Exercices: L'hydrosphère

Classer ces masses d'eau en eaux salées ou eaux douces : l'océan Atlantique, un glacier, un lac, une rivière, la mer Méditerranée et l'eau d'une nappe phréatique.

Le schéma représente le cycle de l'eau avec cinq processus numérotés. Nommer les processus indiqués par les numéros de 1 à 5 et décrire brièvement ce qui se passe dans chacun.

Qu'est-ce que le cycle de l'eau ? Nommer ses principaux processus et expliquer pourquoi on dit que l'eau de la planète est toujours la même.

Nommer les trois états sous lesquels l'eau se trouve dans la nature et donner un exemple de chacun.

Classer de la plus grande à la plus petite quantité ces réserves d'eau de la planète : rivières et lacs, océans, glaces et glaciers, eaux souterraines.

Définir ce qu'est une nappe phréatique (aquifère) et expliquer pourquoi c'est une réserve d'eau douce importante pour les êtres humains.

Indiquer quel processus du cycle de l'eau décrit chaque phrase : la vapeur d'eau se transforme en gouttelettes et forme des nuages ; l'eau de la mer passe dans l'atmosphère sous forme de vapeur ; l'eau tombe sur la surface sous forme de pluie ou de neige.

Qu'est-ce que la condensation ? Expliquer pourquoi la vitre d'une fenêtre froide ou le miroir de la salle de bains se couvre de buée.

Expliquer le rôle du Soleil comme « moteur » du cycle de l'eau.

Distinguer ruissellement et infiltration, et indiquer comment la pente du terrain et le couvert végétal influencent chacun d'eux.

D'où provient l'eau d'une source ? La relier à la pluie, à l'infiltration et aux nappes phréatiques.

Expliquer ce qu'est l'évapotranspiration et quel rôle jouent les plantes dans le cycle de l'eau.

Les nuages voyagent avec le vent. Expliquer pourquoi il peut pleuvoir à l'intérieur d'un continent de l'eau qui s'est évaporée quelques jours plus tôt dans l'océan.

Deux villages reçoivent les mêmes précipitations annuelles, mais l'un est situé sur des argiles imperméables et l'autre sur un calcaire perméable. Comparer le ruissellement et la recharge des nappes phréatiques dans les deux cas et justifier lequel présentera le plus de risques de crues.

L'eau de mer ne convient ni à la boisson ni à l'irrigation de la plupart des cultures. Expliquer quel procédé permet d'en obtenir de l'eau douce (dessalement) et citer un inconvénient de cette méthode.

Décrire le parcours de l'eau d'un glacier qui fond au printemps jusqu'à son retour à la mer, en nommant les processus du cycle qui interviennent à chaque étape.

Lors d'un débat sur la durabilité, un élu municipal affirme : « Puisque 71 % de la surface terrestre est couverte d'eau, la crainte d'une pénurie d'eau est infondée : l'eau est une ressource pratiquement inépuisable ».\na) À l'aide des données de l'hydrosphère (97,5 % de l'eau de la planète est salée et seulement 2,5 % est douce ; et de cette eau douce, 69 % est gelée dans les glaciers et à peine 0,3 % se trouve dans les rivières et lacs de surface accessibles), calculer quel pourcentage exact de l'eau totale de la planète représente l'eau douce liquide de surface.\nb) À partir de votre calcul, réfuter en raisonnant l'affirmation de l'élu et prévoir quelles conséquences hydrologiques et écologiques aurait la gestion des ressources en eau d'un territoire en supposant que l'eau disponible est illimitée.

Après la construction d'un lotissement avec des rues goudronnées et des toits imperméables sur un versant boisé, les techniciens constatent que, lors d'une pluie intense, l'eau met seulement 30 minutes à atteindre la rivière au lieu des 4 heures habituelles, et que le débit maximal a triplé, inondant le village situé en aval.\na) Justifier ce changement hydrologique en analysant comment l'imperméabilisation du terrain modifie l'infiltration, l'évapotranspiration et le ruissellement de surface.\nb) Pour éviter de nouvelles inondations, une entreprise propose de canaliser la rivière dans du béton en ligne droite jusqu'à l'embouchure. Évaluer de façon critique cette proposition en prévoyant ce qui se passera dans les zones situées encore plus en aval et concevoir deux mesures alternatives fondées sur un drainage durable ou la restauration écologique pour favoriser la recharge de la nappe phréatique.

Au sommet d'une montagne perméable, un colorant biodégradable et soluble est déversé accidentellement. Quelques semaines plus tard, de l'eau colorée est détectée dans un puits agricole de la vallée puis, des mois plus tard, à l'embouchure d'un fleuve dans l'océan, sans que le colorant ait été observé dans les torrents de surface du versant.\na) Reconstituer en raisonnant le trajet suivi par l'eau colorée depuis le sommet jusqu'à la mer, en nommant et en expliquant les processus du cycle de l'eau impliqués (infiltration, écoulement souterrain, résurgence ou décharge, et ruissellement de surface).\nb) Expliquer par quels processus physiques du cycle de l'eau cette même eau de mer pourra revenir au sommet de la montagne et justifier si le colorant voyagerait avec elle dans la vapeur d'eau et les précipitations.

Imaginer que toute l'eau de la planète équivaut à un volume de 100 L : 97,5 L sont salés ; et sur les 2,5 L d'eau douce, 1,7 L sont gelés, 0,76 L sont des eaux souterraines et seulement 0,04 L circulent dans les rivières et lacs de surface.\nUne coopérative agricole d'une région aride prévoit de doubler ses cultures irriguées en recourant exclusivement à des forages souterrains profonds, en affirmant que « les eaux souterraines représentent presque vingt fois plus de volume que les rivières et les lacs, donc leur épuisement est impossible ».\na) Calculer quel pourcentage de l'eau totale de la planète représentent les eaux de surface (0,04 L) et quel pourcentage les eaux souterraines (0,76 L), et les comparer.\nb) Réfuter l'argument de la coopérative : justifier pourquoi la surexploitation d'une nappe phréatique peut finir par assécher les rivières et les zones humides de surface qui lui sont connectées, et prévoir les risques liés au faible taux de renouvellement naturel des eaux souterraines.

Dans une commune littorale connaissant une forte hausse de la population touristique en été et une irrigation intensive, les agriculteurs constatent que les feuilles de leurs cultures présentent des brûlures dues au sel et que l'eau des puits est devenue saumâtre. Les piézomètres indiquent que le niveau de la nappe a baissé de plusieurs mètres en dessous du niveau de la mer.\na) Diagnostiquer le phénomène hydrogéologique en cause et justifier pourquoi la baisse du niveau de la nappe d'eau douce rompt l'équilibre et permet l'entrée d'eau marine vers l'intérieur des terres.\nb) Un collectif d'irrigants propose de forer des puits deux fois plus profonds pour « chercher de l'eau douce propre plus bas ». Prévoir le résultat de cette action et concevoir deux mesures réalisables (techniques ou de gestion) pour freiner l'intrusion et restaurer la nappe.

La construction d'un grand barrage sur le cours moyen d'un fleuve garantit l'approvisionnement hydroélectrique et en eau potable d'une grande ville. Cependant, dans le delta situé à 90 km en aval, les agriculteurs dénoncent que la mer envahit les rizières et que le trait de côte du delta recule de plusieurs mètres par an.\na) Analyser comment la grande étendue d'eau de la retenue modifie le cycle de l'eau local (évaporation et humidité ambiante) par rapport aux conditions existant avec le fleuve naturel.\nb) Justifier la relation directe de cause à effet entre la rétention de l'eau et des sédiments dans le barrage et le phénomène de recul et de salinisation du delta, et proposer une mesure de gestion hydraulique pour atténuer cet impact en aval.

Deux bassins versants voisins (A et B), avec le même type de sol et la même pente, reçoivent un orage torrentiel identique (75 L/m² en deux heures). Le bassin A conserve intacte sa forêt de tête de bassin, alors que dans le bassin B la forêt a été entièrement abattue pour créer des pâturages.\nL'hydrogramme du cours d'eau B montre une crue soudaine et violente à peine 40 minutes après le début de la pluie, alors que le cours d'eau A enregistre une augmentation douce, retardée et progressive du débit sur deux jours.\na) Justifier la différence observée entre les deux cours d'eau en analysant, étape par étape, le rôle de la végétation et de ses racines dans l'interception, l'infiltration, l'évapotranspiration et le ruissellement de surface.\nb) Prévoir comment la déforestation du bassin B affectera la perte de sol fertile (érosion) et le débit du cours d'eau pendant les mois secs de l'été, par comparaison avec le bassin A.

Un randonneur remplit sa gourde dans un ruisseau de haute montagne qui naît directement de la fonte des neiges et affirme : « L'eau est transparente et provient de la fonte des neiges et de la pluie ; comme le cycle de l'eau est un système de distillation et de filtration naturel parfait, il n'est pas nécessaire de la traiter : c'est une eau potable à 100 %. »\na) Analyser quelles étapes du cycle de l'eau agissent réellement comme mécanismes naturels d'épuration physique et réfuter la conclusion du randonneur en justifiant pourquoi une eau de surface cristalline peut contenir des polluants biologiques ou chimiques dangereux pour la santé.\nb) Si le randonneur dispose seulement d'un mouchoir en tissu serré et d'un réchaud à gaz portatif, concevoir un procédé en deux étapes pour traiter l'eau avant de la boire, en justifiant quel type d'impuretés élimine chaque étape et pourquoi aucune des deux n'est suffisante à elle seule.