CHAPITRE V

Intérêt de l'étude des rivières. — Les lacs sont des nappes d'eau se renouvelant très lentement; les rivières sont des masses d'eau en mouvement continuel. Leur activité incessante, tantôt brutale et désastreuse, tantôt caressante en quelque sorte, a toujours frappé l'imagination humaine, et la personnification des fleuves est un fait commun à la plupart des mythologies. Aux yeux mêmes de la science moderne, les rivières apparaissent comme l'élément le plus vivant de la géographie physique. On est tenté de leur reconnaître une sorte de personnalité. Il en est de tempérament rassis en quelque sorte, au cours lent, aux crues égales et faciles à prévoir; d'autres, emportées et brutales, roulent des flots tumultueux, s'enflent subitement et baissent de même. Les grands fleuves équatoriaux font l'effet d'êtres puissants et pondérés, formidables, mais bien équilibrés; tandis que les ouadi désertiques et les torrents de montagne, sans régime fixe, sans même un lit bien déterminé, ressemblent à des êtres fantasques et capricieux.

La nature porte partout l'empreinte de cette activité incessante. La topographie est remaniée constamment par les rivières, de façon plus ou moins brusque ou continue, suivant leur tempérament. Le lit se déplace, les berges sapées par les grandes crues s'éboulent. La Loire est responsable, non seulement d'inondations désastreuses pour les villes, mais de la disparition de milliers d'hectares de champs et de prairies. Les torrents sont, malgré leur débit irrégulier et souvent très faible, les cours d'eau dont l'action sur le relief est le plus sensible. La vie de l'homme est dans une dépendance si étroite de la vie des fleuves, qu'on comprend aisément l'intérêt avec lequel il a toujours suivi leurs mouvements. Paisibles et réguliers, ils servent de voies de communication; irréguliers et violents, ils

menacent les biens et la vie des populations riveraines. Des crues puissantes et régulières permettent l'irrigation et font fleurir la civilisation au seuil des déserts.

L'étude systématique des fleuves a été une des premières nécessités qui se sont imposées aux États modernes, au moment de l'organisation du réseau des voies de communication parterre et par eau. En France, la création du Service hydrométrique du bassin de la Seine a précédé celle des services météorologiques. En Allemagne, le développement de la navigation intérieure nous a valu une série de monographies scientifiques de tous les grands fleuves, du Rhin jusqu'à la Vistule. Les pays Danubiens ont tous, jusqu'à la Roumanie, des services hydrologiques. Aux États-Unis, l'utilité pratique de ces études a été reconnue de bonne heure. Le Mississipi a fait l'objet de publications importantes, et le Geological Survey multiplie les mesures de débit des rivières de l'Ouest en vue des irrigations possibles. L'installation des Anglais en Egypte et dans le Soudan oriental, leurs efforts pour développer l'agriculture dans le delta du Nil, ont déjà donné lieu à des recherches fort intéressantes sur ce grand fleuve. Le trésor des faits ainsi accumulés est assez considérable, pour qu'on puisse reconnaître les lois générales de la vie des fleuves.

Sources et nappes aquifères. — On peut dire que la plupart des cours d'eau, sauf les torrents de montagne, ont pour origine une source. Le régime des fleuves dépend de l'importance plus ou moins grande de l'alimentation par les sources, comparée au ruissellement direct. L'étude des sources est donc le préliminaire indispensable de celle des cours d'eau.

Mais c'est aussi une question d'un intérêt géographique plus général. La position des sources dans les pays arides détermine strictement celle des établissements humains. Même dans les régions suffisamment arrosées, elles ont encore une importance capitale. Dans le bassin de Paris, certains horizons géologiques imperméables sont un lieu de sources permanentes et par suite d'agglomérations rurales. Rien de plus frappant que le spectacle des coteaux de Montmorency vus des hauteurs de Sannois, avec la ligne continue des villages soulignant à mi-côte l'affleurement des marnes vertes.

Jadis, la recherche des sources était confiée aux sorciers, qui se mettaient en quête munis d'une baguette de coudrier. Ce sont les géologues qui sont consultés maintenant. La répartition des sources s'explique en effet par la nature du sous-sol et obéit à des lois précises. Une source n'est autre chose que l'écoulement superficiel d'une nappe d'eau qui imprègne une couche de terrain perméable.

L'eau des sources provient toujours directement ou indirectement de la pluie tombée à la surface du sol. Certaines sources peuvent

être dues à la réapparition des eaux de rivières qui s'infiltrent dans des terrains meubles ou s'engouffrent dans les cavités naturelles de certaines roches comme les calcaires. On a proposé pour ces sources le nom de résurgences.

On sait que certaines sources ont une température élevée et une teneur en substances minérales indiquant que leurs eaux ont séjourné longtemps dans le sous-sol. Il n'est pas sûr cependant que l'écorce terrestre puisse être considérée comme contenant par elle-même des réserves d'eau (eaux juvéniles de Suess). Les recherches les plus récentes sur les exhalaisons volcaniques ont montré que les produits éruptifs étaient par eux-mêmes à peu près entièrement anhydres (v. 4e partie ch. vi).

Fig. 149. — Nappe superficielle et sources de surface.

La surface de la nappe marquée en pointillé, les sources maiquées par des flèches notées 1, 2, 3, 4.

L'eau tombée à la surface du sol est toujours plus ou moins filtrée et retenue par le sol meuble qui ne fait jamais défaut, partout où il y a quelque végétation. Elle y forme une nappe superficielle, donnant des sources de surface. Ce sont les seules sources dans les terrains imperméables (schistes argileux, argiles et marnes, roches éruptives massives). Leur abondance

dépend de l'épaisseur du sol meuble et de celle que peut avoir par suite la nappe superficielle. Leur apparition est déterminée par la pente et par l'épaisseur variable du sol meuble (fig. 149). Ces sources sont généralement très nombreuses, mais très instables. Même dans les pays les plus humides elles peuvent tarir chaque année. Leurs eaux sont sujettes à la contamination, n'étant pas suffisamment filtrées.

Le régime des sources de nappe phréatique est plus régulier. On appelle nappe phréatique celle qui se forme dans un terrain perméable (sable, cailloutis, grès, craie ou calcaire très fissurés) affleurant sur une assez grande étendue et reposant sur une couche imperméable. L'infiltration ne pouvant aller plus loin que cette couche, l'eau imprègne tous les vides du terrain perméable jusqu'à un certain niveau appelé surface piézomé trique. C'est une surface d'équilibre hydrostatique, dont l'inclinaison dépend de celle de la couche imperméable (BA fig. 150). Dans les terrains horizontaux elle s'abaisse du côté où la nappe affleure, en donnant une source (EF fig. 150). Elle se rapproche de la surface dans les dépressions.

tout en ayant toujours une pente plus faible que celle de la surfaee topographique.

Le niveau atteint par la surface piézométrique est sujet à des variations dépendant du climat et de la nature du sol. D'après Soyka [3] la pluie et Pévaporation règlent ces variations, la pluie ayant plus d'importance dans le Nord de l'Europe, tandis que l'évaporation joue un plus grand rôle dans le Sud. Le niveau s'abaisse vite dans les sols alluviaux à éléments grossiers, où les vides sont plus grands et le mouvement d'écoulement plus rapide. Lorsque les rivières coulent au niveau même des plaines alluviales, comme c'est le cas dans le Frioul et la Vénétie, il se forme une nappe phréatique alimentée surtout par les infiltrations des cours d'eau et reflétant leurs variations de débit avec un retard de 1 ou 2 mois [DeMarchi, 30].

La régularité du débit des sources de nappe phréatique dépend de leur situation topographique. On peut distinguer les sources (T affleurement et les sources de vallée. Les premières se forment à

Fig. 150. — Nappe phréatique avec sources.

Terrain perméable en blanc. Surface de la nappe ABCDEF, G HT, .en pointillé.

1, 2, sources de vallées; 3, source d'affleurement.

flanc de coteau dans les régions où la couche imperméable affleure à la surface du sol (fîg. 150, 3) ; ce sont naturellement les plus constantes puisqu'elles ne peuvent tarir que si la nappe est complètement épuisée. Les secondes apparaissent là où la couche imperméable est voisine de la surface sans y affleurer (fîg. 150, 1 et 2); elles peuvent tarir si le niveau piézométrique s'abaisse notablement.

On peut constater dans le bassin parisien combien les sources d'affleurement sont plus favorables aux établissements humains que les sources de vallée. Les premières ont déterminé la position des villages des environs immédiats de Paris, tous situés à flanc de coteau; les secondes dominent dans le Soissonnais où les vallées sont tantôt marécageuses, tantôt sèches.

On doit réserver le nom de nappes artésiennes, souvent étendu abusivement [28] pour les nappes qui imprègnent une couche perméable comprise entre deux couches imperméables (fîg. 151). L'alimentation se fait dans la partie la plus élevée où la couche perméable affleure. Le niveau de la nappe et son écoulement sont réglés par les mêmes lois que dans les nappes phréatiques, tant que cet écoulement est libre. Mais dans les régions de couches inclinées il arrive fréquemment que le niveau de la nappe atteigne la couche

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imperméable supérieure. La nappe est dès lors captive, même si elle a pu trouver un écoulement par une source (fig. 151). Dans le cas où la couche perméable n'affleure pas en dehors de la région d'alimentation la nappe est tout à fait emprisonnée dans le sous-sol ; un puits foré au bon endroit fera alors monter l'eau sous pression qui jaillira à la surface. Les puits artésiens, suivant le nom qu'on leur donne depuis longtemps, sont des sorties de sources artificielles.

Fig. 151. — Nappes et sources artésiennes.

AB, CD, nappes libres; DEF, nappe captive; GHIJ, nappe artésienne sous pression

(le puits foré en I, fait jaillir l'eau jusqu'au niveau P correspondant à H).

Ce que le forage d'un puits détermine artificiellement peut être produit par une dislocation géologique qui brise la continuité des couches. Ainsi les failles permettent souvent aux eaux profondes d'arriver à la surface du sol. La plupart des sources chaudes et des sources minérales doivent leur existence à de semblables dislocations.

Circulation souterraine dans les terrains calcaires. — Les terrains calcaires sont dans une situation quelque peu anormale au point de vue de la circulation des eaux souterraines. La dissolution de la roche le long des cassures y amène la formation d'un réseau de cavités assez larges pour contenir de véritables lacs ou des torrents alimentés par l'infiltration des eaux de pluie, et même par l'absorption des eaux fluviales qui disparaissent brusquement de la surface du sol (pertes). La réapparition soudaine de ces rivières souterraines donne des sources connues depuis longtemps sous le nom de sources vauclusiennes , du nom de la Fontaine de Vaucluse prise comme type. L'eau y sort avec une telle abondance qu'elle forme un cours d'eau souvent navigable et capable d'actionner un moulin. Ces sources ou ces résurgences suivant le nom proposé par Martel et Fournier [7, 8] dominent dans tous les pays calcaires : Causses du Massif Central, Karst d'Illyrie, Alpes calcaires, et même dans certaines parties du bassin parisien où elles portent le nom de Douix (source de la Seine). Leur débit n'est pas toujours régulier.

Cette irrégularité s'explique le plus souvent, par l'existence de véritables siphons, comme le montre la figure 152 A. Le réseau des conduites souterraines représente à gauche un siphon normal; l'eau ne pourra s'écouler en

S que si les infiltrations remplissent la branche B'CDE jusqu'en E; alors le siphon est amorcé. Dès que le niveau s'abaisse au-dessous de B'E, le siphon est 'désamorcé, l'écoulement cesse. Dans le cas d'un siphon inverse (à droite), il faut que l'eau prenne le chemin AB'CDEF, remplissant la branche CDEF, pour que l'écoulement soit possible. Après de grandes pluies, le débit de la source S, brusquement enflée, peut être insuffisant pour évacuer

Fi°\ 152. — [AI. Schéma de sources vauclusiennes ou résurgences avec siphons. [B]. Exemple de la grotte de Boundalaou (Larzac), d'après Martel. S1, S2, sources constantes; S3, S4, sources ne fonctionnant qu'après les grandes pluies; S5, source tarie depuis longtemps, la galerie dont elle est l'issue présentant des traces d'établissements humains (m, mur, O. ossuaire); L, lac réservoir souterrain.

l'eau qui s'engouffre dans le sol, une fissure plus élevée peut alors livrer passage à une source temporaire S'. C'est ainsi qu'on voit dans les gorges du Tarn des jets d'eau tomber des parois rocheuses après les grosses pluies. Dans la gorge des Portes-de-Fer sur le bas Danube, c'est un spectacle étrange que de voir les jets d'eau colorés en rouge par la terra rossa s'élancer des parois blanches calcaires.

La grotte de Boundalaou, étudiée par Martel [7] (fig. 152 B), offre un curieux exemple de conduites souterraines anastomosées engendrant des résurgences, dont la plus élevée ne fonctionne plus depuis longtemps, puisqu'on y trouve des traces d'habitation, et dont deux fonctionnent seulement après les grandes pluies.

La circulation torrentielle souterraine dans les terrains calcaires n'exclut pas l'existence d'une sorte de nappe imprégnant les fissures

non encore élargies. Mais cette nappe ne peut avoir la régularité de celles des terrains où tous les vides sont à peu près de même dimension. Sa surface doit s'abaisser dans les régions où les vides sont plus importants, particulièrement là où existe un réseau de cavernes où l'écoulement est très rapide. C'est en partant de cette notion qu'on pourra résoudre les difficultés présentées par l'étude hydrologique des terrains calcaires et qu'on a chance d'éclaircir le débat entre les auteurs qui tiennent pour l'existence de vraies nappes dans les pays de Karst (Grund) et ceux qui n'y reconnaissent que la circulation torrentielle souterraine (Martel).

Il est bon de remarquer que la circulation souterraine ainsi envisagée n'est pas absolument spéciale aux calcaires. Des roches réputées imperméables comme les granités, les gneiss, et la plupart des roches éruptives et des schistes cristallins présentent des vides plus ou moins larges suivant les plans de schistosité et les cassures d'origine tectonique. L'eau y circule en exerçant des actions chimiques et peut donner lieu à des sources différentes des sources de nappes [Fuller, 29].

Éléments techniques de l'étude des fleuves. — Gomme l'étude des sources, celle des rivières est entrée dans le domaine scientifique. Pendant longtemps, on attribuait aux grands fleuves une origine mystérieuse. Le phénomène des crues du Nil avait puissamment frappé l'imagination des Anciens, et les théories les plus étranges avaient été inventées pour l'expliquer. L'idée que tout fleuve vient d'une haute montagne, ou d'un lac en communication avec l'Océan, a hanté les esprits les plus sérieux jusqu'aux temps modernes. Nous savons maintenant que toute l'eau des rivières vient des précipitations atmosphériques. Le problème du régime fluvial consiste donc essentiellement dans la détermination du rapport qui existe entre la quantité d'eau tombée à la surface du sol et celle qui s'écoule par le chenal du fleuve. On tend à trouver une formule mathématique exprimant ce rapport. Pour y arriver il faut d'abord préciser les éléments du problème.

Tout fleuve est généralement susceptible d'occuper dans sa vallée un lit mineur (CGD), où il se confine en général, et un lit majeur (BGE), qu'il envahit au moment des crues (fig. 153). La surface CGD est la section du fleuve dans son lit mineur. Le polygone CGD est le périmètre mouillé. On appelle étiage le niveau moyen le plus bas atteint par les eaux, et auquel correspond la section ou le périmètre mouillé est le plus réduit. Tous ces éléments déterminent la forme du lit fluvial et leurs variations locales se reflètent dans les conditions d'écoulement des eaux ainsi que dans celles de l'érosion. Il y a un rapport très net entre la profondeur moyenne du lit, la forme de la vallée, la vitesse des eaux et l'action qu'elles exercent sur

leur lit. A une vallée encaissée correspond en général un lit majeur très réduit, un lit mineur profond, une rivière rapide charriant des débris et attaquant son lit. A une vallée très large correspond un lit majeur très étendu, un lit mineur plus ou moins régulier, la rivière se divisant fréquemment en plusieurs bras et dépensant toute son énergie à déplacer les alluvions. Dans les cours d'eau à pente régulière, tels que sont la plupart des grands

fleuves, cette pente est Av y^ plus faible aux basses

eaux dans les parties encaissées de la vallée, plus forte au contraire aux hautes eaux.

Pour déterminer le profil du lit d'un fleuve, on opère un nivellement transversal de la partie exondée du lit, que l'on complète par des sondages dans la partie occupée par les eaux. Cette opération n'est pas partout possible. Il est rare qu'elle ait été effectuée avec précision pour les fleuves de pays non civilisés. Pour les rivières torrentielles, elle devient à peu près impossible; car le profil du lit esj constamment remanié, les bancs de sable ou de cailloux se déplaçant vers l'aval. Dans le cas des rivières de mon tagnes on peut tourner la difficulté en créant au cours d'eau une section artificielle constante au moyen d'un barrage; mais il est difficile de tenir un compte exact de la perturbation apportée à l'écoulement. Le profil du lit supposé parfaitement connu, le débit est égal à la section