Propriétés physico-chimiques des eaux douces

1. Propriété physiques :

L’eau est un liquide dense, mobile, perméable aux rayons lumineux et pratiquement incompressible. Du fait de son poids spécifique relativement élevé, elle exerce une forte pression sur les corps qui y sont plongés : à trente mètres de profondeur, dans un lac, la pression est déjà voisine de quatre atmosphères. La température agit sur la densité de l’eau. A l’inverse de la plupart des autres corps, dont la densité augmente au fur et à mesure qu’ils se refroidissent, l’eau possède son maximum de densité à 4° centigrades et c’est ce qui permet le maintien de la vie, l’hiver, dans les nombreuses collections d’eau. En effet, lorsque la surface de l’eau commence à se refroidir, les couches superficielles devenues plus denses descendent à travers la masse et tendent à établir sur le fond une couche plus ou moins épaisse qui se maintient à une température voisine de 4 degrés. Cette circonstance évite la prise en glace de toute la masse et établit une zone de refuge pour les animaux et pour certaines plantes aquatiques.

L’été, lorsque sous l’action des rayons solaires l’eau de surface des étangs atteint une température élevée et se trouve, de ce fait, excessivement appauvrie en oxygène dissous, les couches profondes se maintiennent à une température beaucoup plus basse, restent plus oxygénées et permettent aux êtres aquatiques qui s’y réfugient de ne pas succomber à l’asphyxie.

La mobilité de l’eau permet, sous l’action du vent, la formation des vagues, ce qui facilite la dissolution des gaz de l’air et en particulier de l’oxygène indispensable à la respiration des êtres aquatiques. La viscosité de l’eau varie avec la température : si elle est de 100 % à 0°C, elle n’est plus que de 44,6 % à 30°C. Sous l’action d’un vent de même puissance, les vagues se forment donc plus facilement l’été que l’hiver.

Certains auteurs ont prétendu que la forme et la surface des micro-organismes flottant passivement dans la masse de l’eau (phytoplancton) étaient en rapport et variaient avec, la viscosité de l’eau; ces observations ne semblent pas avoir reçu de confirmation définitive. L’eau étant transparente aux rayons lumineux permet leur passage à travers sa masse, mais non sans une notable absorption en relation avec la longueur d’onde propre à chaque radiation. Cependant, les phénomènes d’absorption observés dans les eaux naturelles sont différents de ceux constatés dans l’eau pure : les radiations rouges, qui sont arrêtées après un très court parcours dans l’eau pure, pénètrent au contraire plus profondément dans les eaux d’un lac ou d’un étang. Dans les stations naturelles, la pénétration des différentes radiations semble être influencée par la couleur des eaux, la nature, la quantité des sels dissous et l’abondance de la matière vivante ou inerte en suspension. La couleur de l’eau est le résultat de plusieurs facteurs dont certains sont variables au cours de la journée ou de l’année : état du ciel, nature du fond, profondeur de la collection d’eau, nature des sels dissous, quantité et qualité des éléments figurés en suspension (détritus minéraux ou organiques, algues, bactéries, protozoaires).

Le peuplement en algues ou en protozoaires, en raison de son intensité, détermine souvent, à lui seul, la couleur de l’eau d’un étang ou d’un lac. Les diatomées et péridiniens sont souvent responsables de la couleur brun-jaunâtre, Euglena sanguinea, Oscillatoria rubescens, de la couleur rouge, divers Microcystis, Anabaena ou Aphanizomenon de la couleur vert-bleu, vert-de-gris. La couleur d’une collection d’eau varie donc au cours des saisons, puisque la nature des peuplements évolue en fonction de la température et de la lumière.

On désigne sous le nom de turbidité le trouble communiqué à l’eau par la présence de matières solides, colloïdales ou vivantes. Ces matières sont apportées par les eaux de ruissellement; ce sont surtout des fragments d’origine minérale provenant de l’érosion, et d’origine organique fournis par la décomposition des cadavres d’animaux et de végétaux.

La matière vivante est composée d’une multitude d’êtres unicellulaires ou pluricellulaires microscopiques et submicroscopiques. La turbidité des eaux est donc fonction à la fois de leur origine, de leur agitation, de leur valeur biogénique et de l’époque de l’année à laquelle on les observe.

2. Propriétés chimiques :

Les eaux des collections naturelles ont toutes une origine météorique, c’est-à-dire qu’elles sont tombées du ciel sous forme de pluie, de grêle ou de neige. Une partie des eaux météoriques ruisselle à la surface de la terre, l’autre s’infiltre, donnant naissance aux nappes souterraines, puis aux sources. On pourrait croire que l’eau de pluie, de par son origine même, l’évaporation, est comparable à l’eau distillée. Il n’en est rien : ainsi que l’eau de fonte des neiges, elle contient déjà des sels minéraux et des gaz en dissolution qui lui confèrent une certaine valeur nutritive. Elle renferme notamment du calcium, des nitrates, des sulfates, des phosphates, des traces d’ammoniaque, de l’oxygène et du gaz carbonique dissous.

Tous ces éléments proviennent du lavage des couches atmosphériques qui contiennent en suspension de nombreuses poussières minérales ou organiques et même des êtres vivants à l’état de vie ralentie : algues microscopiques, bactéries, spores de champignons, kystes de protozoaires, etc... (aéroplancton).

Les eaux météoriques, soit qu’elles s’infiltrent, soit qu’elles ruissellent, dissolvent au contact de la terre des quantités variables, mais très souvent importantes, de sels minéraux et organiques. La solubilité des roches est plus grande qu’on ne l’imagine habituellement : ayant dernièrement placé pendant 24 heures dans de l’eau distillée un kilo de petits cailloux préalablement lavés à l’eau courante, nous avons analysé l’eau de macération. Cette analyse a donné les résultats suivants : calcium : 13 mg./litre ; phosphates : 0,5 mg./litre ; nitrates : 5,5 mg./litre ; matières organiques : 1,9 mg./litre ; extrait sec à 180 degrés : 69,5 mg./litre. La composition de cette eau de macération était très voisine de celle de nombreuses eaux naturelles, et nous avons pu vérifier qu’elle se prêtait très bien à la culture des algues. C’est pourquoi, dans la nature, il n’existe à peu près aucune collection d’eau qui ne permette l’établissement de la vie, soit animale, soit végétale. Les eaux naturelles impropres à la vie ne le sont pas par manque d’éléments nutritifs, mais, au contraire, par excès (lacs salés ou trop riches en potasse, par exemple ; eaux trop fortement calcaires, etc...).

Les matières organiques dissoutes dans l’eau proviennent souvent de l’attaque, de la décomposition par les bactéries et les champignons inférieurs, des cadavres animaux et végétaux. Mais elles peuvent également provenir du métabolisme des êtres vivants supérieurs : excrétions racinaires des plantes, déjections des animaux. Nous verrons ultérieurement que les matières organiques ont une influence considérable en hydrobiologie.

Toutes les eaux naturelles renferment des gaz dissous, surtout de l’oxygène et du gaz carbonique. Ces gaz proviennent à la fois de l’atmosphère et du métabolisme des êtres aquatiques (respiration, photosynthèse) .

A l’inverse de ce qui se passe pour les corps solides, la solubilité des gaz diminue lorsque la température s’élève. Le tableau suivant montre, par exemple, la décroissance de la solubilité de l’oxygène dans l’eau en liaison avec l’élévation de la température :

Cela explique pourquoi les poissons meurent par asphyxie beaucoup plus vite l’été que l’hiver dans une même quantité d’eau, et pourquoi il est très délicat de les transporter par temps chaud. Cependant, les chiffres donnés ci-dessus s’entendent pour l’oxygène dissous saturant une eau pure, dépourvue d’êtres vivants et surtout de plantes aquatiques. Il en va différemment lorsque l’eau renferme des plantes vertes en activité, surtout des algues. Sous l’action des rayons solaires, les plantes, à l’aide de leur chlorophylle, décomposent le gaz carbonique dissous dans l’eau, utilisent le carbone pour fabriquer leur substance et rejettent l’oxygène. Or, l’oxygène rejeté par les plantes semble subsister sous une forme plus condensée que l’oxygène atmosphérique, ce qui provoque dans l’eau une sursaturation pouvant atteindre trois et quatre fois la valeur normale.

Ainsi, une eau d’étang bien peuplée en algues peut renfermer à 25 degrés, 17 cm3 par litre d’oxygène libéré par ces plantes, alors qu’une eau de source de même température ne pourrait contenir au maximum que 6 cm3 d’oxygène de provenance atmosphérique. On conçoit tout l’intérêt de ce phénomène au point de vue piscicole : la truite, par exemple, très exigeante au point de vue respiratoire, pourra se maintenir dans une eau à température relativement élevée, si cette eau renferme assez de plantes vertes capables de l’oxygéner convenablement ; et c’est l’une des raisons des divergences de vues des différents observateurs au sujet de la température maximum compatible avec la présence des salmonidés dans une collection d’eau.

Comme l’oxygène, le gaz carbonique dissous a une origine à la fois atmosphérique et biologique : l’air renferme une proportion d’environ 3,5/10’000 de ce gaz. L’eau en contact avec l’air se charge donc de CO2, celui-ci étant assez soluble dans l’eau. D’autre part, les animaux et les plantes aquatiques respirent et rejettent du gaz carbonique, qui se dissout également dans l’eau. Tout le CO2 de l’eau n’est pas à l’état libre : une grande partie se trouve fixée à l’état de carbonates et de bicarbonates de chaux et de magnésie. C’est principalement à partir des bicarbonates que le gaz carbonique est utilisé par les plantes à chlorophylle en vue de leur nutrition. Lorsque les plantes décomposent les bicarbonates et que ceux-ci ne peuvent se reconstituer aux dépens du gaz carbonique libre de l’eau, il y a formation de carbonates, beaucoup moins solubles que les bicarbonates, qui peuvent précipiter sous forme de petits cristaux agglomérés dont l’accumulation produit des sortes de concrétions biologiques plus ou moins volumineuses, ou simplement se déposer en une croûte blanche sur les végétaux aquatiques. L’agitation de l’eau par les vagues a pour effet d’en chasser le gaz carbonique : en conséquence, la surface des collections d’eau est souvent pauvre en CO2.p

Outre l’oxygène et le gaz carbonique, les eaux peuvent encore contenir du méthane, de l’hydrogène sulfuré, de l’ammoniaque, de l’anhydride sulfureux, de l’hydrogène, de l’oxyde de carbone. Tous ces gaz proviennent de la décomposition des matières organiques par les bactéries aérobies et anaérobies présentes dans la vase. Certains sont très nocifs (hydrogène sulfuré, ammoniaque par exemple) et peuvent causer la mort des poissons.

La mesure du pH fournit un chiffre compris entre 1 et 14. Tous les chiffres au-dessous de 7 indiquent une solution acide et d’autant plus acide qu’on se rapproche de 1. Tous les chiffres au-dessus de 7 indiquent une solution alcaline et d’autant plus alcaline qu’on se rapproche de 14. Le chiffre 7 indique une solution neutre. Le pH des eaux naturelles peut varier de 3,5 (certaines tourbières à Sphagnum) à 11 ou 11,5. La moyenne oscille entre 6 et 8.

Le pH de certaines collections d’eau dites ”tamponnées” est fixe, quelle que soit l’époque de l’année ou l’heure de la journée à laquelle on le mesure. Cette fixité du pH s’observe notamment dans les étangs alimentés par les ruissellements de sols forestiers. Dans les étangs à eaux non tamponnées, le pH peut varier de plusieurs unités au cours de l’année ou même de la journée. Ce phénomène s’explique d’ailleurs facilement : l’agent d’acidification, dans les eaux naturelles, est surtout le gaz carbonique. Or, les plantes vertes et les algues, sous l’action de la lumière, consomment le gaz carbonique dissous dans l’eau. Il s’ensuit une montée considérable du pH qui, de légèrement acide le matin (6,8), peut devenir fortement alcalin le soir vers 18 heures (9,2-9,5).

Au point de vue hydrobiologique, la fixité ou la variabilité du pH d’une collection d’eau semble avoir une importance aussi grande que sa valeur absolue.

La concentration minérale et organique des eaux naturelles est également variable au cours de l’année : au moment des pluies, en automne et en hiver, des quantités considérables de sels nutritifs sont apportées par le ruissellement; dès le printemps, l’activité des plantes et des animaux commence à abaisser la teneur en nitrates et en phosphates, qui peuvent disparaître presque complètement au début du mois d’août. Les éleveurs avisés entretiennent une teneur correcte de sels minéraux dans les étangs de pisciculture en y épandant des engrais.