CHAPITRE XXVIU

LA. VITESSE DES COURS d'eàU ET LA. FLUORESCÉINE

L'application de la tluorescéine1 à la recherche des relations entre les perles de rivières et leurs résurgences, imaginée en 1877 par Ten Brink, pour démontrer la communication des points d'absorption du Danube à Immendingen (duché de Bade) avec la pseudo-source de l'Aach (tributaire du lac de Constance), a été depuis lors développée par de nombreux expérimentateurs français et étrangers (Vincent, Ferray, Doria, Piccard, Forel, Colliez, Agostini, Marinelli, Vallot, Fournier, Magnin, Van den Broeck, Rahir, Schardt, Trillat, Marbputin, Diénert, Le Couppey de la Foresl, Guillerd, etc.) en vue d'étudier la vitesse d'écoulement des rivières ou de propagation des nappes d'eau, tant souterraines que subaériennes.

L'invention du fiuorescope par M. Trillat et son perfectionnement par M. Marboulin ont permis, depuis 1899, d'étendre ce mode d'investigalion.

En 1896, j'avais commencé moi-même une longue série de recherches méthodiques sur ce sujet, sous les auspices du minislère de l'agriculture de France. Plus de trois cents expériences m'ont donné des indications de trois sortes : sur les cours d'eau exlérieurs, sur les courants souterrains reconnus et accessibles, sur les courants souterrains ignorés ou inaccessibles. La seule conclusion ferme est que, malgré le grand nombre des essais elleclués de toutes paris à l'heure actuelle, il faut considérer la question de la vitesse de transmission de la fluorescéine et celle même des nappes ou cours d'eau comme non encore résolue; il y a lieu de mettre tous les praticiens qui s'en occupent en garde contre le danger de conclusions trop hâtives tirées de résultats douteux ou incomplets.

Pour faire comprendre la porlée des essais que j'ai fails à ce sujet dans les rivières du Caucase, il est nécessaire de résumer très sommairement ce qui parait acquis actuellement sur la question :

« l°La solution de tluorescéine, même très concentrée, se décolore au soleil en moins de 24 heures. (L'acide carbonique des eaux souterraines la décolore aussi.)

« 2" Au 1/20,000,000, en plein jour, mais à l'ombre, elle ne commence à se décolorer qu'au bout d'une semaine au moins.

« 3° Dans l'obscurité complète je conserve, depuis 1897, des échantillons de solutions absolument inaltérées.

« 4° La décoloration partielle par l'argile, reconnue par M. Trillat (Comptes

1. Phtaléine de la résorcine, substance dérivée île l'aniline. Poudre rouge qui, à l'œil nu, colore l'eau à concurrence d'environ 40,000,000 de fois son propre poids (1 kilogramme pour 10,000 mètres cubes). V. la y'alure, n<> 1084, 2 sepl. 1905.

rendus Acad. des sciences, 13 mars J899), est moindre sous pression qu'à l'air libre, remarque importante, puisque j'ai montré que, dans les réservoirs des cavernes, l'eau peut atteindre plusieurs atmosphères de pression.

« 5° La fluorescéine, môme dans une eau très chargée d'argile, ne se décante pas, contrairement à ce qui avait été admis jusqu'ici; au jour, sans soleil (V. 2°), elle se décolore lentement, sans être entraînée par l'argile qui se dépose au fond du vase d'essai.

« 6° La coloration n'est modifiée ni par le filtre en papier, ni par la bougie du filtre Chamberland, système Pasteur.

« 7° La vitesse de propagation souterraine peut varier dans la proportion de 1 à 200 au moins; j'ai constaté 5™, 50 à l'heure à Padirac (mai 1903), et 1,050 mètres à l'heure à Bramabiau (septembre 1897), soit 132 mètres à 25 kilomètres par jour. Les causes de ralentissement dans l'écoulement des eaux souterraines sont les éboulemcnts rocheux, amas de sable ou d'argile, rétrécissements, siphonnements ou conduites forcées, expansions en bassins; bref, toutes les diminutions de section, les multiplications de frottement et les stagnations.

« 8° L'accélération est produite par l'augmentation de la pente et surtout par celle du débit : [vitesse de Bramabiau, 5m,18 par minute, avec débit inférieur à 1 mètre cubejpar seconde, et 17m,50 par minute avec 3 mètres cubes par seconde et 130 p. 1,000 de pente; vitesse du Rhin à Ragaz, 8 kilomètres par heure pour 200 mètres cubes par seconde et 4 p. 1,000 de pente; vitesse de la ïamina à Ragaz, 3 kilomètres par heure, débit 9 mètres cubes par seconde et 50 p. 1,000 de pente; le torrent coule moins vite que le fleuve.

<( 9° Les expériences de Ten Brink et Knop (1877) au Danube- Aach et de MM. Miquel et Dienert [Rapports de la commission de Montsouris sur les sources du bassin de la Seine, 1901-1903) ont fourni des vitesses égales à celles de la fluorescéine, pour les dissolutions de sel et la levure de bière (et même parfois inférieures). « 10° htxremise en marche des colorations souterraines est bien l'œuvre des crues internes; mais, en raison de l'absence de décantation (§§ 3° et 17°), on ne doit pas se prononcer encore sur la façon dont elle se réalise; je pense qu'elle provient d'une baisse' qui, après le jet de la fluorescéine, arrête l'eau colorée de bassins de retenue, momentanément privés d'écoulement, puis remis en mouvement (voire même anastomosés) par une chasse de crue. Elle peut aussi être fictive, par subdivisions inégales du cours souterrain.

« 11° Les eaux troubles des torrents glaciaires et des crues diminuent, jusqu'à l'annulation complète, la coloration même très forte.

« 12° Mais l'expérimentateur peut remédier à cela par la décantation ou le filtrage des particules argileuses (§§ 5° et G0).

« 13° 11 est exact que la propagation de la fluorescéine semble moins rapide que celle de l'eau qui la véhicule; en eau très calme, j'ai trouvé, à Padirac (22 mai 1903), une vilessc de 12 mètres par heure pour la tête ou avant-garde d'une coloration, et de 4 mètres seulement pour la queue, soit un retard des deux tiers pour la fin de la couleur. En espaçant les jets de couleur, la tète des derniers finit toujours par rejoindre la queue des premiers.

« Mais il pourrait bien y avoir là (le fait étant contraire aux conséquences phy-

siquos de la parfaite incorporation moléculaire de la fluorescéine dans l'eau, §§ ."i" et 6°) une illusion, produite par une notion insuffisante des conditions matérielles de l'écoulement, oL surtout des variations incessantes de vitesse causées par les obstacles rencontrés. Ici, principalement, la circonspection s'impose. ( V. ci-après, 18°.)

« 14° En tout cas, ce relard, s'il est réel, et surtout les risques de retenue dans l'argile, la tourbe, les eaux carboniques (§ 4°) qui peuvent aboutir à la dilution et à l'invisibilité complètes, en cas de très long ou de très lent parcours, permettent de dire qu'un résultat négatif tiendra le plus souvent à la trop petite quantité de fluorescéine employée. Quel que soit l'inconvénient d'un excès de coloration c'est le seul moyen de compenser les nombreux éléments d'insuccès des expériences. Et le précieux lluorescope de MM. Trillat et Marboutin doit être utilisé bien plus comme correctif de ces éléments que comme moyen d'épargner la substance ou d'en restreindre les effets.

« 15° Il faut jeter la fluorescéine, non pas lentement et par petites quantités à la fois, mais, au contraire, rapidement et abondamment, afin de commencer toute expérience avec le maximum possible de coloration.

« 16° L'absence de décantation se manifeste aussi sous terre : à Padirac, du 23 mai au 7 juin 1903, avec 750 grammes de fluorescéine, j'ai maintenu coloré, pendant quinze jours, un bassin de 5,000 à 6,000 mètres cubes, sans qu'aucune trace de couleur soit demeurée ensuite perceptible (à l'œil nu), même sous 5 mètres de profondeur; la décoloration a été lente et progressive à partir du troisième jour.

« 17° La propagation de la couleur en eau très calme se fait en minces filaments vasculaires, à la surface ou entre deux eaux, mais sans chute vers le fond (§§ 5° et 10°).

« 18° Toute expérience devrait être faite de préférence lors des crues et même dans les trois états d'eaux basses, moyennes et bautes, les différences de résultats devant être éminemment instructives1. »

Insistant sur les mystères de la vitesse de l'eau, je citerai au moins les faits suivants. Dans de petits ruisseaux très calmes, mais sinueux, j'ai vu de menus flotteurs de papier, utilisant sans doute le lieu géométrique des points maximum de vitesse, entraînés près de deux fois plus vite que la fluorescéine. Les rives bourbeuses et très berbacées semblent attirer la coloration. Y aurait-il une question d'adhérence par viscosité à rechercher en ce cas spécial ?

Sur le Rhin (à Ragaz, V. ci-dessus), rapide (8 kilom. heure, 200 m. eu. seconde), la fluorescéine jetée au bord n'arrive pas à gagner le milieu du courant, où devrait cependant l'attirer le maximum de vitesse; elle file parallèlement à la rive, ou se retarde dans ses anfractuosités; au contraire, projetée au milieu du courant, du

1 (i L'étude, si importante pour la santé publique, des problèmes directement ratlacbés à ceux de la circulation souterraine des eaux en massifs calcaires, s'effectue pratiquement, depuis un petit nombre d'années, à l'aide de matières colorantes, et spécialement de la fluorescéine.

« La plus extrême prudence doit guider les conclusions à tirer des expériences, qui doivent être multipliées, variées et en rapport avec des conditions climatériques diverses et très opposées.

« La mise sur pied de cette étude, sur l'initiative de M. E. Van den Broeck, a été faite en 1903-04, au sein de la Société bchjc de géologie.

« Quarante-cinq notes, mimoires et communications représentent les travaux consacrés à celte question, au cours de sept séances. Ces documents, étudiés el analysés par un comité spécial chargé de les résumer, composé de MM. Ad. Kemna, E.-A. Martel, E. Putzeys," II. Rabozée et Van ue.n Broeck, ont fourni la matière d'un fascicule spécial intitulé : l'Etude des eaux courantes souterraines pur l'emploi des matières colorâmes, in-8°, 218 p. et 24 0g., publié en 1004 par la Société belge de géologie, de paléontologie et d'hydrologie ; prix, 3 francs. >

sommet d'un pont, elle n'est pas seulement entraînée vers l'aval, mais en partie rejetéc latéralement vers les bords par les remous de la surface, avec un retard sur la partie centrale, prenant la forme d'une pointe de flèche avec ses deux ailettes. Malgré la force du courant, qui amène le brassage complet, la propagation reste inégale; elle témoigne de variations complexes de vitesse, môme dans la partie centrale, et elle révèle le délaissement en arrière d'une forte proportion de la couleur.

Sous terre, à Padirac, dans le premier bassin (diamètre environ 23 mètres) des grands gours (vitesse de la fluorescéine, 7 mètres à l'heure), j'ai vu la matière colorante se propager en éventail, en branches d'arbre, avec tendance au rebroussement latéral, comme sur le Rhin; ce bassin a mis plusieurs heures à se colorer complètement, tout en ne cessant pas de se déverser vers l'aval (comme dans les bassins à l'air libre du torrent de la Tamina), ce qui ne pouvait pas manquer de donner une réelle avance à la marche de son écoulement sur celui de la lluorcscéine. Et il en a éLé de môme de tous les autres.

Au cours des discussions qui ont eu lieu en 1903-1904 à la Société belge de géologie, le capitaine Rabozée, M. Masson, etc., ont objecte notamment que le retard de la fluorescéine sur l'eau qui la véhicule ne paraît nullement prouvé par les faits observés à Padirac. Ils pensent, au contraire, que ce retard ne peut exister et que la matière colorante doit marcher comme l'eau qui la tient en dissolution. Si l'on a pu croire que la fluorescéine marche moins vite que l'eau, cela doit résulter d'erreurs d'observation, et surtout d'une mauvaise interprétation de la définition de la vitesse. Car, pour qu'il y ait retard de la fluorescéine, celle-ci devrait se séparer de l'eau, ce qui ne peut avoir lieu aux points de vue physique et chimique. L'expression vitesse de l'eau est, en effet, vide de sens si l'on ne spécifie pas formellement ce qu'on entend dire par là. Il faudrait définir — conventionnellement — la vitesse maximum, la vitesse minimum, la vitesse moyenne. Dans un cours d'eau, la vitesse des particules varie en effet non seulement d'une section transversale à l'autre, mais aux différents points d'une même section transversale.

« On conçoit ainsi toute la complication que présente le phénomène de l'écoulement dans les cours d'eau naturels. Mais il paraît certain que les variations d'intensiLé dans la coloration de l'eau à l'endroit où l'on observe correspondent à des variations de même sens dans les quantités d'eau qui, issues de la masse colorée en amont, passent au point d'observation. »

Rien n'est plus juste. Car, comment supposer qu'une séparation quelconque pût intervenir entre les molécules d'eau et celles de la matière colorante de la dissolution, puisque l'assimilation, l'incorporation de cette matière dans le liquide est tellement intime que, d'une part le filtrage par la bougie Chamberland-Pasteur et même par l'argile fine très fortement comprimée ne se réalise pas, — et que, d'auLrc part, la décantation est nulle (contrairement à ce que l'on avait cru observer) et ne se produit pas plus sous terre qu'au dehors.

Et cependant il est réel, si l'on colore un ruisseau contenant des matières suspendues ou entraînant des particules flottantes, que celles-ci marchent parfois plus rapidement que la fluorescéine elle-même.

A quoi peut tenir cette particularité?

En l'état, il est constant qu'il faudrait touL d'abord bien savoir ce qu'on entend par vitesse de l'eau : et je me permets — en tant du moins que mon absolue incompétence en mécanique puisse être suppléée par les nombreuses observations empiriques auxquelles je nie livre depuis 1896 — de me demander si tous les savants travaux: de Torricelli, Mariolle, Bcrnouilli, Newton, Savart, Plateau, Vehturj, Prony, Boussinesq, etc., sont parvenus à bien nous fixer sur les lois détaillées de l'écoulement des cours d'eau. Certes, on a considérablement étudié les conséquences des frottements, et reconnu que la vitesse est pins grande à la surface et au centre que sur les côtés et dans la profondeur; mais l'application de ces principes n'est possible que pour une rivière normale, à section régulière, et pour ainsi dire géométrique; or, ceLle rivière idéale ne se présente guère dans la nature, où les eboses se compliquent de coudes, hauls-fonds, îles, etc., sans parler des cascades, confluents, barrages naturels, crues, etc. A cette rivière théorique il faut substituer, pour notre sujet, les courants auxquels on a matériellement affaire, sur ou sous terre, depuis le menu ruissclet tranquille et le grand fleuve placide, jusqu'au petit torrent cascade et au puissant courant de montagne.

Énumérer les différences innombrables de cas, les accidents infinis, les modifications perpétuelles qui affectent alors (selon les circonstances) les allures de l'écoulement (abstraction faite des variations de débit), est besogne absolument impossible. Et j'estime que l'étude de la vitesse des eaux se présente en vérité comme un problème des plus ardus, à cause de la modification constante et de la multiplicité des facteurs qui l'influencent. Tout ce qu'on peut affirmer est ceci :

1° Il y a réellement une grande diversité d'allures, une indépendance absolue, entre les filets d'eau d'un courant, distants ou même contigus entre eux.

2° Les éléments constitutifs de la vitesse d'écoulement des cours d'eau, ainsi que les causes de variation de cette vitesse et l'influence des obstacles, sont encore fort mal connus.

3° Les approfondissements et bassins semblent exercer, pour une raison à recbereber, un ralentissement plus apparent sur la tluorescéine que sur l'eau ellemême.

4° Ce ralentissement apparent, anormal en tbéorie pbysique et cbimique, s'il semble exister en application expérimentale, lient peut-être uniquement à l'insuffisance de nos organes visuels et à la dilution de l'avant-garde de la tluorescéine.

5° L'emploi judicieux du fluorescope établira sans doute que ce ralentissement est, en effet, illusoire et provient de ce que les premières molécules entraînées de la fluorescéine sont diluées au point d'être invisibles à l'œil nu.

6° Des expériences nombreuses devront êlre faites avec et sans lluorescope pour étudier la marche, comparée à celle de l'eau, de la tète des colorations visibles de la tluorescéine dans les cours d'eau de toute espèce, grands et petits, calmes et torrentiels, souterrains et extérieurs, avant de formuler aucune conclusion.

7° En matière de nappe phréatique, lentement propagée dans les terrains meubles très perméables, les conditions du problème se présentent toutes ditférentes et beaucoup plus complexes encore.

C'est pour ajouter quelques éléments d'étude à ces problèmes que j'ai profité de

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mon séjour au Caucase pour effectuer de nouvelles expériences de coloralion de cours d'eau à la fluorescéine; l'absence de localités habitées et les parcours que j'avais à accomplir le long des thalwegs m'ont mis à même de réaliser dans des conditions particulièrement propices des observations précises et, surtout, suivies pendant de longues dislances ; j'en donne ci-après les résultats, tels qu'ils sont consignés dans mes notes prises sur place, afin de les livrer dans toute leur sincérité aux critiques et discussions qu'ils sont de nature à provoquer.

I. 20 aoùt-S septembre 1903. — Vallée de la Dagomis : 15 kilomètres nord de Sotchi.

Torrent de montagne à pente de 8 p. 1,000. Débit évalué (?) : 2 mètres cubes par seconde; 500 grammes à 8 h. 40 dans une cascatelle écumeuse, en amont d'un bassin de 4 à 5 mètres de diamètre et 1 mètre de profondeur. La dilution (disparilion de la poudre rouge) est à peu près immédiate, et la flèche de tète file rapidement ; à 9 heures, le bassin est encore coloré, mais seulement dans sa portion aval et au fond, sans aucune décanlalion dans la portion amont; en aval, la coloralion verte intense s'arrête dans les bassins et toutes les parties lalérales sans courant, et n'en est expulsée que très lentement, à moins qu'il ne survienne une crue; donc une portion est non pas retardée précisément, mais retenue comme dans des poches; dans ces poches, on remet la coloration en mouvement vers l'aval en agitant l'eau soit avec un bâton, soit en y jetant des pierres qui font légèrement déborder la poche (comme le font les crues).

En une heure vingt minutes, la tèle n'a pas fait 3 kilomètres.

Conclusions : la vitesse d'un torrent est faible, et ce genre de courant est un détestable ebamp d'expérience, à cause de l'irrégularité de sa marche, pour l'étude normale de la vitesse de l'eau; mais il enseigne peut-être en quoi consiste réellement le relard de la fluorescéine, qui est en grande partie localisée, pour ainsi dire emprisonnée dans les espèces de culs-de-sac où elle s'engage sur les bords et au fond. Mais pourquoi n'en sort-elle pas aussi rapidement qu'elle y arrive?