Eaux souterraines.

Raccourcis de la suite du chapitre : Nappes - Propriétés spécifiques - Eaux minérales - Caractéristiques des eaux naturelles.
GÉNÉRALITÉS
L'eau de pluie arrivée au sol agit à la fois comme solvant et comme agent mécanique en entraînant des particules plus ou moins fines, voire colloïdales. Elle constitue, en outre, un milieu nutritif pour les végétaux et préserve la vie des micro-organismes telluriques.
Cependant, la plupart des sels solubles ne sont, fort heureusement, pas entraînés en profondeur car ils sont, soit absorbés par l'humus, soit transformés à l'état de sels insolubles, par double décomposition au contact des roches calcaires (carbonate de calcium - CaCO3).
Une épuration biologique et une transformation chimique se feront donc progressivement à mesure que l'on s'éloignera de la surface.
Cette épuration sera complétée par une filtration à travers les terres, qui permettra même, dans certains cas, une floculation (processus d'agglomération et de précipitation des particules) des colloïdes.
Par ailleurs, la circulation des eaux pouvant s'effectuer jusqu'à plusieurs centaines de mètres, des modifications importantes de la composition des eaux se produiront au contact des roches
du sous-sol.
Nota : à l'échelle mondiale, cette ressource est utilisée à 65% pour l'irrigation, 25% pour l'alimentation en eau potable et 10% pour l'industrie. En Europe, ces bassins souterrains constituent plus de 70% de l'eau utilisée dans l'Union, et sont souvent "une des seules voire l'unique" source d'approvisionnement en eau dans les régions arides ou semi-arides.

Si l'eau de pluie, riche en oxygène et en gaz carbonique, rencontre des calcaires, elle deviendra dure ; si elle rencontre des pyrites (roches contenant en particulier du sulfure naturel de fer - FeS2), elle les oxydera et deviendra ferrugineuse.
Si cette même eau ne rencontre que des roches silicatés (feldspaths), elle entraînera de la silice et des bicarbonates alcalins et alcalino-terreux.

 

 Une telle eau, mise en présence d'acide sulfurique (résultant de l'oxydation des pyrites), s'enrichira en sulfate ferreux, bicarbonate ferreux et sulfate de sodium.
Ces deux exemples montrent une des caractéristiques fréquentes des eaux souterraines qui est leur forte teneur en fer.
Certaines roches, telles les zéolithes, sont douées de propriétés d'échange d'ions. Une eau chargée en sels de calcium, mise en contact avec des roches zéolithiques échangera ses ions Ca++ contre des ions Na+
On comprend donc pourquoi on peut, dans un même lieu, suivant le trajet de l'eau dans le sous-sol, avoir des types d'eau différents.





L'INFILTRATION DES EAUX.

Le volume des eaux qui s'infiltrent dans le sol dépend, évidemment de l'abondance des précipitations, mais, tout aussi évidemment de la texture du sous-sol.
Généralement, les roches ne sont pas absolument compactes mais présentent des pores ou des fissures. Les roches présentent donc une faculté plus ou moins grande à se laisser pénétrer par l'eau.


On peut diviser les terrains, du point de vue hydrogéologique en deux grandes catégories :

Les terrains totalement imperméables sont pratiquement uniquement constitués par l'argile. Encore faut-il qu'elle soit suffisamment comprimée. Ce type de terrain peut s'imprégner d'eau (jusqu'à 50% de porosité), mais la finesse des particules d'argile ne permet pas la circulation de cette eau.
Les limons présentent des propriétés voisines de l'argile.
Les marnes sont également imperméables mais peuvent présenter des fissurations permettant la pénétration de l'eau dans les couches sous-jacentes.

Les terrains perméables se subdivisent à leur tour en deux types :




NAPPES.
Selon la profondeur à laquelle s'établit la nappe (altitude du substratum imperméable), les nappes aquifères ainsi formées sont le siège d'une vie aérobie ou anaérobie qui minéralise les matières organiques.
Dans une nappe aquifère, l'eau circule très lentement et tend à s'écouler vers certains points où elle peut apparaître en surface, formant des sources.
Une nappe aquifère idéale se présente ainsi :

h étant le niveau d'une rivière de vallée (ou la mer), l'eau de pluie pénètre jusqu'au niveau h H. La pente h H est d'autant plus grande qu'elle est plus éloignée de la mer, puis devient horizontale.
Entre h H et la couche imperméable h H' se situe la nappe aquifère dans laquelle les roches sont imprégnées d'eau à un tel point que la porosité est annulée. Dans cette zone, l'eau circule.
La surface h H est définie par le rapport du débit d'alimentation au débit d'écoulement. Ces débits sont évidemment variables dans le temps. L'alimentation de la nappe dépend surtout de la pluviosité, du climat et de la végétation.
La vitesse d'écoulement dépend de la porosité du sol, moins tassé en surface, il permet un écoulement plus facile.
En conséquence, la ligne h H épouse, en l'atténuant, le relief du sol de surface. Cette ligne peut subir des variations en altitude en raison de la variation du rapport débit d'alimentation/débit d'écoulement.
On appelle cette ligne niveau hydrostatique ou surface piezométrique.
La variation du niveau hydrostatique explique pourquoi certaines sources tarissent en saison sèche. Elle permet aussi de comprendre pourquoi l'on s'efforce, lors du forage d'un puits, d'atteindre la couche imperméable.
Une nappe telle que décrite ci-dessus est une nappe libre.

Si, à partir de son affleurement, la couche perméable plonge sous une couche imperméable, cette dernière forme un toit au-dessus de la nappe qu'il maintient en pression,
la nappe est dite alors captive.
Si cette pression est suffisante, elle permet à l'eau de jaillir au-dessus du niveau du sol lorsque l'on fore un puits dans le toit. Ce puits prend alors le nom de puits artésien (de l'Artois où ce genre de nappe est fréquent).
En surface (au-dessus de la ligne h H), se trouve une autre nappe dite phréatique ou des puits. Elle est toujours libre.
Le cas que nous avons considéré est, nous l'avons dit, idéal en ce sens que la couche imperméable est constituée par un sol parfaitement horizontal (ligne h H'). Pratiquement, le sous-sol a une structure beaucoup plus complexe et tourmentée.
La forme de la nappe (niveau h H) est alors déterminée par la forme de la couche imperméable. De plus, l'alternance de couches perméables et imperméables peut déterminer, à chaque fois, une nouvelle nappe aquifère.
Ce schéma peut encore être compliqué par la présence de failles, plissements et dislocations qui peuvent canaliser ou compartimenter l'eau de la nappe. C'est pourquoi il est important, en hydrogéologie, de bien connaître la tectonique du sous-sol, c'est-à-dire sa structure.


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SOURCES.
On peut distinguer les sources vraies et les fausses sources.

Les fausses sources sont des émergences d'eau en terrain calcaire.
Elles peuvent être :

Les vraies sources qui sont issues de terrains perméables en petit.

 




PROPRIÉTÉS SPÉCIFIQUES DES EAUX SOUTERRAINES.

En dehors des nappes phréatiques évidemment très exposées aux pollutions, les eaux profondes présentent généralement une bonne qualité du point de vue bactériologique.
Il convient toutefois de se méfier de certaines eaux souterraines qui circulent en terrain karstique. Ces terrains, perméables en grand, présentent des fissures agrandies par le passage des eaux.
La dissolution des roches calcaires par le gaz carbonique de l'eau a crée des grottes et des siphons (provoquant le phénomène des sources intermittentes).
Dans ces grottes, le bicarbonate de calcium - Ca (HCO3)2 - dissout dans l'eau se décompose au contact de l'air :

Ca (HCO3)2 >>> 2 CaCO3 + CO2 + H2O

Il y a donc formation de carbonate de calcium (lien > CaCO3 ), de gaz carbonique (lien > CO2 ) et d'eau.
Le CaCO3 cristallise et forme stalactites et stalagmites*, tandis que le CO2 stagne au ras du sol en raison de sa densité supérieure à celle de l'air. Ce CO2 n'est pas toujours sans danger : la Grotte du Chien à Royat (à 3 km de Clermont-Ferrand) et surtout le lac Nyos (Cameroun).
*Rappel : stalactites = colonne de calcaire descendant vers le sol - stalagmites = colonne montante formée par dépot de calcaire.

L'eau circulant à la façon d'une rivière ne subit aucune filtration. De plus, des cratères (abîmes, avens, gouffres, betoires selon les régions) mettent l'eau en communication avec la surface. Ces cratères constituent souvent des lieux où les hommes déversent leurs déchets. Ce type d'eau est donc très mauvais bactériologiquement parlant, et constitue très souvent un vecteur d'épidémies privilégié.

Notes :
Lorsque les carbonates
(stalactites,coraux, coquilles de molusques, calcites déposée sur les parois d'une grotte) se forment dans l'eau, ils fixent notamment l'uranium 238 que celle-ci contient. par ailleurs, cet uranium se désintègre pour former du thorium 230. En mesurant la quantité d'uranium 238 et de thorium 230 dans les carbonates, les chercheurs peuvent donc en connaître l'age (datation d'une centaine d'années à - 350 000 ans).
Autre méthode de datation des carbonates, la RPE
(résonance paramagnétique électronique) : les minéraux stockent dans les défauts de leur réseau cristallin, l'énergie émise par la radioactivité naturelle . Cette dernière peut ensuite être libérée si l'on expose, en laboratoire, le matériau à un champ magnétique intense. La quantité d'énergie alors émise renseigne sur l'age de formation de ce minéral (de -10 000 ans à - 1 millions d'années).
(n'en plaise à certains créationnistes "Jeune-Terre", qui croient que la Terre à environ 6000 ans...dont qqs% en France !).

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En dépit de la variété de leur composition, les eaux souterraines peuvent très généralement être classées en :

Nota : la seule source ancienne à Paris encore en service, est celle de la fontaine du square Lamartine à Passy, dans le XVIème (de l'ingénieur Charles G.Kind, et vidéo), eau à forte teneur en sulfate de calcium et de fer.

-

 





Aperçu sur les eaux dites minérales.
Les eaux minérales sont consommées en telle quantité, en France, qu'il semble utile d'en dire quelques mots. Il faut voir dans cet engouement pour les eaux embouteillées le reflet d'une certaine méfiance à l'égard des eaux de distribution publique (à tord dans 90% des cas).
Chaque français consommerait en moyenne 128 litres d'eau minérale en bouteille par an (chiffres 2014/2015). Ils se situent ainsi actuellement, derrière les Allemands, les Belges et surtout les Italiens (192 L/an/hab), les Européens les plus gourmands en bouteilles d'eau. Cette consommation se répartirait comme suit :


Consommation totale dans le monde :

(source : Globometer)

La France serait aussi le premier producteur mondial d’eau en bouteille.

Le consommateur ignore souvent la composition de ces eaux qui, bien souvent, sont médicinales et non potables chimiquement, aux termes de la législation des eaux de distribution. En effet, à l'exception de deux ou trois, ces eaux sont trop (ou trop peu ) minéralisées. La plupart sont cependant très riche en substances minérales.
Certaines émergent chaudes au griffon des sources, elles sont alors dites thermales (82°C à Chaudes Aiguës, 62°C La Bourboule, 45°C Le Mont-Dore).
On les classe en différents groupes selon la nature du sel prédominant.

Hypothèse - il est supposé que les eaux minérales se soient formées par synthèse (?) et non à partir des eaux d'infiltration : l'hydrogène qui se dégage des parties profondes du globe se combinerait à l'oxygène des oxydes métalliques du sol; et la vapeur d'eau ainsi produite pouvant ensuite réagir sur les sulfures donnant H2S, les chlorures donnant de l'acide chlorhydrique HCl. Ces acides se neutralisent ensuite au contact des roches (A. GAUTIER).

Signalons que, réglementairement, les eaux minérales doivent être bactériologiquement pures pour être agréées.
Il est toutefois permis de les stériliser à l'ozone et de les regazéïfier, à condition d'utiliser le gaz des sources et non du gaz industriel.

Un mot pour terminer sur les eaux dites "de table".
Il s'agit d'eaux livrées en bouteille ne présentant pas le caractère d'eau minérale. Il s'agit très souvent de puits ou de sources exploitées par des industriels.
Ces eaux peuvent subir n'importe quel traitement destiné à les rendre potables de la même façon que les eaux destinées à une adduction publique.
C'est ainsi qu'elles sont presque toujours stérilisées, souvent filtrées et subissent même parfois un traitement complet.
Les normes de potabilité concernant ces eaux ne diffèrent de celles destinées à une distribution publique que par une tolérance un peu moins grande en ce qui concerne la turbidité et les teneurs en fer et en manganèse.

Eau minérale = eau en bouteille ?
Non pas forcément, puisque toutes les eaux vendues en bouteille ne sont pas minéralisées.
Certaines eaux comme la Cristaline ne sont pas des eaux minérales. En ce qui concerne l’eau du robinet, selon les régions, les eaux de ville sont plus ou moins naturellement minéralisées. L’eau en bouteille n’est pas toujours meilleure que celle du robinet qui contient souvent autant de minéraux (calcium en particulier).

DÉFINITION DES EAUX MINÉRALES GAZEUSES.
"Les eaux minérales naturelles effervescentes dégagent, à l'origine ou après embouteillage, spontanément et de façon nettement perceptible, du gaz carbonique dans les conditions normales de température et de pression". (DIRECTIVE CEE N° 80/777 DU 15 JUILLET 1980 - ANNEXE 1).
Cette même directive limite l'usage de la mention "acidulée" aux eaux contenant plus de 250 mg/l de CO2 libre.
Dans la norme ALINORM 97/20 adoptée par le Codex Alimentarius lors de sa 22ème session à Genève du 23 au 28 juin 1997, on trouve la définition suivante :
Une "eau minérale naturelle naturellement gazeuse" est une eau minérale naturelle dont la teneur en gaz carbonique est, après traitement éventuel conformément à la section 3.1.1, réincorporation éventuelle du gaz et conditionnement, compte-tenu des tolérances techniques usuelles, la même qu'à l'émergence. Il s'agit du gaz carbonique spontanément et visiblement dégagé dans des conditions normales de température et de pression.

A contrario : Une "eau minérale naturelle non gazeuse" est une eau minérale naturelle qui, à l'état naturel et après traitement éventuel et conditionnement, compte-tenu des tolérances techniques usuelles, ne contient pas de gaz carbonique libre en proportion supérieure à la quantité nécessaire pour maintenir dissous les sels hydrogéno-carbonatés présents dans l'eau.

Ces remarques illustrent l'embarras du législateur; reflet des problèmes particuliers posés par les eaux gazeuses...

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Répartition du marché français :

Le marché des eaux de table est très concentré (83%).
Trois opérateurs dominent : Danone, Nestlé et le groupe Alma (détenu à 51% par le groupe Roxane et à 49% par le groupe pharmaceutique japonais Otsuka).





Composition moyenne de quelques eaux françaises du commerce :

Badoit
Contrex
Evian
Hépar
Pérrier

Résidu sec ( à 180°C)

1200

2125

400

2580

476

pH

6,0

7,1

7,3

7,0

5,1

Cations :

Calcium

190

486

79

555

142

Magnésium

85

84

25

110

3,7

Sodium

150

9,1

5,8

14

15

Potassium

10

3,2

1

3,8

0,66

Manganèse

1

0,008

0,001

0,0004

0,002

Anions :

Hydrogènocarbonates

1300

403

351

403

326

Sulfates

40

1187

10,4

1479

76

Chlorures

40

8,6

2,7

10,5

30,5

Nitrates

21

2,7

3,5

3,9

27

Fluor

1

0,36

0,08

0,38

0,1

(mg/litre)



Quézac
Volvic
Montclar
Vichy C.
Roche des Ecrins
Valvert
Rozana

Résidu sec (180°C)

~1930

105

139

3300

200

201

3022

pH

-

7,1

8,0

6,3

7,6

-

6,3

Cations :

Calcium

241

9,3

41

103

63

67,6

301

Magnésium

95

5,9

3

11,4

10,2

2

160

Sodium

255

8,6

2

1240

1,4

1,9

493

Potassium

49,7

5

0

70,8

0,4

0,2

52

Manganèse

-

0,002

-

0,002

-
-
-

Anions :

Hydrogènocarbonates

1685,4

58

134

3111

173,2

204

1837

Sulfates

143

6,6

2

173

51,3

18

230

Chlorures

38

5,5

3

240

240

4

649

Nitrates

<1

4,9

3

3,6

<1

3,5

1

Fluor

2,1

0,24

-

5,6

-
-
-
(mg/litre)






Notes :

La marque « Cristaline » est la propriété du Groupe Alma, et a pour filiales Neptune et la compagnie générale des eaux de source (CGES), et pour marques Saint-Yorre, Vichy Célestins, Thonon, Pierval, Chateldon, Courmayeur et Cristaline, Vernière et Rozana, et des marques régionales.

S'il y a des données communes à toutes les eaux (selon le site officiel, toutes les sources comportent des teneurs inférieures à 8 mg/l en nitrates et 180 mg/l en calcium), il y a aussi des variations dans la composition.
Exemple, Eaux de source produites à Cairanne :

Compositions moyennes, en mg/l (selon étiquette - 2009 - de Cristaline)
Paramètre
Sainte-Cécile
Sainte-Sophie
Calcium
39
67
Magnésium
25
26
Sodium
19
84
Potassium
1,5
20
Hydrogénocarbonates
290
473
Chlorures
4
32
Sulfates
5
61
Nitrates
<2
<2
Fluorures
<0,3
0,9
Résidu sec
à 180 °C
270
564
pH
7,7
7,4
"Convient pour la préparation des aliments des nourrissons"
Oui
Non renseigné
(étiquette 2010)
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Nota : issues d'écosystèmes préservés, les eaux minérales naturelles et les eaux de sources répondent à un strict cahier des charges, gage de leurs qualités. Dépendantes de la nature des sols dans lesquels elles ont voyagé, ces eaux sont en constantes interactions avec l'écosystème dont elles dépendent. Aujourd'hui fragilisés par les changements climatiques et la surexploitation, ces écosystèmes fragiles sont menacés.
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> Voir la carte des eaux françaises (origine Aquamania.net)
>> télécharger la carte (Carteeauxfrance.zip, 76 ko)

>>> Liens Législation (Aquamania.net).

QUE D'EAU ! (collection d'étiquettes de bouteilles d'eau)


 

Caractéristiques physico-chimiques des eaux naturelles.

Raccourcis de la suite du chapitre :SUBSTANCES D'ORIGINE NATURELLE -SUBSTANCES D'ORIGINE ÉTRANGÈRE


L'eau étant un excellent solvant, les eaux naturelles ne sont jamais pures (espèce chimique H2O seule) mais une solution plus ou moins diluée d'un grand nombre de substances.
Des substances qui peuvent avoir une origine naturelle ou une origine étrangère (exogène).

  •  
  • - substances en suspensions
  • - substances colloïdales (> dimension des particules : 1 à 100 µm).
  • - substances dissoutes 
  • SUBSTANCES D'ORIGINE NATURELLE
    Les gaz
    Tous les gaz de l'air sont présents dans les eaux naturelles.
    Leur solubilité est régie par les lois de Henry et de Dalton : voir, éventuellement, les notes sur la loi de Henry ou les lois générales des gaz (pages internes).

    On rencontre donc toujours dans les eaux naturelles :
    - Du dioxyde de carbone (CO2) ou anhydride carbonique (gaz carbonique, lien page interne).
    Notes sur l'origine du gaz.
    On mentionnera l'existence de CO2 d'origine profonde, produit par métamorphisme des formations carbonatées, notamment à la périphérie des provinces volcaniques; le dégagement de CO2 serait produit par des réactions de type :

    CaCO3 + SiO2 <<< >>> CaSiO3 + CO2

    Ces dégagements de gaz peuvent soit remonter directement jusqu'en surface sans relais ni stockage intermédiaire, soit être piégés dans des systèmes intermédiaires (couches de charbon) ou des aquifères captifs de nature calcaire.
    Egalement, encore la remontée actuelle de CO2 d'origine magmatique, formant par exemple la province des eaux bicarbonatées sodiques du Massif Central.
    Enfin, le CO2 peut être d'origine biogénique : dans les horizons superficiels, l'activité biologique de la faune et de la flore peut contribuer localement à la création de pressions partielles de CO2 dans les sols excédant nettement la pression de CO2 atmosphérique (environ 3,89.10-4 atm ou 0,394 hPa).



    Au contact entre eau et atmosphère, il peut y avoir dissolution ou dégazage de gaz carbonique, et au contact entre eau et roches, il peut se produire une dissolution ou une précipitation de calcite.


    Solubilité du gaz dans l'eau pure (à TPN >1013 hPa et 0 °C) : 1,7 vol/vol.
    Nota - l'équilibre :

    CO2 gaz + H2O <<>> H2CO3

    est réglé par la constante de Henry dont la valeur est (1013 hPa et 25 °C) :

    KH = ( [H2CO3] / pCO2 ) = 10-1,46

    avec pCO2 : pression partielle de CO2 et [H2CO3] : activité.

    - Cette constante varie avec la température suivant l'expression empirique :

    log KH = 1,46 + 0,0127 (t-25)

    avec t, température en ° Celsius.

    - Notons que l'activité [H2CO3] représente la molécule H2CO3 vraie (acide carbonique) et le CO2 dissous moléculaire présent à l'état de microbulles.
    Par conséquent par exemple, dans une eau de surface à 25°C, on aura :

    [H2CO3] = KH.pCO2 > 10-1,46 x 3,4 10-4 = 1,2.x10-5 (mole/kg),

    soit environ 0,53 g de CO2 libre par kg d'eau pure, ou 0,53 mg/litre.

    La limite de solubilité de ce gaz en équilibre avec l'atmosphère est donc en fait assez basse (moyenne) :

     0,53 mg/l à 20 °C et 0,70 mg/l à 10 °C

    cependant, la solubilité physique du CO2 constatée est, elle, très élevée , et nettement plus élevée que les autres gaz atmosphériques (N2 et O2), et les quantités retrouvées dans les eaux naturelles sont presque toujours très supérieures aux valeurs ci-dessus en raison des facteurs suivants :

    Également, ci-dessous la quantité maximum de CO2 dissous dans l'eau pure (en mg/l), sous pression de CO2 et pression atmosphérique :

    Le CO2 se dissout donc dans l'eau en se combinant partiellement :

    CO2 + H2O <<< >>> H2CO3

    pour former de l'acide carbonique (H2CO3) en partie dissocié en ions : >>> HCO3- + H+ (ion hydrogénocarbonate et ion hydrogène),
    et

    HCO3- <<< >>> H+ + CO32- (ion carbonate - masse molaire : 60)

    Ce phénomène est essentiel et influence dans une large mesure le pH des eaux des mers et du sol, et constitue l'un des facteurs du comportement acide de ces eaux vis-à-vis du carbonate de calcium (ceci est précisé dans l'étude des équilibres calco-carboniques).
    Ci-joint, par exemple, la variation du pH ( concentration en [H+] ) en fonction du CO2, dans une eau avec un TAC de 10°F et une minéralisation totale (un résidu sec) de 200 mg/l, ceci pour deux températures :



    -

     

    - de l'oxygène (dioxygène ou O2, lien interne sur ce gaz).
    Ce gaz n'est pas dissocié. Il n'a aucune action directe sur la santé.
    Cependant, l'oxygène dissous constitue pour les eaux de surface un indicateur de qualité car la diminution de la teneur en O2 est quasi généralement le fait d'une activité biologique. La teneur en oxygène dissous revêt également une certaine importance dans les phénomènes de corrosion.
    Ci-joint :
    Quantité d'O2 dissous au maximum (solubilité, en g/m3 ou mg/l) dans l'eau pure :



    O2 = f(0 à 40°C)



    Variation de la saturation en oxygène en fonction de la pression et de la salinité de l'eau (mg/l) :
    Rappel : 1 atmosphère dite "normale" - lien interne - (ou pression atmosphérique standard ) = 101 325 Pa [newton / m²] ou 1 013,25 hPa, donc 1 013 250 dynes par centimètre carré (dyn/cm²), ou 1033,227 cm H2O à 4 °C (kg-force/cm², ou atmosphère technique) ou 760 mm Hg.
    <
    Résolution 4 de la 10ème CGPM (1954, CR,79) >





    Nota : la quantité d'oxygène dissous, est donc fonction de la température et de la salinité, et une bonne idée des teneurs en O2 dissous est donnée par la formule de Gameson

    O2 (mg/litre) = 468,41/(31,64 + T)

    avec T=température en °C.

    Formule de Gameson et Robertson pour eau salée (1<S<50 g/l) :

    O2 (mg/litre) = (475 - [2,65 x S])/[33,5 + T]

    avec, S=salinité en g/l et T=température en °C.

    Nota :
    > http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.5010050909/citedby/

    On peut aussi appliquer avec suffisamment de précision ce polynôme du second degré (valable entre 0 et 30°C) :

    avec Cs concentration en O2 dissous à saturation sous la pression atmosphérique (en mg·L- 1) et t température (en °C).

    Par ailleurs, une excellente approximation peut également être obtenue à partir de la formule de Mortimer (1981) qui présente l’avantage de s’appliquer entre 0 et 50°C :

    Cs = 2234,34 (t + 45,93)-1,31403

    Téléchargement d'une feuille de tableur pour calculs de la teneur en oxygène > ici

    - de l'azote (diazote, N2).
    Non dissocié, ce gaz inerte n'a aucune conséquence sur la qualité de l'eau.
    Quantité d'azote dissous au maximum (solubilité, mg/l ou g/m3) dans l'eau pure :

    On peut encore trouver, souvent à l'état de traces, un certain nombre de gaz dissous dans les eaux profondes.
    Ce sont principalement


    -




    Les sels.
    Sels formés à partir de bases fortes et d'acides forts :
    Les plus importants sont les chlorures, les sulfates et les nitrates. Ils sont totalement dissociés (sous forme d'ions négatifs ou anions) et on les trouve conjointement avec leurs cations (ions positifs) qui peuvent être : Ca++, Mg++, Na+, K+ , etc.

    <Nota : liens sur les chlorures (halogénures), les sulfates et les nitrates naturels >
    (Webmineral, du BRGM).

    Sels de bases fortes et d'acides faibles :
    Ces sels ne sont que partiellement dissociés. Le seul acide faible rencontré dans les eaux (à l'exception de H2S éventuellement présent à l'état de traces) est l'acide carbonique déjà cité. Les sels les plus abondants sont ceux de calcium et, dans une moindre mesure, le magnésium. Parmi ceux-ci :

    Les autres cations (Na, K) donnent des sels semblables, mais dont la solubilité est très supérieure.

    -




    Les matières en suspension.
    Le ruissellement des eaux de surface entraîne toujours une quantité plus ou moins importante d'éléments minéraux insolubles, de taille très variable. Ces substances constituent les matières en suspension.
    Une partie de ces particules ont une taille suffisamment importante pour décanter spontanément dès que le régime hydraulique s'y prête. Il s'agit de suspensoïdes constitués le plus souvent de sables et d'argiles.
    Une autre partie est constituée de particules très fines (colloïdes), très lentement décantables ou non décantables car affectées par le mouvement brownien.
    Cette dernière part est responsable de la turbidité.
    Le traitement d'une eau visant en premier lieu sa clarification (action de clarifier : rendre clair un liquide trouble) :

    < l'élimination des particules colloïdales revêt donc une très grande importance >

    Toutes les particules ne troublent pas l'eau de la même façon. Les particules très fines et les colloïdes. diffusent la lumière, mais ne se voient pas à l'oeil nu (en particulier, les bactéries peuvent être en nombre considérable sans causer le moindre louche), tandis que les particules plus grosses absorbent la lumière sans la diffuser.
    Ce ne sont que les particules dont le diamètre est du même ordre de grandeur de la lumière blanche, soit 0,4 à 0,8 micron qui absorbent la lumière tout en la diffusant.
    Toute tentative d'évaluation des teneurs en matières en suspension à partir d'une mesure de turbidité n'est pas parfaite puisque la nature et la taille des particules varieront et dans l'espace et dans le temps. On trouve dans la littérature, des formules reliant turbidité et MES. Elles sont à considérer avec la plus grande circonspection. Notre expérience permet d'affirmer que dans la quasi totalité des cas, aucune corrélation directe (sans mesure de contrôle) ne peut être trouvée entre ces deux paramètres.
    Toutefois, en première approximation on peut corréler la turbidité (NFU) à la concentration MES :

    NB : 1 NFU = 1 NTU (voir plus loin).

     




    Outre leur aspect peu engageant et psychologiquement négatif, les eaux troubles présentent le grave inconvénient de provoquer des dépôts dans les réseaux, réservoirs et organes de distribution.
    En ce qui concerne la santé, les particules terreuses ne sont pas nocives en elles-mêmes. Elles constituent cependant un excellent support pour les bactéries qu'elles protègent de l'action des désinfectants.
    Une désinfection efficace a donc toujours pour première condition une excellente clarification.

    On admettra en effet aisément que là ou des petites particules sont passées,
    des microbes sont passés également...



    NOTES.
    La législation française impose, pour les eaux potables de distribution, une turbidité limite de 1 NFU (Nephelometric Formazine Unit).

    Mais recommande 0,5 NFU comme indicateur de qualité témoin des installations,
    (valeurs indicatives établies à des fins de suivi des usines de production et de distribution d'eau et d'évaluation de risques pour la santé des personnes).

    Cependant, jusqu'au 25 décembre 2008, au point de mise en distribution,

    une turbidité de 2 NFU est donnée comme indicateur témoin.

    Actuellement : Décret n°2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l'exclusion des eaux minérales naturelles.



    NB : en cas de mise en œuvre d'un traitement de neutralisation ou de reminéralisation, la référence de qualité s'applique hors augmentation éventuelle de turbidité due au traitement.
    Rappel : 1 NFU (Nephelometric Formazine Unit) = 1 NTU (Nephélometric Turbidity Unit),
    et, 1 NFU = 1 FTU (Formazine Turbidity Unit) = 1 FNU (Formazine Nephélometric Units).

    NOTA :
    En océanographie, on utilise depuis longtemps pour mesurer la turbidité de l'eau de mer, le disque de Secchi*: il s'agit d'un disque horizontal de dimension normalisée (20 ou 30 cm) descendu dans l'eau à l'aide d'une ligne graduée qui permet de mesurer la transparence d'une étendue d'eau, celle-ci sera d’autant plus élevée que la turbidité sera faible, ou plus la valeur du Secchi est importante, plus la turbidité sera faible :


    (disque Secchi)

    Méthode : on mesure la profondeur à laquelle le disque disparaît pour l'observateur situé à la surface, ou la profondeur à laquelle il réapparaît. La "profondeur de Secchi" exprimé en mètre (Secchi depth ou SD en anglais) obtenue par moyenne de ces mesures constitue une approche de la mesure de turbidité.
    *Le disque Secchi a été nommé d'après son inventeur Pietro Angelo Secchi (1818-1878), astronome italien (et jésuite) qui fut directeur de l'Observatoire du Vatican. Le disque servit pour la première fois en mer Méditerranée en 1865. Il a les avantages d'être léger, peu encombrant, bon marché et simple d'utilisation.



    Substances responsables de la coloration.
    La couleur est due à la présence de matières en solution ou de particules à l'état colloïdal. Une partie de la couleur se confond donc avec la turbidité.
    Il faut donc distinguer la couleur vraie mesurée après filtration, de la couleur apparente mesurée sur l'eau brute (qui n'a subie aucun traitement) qui n'a que peu de signification dès que l'eau est tant soit peu turbide.

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    Par ailleurs, la couleur elle-même varie avec l'origine des eaux et les saisons. Les teintes s'échelonnent entre le bleu et le brun, en passant par le vert et le vert-jaune. Certains micro-organismes peuvent communiquer à l'eau une apparence tout à fait inhabituelle, telle, par exemple l'algue trychodesnion erythroteum qui est rouge sang (sang des bourguignons, mer rouge, lacs Australiens).
    Pour caractériser au mieux la couleur, aucune méthode ne donne pleinement satisfaction. En pratique, on se contente de comparer la couleur de l'eau à celle d'une solution standard constituée par un mélange de sels de platine et de cobalt.

    L'unité de couleur est le mg/l Pt/Co, appelé encore souvent degré Hazen.

    La teinte de la solution étalon présente une coloration jaune verdâtre qui s'apparente assez bien à celle de la plupart des eaux naturelles. Toutefois, elle s'éloigne largement de la couleur observée pour les eaux riches en substances humiques (à base d'humus : lacs, barrages) qui est plutôt brune. La mesure de la couleur est donc entachée d'une très grande imprécision, d'autant que son appréciation varie beaucoup d'un individu à un autre.

     

     

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    Les matières organiques.
    Les substances organiques naturelles trouvées dans l'eau proviennent de la dégradation par voie biologique des végétaux et des animaux. Ces substances sont de natures très diverses et il est extrêmement difficile, sinon impossible, d'en distinguer la nature et/ou l'origine.
    La présence d'une quantité importante de matières organiques dans une eau la rend suspecte non pas à cause de la nocivité intrinsèque des substances dissoutes, mais parce que l'on redoute que cette abondance ne constitue l'indicateur d'une mauvaise protection de la ressource.
    L'abondance de matières organiques peut entraîner l'apparition de goûts et odeurs désagréables et très souvent une forte coloration (cas de substances dites "acides humiques" et "acides fulviques").
    Les matières organiques constituent une source privilégiée de carbone organique favorisant la croissance des bactéries, des algues, du zoo plancton qui consomment de l'oxygène dissous.
    L'évaluation des concentrations en substances organiques relève toujours d'une mesure globale qui ne donne aucune indication sur la nature des composés rencontrés.
    Les normes prennent en compte :

    La concentration en matières organiques s'exprime alors en mg/l O2 consommés.
    La méthode normalisée en France réalise un test d'oxydation au permanganate en 10 minutes à 100 °C en milieu acide.
    Dans ces conditions, la valeur limite pour les eaux potables a été fixée à 5 mg/ O2.
    Cette valeur est assez élevée et peut être incompatible avec le critère couleur. Il faut s'efforcer, mais c'est là une opération difficile, de ramener la valeur de l'oxydabilité au voisinage du niveau guide des normes européennes, soit 2 mg/l O2.




    SUBSTANCES D'ORIGINE ÉTRANGÈRE.
    Il s'agit des substances de toute nature provenant des animaux, de l'homme, ou résultant des activités de l'homme.
    Les eaux de surface et , dans une moindre mesure, les eaux souterraines peu profondes constituent le réceptacle ultime et naturel de tous les déchets.
    Il s'agit de la pollution qui est d'ailleurs un phénomène inéluctable et en quelque sorte naturel. Pendant fort longtemps, cette pollution était parfaitement équilibrée par les processus d'auto-épurations du milieu. Elle n'avait donc pas de conséquences négatives.
    L'accroissement démographique, l'industrialisation des productions agricoles et manufacturées, l'élévation du niveau de vie ont rompu ce fragile équilibre.

    On trouve donc désormais dans les eaux un grand nombre de substances indésirables, dont l'origine peut être :

     

    Les concentrations de ces substances sont, fort heureusement, très faibles et l'on parle de micro-pollution minérale ou organique.
    Il faut ajouter à ces substances celles qui sont introduites volontairement dans l'eau pour réaliser sa potabilisation.

    Il s'agit de sels minéraux (de fer ou d'aluminium pour les floculants), du chlore utilisé pour la désinfection ou des composés formés par action de ces corps sur des ions ou des molécules initialement présents dans l'eau (chloramines, organo-chlorés, par exemple).


    Fin du chapitre 3 Eaux naturelles

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