vers la mer d’Aral à moins de 10 % de leur niveau naturel.
• Conséquence :
  • La mer d’Aral s’assèche drastiquement
  • Car l’évaporation y dépasse largement les apports d’eau

2. L’état des rivières mondiales et les limites planétaires

• Le problème de la régulation des rivières est mondial.

Régulation

• Une carte mondiale permet de classer les rivières selon leur état :
  • Écoulement naturel
  • Bonne connectivité
  • Fortement impactées ou régulées

Pollution par les déchets

• L’état des rivières est aussi mesuré en kilotonnes annuelles de déchets solides municipaux qui s’écoulent dans les bassins fluviaux.
• Ces déchets incluent :
  • Aliments
  • Plastiques
  • Papier
  • Autres déchets solides

Conclusion

• La combinaison de la régulation excessive et de la pollution explique pourquoi la limite planétaire pour l’eau douce est aujourd’hui considérée comme dépassée.

3. Les systèmes dynamiques complexes : le point de non-retour

• La Terre est un système complexe dont le comportement au-delà de ses limites est en partie inconnu.

Système simple

• Si l’on modifie un paramètre, inverser le processus permet de revenir rapidement à l’état d’équilibre initial en suivant la même courbe.

Système complexe

• En augmentant la pression sur le système, on peut provoquer une transition discontinue, donc brutale, vers un nouvel état d’équilibre.

Le non-retour direct

• Pour revenir à l’état initial, il ne suffit pas de réduire la pression au niveau où la rupture a eu lieu.
• Il faut une réduction beaucoup plus importante du paramètre de contrôle.

Exemple : désertification

• Si le manque d’eau transforme un écosystème en désert, par exemple par mort de la végétation, il ne suffira pas de simplement ramener de l’eau pour restaurer l’écosystème.
• Il faudra réduire drastiquement la pression sur le système pour espérer un retour en arrière.

4. Défis actuels et solutions pour une gestion durable

• La gestion durable est essentielle pour garantir l’accès à l’eau potable.
• Les pénuries locales risquent de devenir globales.

Pollution de l’eau

• Problème :
  • Rejets industriels et agricoles
  • Eau grise
• Solutions :
  • Imposer des règles strictes
  • Améliorer les technologies de traitement

Dégradation des écosystèmes

• Problème :
  • Altération des cours d’eau
  • Perte de biodiversité
• Solutions :
  • Gestion intégrée
  • Libération de débits variables
  • Programmes de restauration des écosystèmes

Impact du changement climatique

• Problème :
  • Intensification des extrêmes
• Solutions :
  • Coordination
  • Coopération

Concurrence intersectorielle

• Problème :
  • Agriculture vs industrie vs habitats
• Solutions :
  • Allocation équitable de l’eau
  • Technologies d’économie d’eau
  • Collaborations entre les secteurs

Gouvernance

• Problème :
  • Faible réglementation
  • Manque de coordination
• Solutions :
  • Renforcer les politiques de coopération
  • Améliorer l’engagement de toutes les parties prenantes

5. Études de cas et stratégies pratiques

Cas 1 : communauté menacée par la pénurie d’eau

• Trois stratégies pratiques à mettre en place :

Collecte d’eau de pluie

• Réduit la dépendance à la rivière
• Prévient l’érosion
• Recharge les nappes phréatiques

Éducation à la conservation

• Sensibiliser la population :
  • Réparer les fuites
  • Utiliser des appareils économes
• Cela permet de réduire significativement la demande globale

Restauration des zones riveraines

• Les zones tampons :
  • Préviennent l’érosion
  • Filtrent les polluants
  • Améliorent la qualité de l’eau de l’écosystème fluvial

Cas 2 : projet EIRA en Mauritanie

• Lieu :
  • Nouakchott
• Problème :
  • En raison de l’urbanisation et de la topographie très plate, la nappe phréatique affleure à la surface
  • Cela crée des étendues d’eau stagnante permanentes
• Solution testée :
  • L’afforestation
• Principe :
  • Planter des arbres qui, par leur transpiration, pompent l’eau vers l’atmosphère
  • Cela permet d’abaisser le niveau de la nappe et d’augmenter la résilience face aux inondations

6. Conclusion générale

• Une gestion durable nécessite des solutions technologiques.
• Elle nécessite aussi des approches raisonnables basées sur la prise de conscience, via l’éducation ou l’expérience.

Évolution des professionnels de l’eau

• Historiquement, la discipline était dominée par les ingénieurs et la construction.
• Aujourd’hui, elle intègre aussi des écologues et des spécialistes de la nature pour faire face aux défis environnementaux et réconcilier l’ingénierie avec la nature.

Principe de précaution

• Face à l’inconnu du comportement des systèmes complexes au-delà de leurs limites, le principe de précaution doit devenir le facteur clé des futures actions politiques et économiques.

Corrections de vos quizz

Question 5.1.5 — Éléments de l’écosystème

• L’eau forme un écosystème à l’intersection de :
  • La biosphère
  • L’atmosphère
  • La lithosphère

Question 5.1.9 — Renouvellement dans l’atmosphère

• Le temps de séjour de l’eau dans l’atmosphère est influencé par :
  • Les flux d’évaporation
  • Les flux de précipitations
• Ces flux s’équilibrent en régime permanent.

Question 5.2.8 — Défis principaux

• Les défis majeurs actuels cités dans le cours sont :
  • La pollution de l’eau
  • Le changement climatique

Question 5.2.10 — Impacts du changement climatique

• Le changement climatique entraîne une intensification des extrêmes.
• Cela signifie des événements moins fréquents, mais beaucoup plus intenses.