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L'exploitation des ressources en eau existe depuis les temps préhistoriques: de grands travaux d'irrigation, de protection contre les crûes ont été entrepris chez les civilisations de Mésopotamie, d'Egypte, de l'Indus... sans qu'ait été établie la relation du ruissellement avec précipitation et évaporation. "Tous les fleuves vont à la mer, et pourtant la mer n'est pas remplie" (Ecclesiaste). Les Grecs également s'interrogeaient sur le fait que le niveau de la mer restait constant bien que les fleuves apportent de l'eau continuellement; ils l'expliquèrent par une sorte de remontée capillaire de l'eau de mer vers les sources avec perte du sel. Pour établir le cycle hydrologique, il a fallu connaître les formes d'existence de l'eau dans la nature: océans, rivières, lacs mais également glaciers, sols, air, eaux souterraines. Il a fallu également quantifier les volumes et les flux d'eau. Les premiers bilans hydrologiques ont été évoqués, d'abord de façon inexacte, à la Renaissance: des personnages comme Léonard de Vinci et Bernard Palissy ont réalisé de nombreuses observations et mesures, mais il faut attendre le 17ème siècle pour arriver à une formulation exacte.

Les sols sont des réservoirs d'eau; l'eau est contenue dans certains minéraux, en particulier les minéraux argileux, et dans la matière organique; celle-ci forme notamment des complexes organo-minéraux mal cristallisés qui retiennent l'eau. L'eau des argiles peut être simplement adsorbée à la surface des cristaux; cette eau est mobile et en grande partie disponible pour les plantes (réserve utile). Il y a en plus de l'eau entrant dans la constitution même des minéraux qui ne peut être extraite que par élévation de température au dessus de 100 °C et qui n'est donc pas disponible pour les êtres vivants.

La Terre apparaît comme la seule planète du système solaire possèdant de l'eau à l'état liquide. Cet état n'est possible que par sa distance au Soleil. Sur Mercure, l'eau a été vaporisée et dissociée par le rayonnement ultra-violet du Soleil; l'hydrogène généré a diffusé dans l'espace. Venus, la "planète soeur" de la Terre est plus proche du Soleil, 0,7 U.A.: l'énergie reçue du Soleil est 2 fois plus grande. L'eau a été vaporisée dans l'atmosphère vénusienne ; avec le CO2, elle a produit un effet de serre et augmenté encore la température superficielle de la planète. Le CO2 n'a pu de ce fait se dissoudre dans l'eau liquide pour former des carbonates. Les U.V. solaire ont ensuite dissocié la plus grande partie de la vapeur d'eau en donnant de l'hydrogène qui s'est échappé définitivement de l'atmosphère vénusienne. En revanche, l'atmosphère a gardé plus facilement une partie de son deutérium qui était combiné dans les molécules d'eau lourde; cet isotope lourd a été détecté par la sonde américaine Pioneer. Vénus a pu à son origine contenir autant d'eau que la Terre; elle n'a plus maintenant qu'une faible quantité de vapeur qui correspondrait à une couche superficielle de 0,20 m à l'état liquide.

Après la synthèse dans les étoiles géantes rouges, les molécules d'eau se retrouvent donc dans certaines zones bien particulières, avec l'oxygène atomique O et le radical OH, qui résultent d'une dissociation de H2O par collision avec d'autres molécules du gaz ou par le rayonnement ultra-violet; on trouve en outre des molécules de O2, CO, CO2, des composés du silicium et peut-être des oxydes d'autres métaux. L'eau à l'état solide est facilement détectée grâce à une signature spectrale caractéristique: une bande d'absorption dans l'infra-rouge à 3,1 µm. L'eau à l'état de glace a pu être mise en évidence d'abord à la surface et à la périphérie d'étoiles de température peu élevée, puis dans les nuages moléculaires interstellaires. La présence d'eau dans les nuages circumstellaires de certaines étoiles trés jeunes est considéré comme un indice de formation de système planétaire.

La simple molécule d'eau H2O est formée par l'association d'un élément primordial, l'hydrogène, issu du "big bang", et de l'oxygène produit dans les étoiles. Ces deux atomes se sont unis dans les zones plus froides, à l'abri du rayonnement ultra-violet destructeur des molécules.

On a vu dans une section précédente qu'une partie des eaux de précipitation ruissellent à la surface des continents pour former les cours d'eau, alors qu'une autre partie s'infiltre dans le sol pour donner ce qu'on appelle les eaux souterraines.

Le bassin hydrologique est délimité par les lignes de crêtes topographiques isolant le bassin versant d'un cours d'eau et de ses affluents. Il correspond en surface au bassin hydrographique.

Le bassin hydrogéologique correspond à la partie souterraine du bassin hydrologique.

Un aquifère est un corps (couche, massif) de roches perméables comportant une zone saturée suffisamment conductrice d'eau souterraine pour permettre l'écoulement significatif d'une nappe souterraine et le captage de quantité d'eau appréciable. Un aquifère peut comporter une zone non saturée (définition de Margat et Castany). L'aquifère est homogène quand il a une perméabilité d'interstices (sables, graviers); la vitesse de percolation y est lente. Il est hétérogène avec une perméabilité de fissures (granite, calcaire karstique); la vitesse de percolation est plus rapide.