D’une manière générale, l’hydrographie de la Loire-Atlantique comporte énormément de zones humides. Elle recèle de nombreux marais, comme la Brière au nord de Saint-Nazaire, les marais salants de Guérande, les marais de Couëron en aval de Nantes, ceux de Goulaine au sud-est et le marais Breton au sud-Ouest. Au sud, le département possède l’un des plus grands lacs de France, le lac de Grand-lieu. Sa très faible profondeur (moins de 2 mètres) combinée à une pente extrêmement faible rendent sa superficie très variable.
La Loire constitue un élément géographique majeur ; on considère généralement que son estuaire commence en aval de la ville, et les variations de niveau liées à l’influence océanique des marées y sont perceptibles (l’Acheneau, un de ses affluents situé au sud de l’estuaire, voit parfois son cours s’inverser lors de fortes marées). Le Nord du département est traversé d’est en ouest par les vallées de la Chère, du Don et de l’Erdre, de la Chézine, du Gesvres, au sud par celle de la Sèvre Nantaise.
D’une longueur de 4 000 km, le réseau hydrographique départemental comprend 10 cours d’eau de longueur supérieure à 50 km et 86 de longueur supérieure à 10 km. Cinquante plans d’eau complètent ce réseau. Trois canaux ont été construits sur le territoire du département.
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