Comme on l'a déjà signalé, la qualité de l'eau conditionne fortement la vie qui s'y développe. Les critères qui doivent être utilisés pour différencier les types hydrologiques sont par conséquent ceux susceptibles de changer la chimie de l'eau. Ce sont par excellence des critères de nature physico-chimique.

Les sept facteurs physico-chimiques principaux

Les critères géomorphologiques ne sont pas pris en ligne de compte (inclinaison des bords, surface totale, topographie du fond, etc.). Ces caractéristiques morphologiques restent secondaires, même si parfois elles influencent les conditions mésoclimatiques du milieu. Les sept critères les plus couramment utilisés par les auteurs d'ouvrages d'hydrobiologie, d'hydrochimie et d'hdrogéologie dans leurs systèmes de classification sont :

1. La teneur en matières nutritives dissoutes (dureté permanente, trophiques)
2. L'acidité
3. Le rayonnement solaire à la surface de l'eau
4. La salinité
5. La nature géologique du fond rocheux
6. La température
7. La source d'alimentation en eau

D'autres critères pourraient être employés (dureté permanente, totale ou temporaire de l'eau, concentration en gaz carbonique (CO2), oxygène dissous (O2), potentiel redox (Eh), conductivité), mais pour l'obtention d'un système typologique simple, ils n'ont pas été retenus. En outre, il existe des interactions entre ces critères (par ex. pH et CO2, Eh: salinité et conductivité ; T et O2). L'obtention des mesures fait appel à des appareillages simples sauf dans les cas de salinité et de teneur en matières nutritives dissoutes qui nécessitent des approches chimiques plus difficiles (titration, absorption atomique, etc.).

1. La teneur en matières nutritives dissoutes : il s'agit de la concentration en nutriments en solution dans l'eau. Cette concentration rend compte de l'état trophique du milieu (et indirectement de sa teneur en oxygène). En effet, une prolifération d'éléments nutritifs s'accompagne d'une prolifération de phytoplancton et de bactéries. Ces organismes utilisent une grande quantité d'oxygène due à l'activité photosynthétique (activité dépendante de l'énergie lumineuse (critère3) et de la température (critère 6). Par conséquent, un lac oligotrophe possède une répartition homogène de l'oxygène. Au contraire, durant l'été, un lac eutrophe est caractérisé par une couche de surface chaude (épilimnion) dont la teneur en oxygène est à saturation et une couche profonde froide (hypolimnion) dont la teneur en oxygène est déficitaire. Entre deux se situe la thermocline, une couche d'eau dont la température diminue rapidement avec la profondeur. Seul un mélange des eaux peut réhomogénéiser tout le volume (voir sous le critère température).

Compte tenu du fait que certains éléments constituent des facteurs limitants à partir d'une certaine concentration, il n'est pas nécessaire de faire une mesure exhaustive de la teneur en matières nutritives dissoutes. Plusieurs indicateurs permettent de caractériser l'état trophique, traduisant la quantité ou biomasse végétale produite:
a.- Le phosphore: se présentant sous la forme de phosphates (PO4 3-). Suite à la minéralisation faite par les bactéries des composés organiques phosphorés, c'est un élément nutritif primordial dont l'excès entraîne la prolifération d'algues et une détérioration de la qualité des eaux.
b.- La transparence de l'eau : elle est mesurée en mètres au moyen d'un disque blanc (le disque de Secchi) immergé. Au moment où il devient invisible, la profondeur ainsi indiquée par un ruban métrique donne l'idée de la transparence de l'eau. Celle-ci diminue avec la prolifération des algues (matériel en suspension qui fait écran à la lumière).
c.- La chlorophylle-a : ce pigment présent dans les algues, est nécessaire à la photosynthèse. Sa concentration donne une mesure indirecte de la biomasse.

2. L'acidité : elle traduit la concentration en ions hydrogène H+ dans l'eau. Elle s'exprime par le pH qui est le cologarithme de cette concentration. Celui-ci peut prendre une valeur située entre 0 et 14. La disponibilité des ions hydrogène dans l'eau donne un aperçu du pouvoir de dissolution de la matière organique ; c'est pourquoi on associe souvent la valeur du pH à une appréciation de l'état trophique de l'eau. On a tendance à prétendre qu'un plan d'eau acide est oligotrophe, qu'un plan d'eau neutre est mésotrophe et qu'un plan d'eau alcalin est eutrophe, mais parfois, cela ne correspond pas à la réalité !
Par ailleurs, il existe des relations étroites entre baisse de la valeur du pH et augmentation de la concentration en CO2, de l'ammonification et du potentiel redox.

3. Le rayonnement solaire atteignant la surface de l'eau : il s'agit de la quantité d'énergie reçue à la surface du plan d'eau. Même si celle-ci est fonction de la durée du jour, de la latitude, de l'attitude, de l'angle d'incidence des rayons solaires, de la météorologie et d'autres facteurs variés, une classification très simple peut être proposée sans devoir faire des calculs compliqués pour connaître la quantité de calories (cal/g/m2) dissipée par jour à l'endroit de l'étude. Il s'agit en fait de reconnaître si des obstacle minéralogiques ou végétaux empêchent les rayons solaires d'atteindre l'eau et d'en donner un taux de recouvrement approximatif.
La presque totalité de l'énergie primaire est d'origine solaire. Du rayonnement solaire dépendent les activités biologiques des organismes: photosynthèse, respiration, etc. Par conséquent, l'intensité de cette action énergétique influence toute la chimie des eaux. Par exemple, un rayonnement intense apporte une partie considérable d'énergie dont une partie est utilisée par le système pour se réchauffer. L'élévation de la température va diminuer la solubilité du gaz carbonique et de l'oxygène : éléments indispensables pour les activités de photosynthèse et de respiration. Les organismes qui avaient profité de se multiplier dans un premier temps vont devoir maintenant ralentir leurs activités. Des conséquences peuvent être importantes sur la salinité, la teneur en matières dissoutes, l'acidité, etc.

4. La salinité : c'est la concentration de corps chimiques (par exemple le chlorure de sodium (NaCI) qui est notre sel de cuisine) qui, en solution dans l'eau, se dissocient sous forme de cations (ions positifs tels que Na+) et d'anions (ions négatifs tels que CI-).
Les eaux continentales sont principalement chargées par quatre cations et quatre anions :

La salinité s'exprime souvent d'après la concentration en chlorures (NaCI, KCI, etc.). Cette simplification s'explique par le fait que l'eau de mer constitue une sorte de référence. Un litre d'eau de mer contient 35g. de sel, dont 30g. de chlorure de sodium. La concentration en chlorures des eaux continentales oscille entre 0.1 et 17g. par litre (parfois jusqu'à 30g. en cas de forte évaporation). Mais si l'on tient compte des quatre anions, certains milieux peuvent avoir une salinité supérieure à celle de la mer. En région calcaire par exemple, le calcium et les bicarbonates sont dominants. C'est pourquoi on dit des eaux de cette région qu'elles sont bicarbonatées-calciques. Les teneurs en sel sont dépendantes de la géologie du bassin (critère 5), du renouvellement des eaux (critère 7) et du climat (notamment du rayonnement thermique provoquant une évaporation).

5. La nature géologique du sol rocheux : cette nature influence très directement la concentration encertains sels dissous dans l'eau (crit. 1 et 4). En effet, si la roche-mère est calcaire, bicarbonates et carbonates proviendront en grande partie de sa dissolution, ce qui n'est pas le cas dans une région occupée par une écorce rochause silicatés. Beaucoup d'organismes ont besoin d'une quantité importante de calcium pour vivre (notamment les Mollusques qui l'utilisent pour la confection de leur coquille). La quantité de calcium disponible dans l'eau est parfois un facteur limitant.

6. La température : la combinaison de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène unis par des liaisons robustes font de l'eau une des molécules les plus stables qui soient. Elle possède de remarquables propriétés qui s'expriment souvent lors de changements de température. Par exemple, la densité de l'eau est maximale quand sa température atteint 4° C. A une température inférieure, l'eau se dilate. Elle devient solide à 0°C. Les atomes s'agencent alors d'une façon différente; ils semblent laisser plus d'espace entre eux. Sa densité est plus faible que l'eau environnante, si bien que la glace flotte. Mais il est aussi vrai qu'une eau dont la température est supérieure à 4°C est plus légère qu'une eau à 4°C (de nouveau dû à un agencement particulier des atomes). Cette propriété permet notamment un mélange des eaux dans les lacs profonds où, certains hivers, l'eau de la zone profonde est plus chaude que l'eau de surface.

La classification proposée se base sur des mesures moyennes à faire durant toute l'année dans la zone d'activité biologique maximale, soit à une profondeur de 0,5 à 1m. dans les étangs et les mares et de 2,5m. dans les lacs. Plus le nombre de mesures est élevé, plus la courbe annuelle se dessine précisément. Une mesure par mois constitue le strict minimum pour se faire une idée du comportement thermique de la pièce d'eau dormante.

L'influence de la température sur la vie lacustre

La caractéristique principale de l'eau, importante pour la vie dans les lacs, est qu'elle atteint sa plus forte densité à 4° C. Si l'eau atteignait sa densité maximale 0° C, les lacs et les bassins gèleraient complètement. Or l'eau la plus dense, celle qui est donc à 4° C, descend au fond en hiver; l'eau moins dense et plus froide monte à la surface et forme une couche isolante de glace. La couche du fond, à 4° C, offre à la faune et à la flore un milieu à température constante (bien que froide !), dans lequel la survie pendant la période de gel est possible.
Ce courant d'inversion verticale est un phénomène qui ne s'observe pas qu'en hiver. En vérifiant la température de l'eau à différentes profondeurs, on constate que la couche supérieure d'eau chaude, peu profonde, cède subitement la place à une couche inférieure beaucoup plus froide, l'intervalle de transition étant très étroit.
L'essentiel de la lumière solaire est absorbé par la couche d'eau supérieure. Dès lors, c'est là que se développent la plupart des organismes végétaux et animaux. Les végétaux et animaux morts descendent dans la couche froide.
En raison du ralentissement des échanges d'eau froide et chaude dans la couche intermédiaire, peu d'oxygène atteint la couche inférieure, de sorte qu'au fond des lacs d'une certaine profondeur, il se crée un milieu anaérobie.
Ainsi donc, dans les lacs et les étangs profonds, la majeure partie de la production primaire d'organismes vivants concerne des micro-organismes peuplant les eaux libres de la couche supérieure, puisque la lumière ne pénètre que de quelques mètres dans l'eau.
Ce n'est donc que dans les eaux peu profondes que la lumière pénètre jusqu'au fond et que des plantes enracinées peuvent s'y loger. En été, quand l'eau est chaude et les journées longues, on peut assister à une croissance explosive et subite d'algues, toujours suivie d'une disparition aussi soudaine. Il peut en résulter une pénurie d'oxygène pour les autres habitants du plan d'eau.

7. La source d'alimentation en eau : une pièce d'eau dormante naît toujours à la suite d'événements géophysiques et climatologiques particuliers. Après sa naissance, seule une source d'alimentation en eau importante permettra la survie du système. L'importance de la nature de l'alimentation se marque non seulement par sa chimie, mais également par sa dynamique physique. Il faut tenir compte des transports de matériaux, du réchauffement de l'eau, de la vitesse du courant, etc.

L'évolution au cours du temps : un facteur de différenciation des types à ne pas négliger

Il est malheureusement bien souvent impossible de consacrer beaucoup de temps à la description des facteurs physico-chimiques d'un milieu. Par exemple, lorsqu'il s'agit pour les autorités politiques de savoir quelle "valeur" possède telle ou telle petite mare qu'elles aimeraient remblayer, elle ne mandatent les personnes compétentes pour se charger d'une telle étude d'impact que quelques mois avant le début des travaux de comblement. L'approximation est alors un aléa du métier. C'est pourquoi il devient nécessaire de travailler avec des organismes indicateurs des conditions d'un milieu auxquelles se réfère une liste typologique détaillée préalablement définie. Mais attention ! Les organismes indicateurs observés lors du travail sur le terrain, puis utilisés pour émettre une appréciation, ne sont que le reflet ponctuel du milieu à un moment donné. C'est pourquoi il est nécessaire de tenir compte de la phénologie de toutes les espèces indicatrices potentielles, puis de définir des peuplements caractéristiques saisonniers du milieu. En effet, les espèces changent avec les saisons. Conséquences : une mare qui a l'air de posséder une faune aquatique banale au printemps peut héberger des espèces remarquables dont l'activité principale ne débute qu'à l'automne. La description d'un ensemble d'espèces caractéristiques saisonnières devrait toujours s'accompagner d'une description des faveurs physico-chimiques du moment.
De plus, une étendue d'eau dormante évolue au cours du temps : elle naît, se comble, vieillit et meurt. En plus des différences saisonnières, des changements du biotope et de la biocénose s'observent d'année en année. L'immuabilité n'existant pas dans la nature, un milieu peut donc changer de type au cours du temps. Un suivi à long terme nécessite des mesures physico-chimiques à intervalles réguliers.

La fiche typologique un outil de base

En fonction des critères de classification qui ont été retenus, il est utile de concevoir une fiche typologique qui constitue la carte d'identité du plan d'eau étudié. En plus des information minimales (localisation, coordonnées, lieu-dit, etc.), cette fiche doit pouvoir recevoir les résultats des mesures physico-chimiques et les observation biologiques du moment.