thumb|Nappe phréatique.|alt= La nappe phréatique est la partie du sol saturée en eau, c'est-à-dire celle où les interstices entre les grains solides sont entièrement remplis d'eau, ce qui permet à celle-ci de s'écouler. Au-dessus, on peut trouver des terrains non saturés, dans lesquels les interstices contiennent aussi de l'air. Cette couche est appelée la « zone non saturée », ou encore « zone vadose ». Il peut suffire d'un petit apport supplémentaire d'eau en provenance de la surface pour faire basculer la couche non saturée à l'état saturé.
Contrairement à ce que le terme « nappe » ou à ce que certaines représentations peuvent parfois faire croire, la nappe phréatique ne ressemble pas à une poche d'eau ou à un lac souterrain. Il s'agit de l'eau contenue dans les interstices du sous-sol et dans les fractures de la roche.
La nappe phréatique alimente traditionnellement les puits et les sources en eau potable, et est exposée à la pollution en provenance de la surface.
Types de nappes thumb|upright=1.7|Nappe libre et nappe captive contenues dans un aquifère, situé sous le niveau piézométrique. vignette|Nappe perchée dont l'eau ressort dans la vallée d'une rivière au niveau d'une résurgence.
La nappe est dite « libre » lorsque son niveau peut varier sans être bloqué par une couche imperméable. Si on crée un puits dans une telle nappe, le niveau de l'eau reste inchangé. Une nappe perchée est une nappe libre, permanente ou temporaire, formée dans une zone non saturée, et qui surmonte une nappe libre de plus grande extension. Dans le cas contraire, on parle de nappe « captive ». Elle est « sous pression », et, lorsque l'on y ouvre un puits, l'eau s'élève jusqu'à un niveau d'équilibre supérieur. Il arrive même que la nappe jaillisse du sol ; c'est le phénomène d'artésianisme.
Il existe également des nappes semi-captives ou à drainance. Le toit ou le substratum de l'aquifère, parfois les deux, sont fréquemment constitués par des formations semi-perméables. Lorsque les conditions hydrodynamiques sont favorables, il peut y avoir échange d'eau avec l'aquifère superposé ou sous-jacent, suivant le phénomène de drainage..
Selon leur comportement (lié à la porosité et à la perméabilité des roches qui les composent), on distingue les nappes « réactives » des nappes « inertielles ».. Les premières « réagissent » rapidement aux épisodes météorologiques : elles se rechargent lors de fortes pluies et se vident lors des épisodes de sécheresse, ce qui leur donne en général une cyclicité annuelle. Les secondes présentent au contraire une forme « d'inertie » sur plusieurs années : elles se rechargent ou se vident sur une longue période à travers plusieurs saisons.
Les aquifères des nappes réactives sont généralement constitués de sables, graviers, calcaires karstiques ou granites altérés tandis que ceux des nappes inertielles sont constitués de craie, de calcaire non karstique ou de grès.
Dans certains contextes hydrogéologiques, des nappes communiquent directement avec les cours d'eau dans un système de relations parfois complexes : renfort des cours d'eau en période de sécheresse, accompagnement des phénomènes de crues ou échanges et dissémination des polluants issus des activités humainesYohann Cousquer. Modélisation des échanges nappe-rivière à l'échelle intermédiaire : conceptualisation, calibration, simulation. Hydrologie. Thèse en cours de validation, Université Bordeaux Montaigne Bordeaux Institut national Polytechnique, 2017. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01567824.
Rabattement de nappe
Un forage permet de repérer le niveau supérieur de la nappe : c'est le niveau piézométrique, niveau au-dessus duquel les interstices de la roche ne sont pas saturés en eau. Les variations de ce niveau renseignent sur le degré de remplissage de la roche-réservoir.
Le pompage d'eau dans une nappe à une vitesse qui dépasse la vitesse de recharge de la nappe entraîne la baisse du niveau de nappe phréatique, appelée rabattement de nappe.
Remontées de nappe Un phénomène courant et source d'importants désordres sous les grandes villes et dans les régions industrielles (Bassin minier du nord de la France par exemple) est que des nappes pompées durant plusieurs décennies ou siècles par l'industrie ou pour des besoins en eau potable, ont cessé de l'être, en raison du recul des besoins industriels ou de la pollution de l'eau, n'autorisant plus son usage en eau potable. Il s'ensuit une remontée de nappe, source d'inondation et de désordres dans les sous-sols construits à l'époque où le plafond de la nappe avait été artificiellement rabattuBRGM (1983) Remontée des nappes d'eau souterraines ; Causes et effets. ; Infoterre - brgm ; rapports/83-SGN-353-EAU, PDF, 56 p..
Il peut suffire d'un petit apport supplémentaire d'eau en provenance de la surface pour faire basculer la couche non saturée à l'état saturé. Si l'épaisseur de cette tranche de terrain est importante, et si la topographie s'y prête, ce mécanisme peut déclencher une inondation par remontée de la nappe phréatique. C'est ce phénomène qui a, par exemple, aggravé les crues de la Somme en 2001 où les inondations ont couvert plus de .
Relation solide/eau dans les milieux poreux Zone saturée
La zone saturée des nappes distingue deux types d'eau : l’eau liée, liée au solide par des forces électrostatiques et moléculaires, les deux processus étant limités dans l'espace ; l’eau libre, susceptible de se déplacer sous l'effet de la gravité et des gradients de pression.
L'eau liée correspond à : la couche la plus proche des grains, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dizaines de molécules (0,1 micromètre) correspond à une orientation des molécules d'eau à structure dipolaire H-OH, perpendiculairement à la surface des grains. Dans cette zone, la viscosité de l'eau peut être doublée ou triplée, sa densité est de l'ordre de 1,5 et sa force par unité de surface est de l'ordre de bars. la zone de transition entre 0,1 et 0,5 micromètre contient des molécules d'eau qui supportent une attraction non négligeable et sont immobiles.
Au-delà, les forces d'attraction sont encore plus modestes, et on parle d'eau libre.
Zone non saturée Contrairement à la zone saturée qui contient deux phases (liquide pour l'eau, solide pour les grains), il y a ici existence d'une troisième phase : l'air. La saturation est alors la part des pores occupée par un type de fluide
La zone non saturée distingue quatre états en fonction de la saturation du sol en eau : l’eau funiculaire ou gravifique : dans un sol presque saturé en eau, avec quelques bulles d'air, l'eau peut s'écouler sous l'influence de la gravité. sol à saturation d'équilibre autrement appelé sol à capacité de rétention capillaire : la phase d'eau est encore continue, mais ne circule pas sous la seule influence de la gravité. Cela correspond à l'eau liée et à l'eau retenue par capillarité. l’eau pendulaire : dans un sol faiblement saturé en eau, l'eau entoure les grains et occupe des anneaux discontinus aux points de contact de ceux-ci. La phase d'eau est toujours continue, les pressions se transmettent, mais les mouvements de l'eau sont très lents du fait de la minceur de la pellicule mouillée. saturation irréductible : si on prélève encore de l'eau (évapotranspiration), on n'obtient plus que l'eau liée.
Suivi des nappes Il est effectué via des modélisations et des réseaux de mesures automatiques (piézomètres).
En France, en 2017, le BRGM publie par an des bulletins de situation hydrologique des nappes à partir de suivis en France depuis au moins dans la plupart des cas, et il prépare (avec Météo France) un outil « MétéEAU des nappes » de prévision et modélisation des niveaux de nappes souterraines. Ceci nécessite un dispositif de télétransmission rapide de l'information et de validation rapide de la donnée. En , de surveillance sont déjà disponibles à une fréquence journalière et à la fin de 2018 tout le réseau devrait être équipé pour la télétransmission..
Menaces, qualité et niveau de nappes en large baisse dans le monde La biophysicogéochimie des nappes réagit aux modifications de leur environnementLe Borgne, F. (2001) Réponses hydrogéochimiques de la nappe phréatique du Val d'Orléans aux sollicitations de son environnement. Développement du site expérimental de la carrière Morillon-Corvol de Sandillon (Loiret) (Doctoral dissertation, Université Paris7-Denis Diderot)., et aux modifications climatiques et anthropiques notamment, avec trois principales menaces pour les nappes actuelles : la pollution de l'eau (qui peut en partie provenir de la pollution des sols et/ou de l'air) ; elle est fréquente sous les zones urbaines et industrielles, et sous les zones d'agriculture intensive pour les nitrates (qui peuvent aussi provenir d'eaux usées, dans les pays où les stations d'épuration ne les traitent pas, avec alors parfois aussi un risque de maladies infectieuses et parasitoses associéDieng, Y., ABDOUL, A. T., Wane, A. T., Gaye, O., EL HADJI SALIF, D. I. O. P., & Diallo, S. (1999). Les parasitoses intestinales chez des habitants d'une zone péri-urbaine à nappe phréatique polluée par les nitrates d'origine fécale (Yeumbeul, Sénégal). Sante, 9(6), 351-356.Nola, M., Njiné, T., Sikati, V., & Djuikom, E. (2001). Distribution de Pseudomonas aeruginosa et Aeromonas hydrophila dans les eaux de la nappe phréatique superficielle en zone équatoriale au Cameroun et relations avec quelques paramètres chimiques du milieu. Revue des sciences de l'eau/Journal of Water Science, 14(1), 35-53.Nola, M., Njine, T., Kemka, N., Togouet, S. H., Servais, P., Messouli, M., ... & Menbohan, S. F. (2006). Transfert des bactéries fécales vers une nappe phréatique à travers une colonne de sol en région équatoriale: influence de la charge en eau appliquée en surface. Revue des sciences de l'eau/Journal of Water Science, 19(2), 101-112.) et pesticides. Forêts naturelles et prairies permanentes ont un effet protecteur sur les nappes sous-jacentes alors que le labour, l'urbanisation et l'industrialisation nuisent à la qualité et parfois à la recharge des nappes. la salinisation, dans certains contextes littoraux ou de proximité avec sous-sol salinsKouzana, L., Ben Mammou, A., & Gaaloul, N. (2007). Intrusion marine et salinisation des eaux d'une nappe phréatique côtière (Korba, Cap-Bon, Tunisie). Geo-Eco-Trop, 31, 57-70.. l’évaporation (dans le cas des nappes superficielles en zone aride, avec souvent un risque accru de salinisationNezli I.E, Achour S & Djabri L (2013). Approche géochimique des processus d’acquisition de la salinité des eaux de la nappe phréatique de la basse vallée de l’oued M’ya (Ouargla) (résumé Inist-CNRS).).