Schématiquement, l'eau évolue entre trois secteurs : les océans (l'hydrosphère), l'atmosphère et les sols (lithosphère). La terre recevant l'énergie solaire, l'hydrosphère chauffée s'évapore, conduisant à la présence d'eau dans l'atmosphère. Cette eau, suite à un refroidissement de l'air, se condense en gouttes ou cristaux de glace et se retrouve précipitée sous forme de pluie, neige ou grêle sur la lithosphère à la surface de laquelle approximativement ¼ pénètre, ¼ ruisselle. La moitié restante s'évapore à son tour. Le fonctionnement de ce système conduit à définir différents types d'eau, d'usage et de composition différents.

L'eau atmosphérique devrait ressembler à de l'eau distillée mais elle contient des gaz dissous (diazote, dioxygène et CO₂), des dérivés de l'azote (provenant des réactions produites par des décharges électriques dans l'atmosphère, (principalement des oxydes d'azote NO_x )) et des polluants divers gazeux, provenant de foyers de combustion industriels ou domestiques, minéraux, pouvant être naturels (poussières du sol), artificiels (fumées d'usines), radioactifs et organiques.

Les eaux superficielles sont constituées par les eaux des ruisseaux, rivières, fleuves, étangs, lacs, barrages-réservoirs et glaciers. Mais il ne faut pas oublier que c'est l'eau des précipitations (eau météorique) qui est à l'origine des eaux superficielles, et qu'elles se trouvent en contact étroit avec le sol d'un côté et l'atmosphère de l'autre. La frontière entre eau souterraine, eau superficielle et eau atmosphérique est donc passablement floue, les eaux de sources venant encore compliquer le problème !

Les fleuves et les rivières, outre les eaux de pluie, sont alimentés par les nappes souterraines, surtout mises à contribution en été quand les pluies sont beaucoup plus faibles. On estime à environ 3 milliards de m³/an la quantité d'eau souterraine qui participe, dans le bassin de la Seine, à l'alimentation des fleuves et des rivières. Les débits des fleuves et des rivières vont donc varier entre deux extrêmes : étiages et crues. En période de sécheresse annuelle, leur débit est minimum et quasiment exclusivement fourni par les eaux souterraines (période d'étiage). Dans le cas de la Seine et de la Marne, l'étiage débute en juillet et passe par un maximum en octobre pour ne terminer réellement que fin novembre. Les pluies recommençant et la fonte des neiges venant aggraver le processus, on arrive ensuite dans la période des crues, dont le maximum se situe généralement vers le mois de février. Le débit diminue ensuite jusqu'à l'étiage suivant. Le débit peut ainsi varier de façon considérable ; dans le cas de la Seine à Paris, il peut aller de 45 m³.s^-1 en étiage sévère à 2 403 m³.s^-1 en période de crue maximale, soit un facteur 50.

L'homme se trouvant donc parfois trop riche en eau, et parfois trop pauvre, les besoins ne peuvent être assurés et régulés que par la construction de barrages-réservoirs et par la réutilisation des eaux prélevées.

Les réserves d'eau superficielles peuvent être naturelles (lacs) ou artificielles (barrages-réservoirs). Le fonctionnement des étangs et des lacs fait partie du régime naturel des cours d'eau et leur effet de régulation est donc très limité. Ils peuvent cependant être utilisés pour la création de réserves artificielles. Le bassin Seine-Normandie ne compte pas de véritables lacs mais dispose denviron 500 plans d'eau de taille modeste. Il existe en revanche 9 barrages-réservoirs dont 6 situés dans des vallées étroites de régions accidentées où la hauteur de pluie est très forte et qui sont peu peuplées. Le total des réserves en barrage participant au soutien des étiages aboutit à une capacité utile de 598 millions de m³ soit environ la moitié des prélèvements annuels. Ces barrages n'effectuent leurs lâchures qu'en moyenne 4 fois par an (juillet, août, septembre, octobre) ce qui permet d'assurer un débit global de 50 m³.s^-1. Les barrages présentent en outre l'avantage de réguler les crues en hiver car ils se remplissent à ce moment là. Ils jouent aussi un rôle très important dans la production d'énergie électrique et trouvent leur utilité dans l'alimentation des voies navigables qui, sans eux, seraient inutilisables une bonne partie de l'année. Contrairement à leur réputation, leur rôle dans l'écrêtement des crues importantes reste très modeste et la région parisienne reste très vulnérable aux grandes inondations.

Lorsque l'eau superficielle pénètre dans le sol, une partie est retenue à la surface des grains de terre (capacité de rétention du sol) et l'autre partie percole en direction du sous-sol sous l'action de la pesanteur. Cette percolation dépend de la perméabilité du terrain et peut se dérouler lentement et régulièrement (perméabilité en petit) ou de façon plus irrégulière, dans des larges fissures ou des cavernes (perméabilité en grand), comme dans le cas de l'Aven Armand, du gouffre de Padirac ou des grottes des Causses. L'eau qui a ainsi pénétré dans le sol forme des nappes souterraines.

Un procédé nouveau de traitement de l'eau, actuellement en cours d'exploitation industrielle à Auvers-sur-Oise, est également très séduisant puisqu'il consiste simplement à filtrer l'eau à travers des filtres constitués de membranes organiques dont la porosité est si faible qu'elle retient non seulement les molécules mais aussi la plus grande partie des ions majeurs divalents : calcium, magnésium, sulfates... Les avantages de cette technique sont spectaculaires au niveau des taux d'élimination des polluants et de l'adoucissement de l'eau ce qui permet d'éviter l'entartrage des canalisations et des casseroles, facilite la cuisson des légumes et donne à l'eau un pouvoir moussant supérieur. L'inconvénient est que l'eau est très agressive (équilibre calco-carbonique ^[2] délicat), que l'adoucissement est parfois excessif, et qu'il y a toujours un risque de percement des membranes.

Lorsque l'eau est traitée et sort de l'usine, elle doit obéir à un certain nombre de critères de qualité définis par la réglementation et surveillés à la fois par les laboratoires des usines de production d'eau et par des laboratoires « contrôleurs ». Ces laboratoires surveillent également la qualité de l'eau au point de captage et en cours de distribution. Les paramètres faisant l'objet de limites de qualité sont classés en six grandes catégories.

La consommation d'eau par l'industrie est très importante puisque pour le seul bassin de la Seine ce sont 7 millions de m³/j qui sont consommés à différentes fins : lavage et élimination des déchets, transport hydraulique, refroidissement, fabrication (pâte à papier)... L'eau ressort toujours polluée de son aventure industrielle et il convient de mettre en oeuvre un certain nombre de traitements avant de pouvoir la rejeter dans le milieu naturel sans provoquer de catastrophes. Mais l'eau a également un usage domestique important. Un habitant de la ville qui consomme 230 litres par jour n'en utilise que 1% pour la boisson et 6% pour la préparation de la nourriture. Le reste est consacré aux sanitaires et bains-douches (59%), au lavage du linge et de la vaisselle (22%) et à des usages divers : lavage de la voiture, arrosage, nettoyage...(12%). Là encore, l'eau ressort passablement polluée et doit être traitée dans des stations d'épuration avant d'être rejetée dans le milieu naturel.

Ces traitements peuvent être physiques, chimiques ou biologiques. Les traitements physiques sont au nombre de 7 : la filtration (en surface ou en profondeur), la décantation (qui élimine par gravité les particules en suspension), la coagulation-floculation (selon le même principe que dans la chaîne de production d'eau potable), la flottation (inverse de la décantation, elle permet de recueillir en surface les matières les plus légères qui s'y retrouvent naturellement ou de façon provoquée par des bulles d'air), l'adsorption (notamment sur du charbon actif) et enfin l'électrodialyse et l'osmose inverse, deux techniques à base de membrane. Les traitements chimiques visent à transformer certains produits polluants en d'autres produits moins polluants, soit en d'autres produits tout aussi polluants mais dont l'élimination est plus facile. On en retient essentiellement 4 : la neutralisation (ajustement du pH), les précipitations (formation d'un produit insoluble facilement éliminé par décantation ou flottation), les oxydoréductions (formant des produits non toxiques ou facilement séparables sous forme de gaz ou de précipités), et enfin les échanges d'ions, sur des résines. Les traitements biologiques sont essentiellement utilisés pour le traitement des eaux usées d’origine organique, en particulier pour le traitement de la pollution urbaine. Ils sont basés sur la croissance de micro-organismes aux dépends des matières organiques « biodégradables » qui constituent pour eux des aliments.