(Revue CoÉvolutuion. No 10. Automne 1982)
La meilleure manière de se conduire peut être
observée dans le comportement de l’eau.
Tao Te Ching
Dans la Chine ancienne, les taoïstes contemplaient l’eau, ouvraient leur cœur et leur esprit à ses enseignements et s’en faisaient une alliée pour comprendre le monde. Avec la transformation actuelle de notre pensée, influencée entre autre par l’approche systémique, les notions de fluide, de mouvant, d’adaptabilité, remplacent celles de solide, de permanent, de stabilité, et nous retrouvons les règles et les vertus du comportement de l’eau. Non seulement dans leur dimension écologique, mais aussi dans leur dimension humaine. Parce que le flux de l’eau n’obéit pas aux désirs humains, il force les hommes à joindre leurs efforts pour le contrôler, l’employer et le réemployer au bénéfice de tous. Parce qu’il ignore les divisions tracées sur les cartes d’état-major, il implique la coopération entre les groupes humains, car ce qui se passe en amont change la vie en aval et ce qui est désiré en aval altère l’activité en amont.
Le mot « sagesse » ne doit pas être pris ici dans un sens moralisateur. Il s’agirait plutôt de la sagesse de ces rishis hindous qui ont intégré en eux les règles de l’univers, qui les vivent et qui en portent témoignage. C’est à ce titre que l’eau peut éternellement nous donner des leçons.
Le cycle de l’eau
Le cycle de l’eau est connu depuis des temps très anciens. Dans l’épopée indienne du Ramayana, il est pris comme exemple pour illustrer les changements des sentiments humains. Le célèbre « on ne se baigne jamais deux fois dans le même fleuve » du grec Héraclite au VIe siècle avant J.-C. n’était pas seulement une image résumant toute une école de pensée philosophique, mais aussi une constatation d’un phénomène naturel perçu par la plupart des cultures humaines et traduit dans de très nombreux mythes. Pour les enfants des pays tempérés, le cycle de l’eau est un des phénomènes naturels les plus immédiats à appréhender et à comprendre, du moins dans ses grandes lignes. Au XVIIe siècle, la circulation de l’eau entre l’atmosphère et les océans servait de modèle pour expliquer la circulation du sang dans l’organisme qui venait d’être (re)découverte par Harvey en 1628 (Fig. 1). Elle possède une portée didactique remarquable et permet de présenter simplement, à l’aide d’exemples très connus, le vocabulaire de base et les outils principaux de l’approche systémique.
Le système de l’eau : l’hydrosphère
Toutes les molécules d’eau de la planète, ce que l’on appelle l’hydrosphère, forment un système qui répond tout à fait à la définition qu’en donne Joël de Rosnay : « un ensemble d’éléments en interactions dynamiques, agencés en fonction d’un but » (Le Macroscope, p. 91). L’introduction de la finalité — le but — dans cette définition peut surprendre. En fait, le but n’a rien de mystérieux et ne traduit aucun projet plaqué de l’extérieur, il se constate a posteriori.
L’hydrosphère en tant que système est bien plus que la somme de toutes ces molécules d’eau. D’une part, elle englobe de nombreux autres éléments de nature très diverse, comme on le verra par la suite et, d’autre part, c’est un tout non réductible à ses parties qui implique l’apparition de qualités émergentes que celles-ci, séparément, ne possèdent pas. Cette notion d’émergence conduit à une des notions essentielles de l’approche systémique, la notion de hiérarchie, qui n’est pas hiérarchie de domination de type maître/esclave, mais hiérarchie d’emboîtement, ou de complexité, de niveaux d’organisation.
L’examen de tout système nécessite qu’avant d’en étudier l’intérieur, on le situe tout de suite par rapport aux niveaux d’organisation les plus immédiats, c’est-à-dire le niveau immédiatement au-dessus (englobant) et le niveau immédiatement au-dessous (englobé). D’un côté, l’hydrosphère est l’une des quatre composantes majeures de la planète Terre avec l’atmosphère, la lithosphère (les roches) et la biosphère (les êtres vivants). D’un autre côté, elle regroupe de nombreux sous-systèmes dans lesquels les molécules d’eau sont organisées de façon bien précise, comme les océans, les bassins versants des fleuves, les amas de nuages dans l’atmosphère ou les nappes phréatiques. Ces différents sous-systèmes sont en étroite interaction les uns avec les autres, et ce sont ces liaisons très variées qui sont schématisées dans la description graphique du cycle de l’eau (Fig. 2).
Les interactions entre les éléments de l’hydrosphère — comme dans la plupart des systèmes complexes — sont non-linéaires, c’est-à-dire qu’il n’est pas possible de trouver des relations de proportionnalité entre des variables physiques ou dans la variation d’une variable physique au cours du temps. Ainsi, par exemple, l’air ne peut contenir qu’une proportion limitée de vapeur d’eau (on dit alors qu’il y a 100 % d’humidité, ce qui ne veut bien sûr pas dire qu’il y a 100 % d’eau !) et par conséquent la courbe donnant le pourcentage de vapeur d’eau contenue dans l’air au-dessus d’une zone d’évaporation ne pourra pas être une ligne droite, mais prendra une des formes suivantes. 
Les relations non-linéaires entraînent des comportements très particuliers difficilement prévisibles, caractérisés par l’émergence de propriétés nouvelles et une grande résistance aux changements.
Deux groupes de traits caractéristiques permettent de décrire de manière très générale les systèmes que l’on observe dans la nature. Ils correspondent aux deux notions complémentaires de structure et de fonction, c’est-à-dire à l’organisation dans l’espace et à l’organisation dans le temps.
La description structurale
Sous son aspect structurel, un système comprend quatre traits principaux :
— une frontière qui le sépare de son environnement et par laquelle se font les échanges avec celui-ci. C’est très net pour un lac, plus flou pour un océan, moins directement visible mais très bien délimité pour le bassin d’une rivière, plus complexe pour l’hydrosphère entière ;
— des éléments, plus ou moins homogènes, qui peuvent être identifiés, dénombrés et classés. Ce sont essentiellement les molécules d’eau, sous leurs trois phases solide, liquide et gazeuse. C’est d’ailleurs l’existence de l’eau sous ses trois formes dans la gamme de températures et de pressions de l’atmosphère qui fait la particularité de la Terre parmi les planètes du système solaire. Et c’est de la conservation de l’eau sous ses trois phases que provient son cycle ;
— des réservoirs dans lesquels les éléments peuvent être rassemblés et dans lesquels sont stockés l’énergie, la matière ou l’information. L’étude des différents types de réservoirs dans lesquels est stockée l’eau est une des branches principales de l’hydrologie, qui est loin d’être achevée, même si l’on connaît approximativement la répartition de l’eau sur Terre (cf. Tableau I) ;
— un réseau de transport et de communication qui véhicule de la matière, de l’énergie ou des informations entre les éléments. Dans l’hydrosphère, ce réseau emprunte des mécanismes physiques très différents dont les principaux sont regroupés dans le tableau ci-dessous (Tab. II).
L’eau circule constamment. Celle qui est contenue dans l’atmosphère et dans les cours d’eau est sans cesse renouvelée, ce qui fait son importance, malgré les masses relativement insignifiantes concernées. L’influence du faible montant d’eau atmosphérique, par exemple, est hors de proportion avec sa masse. C’est néanmoins le plus grand facteur qui agit sur le rayonnement de l’atmosphère, car il régule l’équilibre énergétique en modifiant l’absorption et la transmission du rayonnement solaire. En plus, le processus d’évaporation, de condensation et de sublimation assure l’équilibre hydrologique de la terre et de l’atmosphère.
Flux, vannes, délais, boucles
L’eau possède un rôle didactique marquant dans la description fonctionnelle d’un système, car la terminologie systémique a emprunté directement son vocabulaire à l’hydraulique. Sous son aspect fonctionnel, un système comprend essentiellement :
— des flux d’énergie, d’informations ou d’éléments circulant entre les réservoirs par le réseau de communication. Ces flux s’expriment en quantité par unité de temps, comme des débits, et ils font monter ou baisser le niveau des réservoirs.
Durant les dernières décennies, le flux de l’eau à la surface de la terre a fait l’objet de recherches intenses. On s’est aperçu que l’approche traditionnelle limitée au flux terrestre était insuffisante (ce qu’une réflexion systémique prévoit facilement). Il est cependant très difficile de mesurer directement l’évaporation naturelle. Pourtant le transfert d’eau de la surface à l’atmosphère détermine les caractéristiques des masses d’eau, l’énergétique de l’atmosphère et l’évolution du cycle hydrologique. La circulation de l’eau affecte de façon très inégale les différentes régions du globe. Les précipitations à un endroit donné ne dépendent pas seulement de l’évaporation en ce même lieu. Il est probable qu’une molécule parcourt en moyenne 1000 km en une dizaine de jours dans la branche atmosphérique du cycle. La pluie, d’un autre côté, ne tombe sur une région donnée que s’il y arrive tout d’abord un courant aérien chargé de vapeur d’eau, puis que s’y trouvent des processus ascendants. En comparant évaporation et précipitation dans le monde, on constate que les régions de convergence (où les précipitations dépassent largement l’évaporation) coïncident (sur les continents) avec les grands bassins fluviaux. Les régions de grande divergence se trouvent surtout dans les zones subtropicales (la « ceinture de déserts » : Sahara, Arabie, Sonora, etc.). Dans les océans, les courants marins remplacent en permanence l’eau, de sorte qu’il n’y a pas pénurie.
On peut se demander d’où vient l’eau qui s’évapore, surtout dans les régions arides. En fait, on a découvert de véritables mers souterraines en Iran, en Arabie et en Afrique du Nord ; d’énormes quantités d’eau sont stockées dans des roches poreuses d’où s’évaporent jusqu’à 200000 m3 par km2 et par an. Au Sahara, sept grands bassins couvrant 4,5 millions de km2 contiennent 15300 km3 d’eau. Le seul Grand Erg Oriental en Algérie couvre 375000 km2 et contient 1700 km3 d’eau, essentiellement d’origine fossile, accumulée avant la dernière période glaciaire, à l’époque où le Sahara jouissait d’un climat tropical avec une forte pluviosité. Les peuples anciens connaissaient déjà l’existence de ces vastes réservoirs. Par exemple, en Iran, le système des qanats (canaux souterrains) étendu ensuite par les Califes au Moyen Orient et en Afrique du Nord, transportait l’eau des nappes plus élevées aux régions basses par simple gravité et fournissait encore récemment 75% des besoins en eau de ce pays.
— des vannes qui contrôlent les débits des différents flux. Ce sont aussi bien les barrages naturels que la capacité de l’air à absorber la vapeur d’eau, la pente d’une rivière ou la vitesse de la fonte des glaces. C’est sur ces « vannes » que s’est essentiellement portée l’action humaine pour contrôler ou tenter de contrôler à son profit le cycle de l’eau.
— des délais résultant des vitesses différentes de circulation des flux, des durées de stockage dans les réservoirs ou des « frottements » entre les éléments du système. Ils jouent un rôle très important dans les phénomènes d’amplification ou d’inhibition et conduisent souvent à des comportements inattendus ou instables.
Dans le cas du cycle de l’eau, ces délais sont assez bien résumés par les temps de résidence de l’eau dans les différents types de réservoirs (Tab. III).
Remarquons que le temps le plus long (les glaces de l’Antarctique) est 2,5 millions de fois plus grand que le temps le plus court. C’est ce qui peut conduire à distinguer entre des ressources en eau renouvelables (cycles de 10 jours à quelques années) et des ressources non renouvelables. Mais en fait, dans le cas de l’eau, la seule différence tient à la vitesse de leur cycle de renouvellement.
— des boucles qui jouent un rôle déterminant dans le comportement d’un système en combinant les effets des réservoirs, des délais, des vannes et des flux. Le plus important dans le cas de l’eau est bien sûr le cycle de l’eau lui-même, qui peut être considéré comme le prototype, le modèle, des boucles de rétroaction négatives, sur lesquelles reposent la régulation et la stabilité. L’autre type de boucle — la rétroaction positive — correspond à l’effet « boule de neige », l’accroissement des divergences. Il est malheureusement très (trop ?) bien illustré par le mécanisme inexorable de l’accroissement de la désertification et de la sécheresse dans les régions subtropicales. Pourquoi n’y a-t-il pas de végétation dans les déserts ? Parce qu’il n’y pleut pas assez.
Pourquoi ne pleut-il pas dans les déserts ? Parce qu’il n’y a pas assez de végétation. On reconnaît de plus en plus, en effet, que la désertification modifie localement le climat qui devient de plus en plus sec et intensifie donc la désertification selon un processus d’amplification très net, même si ses mécanismes ne sont pas très clairs. Est-ce le manque d’humidité, normalement stockée par les plantes, qui empêche les nuages de se transformer en pluie ? Des recherches suédoises récentes semblent indiquer également que la raréfaction dans l’air des très fines particules végétales soulevées par le vent entraîne, elle aussi, une réduction des pluies, par l’absence de particules pouvant jouer le rôle d’un noyau autour duquel viennent se « cristalliser » les molécules d’eau de l’atmosphère, créant ainsi une goutte de pluie. Une hypothèse plus récente serait qu’un sol dénudé, de couleur claire, n’absorberait pas assez de rayonnement solaire pour faire pleuvoir[1].
Lorsque se produit ce genre de phénomène, on ne peut plus appliquer la vieille idée issue des sciences physiques « une cause-un effet ». Ce genre de raisonnement conduit à une impasse lorsqu’on parle de propriétés dépendantes d’un même système. Seuls les événements extérieurs au système (par exemple l’intensité du rayonnement solaire arrivant sur Terre) peuvent être la cause d’un effet à l’intérieur du système. Il ne s’agit pas de nier la causalité, mais d’en élargir le sens, de dépasser la simple (et simpliste) vision linéaire. La causalité demeure, mais elle se déplace au niveau supérieur, au-dessus de la simple observation des faits.
Le flux de l’énergie
Tout ce qui existe sur Terre est une manifestation du flux et de l’organisation de l’énergie. Le système fermé de la thermodynamique classique — qui n’échange ni énergie ni matière ni information avec son environnement — totalement coupé du monde extérieur, est une abstraction des physiciens. Tout système sur terre est au contraire un système ouvert en relation permanente avec son environnement qui le modifie en permanence et qu’il modifie en retour.
Dans le modèle fourni par la thermodynamique, aucun moteur ne peut fonctionner sans apport d’énergie, aucun cycle ne peut être entretenu sans qu’il lui soit fourni de l’énergie. Le moteur du cycle de l’eau, comme de la plupart des grands cycles qui se déroulent sur notre planète, est bien entendu le soleil. Les radiations solaires fournissent 99 % du bilan énergétique de notre planète, le reste se partageant entre l’énergie interne du globe (le flux de chaleur dans le noyau) et la gravitation (les marées et l’énergie de rotation).
La conséquence la plus fondamentale de cette considération presque élémentaire est que tout changement dans le flux de l’énergie qui passe à travers un système se reflétera inéluctablement par un changement dans la forme du système qui est modelé et entretenu par ce flux. Il semble pourtant que l’humanité soit parfois réticente à comprendre toutes les implications de cette règle essentielle pour vivre sur la planète.
La portée de cette leçon est extrêmement générale, mais ici encore l’eau fournit des exemples d’application particulièrement frappants. Cependant, pour cela, il vaut mieux quitter l’hydrosphère et s’intéresser à des sous-systèmes de celle-ci situés à un niveau de complexité au-dessous : les bassins versants des fleuves. C’est l’unité de traitement appropriée pour étudier l’eau dans une région donnée. Un tel système a l’avantage d’avoir des frontières faciles à définir, puisqu’il est assez aisé de déterminer la ligne de partage des eaux entre deux rivières ou deux mers. On s’aperçoit aussi que si l’eau est l’élément qui sert à définir un tel système, elle est loin d’en être l’élément le plus important numériquement. L’eau courante ne représente en effet qu’environ 1 % de la surface d’un bassin qui comprend essentiellement les versants des vallées des cours d’eau, les lits des rivières, les plaines inondables, les sommets des montagnes, ainsi que tous les êtres vivants, animaux et végétaux qui y vivent. Chaque bassin est ainsi un organisme original qui ne ressemble à aucun autre. Ce sont les flux d’énergie et de matière (l’eau et le sol) qui en déterminent la forme, l’équilibre, la stabilité et la productivité biologique. L’étude d’un bassin, c’est l’étude de l’utilisation de l’énergie par les éléments vivants du paysage (qui peuvent stocker et transformer l’énergie et l’utiliser à un autre moment que celui où ils la reçoivent) et les déplacements de l’énergie et de la matière dans ses parties non-vivantes.
Energie potentielle et travail
Il n’y a pas de production de travail sans concentration préalable d’énergie, présence en un endroit donné d’un réservoir d’énergie potentielle (par exemple un barrage hydroélectrique ou… le soleil !). Cette énergie doit ensuite couler de ce réservoir vers un puits où elle se désordonne et se disperse. Plus la chute de potentiel est élevée, plus la quantité de travail produite est grande. Les débits des flux qui s’écoulent d’un réservoir sont déterminés par l’importance des quantités stockées. Pour libérer cette énergie, par contre, il faut une très faible quantité d’énergie, l’énergie de commande ou information. L’énergie de puissance, c’est la pression de l’eau véhiculée par une canalisation ; l’énergie de commande, c’est l’action d’ouvrir le robinet. Cette distinction est très importante et on en verra des applications quand on examinera les diverses possibilités d’interventions humaines sur les composantes naturelles et culturelles d’un système.
Dans un bassin hydrologique, l’énergie est véhiculée naturellement par l’eau qui modèle les formes du paysage et détermine les activités des êtres vivants. Le flux de l’énergie correspond à la transformation de l’énergie potentielle en énergie cinétique qui se produit lorsque l’eau coule des sommets vers la mer à travers le bassin en accomplissant un travail d’érosion et de transport de sédiments. Plus de 90 % de cette énergie est dissipée sous forme de chaleur dans les frottements, mais ce qui en reste peut accomplir un travail d’une ampleur géologique.
L’équilibre d’un bassin
Les versants d’un bassin fournissent assez de sédiments et d’eau courante pour que la rivière puisse les transporter et les entraîner hors du bassin tout au long de son cours. Il faut bien se rappeler que tous les éléments constitutifs du bassin sont intégrés les uns aux autres. La forme des versants détermine comment est dépensée l’énergie de l’eau qui s’y écoule. Tous les éléments vivants du bassin interagissent avec le flux de l’énergie et le modifient. Par conséquent, la forme d’un bassin est aussi fonction de ce qui y vit. Il semble que ce fait fondamental et très simple ait échappé à la pensée cloisonnée et fragmentée d’une partie de l’humanité, qui a l’air de croire qu’elle peut modifier les parties non vivantes d’un bassin selon ses désirs sans changer tout l’ensemble. Si on déboise et qu’on supprime une forêt qui stockait et convertissait auparavant une partie de l’énergie solaire qui arrivait en cet endroit, et qui interceptait et transpirait une partie des pluies qui y tombaient, le flux de l’énergie sur l’ensemble du bassin est modifié et la forme et la pente des versants doivent changer pour s’ajuster le plus vite possible à ce changement. Le profil des pentes, par exemple, est le résultat d’un équilibre délicat entre l’écoulement, l’infiltration et l’érosion, tous facteurs modifiés par le degré de développement du sol puisque celui-ci détermine la végétation qui y pousse. Le développement du sol est à son tour déterminé par l’âge et la stabilité de la surface, qui sont fonction de l’écoulement, de l’infiltration et de l’érosion antérieures, elles-mêmes fonctions de l’évolution de climat et des êtres vivants. Toutes ces boucles de causalité sont liées les unes aux autres, les petites étant intégrées dans les plus grandes pour contribuer à l’équilibre.
Cependant le bouleversement de l’équilibre ne peut être compensé que jusqu’à un certain point, au-delà duquel le déséquilibre s’installe. Le processus du déboisement des vallées est un bel exemple d’une boucle de rétroaction positive, dans laquelle le plus entraîne le plus, avec des effets à des distances géographiques parfois considérables, qui rendent encore plus improbable le retour à l’équilibre sans catastrophe majeure.
| Le couplage des cycles
Tout système doit toujours être étudié en gardant à l’esprit le niveau d’organisation immédiatement au-dessus dont il fait partie. Il est donc nécessaire d’examiner les interactions avec les autres systèmes dont est composé ce niveau. Ainsi, le cycle de l’eau doit être mis en relation avec les autres grands cycles de la matière sur la planète, ce qui permettra de voir quels sont les points de contact entre eux, et quels sont les mécanismes qui les relient. C’est ce qu’on appelle les couplages entre les cycles. Par exemple en superposant le cycle du phosphore présenté ci-contre au cycle de l’eau plus haut on voit apparaître non seulement le rôle majeur des eaux continentales et des courants océaniques verticaux dans le transport naturel du phosphore, mais aussi les mécanismes des interventions humaines qui interviennent sur le cycle du phosphore, soit directement par la pêche et l’usage des engrais phosphatés, soit indirectement en agissant sur le cycle de l’eau. Beaucoup d’actions humaines en effet accroissent les transferts de phosphore des continents vers les océans, notamment en accroissant l’érosion des sols dans les bassins versants.
« Le phosphore a une importance biologique considérable puisqu’il présente un constituant essentiel des acides aminés. Mais il est assez rare dans l’écorce terrestre, le phosphore non-organique est mis en circulation par lessivage et dissolution dans les eaux continentales, introduit dans les écosystèmes par ruissellement ou infiltration. Le déversement perpétuel des eaux continentales dans les mers au niveau des estuaires fertilise sans cesse ces derniers (ce qui explique la productivité élevée des deltas et des estuaires). Le phosphore est incorporé à la biomasse par les plantes vertes et les phytoplanctons). Il existe aussi un flux du phosphore lié à la mort des organismes et à l’excrétion qui va de la biomasse vers l’eau ou les sols. A l’opposé, les apports dans le sens océan-continent sont d’importance dérisoire (oiseaux marins, poissons). F. Ramade, Eléments d’écologie appliquée, 1978
|
Les lois de l’utilisation de l’énergie
Le cours des rivières et le profil des versants prennent des formes qui s’ajustent très délicatement pour optimiser deux tendances différentes opposées et complémentaires, qui s’expriment sous forme de lois physiques ou plutôt de principes valables pour tous les systèmes physiques :
1) le principe de variance minimum (principe de Le Châtelier en thermodynamique, énoncé à la fin du siècle dernier) : le bassin tend à assumer une forme telle que la dépense d’énergie y soit la plus constante possible, c’est-à-dire varie le moins, dans l’espace et dans le temps. Plus généralement, « un système répond de manière à minimiser les effets des changements, de sorte que sa consommation d’énergie varie le moins possible dans l’espace et dans le temps ». Une perturbation va déclencher une série d’actions qui vont agir en sens inverse pour tenter de rétablir l’équilibre précédent.
Le rôle de l’urbanisation dans l’augmentation de la fréquence des inondations en est une illustration particulièrement dramatique. Les constructions diminuent la perméabilité des sols et augmentent donc l’écoulement direct des pluies, lui-même renforcé par les aménagements urbains, caniveaux, égouts, etc. Par conséquent l’eau circule plus vite et en plus grande quantité. De ce fait, lors d’une forte pluie, la hauteur correspondant à l’inondation des berges risquera d’être atteinte plus fréquemment, la rivière compensant l’accroissement du volume d’eau à transporter par une augmentation de la largeur. Par conséquent, les inondations seront plus fréquentes et auront plus d’ampleur. Alors qu’auparavant, c’était peut-être une fois tous les 100 ans qu’une pluie exceptionnelle provoquait une inondation grave, celle-ci pourra être provoquée par des précipitations moindres qui ont lieu tous les 20 ans. Et une catastrophe qui survenait tous les 1000 ans surviendra peut-être tous les 100 ans. Le principe de Le Châtelier semble exiger l’élimination de ces agents humains qui sont responsables de la perturbation du système.
2) le principe de moindre action (ou principe de Maupertuis en mécanique, énoncé par le savant français au milieu du XVIIIe siècle) : « tout système ouvert réagit de manière à minimiser l’action accomplie par les forces en jeu tout au long de sa trajectoire », autrement dit, il cherche à maximiser l’efficacité de l’énergie dans le temps et dans l’espace. Ainsi, le profil des pentes et des lits des rivières, le dépôt et le transport des sédiments sont tels que l’eau accomplisse le travail minimum en chaque point de la rivière et de ses versants. C’est pour cette raison que les rivières ne descendent pas tout droit de leur source à leur embouchure. Le travail à accomplir tout au long de son cours serait alors, loin d’être minimum : il y a beaucoup plus d’eau en aval (plus d’affluents et plus de pluie recueillie). Ce qui doit être compensé par une pente plus faible pour équilibrer la charge de travail (n’oublions pas que 100 m3 descendant de 1 m par km font autant de travail que 10 m3 descendant de 10 m par km). C’est ce qui permet d’interpréter le profil concave de la plupart des rivières. Les mêmes considérations s’appliquent à leur profil horizontal. Un canal ou un fossé d’irrigation rectilignes permettent de transporter l’eau et les sédiments avec une efficacité maximale seulement pour un rapport donné (ou un petit nombre) entre leurs volumes ou leurs masses. Si cette proportion change le canal s’envase, car l’eau n’a aucun moyen de retrouver une efficacité minimum. Dans un cours d’eau naturel, au contraire, les sédiments seront temporairement stockés et ces dépôts seront contournés par des méandres.
L’équilibre dynamique d’un bassin se manifeste par l’ajustement des nécessités imposées par ces deux principes, c’est-à-dire, d’une part, la tendance à accomplir le travail minimum à un endroit donné, et d’autre part, la tendance à dépenser l’énergie à un taux constant. De ce fait, le profil des rivières et des versants n’est jamais droit (ce qui minimiserait la variation de la pente), ni jamais concave comme une exponentielle (comme on l’a vu ci-dessus), mais représente une combinaison des deux, pour optimiser l’équilibre entre ces deux tendances. La nature ne favorise pas un principe au détriment de l’autre, lorsqu’ils entraînent des réactions opposées, c’est toujours une voie médiane qui se fait jour.
Entropie et paysage
Sur une surface plane, la plus courte distance entre deux points est la ligne droite. Ce n’est plus vrai pour un point (une goutte d’eau) en mouvement dans l’espace et soumise à l’attraction terrestre. Alors qu’à n’importe quel moment elle pourrait théoriquement aller dans n’importe quelle direction, la gravitation limite les possibilités de déplacement. Au sommet d’une montagne, la goutte d’eau a l’énergie potentielle la plus élevée et un grand nombre de possibilités de mouvement. Elle peut partir dans n’importe quelle direction et accomplir toutes sortes d’actions avant de rejoindre la mer. Son entropie est faible. Au moment où la gouttelette arrive dans l’océan, elle a épuisé tout son potentiel : sans apport extérieur d’énergie, elle ne peut que flotter sur place. Il faut que le soleil (par les courants marins ou l’évaporation) ou la lune (par les marées) lui apportent une énergie supplémentaire pour qu’elle se déplace, et elle n’a aucune possibilité de travail. Son entropie a augmenté, alors que son énergie potentielle est maintenant nulle. Mais il ne faut pas s’imaginer qu’entropie et énergie potentielle varient toujours de cette manière complémentaire. Dans un lac à mi- trajet de la rivière les possibilités de mouvement sont limitées, donc l’entropie augmente, mais l’énergie potentielle reste la même, puisque l’altitude ne change pas. Au contraire, dans une cascade ou une chute l’énergie potentielle diminue très rapidement alors que les possibilités de mouvements ne changent pas, donc que l’entropie reste la même.
Les rivières « essaient » de rendre aussi égale que possible la transition entre une situation où les possibilités sont maximum (entropie faible) et celles où les possibilités sont minimum (entropie élevée). Ainsi elle essaie d’augmenter son entropie de manière égale le long de tout son parcours, par exemple par des méandres lorsque la pente de son cours est très faible.
Productivité et stabilité
Une autre conséquence des deux principes d’utilisation de l’énergie est que toute manipulation physique des composantes non-biologiques d’un bassin en modifiera la forme et le flux de l’énergie, affectant à la fois les éléments non-vivants et les éléments vivants du système. Un changement dans la forme du bassin entraîne nécessairement une diminution de la productivité et/ou de la stabilité du système en un point donné. En effet, l’utilisation efficace de l’énergie dans un système naturel est le résultat de nombreuses opérations de conversion et de stockage de l’énergie effectuées par les êtres vivants du système. Mais l’écosystème ne se réduit pas à ses composantes biologiques (de même que l’hydrosphère ou le bassin ne se réduisent pas à leurs seules composantes minérales). Son rendement et sa maturité dépendent largement de l’état du sol.
La stabilité, c’est la résistance au changement, la capacité de supporter une perturbation sans perdre son rendement thermodynamique potentiel. Vu sous l’angle des temps géologiques, c’est un concept très simple. Un système stable peut supporter un incendie ou une invasion d’insectes sans perdre beaucoup de son « capital nutritif » (biomasse et sol).
L’optimisation des systèmes biologiques conduit à maximiser simultanément la stabilité et la productivité locales. Mais ceci veut dire qu’il n’est pas possible d’obtenir une plus grande combinaison des deux. On peut augmenter l’une ou l’autre, mais pas les deux. Quand une pente commence à s’éroder sous l’action des écoulements et des infiltrations, son sol se dégrade, et de ce fait, sa capacité à abriter des formes vivantes nombreuses et stables utilisant au mieux le flux de l’énergie qui y transite diminue. On peut en tirer une règle générale de comportement des écosystèmes et des bassins : toute perturbation de l’équilibre diminuera le rendement de l’accumulation de l’énergie et diminuera à long terme la productivité du système. Ainsi, les manipulations d’un bassin n’entraîneront pas de changement physique dans le profil d’équilibre des pentes, n’augmenteront pas le taux d’érosion des sols, ne rompront pas le cycle nutriments/matière, dans la mesure où l’utilisation efficace de l’énergie solaire par la communauté vivante qu’il abrite se dégradera.
L’impact de l’homme sur le cycle hydrologique
Ce n’est que lorsque le puits est à sec que l’on découvre la valeur de l’eau
Proverbe écossais
Les tentatives de manipuler le cycle de l’eau à son profit sont parmi les plus anciennes activités techniques de l’humanité. Car il est très rare que l’eau se trouve en quantité et en qualité suffisantes où et quand les hommes en ont besoin, même dans une civilisation dont les exigences matérielles sont très faibles. La multitude des réalisations effectuées par les hommes depuis le puits d’Abraham, le barrage du pharaon Ménès ou le canal de l’empereur Yu, pour améliorer à leur profit une partie du cycle de l’eau se résument en fait à trois opérations fondamentales qui modifient la structure du système hydrologique local ou global : extraire, stocker, dériver. Ces trois thèmes peuvent s’enchaîner, se mêler ou faire l’objet de développement séparé, mais ils représentent toujours un aspect de la même démarche qui altère le cycle de l’eau pour la transformer en ressource.
Extraire l’eau, c’est abréger son séjour dans le cycle en la prélevant au stade souterrain (des chadoufs, norias et autres qanats antiques aux puits modernes de plusieurs centaines de mètres de profondeur) atmosphérique (la pluie artificielle) ou marin (le dessalement de l’eau de mer). Stocker, c’est construire ou agrandir des réservoirs, barrages, retenues, et c’est sans doute à cette fin que les hommes ont accompli les plus grands travaux et fait preuve de la plus grande créativité en matière d’aménagement hydraulique. Près de 2000 km3 d’eau sont ainsi stockés dans le monde. Remarquons qu’il semble difficile d’augmenter substantiellement ce volume (le coût en 1977 était d’environ 100 millions de dollars par km3 et par an) et que de plus le temps de résidence de l’eau n’y dépasse guère un an ce qui est insuffisant pour se prémunir contre des événements extérieurs (sécheresse) plus longs. Enfin l’opération de dérivation n’est sans doute pas mieux symbolisée que par le canal ou l’aqueduc romain avec sa pente d’eau constante circulant tantôt à ciel ouvert, tantôt sous terre, franchissant les vallées par des ouvrages d’art grandioses, dont les modernes ne sont que les cousins et non les descendants. Rappelons-nous qu’au 1er siècle de notre ère le réseau romain acheminait quotidiennement 500000 m3 vers la ville, soit 500 litres par habitant et par jour, bien plus qu’à Paris ou Londres aujourd’hui (1982) !
Cette description purement structurale des actions humaines sur le cycle de l’eau est insuffisante dans une approche systémique des besoins et des usages de l’eau. Comme dans le cas de toutes les ressources naturelles soumises à un cycle, ou encore dans le cas de l’énergie, il faut examiner les modifications fonctionnelles que l’homme fait subir au système, c’est-à-dire essentiellement comment il modifie les flux en quantité (cf fig. 6 pour les Et
ats-Unis) et en qualité. Il est important de ne pas oublier ce dernier point et ne pas se contenter d’examiner seulement la répartition des besoins humains dans les trois grands secteurs de l’industrie, de l’irrigation et de la consommation urbaine.
En effet on peut distinguer (en dehors de quelques industries chimiques qui ont pour effet de décomposer la molécule d’eau en hydrogène et en oxygène et donc de la retirer complétement du cycle), deux types d’usages de l’eau dont les conséquences sont fort différentes sur le bilan global de l’eau :
— les usages dispersifs qui se traduisent par une perte nette pour le débit d’écoulement du bassin versant d’où l’eau est extraite. Ce sont principalement l’irrigation et le refroidissement des installations industrielles.
— les usages intermédiaires dans lesquels, la plupart des cas, l’eau ne sert que de vecteur. Elle est restituée après emploi, mais plus ou moins polluée, à l’aval du bassin. Il n’y a pas vraiment consommation d’eau, mais dégradation de sa qualité.
Par conséquent les évaluations purement quantitatives des besoins et des usages de l’eau ne servent pas à grand-chose. Il ne suffit pas de constater, même si c’est nécessaire, qu’au rythme actuel (1982) de consommation et de croissance de la population, la demande en eau augmentera de 100 km3 par an. Chaque type de consommation a ses exigences qualitatives propres. Il est nécessaire de les recenser en tenant compte de leur localisation dans le temps et dans l’espace et de la qualité de l’eau qui leur est associée. Par exemple, l’eau comme vecteur ne peut travailler que si elle est pure ou quasi-pure. L’eau est utilisée principalement en phase liquide sur la terre et non sur mer (où tombent la majeure partie des pluies).
On peut en déduire trois principes simples pour contrôler le cycle de l’eau :
— minimiser l’évaporation des continents, des eaux douces de surface et des nappes souterraines
— accélérer l’évaporation des surfaces océaniques
— ne réintroduire l’eau dans le cycle que lorsqu’elle a accompli le maximum de travail utile.
Certaines propositions qui pourraient sembler utopiques ou aberrantes apparaissent beaucoup plus sensées quand on les replace dans le cycle hydrologique complet. Ainsi Robert P. Ambroggi suggérait d’utiliser les réservoirs souterrains pour contrôler à long terme le cycle de l’eau. En effet selon lui, « la nature fait déjà fonctionner un système de stockage à long terme avec un temps de résidence de 10 à 15 ans, qui représente la meilleure sécurité contre la sécheresse, ou les années de faible pluviosité ». Il suggérait ainsi de pomper les nappes souterraines plus qu’il n’est d’usage (ce qui correspond à ce qui se reconstitue naturellement en un an) et d’utiliser la nappe ainsi partiellement vidée comme réservoir rechargé artificiellement jusqu’à ce que la nappe ait de nouveau atteint son niveau normal, ce qui pourrait prendre plusieurs décennies et donc constituer un moyen de stockage sur une telle période.
Les leçons de l’eau
Tous les fleuves vont vers la mer, et la mer ne se remplit pas ;
et les fleuves continuent à marcher vers leur terme
L’Ecclésiaste 1,7
L’approche systémique n’a d’intérêt que si elle permet d’améliorer l’efficacité de nos actions. Dans le Macroscope, Joël de Rosnay a dégagé ce qu’il a appelé les « dix commandements » de l’approche systémique. De nombreuses personnes en ont une connaissance intuitive, mais depuis des centaines de millions d’années l’eau les met en pratique. Toute l’attitude d’un bassin semble être de chercher à retarder l’eau pour l’empêcher de s’en aller. Il la stocke, il crée des mares et des étangs pour lui donner le temps de s’infiltrer dans le sol où elle circule plus lentement et de ce fait n’arrivera à la rivière que l’été, lorsque les pluies sont finies. La rivière s’attarde pour nourrir les arbres dont les racines retiennent le sol de ses versants. Elle ralentit son cours pour que ses pentes ne s’érodent pas trop vite, ou bien élargit son chenal en serpentant.
| Les dix commandements de l’approche systémique
1 Conserver la variété. 2 Ne pas « ouvrir » des boucles de régulation. 3 Rechercher les points d’amplification. 4 Rétablir les équilibres par la décentralisation. 5 Savoir maintenir des contraintes. 6 Différencier pour mieux intégrer. 7 Pour évoluer : se laisser agresser. 8 Préférer les objectifs à la programmation détaillée. 9 Savoir utiliser l’énergie de commande. 10 Respecter les temps de réponse. Joël de Rosnay
|
Quand tu bois de l’eau, pense à sa source
Proverbe chinois
Retrouver cette conscience et cette sagesse de l’eau, ce n’est pas seulement se munir des outils indispensables pour satisfaire les besoins en eau de l’humanité et de la biosphère toute entière, mais c’est aussi une invitation à redécouvrir le lieu où nous habitons, à mi-chemin entre notre esprit et la planète. Posons-nous ces trois questions simples et anodines
— d’où vient l’eau qui coule quand j’ouvre le robinet ?
— où va l’eau quand je tire la chasse ?
— d’où vient l’eau qui coule devant ma fenêtre quand il pleut ?
Et nous voici plongés dans le cycle complet de l’eau. L’eau nous invite à « penser globalement et agir localement », pour reprendre la devise de René Dubos.
Apprenons à penser et à sentir comme l’eau.
Références
— The control of the water cycle, José P. Teixoto & M. Ali Kettani, Scientific American
— Underground reservoirs to control the water cycle, Robert P. Ambroggi, Scientific American, mai 1977
— Watershed form and process, the elegant balance, CoEvolution Quarterly hiver 1976/77 (épuisé)
— Streaming wisdom, Peter Warshall, Next Whole Earth Catalog
— Systèmes d’utilisation de l’eau dans le monde, François Durand-Dastès, Sedes, Paris, 1977
— De l’eau et des hommes, Jacques Béthemont, Bordas, 1977
— Eléments d’écologie appliquée, F. Ramade, MacGraw-Hill, 1977
— Ecologie des ressources naturelles, F. Ramade, Masson, 1981
— Le Macroscope, Jo :el de Rosnay, Seuil, 1975
La molécule miraculeuse
L’eau est à l’origine de tout, l’eau nourrit tout.
Goethe
Ce qui rendit possible l’existence de toute vie, ce fut l’eau. La combinaison de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène crée une molécule pour ainsi dire miraculeuse. Les atomes d’hydrogène se joignent de manière asymétrique à l’atome d’oxygène, en créant une charge positive à un pôle, et une charge négative à l’autre. Cet événement chimique remarquable tisse l’étoffe de la vie.
La molécule qui résulte de cette union attire, tel un aimant, d’autres molécules d’eau. L’agrégat qui en résulte se comporte comme une substance qui coule aisément aux températures normales sur la Terre. Peu d’autres substances, à la surface de la planète, se présentent naturellement à l’état liquide. Les fluides vitaux — la sève, le lait, le sang — sont tous à base d’eau.
Sans l’eau, les éléments indispensables à la vie ne s’uniraient jamais. Leur mélange, à la lumière du Soleil, ne produirait pas les composés complexes de carbone et d’azote nécessaires à la formation des cellules. Ces dernières ne pourraient pas constituer les ensembles humides que nous nommons tissus. L’agrégation de ces ensembles ne permettrait aucun processus d’échanges, aucun système d’alimentation et de respiration. L’œil ne verrait pas, le cerveau serait incapable de faire des calculs, le muscle ne fonctionnerait pas.
Dans l’ensemble, les caractéristiques « fécondantes » de la molécule d’eau sont dues à des propriétés très bizarres qui, le plus souvent, constituent des exceptions aux lois de la chimie.
• Presque toutes les autres substances deviennent moins volumineuses et plus denses lorsqu’elles se solidifient. L’eau s’« enfle » et s’allège, de sorte que la glace flotte. Cela devrait être une source d’étonnement. Si l’eau se comportait comme d’autres substances, sa forme solide, la glace, tomberait au fond des mers et des lacs. Progressivement, hiver après hiver, de plus en plus d’eau se solidifierait en glace, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus d’eau liquide sur toute la planète. Il n’y aurait pas non plus de vie sur la Terre.
• Aucune autre substance connue, à la surface du globe, n’existe à l’état naturel sous forme solide, liquide et gazeuse. En changeant d’état, l’eau rend possible le grand cycle nécessaire à la vie.
• Aucune matière ne peut dissoudre autant de substances que l’eau. La molécule de l’eau, avec ses charges positive et négative, agit comme un aimant. Elle dissocie les liens chimiques, et joue le rôle de solvant quasi universel.
• Alors que l’eau peut dissocier quantité d’autres substances, elle-même est presque indestructible. Elle ne brûle pas, ne se corrode pas, ne se rouille pas. D’un point de vue chimique, on dit que sa molécule est stable.
• Par un mouvement qui lui est propre, l’eau grimpe dans les tubes capillaires, notamment ceux de la terre et des plantes. Sans cette caractéristique, elle ne circulerait pas d’un bout d’une racine jusqu’à la plus haute feuille d’un arbre. Il n’y aurait pas d’échanges internes de substances nutritives et de déchets au sein des organismes complexes, et donc pas d’organismes complexes du tout.
• L’eau a une capacité calorifique extrêmement élevée. C’est ce qui permet aux mers, aux fleuves, aux lacs et aux nuages de se comporter comme des réservoirs d’énergie. Par exemple, la libération de la chaleur accumulée dans l’océan a un effet modérateur sur les climats, en rendant des régions côtières plus accueillantes que les zones continentales.
• Le sang animal, mises à part les cellules, les hormones et les protéines, a la même composition générale que l’eau de mer. Ceci fut établi par le célèbre physiologiste français Claude Bernard, lorsqu’il travailla sur sa grande hypothèse du milieu intérieur. En réalité, nous sommes des poissons qui flottons dans notre propre mer.
(Extrait de l’Almanach Cousteau de l’Environnement, Laffont, 1981)
[1] Cf. J. Otterman, « Baring high-albedo soils by overgrazing : a hypothesized desertification mechanism, Science 186 et Patter, G.L. Possible climatic effect of tropical deforestation, Nature 258, 697-8.