L'échelle mondiale de la dépendance des eaux souterraines

Dans tous les continents, les villes ont grandi autour de la disponibilité de l'eau douce. Pour des millions de citadins, cette eau vient de sous leurs pieds. L'eau souterraine fournit près de la moitié de l'eau potable utilisée dans le monde et représente environ 43 pour cent de l'eau consommée pour l'agriculture irriguée.

Les améliorations apportées aux techniques de forage, la diffusion de pompes électriques abordables et le coût relativement faible de l'extraction par rapport aux réservoirs de surface des bâtiments ont fait de l'eau souterraine le choix par défaut pour de nombreux services publics municipaux d'eau. Pourtant, cette commodité masque un problème grave et croissant : lorsque l'eau est retirée d'un aquifère plus rapidement qu'elle ne peut être reconstituée, le système commence à se dégrader de façon difficile et coûteuse à inverser.

Comprendre les systèmes d'aquifère

Les aquifères sont des formations géologiques qui stockent et transmettent les eaux souterraines, qui se trouvent dans des couches de roches perméables, comme le grès, le calcaire ou le granit fracturé, ou dans des sédiments non consolidés comme le sable et le gravier. Ces réservoirs souterrains ne sont pas statiques; ils sont des composantes dynamiques du cycle hydrologique, ils reçoivent une recharge par précipitation, infiltration d'eau de surface et écoulement latéral sous-surface, tout en se déversant naturellement dans les sources, les rivières, les lacs et les milieux humides.

Types d'aquifères

Les systèmes d'aquifère sont généralement classés en deux catégories, chacune répondant différemment à l'extraction.

  • Les aquifères non confinés[ sont directement reliés à la surface par des matériaux perméables qui surplombent. Les niveaux d'eau de ces aquifères augmentent et diminuent relativement rapidement en réponse aux précipitations et au pompage.
  • Les aquifères confinés sont entrecoupés de couches de matériaux à faible perméabilité, comme l'argile ou le schiste. L'eau dans un aquifère confiné est sous pression. Lorsque l'aquifère est tapoté, l'eau peut s'élever dans un puits au-dessus du sommet de l'aquifère, parfois même couler à la surface naturellement. Ces aquifères se rechargent beaucoup plus lentement, souvent au fil des décennies ou des siècles, et peuvent être fortement épuisés avec relativement peu d'avertissement.

Le comportement de tout aquifère dépend de sa capacité de stockage et de sa transmissivité, de la capacité de l'eau à se déplacer dans la formation. Ensemble, ces propriétés déterminent la quantité d'eau qui peut être retirée de façon durable et la rapidité avec laquelle le système réagit au stress de pompage.

Le rôle des eaux souterraines dans le budget de l'eau

Dans de nombreux bassins versants, les eaux souterraines constituent la majorité des débits de cours d'eau durant les mois d'été. Lorsque les aquifères sont épuisés, les systèmes d'eau de surface souffrent également. Les cours d'eau peuvent s'assécher de façon saisonnière ou permanente, la végétation riveraine meurt et les espèces dépendantes perdent leur habitat essentiel.

La compréhension de cette connectivité est essentielle pour gérer les ressources en eau en tant que système unifié. Le traitement des eaux souterraines et des eaux de surface en tant qu'entités distinctes conduit à des décisions de gestion qui nuisent par inadvertance à l'une des deux, tout en essayant de profiter à l'autre.

L'échelle et les moteurs de l'extraction de l'eau urbaine

L'urbanisation modifie fondamentalement l'équilibre de l'eau locale.Les villes concentrent la demande dans des zones relativement petites, créent des surfaces imperméables qui réduisent la recharge naturelle et génèrent souvent une pollution qui menace la qualité de l'eau.

Ampleur de l'extraction

À l'échelle mondiale, l'extraction des eaux souterraines a été multipliée par environ dix depuis 1950, ce qui donne à penser que le pompage annuel total des eaux souterraines dépasse aujourd'hui 1 000 kilomètres cubes. De ce volume, environ 70 % sont utilisés pour l'agriculture, 20 % pour l'industrie et 10 % pour l'approvisionnement national et municipal.

Pourquoi les zones urbaines se reposent sur les eaux souterraines

Plusieurs facteurs expliquent pourquoi les villes se tournent vers les eaux souterraines. Les sources d'eau de surface sont souvent entièrement réparties, en particulier dans les régions arides. Les eaux souterraines peuvent être développées progressivement, ce qui permet aux services publics d'accroître l'approvisionnement en eau en fonction de la croissance démographique. La qualité de l'eau des aquifères profonds est souvent élevée, nécessitant un traitement minimal.

Effets de l'extraction de l'eau en milieu urbain

Le pompage prolongé des eaux souterraines en milieu urbain entraîne une cascade de changements physiques et chimiques au sein du système aquifère. Certains effets apparaissent dans les années, tandis que d'autres se déroulent dans les décennies.

Baisse des niveaux d'eau

Dans les aquifères non confinés, cela signifie que la zone saturée devient plus mince. Dans les aquifères confinés, la tête de pression diminue, réduisant la pression artésienne qui aide à l'écoulement des puits. À mesure que les niveaux d'eau diminuent, il faudra peut-être approfondir ou remplacer les puits existants. Les pompes augmentent, augmentant les coûts énergétiques.

Le taux de baisse du niveau de l'eau peut s'accélérer au fil du temps. À mesure que l'aquifère s'épuise progressivement, le même volume de pompage entraîne un retrait plus important, car moins d'eau reste stockée dans la formation.

Subsidence foncière

Lorsque les eaux souterraines sont retirées des sédiments à grains fins, la pression interstitielle qui a autrefois supporté la structure du sol surélevé est réduite. Les grains de sédiments peuvent alors se réarranger en une configuration plus compacte. Ce processus, appelé consolidation, fait couler la surface du sol. Contrairement à une baisse des niveaux d'eau, la subsidence du sol est largement irréversible sur les échelles de temps humaines parce que l'espace interstitielle est écrasé en permanence.

Dans les villes côtières, la subsidence augmente le risque d'inondation et accélère l'intrusion d'eau salée dans l'aquifère. Certains des exemples les plus dramatiques se produisent dans les deltas urbains, où la combinaison du compactage des sédiments et de l'élévation du niveau de la mer crée une double menace.

Par exemple, la vallée de San Joaquin en Californie a connu une subsidence de plus de huit mètres dans certaines régions. Mexico, qui est assis sur un ancien lit de lac sous-lavé par l'argile molle, a diminué de plus de dix mètres au cours du siècle passé. Jakarta, l'une des villes les plus en éclaboussures sur Terre, a vu de grandes zones tomber de plus de quatre mètres, forçant le gouvernement indonésien à planifier une nouvelle capitale intérieure.

Réduction de la qualité de l'eau

Les nappes phréatiques urbaines peu profondes sont particulièrement vulnérables parce que les sols surplombants contiennent souvent des polluants provenant de sites industriels, des réservoirs souterrains de stockage, des fosses septiques et des eaux de ruissellement agricoles.

Dans les régions côtières, un problème différent se pose : les eaux souterraines fraîches flottent au-dessus d'eaux salées plus denses dans un équilibre naturel. Lorsque les eaux souterraines fraîches sont pompées, les eaux salées se lèvent et migrent latéralement, envahissant la zone d'eau douce. Ce processus, appelé intrusion dans les eaux salées ou l'eau de mer, peut rendre les puits inutilisables pour la consommation ou l'irrigation.

Un autre problème de qualité de l'eau concerne les contaminants naturels. Le pompage profond peut mobiliser l'arsenic, le fluorure ou d'autres oligo-éléments qui étaient précédemment séquestrés dans la matrice aquifère.Dans certaines parties de l'Asie du Sud et de l'Afrique de l'Ouest, la mobilisation de l'arsenic à partir du pompage intensif des eaux souterraines a créé une crise de santé publique touchant des dizaines de millions de personnes.

Diminution des taux de rétribution

L'urbanisation réduit simultanément la recharge et augmente la demande. Les sols, les bâtiments et les sols compactés empêchent les précipitations de s'infiltrer dans le sol. L'eau de tempête est plutôt canalisée dans les systèmes de drainage et rejetée rapidement dans les cours d'eau ou l'océan. Cette recharge perdue est remplacée par le pompage, créant un déficit net qui épuise le stockage au fil du temps.

Même lorsque des espaces verts et des surfaces perméables existent, le taux de recharge peut encore être inférieur à l'extraction, car la nappe phréatique a baissé si bas qu'il faut plus de temps pour que l'infiltration atteigne la zone saturée. Dans certains aquifères fortement pompés, la zone de vadose (la couche non saturée au-dessus de la nappe phréatique) s'est épaissie à des dizaines ou des centaines de mètres, augmentant considérablement le temps de déplacement pour la recharge et réduisant la reconstitution annuelle efficace.

Incidences à long terme

Les effets individuels décrits ci-dessus se sont composés au fil du temps pour produire des changements systémiques dans les systèmes aquifères régionaux, qui ont de graves conséquences sur la sécurité de l'eau, la stabilité économique et la santé de l'environnement.

Apurement des réserves d'eau souterraine non renouvelables

Beaucoup des plus grands aquifères du monde contiennent de l'eau accumulée sur des milliers ou des millions d'années dans des conditions climatiques passées. On appelle parfois eau fossile. Une fois cette eau extraite, elle ne peut être reconstituée à une échelle humaine significative. Le système d'aquifère de sable nubien en Afrique du Nord, le bassin des Grands Artesiens en Australie et l'aquifère Ogallala dans le centre des États-Unis contiennent tous des volumes importants d'eau fossile qui sont exploités à des taux bien supérieurs à la recharge naturelle.

L'épuisement des eaux souterraines fossiles représente la consommation d'une ressource finie. Lorsqu'elle est partie, la région perd entièrement son tampon hydrique, laissant les générations futures sans option que les générations précédentes jouissaient.

Coûts et consommation d'énergie accrus

Comme les eaux souterraines représentent déjà une fraction importante de la demande totale d'électricité dans certains pays, l'augmentation des installations de pompage a des effets macroéconomiques. En Inde, par exemple, le pompage des eaux souterraines pour l'irrigation consomme environ 20 % de l'électricité totale du pays. Des puits plus profonds et des installations de levage plus élevées pousseront ce secteur à la hausse, à la pression des réseaux électriques et à l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre.

L'élimination du sel, de l'arsenic ou des contaminants industriels nécessite des procédés de traitement avancés qui exigent beaucoup de capital et de consommation d'énergie, et qui sont finalement transmis aux consommateurs, ce qui rend l'eau moins abordable pour les ménages à faible revenu.

Dégradation de l'environnement

Les terres humides se rétrécissent ou disparaissent. Les cours d'eau alimentés par les sources cessent de couler. La végétation phréatophytique – les plantes qui s'enracinent dans la nappe phréatique – s'éteint, réduisant l'habitat de la faune et augmentant l'érosion. Dans les zones côtières, la perte de débit d'eau douce permet aux eaux salées de se déplacer plus loin à l'intérieur des terres, ce qui affecte les écosystèmes terrestres et estuariens.

Les dommages écologiques ne sont pas toujours progressifs. Lorsqu'un système aquifère traverse un seuil, des changements soudains et irréversibles peuvent se produire. Une zone humide peut persister pendant des années avec des niveaux d'eau en baisse, puis s'assécher brusquement lorsque la nappe phréatique tombe sous la zone racine des principales espèces végétales.

Impacts économiques sur l'agriculture et l'industrie

Dans des régions comme la vallée centrale de la Californie et les hautes plaines du Texas, les agriculteurs ont réagi en passant à des cultures moins abondantes en eau ou à des champs en jachère, ce qui a entraîné des fluctuations dans les économies locales, réduisant l'emploi dans les services agricoles, les ventes d'équipement et la transformation des aliments.

L'industrie est confrontée à des vulnérabilités semblables : la fabrication, la production d'énergie et l'exploitation minière exigent tous des approvisionnements en eau importants et uniformes. Lorsque les eaux souterraines deviennent rares ou coûteuses, les installations peuvent être contraintes de réduire la production, de déplacer ou d'investir dans des sources d'eau de remplacement coûteuses.

Stratégies de gestion durable

Pour faire face aux effets à long terme de l'extraction de l'eau urbaine, il faut adopter un ensemble d'approches qui réduisent la demande, améliorent l'offre et améliorent la gouvernance.

Conservation et efficacité de l'eau

Les programmes de conservation de l'eau urbaine peuvent inclure la détection et la réparation des fuites dans les systèmes de distribution, l'installation d'appareils et d'appareils à haut rendement, des structures de tarification à niveaux qui découragent une utilisation excessive et des campagnes d'éducation du public.

Recharge de l'aquifère géré

Les bassins de recharge diffusent de l'eau sur des surfaces perméables où elle peut s'infiltrer dans l'aquifère. Les puits d'injection délivrent de l'eau directement dans la zone saturée, souvent à l'aide d'eaux usées traitées ou d'eaux pluviales. Ces approches peuvent stocker de l'eau pendant les périodes humides pour une utilisation en période sèche, en gérant efficacement les eaux souterraines comme réservoir saisonnier.

La loi californienne sur la gestion durable des eaux souterraines a permis d'investir de façon importante dans des projets de recharge dans l'ensemble de l'État. Le district d'Orange County Water District exploite l'un des plus grands systèmes de réutilisation de l'eau au monde, en injectant de l'eau recyclée hautement traitée dans une barrière d'intrusion de l'eau de mer.

Surveillance des eaux souterraines et gestion adaptative

Les capteurs modernes peuvent transmettre des données en temps réel, permettant aux gestionnaires de détecter rapidement les problèmes émergents. Les cadres de gestion adaptative utilisent des données de surveillance pour ajuster les allocations de pompage, les opérations de recharge et les objectifs de conservation lorsque les conditions changent.

La télédétection par satellite a ajouté un nouvel outil puissant pour la surveillance des eaux souterraines, qui permet de mesurer les changements dans le domaine de la gravité de la Terre en ce qui concerne les changements dans le stockage de l'eau, et qui a révélé des tendances alarmantes à l'épuisement des principaux systèmes aquifères dans le monde, notamment le bassin du Gange-Brahmaputra, la vallée centrale et la péninsule arabique.

Cadres réglementaires et juridiques

Les eaux souterraines sont souvent traitées comme une ressource à accès libre, tout le monde peut forer un puits et pomper autant qu'il le veut. Cela conduit à la tragédie classique des biens communs, où les utilisateurs individuels agissent de façon indépendante dans leur propre intérêt, en fin de compte, épuisent la ressource partagée.

Les cadres efficaces peuvent comprendre l'obligation de permis pour les nouveaux puits, l'établissement de limites applicables aux volumes d'extraction, la création de systèmes de droits sur l'eau qui protègent les utilisateurs supérieurs tout en permettant une réaffectation souple et la désignation de zones de gestion des eaux souterraines avec des organismes de surveillance élus ou désignés.

Gestion intégrée des ressources en eau

La gestion intégrée des ressources en eau (GIRE) traite les eaux de surface, les eaux souterraines et la réutilisation de l'eau comme des éléments d'un même système. Les décisions concernant l'exploitation des réservoirs, le traitement des eaux usées, l'aménagement du territoire et le pompage des eaux souterraines sont coordonnées pour atteindre les objectifs généraux de durabilité.

Dans la pratique, la GIRE pourrait utiliser des eaux de surface excédentaires pendant les années humides pour recharger les aquifères, traiter les eaux usées selon une norme adaptée à l'irrigation ou à l'utilisation industrielle, et ajuster les programmes de pompage pour minimiser les impacts sur le débit des cours d'eau pendant les périodes écologiques critiques.

Le rôle de la technologie et de l'innovation

Les technologies émergentes élargissent la boîte à outils pour gérer l'extraction de l'eau en milieu urbain. La dessalement des eaux souterraines saumâtres peut transformer une source auparavant inutilisable en approvisionnement en eau potable, bien que les coûts énergétiques demeurent élevés.

Des mécanismes de financement novateurs, comme les banques d'eau souterraine et le commerce de l'eau, créent des incitations économiques pour la conservation et la recharge.Dans une banque d'eau souterraine, les utilisateurs stockent l'eau dans l'aquifère pendant les périodes excédentaires et la retirent pendant les périodes de déficit, avec l'autorité de l'eau pour suivre les crédits et les débits.

Conclusion

Les effets à long terme de l'extraction urbaine de l'eau sur les systèmes aquifères régionaux ne sont pas théoriques, ils sont aujourd'hui visibles dans les terres ensachées, les puits de séchage et les réserves d'eau salinisées sur tous les continents. L'ampleur du défi est énorme, mais il n'est pas insurmontable.

Dans de nombreuses régions, il manque la volonté politique et la capacité institutionnelle de mettre en œuvre ces outils à l'échelle requise.Les villes qui s'efforcent maintenant de plafonner l'extraction des eaux souterraines, d'investir dans des sources d'approvisionnement alternatives et de construire l'infrastructure nécessaire pour assurer la gestion de la recharge peuvent stabiliser leurs aquifères et assurer leur avenir en matière d'eau.

Pour de plus amples informations sur les stratégies de gestion durable des eaux souterraines, voir le Centre international d'évaluation des ressources en eau souterraine de l'UNESCO[, la Fondation pour les eaux souterraines et le Programme de durabilité des eaux souterraines de la Commission géologique des États-Unis.