la méthode tensiométrique pour l'étude des...
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BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES
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DIRECTION DU SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL
B.P. 818 - 45-Orléans-La Source - Tél. 66-06-60
La méthode tensiométrique pour l'étude des mouvements
de l'eau dans la zone non saturée
par
A. LALLEMAND- BARRÉS
Département d'hydrogéologie
Section de recherches expérimentales
45 - Orléans-La Source
70 SGN 243 HYD Juillet 1970
/
RESUME
Cet exposé des principes et des modalités d'application de la
tensiométrie est destiné à informer les hydrogéologues des possibilités
offertes par cette méthode pour l'étude des transferts d'eau en zone non
saturée, et des conditions pratiques de sa mise en oeuvre.
Etude réalisée dans le cadre des recherches méthodologiques
générales entreprises par le Département d'hydrogéologie.
TABLE
Introduction
1 . DEFINITIONS
2. PRINCIPE
3 . CARACTERISTIQUES DES TENSIOMETRES UTILISES
3.1. Les cellules poreuses
3.2. Les systèmes de mesure
3.3. Influence de la température sur les résultats lus
4. UTILISATION ET MISE EN PLACE
4.1. Préparation au laboratoire
4.2, Installation sur le terrain
5. EXEMPLES D'UTILISATION DES TENSIOMETRES
5.1 . Mouvements de l'eau et vitesse d'infiltration
5.2. Mesure des débits de transfert
5.3. Utilisation lors de pompages d'essai
Conclusion
Bibliographie
Annexe : Observations tensiométriques faites au cours d'un pompage
d'essai de longue durée dans le bassin de la Lys (région
du Nord).
- 1 -
INTRODUCTION
L'étude des mouvements de l'eau dans la zone non saturée
étant actuellement d'actualité chez beaucoup de chercheurs, et dans
différents pays, il nous a paru utile d'exposer de façon simple l'une
des méthodes clés appliquée à ces recherches : la tensiométrie.
En effet il n'existe pas à notre connaissance d'ouvrage
traitant de tensiomètres, et les articles sur ce sujet, souvent écrits
par des hydrodynamiciens, sont d'un abord rébarbatif pour l'hydrogéo-
logue utilisateur.
C'est pourquoi nous avons essayé de transcrire dans un
langage littéraire et non mathématique les principes sur lesquels se
fonde la méthode tensiométrique et les informations que l 'hydrogéologue
peut en attendre.
- 2
1. DEFINITIONS
Ainsi que le signalent L.A. RICHARDS et W. GARDNER (12) de
nombreuses expressions ont été utilisées pour désigner la force avec laquelle
l'eau est retenue par le sol : force de succion, potentiel capillaire, pression
capillaire, pression de succion, déficit de pression, tension capillaire ou
tension tout court.
Si l'on prend comme zéro de référence, la pression atmosphérique,
la pression de l'eau dans un sol non saturé est négative, et il sera commode
parfois d'appeler tension ou tension capillaire cette pression négative. La
combinaison d'une cellule poreuse et d'un manomètre pour mesurer la tension
de l'eau du sol a été appelée tensiomètre par RICHARDS et GARDNER en 193 6.
Ce terme a été ensuite adopté par tous les auteurs.
2. PRINCIPE
Le sol possède une force de succion qui lui permet d'attirer l'eau.
KORNEFF en 1922 a observé le premier que, lorsqu'il mettait une bougie po¬
reuse en communication avec un réservoir plein d'eau, dans un sol sec, le
sol absorbait l'eau à travers la paroi poreuse jusqu'à établissement d'un
équilibre. La force de succion du sol peut ainsi être mesurée si l'on place
un manomètre qui enregistre le vide produit dans l'appareil.
BORDAS et MATHIEU (1) ont ensuite mis au point un appareil
comportant une bougie poreuse raccordée à un tube rempli d'eau bouillie
désaérée, communiquant avec un manomètre à Hg.
Les appareils actuels dérivent de l'appareil BORDAS -MATHIEU.
Fig. 1
Schéma de principe des tensiomètres
d'après FEODOROFF (2)
- 3 -
(eau
fou
ZZ\
</y/«
Sol i /ur»
JlSol non aa/ur^
\.
tensiomètres horizontaux ^' O'P^'^'"" " *"»''"
APPAREIL DE MATHIEU APPAREIL UTILISE
(Soil moisture)
tensiomètres verticaux
- A -
Sur les schémas précédents, on remarque facilement que dans un
système en équilibre, le manomètre exprime un abaissement de pression par
rapport à la pression atmosphérique. Par convention un système eau-sol
saturé est assimilé à de l'eau pure, et à une succion nulle. On prend donc
comme zéro de référence la lecture du manomètre lorsque la bougie est dans
l'eau.
Avec les tensiomètres verticaux le plan de lecture et le plan mesuré
n'étant pas au même niveau, une correction du zéro du tensiomètre sera donc
nécessaire. On appellera tension la grandeur positive mesurée qui aura la
même valeur absolue que la force de succion du sol pour l'eau.
Sur les règlets des tensiomètres "Soilmoisture" elle est lue direc¬
tement en mbar. Nous rappelons ci-dessous la correspondance avec les autres
unités.
bar
atmosphère
kg/cm2
m d'eau
mm de
mercure
bar
1
1,013
0,98
0,098
1,33.10-3
= 1,33
millibar
atmosphère
0,987
1
0,968
0,0968
1,3,16.1.0"^
k.g/cm2
1,02
1,033
1
0,1
1,3 6.10-3
m
d'eau
10,2
10,33
10
1
1,36.10-2
= 1,36
cm d'eau
mm de
mercure
750,1
760
735,7
73,57
1
Notons aussi que certains auteurs utilisent comme unité de pression
le psi qui équivaut à 70 cm d'eau.
- 5 -
3. CARACTERISTIQUES DES TENSIOMETRES UTILISES
Un tensiomètre se compose en général de trois parties : une
bougie poreuse, une "canne" reliant la bougie au système de mesure, et
le système de mesure.
Dans les tensiomètres "Soilmoisture" la bougie a 50 mm de long
et 22 mm de diamètre, La bougie est raccordée à une canne plastique rigide
ayant le même diamètre extérieur et un diamètre intérieur de l'ordre de 8 mm.
Au sommet de la canne se trouve un bouchon de remplissage. A environ
4 cm sous le bouchon de remplissage la canne se raccorde au système de
mesure qui peut être pour les tensiomètres "Soilmoisture", soit un mano¬
mètre Bourdon, soit un manomètre à mercure.
3.1. Les cellules poreuses utilisées dans les tensiomètres devraient être
soigneusement testées pour supporter les tensions d'eau souhaitées
sans laisser entrer l'air. Cette pression d'entrée d'air est donc une
limite d'emploi du tensiomètre. "Soilmoisture" donne pour la pression
d'entrée d'air 850 à 1 000 mbars, mais on a constaté que le tensiomè¬
tre se désamorce pour une dépression de l'ordre de 600 mbars, donc
pour une tension inférieure à la pression d'entrée d'air.
Il est important pour ces phénomènes dynamiques de savoir au
bout de combien de temps l'équilibre sera établi, c'est-à-dire de
connaître le temps de réponse de l'appareil.
Le temps de réponse est lié à la sensibilité de l'appareil de
mesure et à la perméabilité K' de la bougie.
Si partant d'un état d'équilibre, on impose à la bougie une dé¬
pression A P qui provoque un déplacement A V de la colonne de mer¬
cure, la sensibilité de l'appareil est donnée par :
s- A^
- 6 -
La perméabilité ou conductance de la bougie est donnée par :
A VK ' -
et le temps de réponse est :
t =
t X A P
1
K ' S
FEODOROFF (3) a fait des essais expérimentaux pour mesurer
le temps de réponse des bougies des tensiomètres "Soilmoisture" qu'il
utilisait. Il a trouvé que l'équilibre était atteint au bout de deux à trois
minutes, suivant la longueur de la canne.
Les facteurs sensibilité, ainsi que porosité de la bougie sont
importants. La sensibilité du tensiomètre est liée aussi au volume du
capillaire. MUTIN (7) après les premiers résultats obtenus sur le terrain
utilise des cellules ayant une porosité de ^ /^ , Line pression d'entrée
d'air de 7 00 mbar et un manomètre à mercure ayant une sensibilité de
1 7 00 mbar/cm3 .
Il a observé qu'il obtenait une meilleure sensibilité avec un
tube capillaire de 3 mm, qu'avec un tube capillaire de 6 mm.
SORMAIL (13) a étudié en laboratoire l'influence des caractéris¬
tiques du circuit de liaison et l'influence de l'air piégé dans le circuit,
sur le temps de réponse du tensiomètre. Il en conclut que le volume
d'air emprisonné et la déformation du circuit amortissent le temps de répon¬
se. Il est indispensable de saturer les capsules poreuses au maximum.
Des essais en milieu poreux (sables et argiles) lui ont montré par ailleurs,
que les caractéristiques de réponse du tensiomètre étaient modifiées par
suite des variations de la teneur en eau, de la conductivlté capillaire et
de la diffusivité près du tensiomètre.
L'auteur en conclut qu'il est indispensable de vérifier en perma¬
nence les caractéristiques dynamiques de la réponse du tensiomètre pour
aboutir à une interprétation correcte des résultats.
Bouchon vissé
vers le tensiomètre
IVIANOMETRE A MERCURE
CROQUIS DES TENSIOMETRES SOILMOISTURE
Fig. -2
- 8 -
3.2. Les _sy_stèjT:i e s_ _de_ me_s u_re
Les systèmes de mesure utilisés sont en général des mano¬
mètres à mercure. La canne se raccorde à un tube en cuivre de
1,5 mm environ de diamètre intérieur et de 0,8 à 1 m de long. La
branche descendante du U. retourné est un tube capillaire de dia¬
mètre intérieur voisin de 2 mm qui plonge dans une petite cuve à
mercure. Ce \A. est fixé sur un profilé en aluminium dans lequel
coulisse une règle graduée qui peut être fixée. Dans le cas des
manomètres "Soilmoisture", elle est graduée en mbars, de 2 en
2 mbars. Pour les manomètres construits par nous-mêmes les lec¬
tures se font en mm de mercure.
Ces manomètres à mercure sont très sensibles et sont re¬
commandés pour des mesures fines car ils ont une très bonne
sensibilité.
Les cannes "Soilmoisture" peuvent être raccordées, d'autre
part, à des jauges ou manomètres Bourdon, qui sont utilisées sur
le terrain, et que certains auteurs considèrent comme n'étant pas
fragiles.
Nous ne sommes pas de cet avis, car si dans certains cas
(étude dans le bassin de la Lys dans le Nord) ils fonctionnent et
donnent des variations de tension, 11 nous est apparu que pour des
études fines où les variations de tension sont lues journalièrement,
ils ne sont pas suffisants. Ceci apparaît d'ailleurs à la simple vue
du cadran du manomètre. Il est gradué de 2 en 2 cbars, soit 2 0 en
2 0 mbars, alors que la réglette du manomètre à mercure est graduée
de 2 en 2 mbars.
Ce tensiomètre Bourdon est utilisé surtout par les agriculteurs,
il donne une indication de l'état de sécheresse du sol, donc du mo¬
ment où il faut irriguer.
- 9 -
Les cannes des tensiomètres fabriqués par "Soilmoisture"
ont au maximum 1,2 0 m de long, ce qui limite leur utilisation à
cette profondeur.
Le Service hydrodynamique du B.R.G.M. a été amené pour
certaines études sur le terrain (Authion, Bordeaux) à faire fabriquer
des tensiomètres pouvant être implantés à de plus grandes profon¬
deurs (une dizaine de mètres). Pour cela on a raccordé directement
une bougie à un tube en cuivre, lui-même raccordé au tube capil¬
laire du manomètre à mercure.
Pour certains auteurs, il est préférable d'avoir une canne de
même diamètre que la cellule pour éviter les écoulements le long du
tube. Par ailleurs, il semble qu'il soit préférable d'utiliser une
canne en plastique car les premiers utilisateurs de tensiomètres ont
observé des influences de la température sur la tension lue, lors¬
qu'ils utilisaient des tensiomètres à corps en métal.
3.3. Influence de la t_emp^érature sur_l^s_ré_s_ultats^ lus
On ne saurait terminer ce chapitre sans parler de l'influence
de la température sur les mesures tensiométriques. C'est en effet
une question complexe qui a été étudiée par différents auteurs, les
conclusions de leurs études étant souvent contradictoires.
HAISE et KELLEY (6) ont observé de grosses fluctuations
diurnes sur des tensiomètres dans l'Arizona. Ils ont enregistré pen¬
dant 23 heures les mesures de tensiomètres placés à différentes
profondeurs : 15 cm, 30 cm, 60 cm, 90 cm, 1,20 m, 1,80 m, 3 m.
Le terrain était formé de sable limoneux fin et de sable.
Les résultats qu'ils avaient obtenus sont explicitement tra¬
duits par la figure suivante (fig. 3).
- 10 -
Température ° PSol à 15cm .. ^Q
8." to'' tf* /4'i 16" 16" Í0* ¿Z* 24* Í* 4'> tf* a*
I 21 A yril I ZZ jtvri/ I
HG, 3
VARIATION PROGRESSIVE DE LA TENSION
OBSERVEE PENDANT UNE PERIODE DE 23 HEURES
PAR TENSIOMETRES PLACES A DIFFERENTES PROFONDEURS
Les auteurs constatent une nette augmentation de la tension
le jour et une chute la nuit quand la température baisse. Ils pen¬
sent que ces fluctuations ne peuvent être attribuées à des variations
provoquées par des changements de volume de l'eau du tensiomètre.
En effet, les fluctuations dues à cette cause se font dans le sens
opposé à celui des fluctuations observées et par conséquent mini¬
miseraient les variations observées.
Ils se sont alors demandés si la température de l'air pou¬
vait créer un gradient de température suffisant entre la bougie et le
sol pour provoquer une sortie ou une entrée d'eau dans la cellule,
par transfert de vapeur et condensation. Il paraissait vraisemblable
que si la partie métallique du tensiomètre à laquelle était fixée, la
bougie poreuse était exposée à l'air chaud le jour, à l'air froid la
nuit, elle avait une irradiation de chaleur plus rapide que celle du
sol. Dans ce cas il existerait effectivement un gradient de tempéra¬
ture de la bougie vers le sol : une diffusion de la vapeur d'eau du
sol vers la surface plus froide, de la bougie poreuse se produirait.
- 11 -
L'eau se condensant sur la bougie entrerait dans la cellule parce que
l'eau dans le tensiomètre serait sous tension, et provoquerait une baisse
dans le manomètre quand la température de l'air diminuerait. Par contre
quand la température de l'air, le jour, monterait, les parties métalliques
du tensiomètre se réchaufferaient plus vite que le sol : dans ce cas, il
y aurait un transfert de vapeur de la cellule vers le sol, et par consé¬
quent le mercure dans le manomètre monterait.
GARDNER en 1955 (4) a tenté de compléter les expériences réali¬
sées par HAISE et KELLY, par des expériences en laboratoire.
Pour cela il utilisait des tensiomètres à manomètres à mercure,
mais supprimait les parties métalliques. Il adoptait une teneur en eau
constante, imposée et modifiait la température du sol. Seulement les
résultats obtenus montraient une tendance pour la tension à décroître
d'environ 3 mbars par degré C. Il constatait qu'à pourcentages de teneur
en eau égaux, ne correspondaient pas pour des échantillons d'un sol
donné, des tensions égales sauf si leurs températures étaient égales.
FEODOROFF (3) a voulu contrôler ces données contradictoires, sur
un tensiomètre placé à 25 cm de profondeur, dans son terrain expérimen¬
tal. Les mesures ont été faites au cours de deux journées chaudes, sans
pluie. Seule la température de l'air était mesurée. Les résultats obtenus
semblent plutôt concorder avec ceux de GARDNER, puisqu'il a observé
une chute de tension quand la température diminuait. Il en conclut que
la température du sol est hors de cause, car l'amplitude de variation
thermique à la profondeur considérée ne devrait pas engendrer une am¬
plitude de variation de tension aussi grande. Il pense donc, quant à
lui, que la chute de tension observée est due à la dilatation des liqui¬
des, eau et mercure.
On est obligé de constater après analyse des différentes études
effectuées sur ce sujet, que l'effet de la température sur les valeurs lues
des tensiomètres est un problème qui a peut être son importance, mais
qu'il n'est pas résolu actuellement.
- 12 -
4. UTILISATION ET MISE EN PLACE
4.1. Préparation au laboratoire
Avant de mettre en place les tensiomètres, il est recomman¬
dé de dégazer la bougie. Le tensiomètre étant livré sec, les parois
de la bougie poreuse retiennent beaucoup d'air, ainsi que les parois
de la canne. Il est nécessaire de libérer cet air si l'on veut avoir
dès le début une sensibilité maximale et un minimum de maintenance.
Pour cela on remplit le tensiomètre avec de l'eau désaérée, c'est-
à-dire de l'eau qui a bouilli. Dans le cas des manomètres à mercure,
on maintient le petit flacon de remplissage contre l'ouverture du
tensiomètre et on comprime le flacon de façon à forcer l'eau à remplir
le tube de cuivre du manomètre et à chasser l'air du tube manomé-
trique. On remplit aussi la petite cuve à mercure aux 3/4 avec du
mercure propre.
Il faut prendre soin de remplir le tensiomètre lentement
pour éviter de piéger de grosses quantités d'air. On laisse reposer
le tensiomètre sans le fermer, pour que la cellule poreuse absorbe
l'eau.
On remplit à nouveau le tensiomètre et on applique une
force de succion à l'entrée de la canne pour enlever l'air. Nous uti¬
lisons pour cela une petite pompe "Soilmoisture" semblable à une
pompe de bicyclette, parfaitement efficace. Cette opération est
répétée plusieurs fois, puis on remplit le tensiomètre et on le ferme.
On verra alors l'aiguille du cadran ou la colonne de mercure monter
et l'air s'accumuler sous le bouchon. On laissera s'échapper cet
air. En immergeant ensuite la cellule poreuse dans l'eau, on verra
descendre l'aiguille du cadran ou la colonne de mercure. Ce pro¬
cessus est répété deux ou trois fois, jusqu'à ce que lors de la
montée l'aiguille atteigne 7 0-80 cbars et le mercure 7 00-800 mbars.
- 13 -
4. 2 . Installation sur le terrain
Si le tensiomètre a été soigneusement dégazé avant d'être
installé, il n'aura plus besoin d'être désaéré pendant des semaines
ou des mois, tant que les succions du sol sont dans le domaine de
mesure de l'appareil. Les tensiomètres sont placés dans un trou préa¬
lablement préparé à la tarière, le trou ayant le diamètre de la bougie.
Il est important que le tensiomètre adhère bien au sol. Quand il est
enfoncé dans le sol, on tasse au sommet où on met un petit chapeau en
plastique pour éviter que l'eau ne ruisselle dans le trou le long de la
canne et ne fausse les mesures.
Au bout d'une heure ou deux, le tensiomètre est en équilibre
avec la succion du sol.
5. EXEMPLES D'UTILISATION DES TENSIOMETRES
5.1 . Etude du mouvement de l'eau en zone non saturée et vitesse d'infil-
tration_
La méthode tensiométrique est utilisée en vue de connaître
la profondeur atteinte par l'eau de pluie infiltrée, et pour mesurer la
vitesse de l'infiltration. Les expériences effectuées dans cette opti¬
que sont réalisées surtout par les agronomes, en particulier par
FEODOROFF. Nous résumerons donc les bases théoriques invoquées
par FEODOROFF, les résultats qu'il obtient et interprétations qu'il en
donne (3). Nous formulons nos remarques et points de vue en fin de
paragraphe. La méthode repose sur certaines hypothèses relatives à
la répartition de l'eau dans le sol pendant et après la pluie, FEODOROFF
reprend un schéma théorique présenté en 1957 par PHILIP et qui est
le suivant :
- avant la pluie la teneur en eau du sol correspond à la capacité de
rétention. Notons ici qu'il considère que cette correspondance est
réalisée quand, pendant de longues périodes l'humidité d'une couche
ne varie pas
- 14
- pendant la pluie il se produit un profil hydrique d'infiltration de
haut en bas, qui se raccorde au profil initial au niveau d'une zone
intermédiaire : le front. Ce profil se propage par translation vers
le bas
- après la pluie le front continue à progresser et une redistribution
de l'eau s'opère. L'eau se déplace à la manière d'une vague.
Un tensiomètre placé sur le passage de l'eau devrait réagir
ainsi : avant la pluie la tension est constante et a une certaine valeur.
Quand le front atteint la bougie^, l'eau entre dans le tensiomètre, la
tension baisse jusqu'à une valeur minimale correspondant au maximum
d'humidité. Si la pluie dure, la teneur en eau garde une valeur cons¬
tante ainsi que la tension. Lorsque la pluie cesse, l'humidité du sol
décroît, et la tension monte. Lorsque la "queue" de la vague est pas¬
sée, l'humidité et la tension reprennent leur valeur initiale.
Si l'on appelle A t l'intervalle séparant le début de la
pluie au moment où le tensiomètre a réagi, on obtient une vitesse
de percolation :
V =i t
L étant la profondeur de la bougie poreuse, d'après FEODOROFF,
Si l'on a ^ tp c'est-à-dire l'Intervalle de temps allant
du début de la pluie au moment où la tension commence à baisser,
on aura la vitesse moyenne du front Vp. Si l'on a A t/ \ relatif au
sommet de la vague, on a V , FEODOROFF en déduit que l'on mesu¬
rera une "vitesse d'infiltration" si les intervalles AtÎF") ou A t(s)
sont couverts par la durée de la pluie T . Si T^ A t l'intervalle
de temps A t englobe une période d'infiltration et une période de
percolation.
La distance L considérée peut être la profondeur d'un
tensiomètre, ou la distance entre deux tensiomètres.
15 -
3
0)
Co
avant la pluie
humidité
pendant la pluie
co
c
su
0)
T3
Ü(0a10o
11
Oí ,1
Ü
i
1>
sommet
"<- front
après la pluie
sommet
front
queue
tension /h
.^"^' ,
passage du front
passage du1 sommet
-' P
ût (S)
-> temps
no 4
Représentation schématique de l'infiltration
(FEODOROFF 3)
- 16 -
L'auteur décrit ensuite différents "événements" auxquels
il applique sa théorie. Il dispose de profils hydriques observés une
fois par semaine, de données pluviométriques journalières et des
mesures de tension données par deux tensiomètres relevées journa-
lièrement. Il choisit des exemples sans déficit hydrique, et avec
déficit hydrique.
Les observations montrent que les tensiomètres réagissent
au passage de la pluie. L'eau de pluie infiltrée atteint la nappe, si
le déficit a été comblé au-dessus, FEODOROFF en déduit une vitesse
d'infiltration pour le sol étudié.
Il ressort aussi de ces expériences qu'il serait souhaitable
d'enregistrer les tensions.
- Remarques
Il est important de noter ici qu'il ne faut pas confondre vi¬
tesse d'infiltration et vitesse de transfert. Quand un tensiomètre
réagit à une pluie, cela ne signifie pas que la pluie est arrivée jus¬
qu'à lui mais que l'influence de cette pluie a été transmise, puis
ressentie par le tensiomètre. Il ne s'agit pas d'un transfert d'humi¬
dité mais d'un transfert de pression.
Nous ignorons si l'auteur l'entend bien ainsi, il semble
plutôt que lorsqu'il parle de front, il s'agisse de front de teneur
en eau, auquel cas nous restons très réservés sur cette mesure de
la "vitesse d'infiltration" . Notons aussi qu'il vaut mieux éviter le
terme "infiltration" qui a une signification différente suivant les
auteurs.
17 -
5. 2. Mesures des débits de transfert
Différents auteurs ont utilisé les tensiomètres pour le
calcul des débits de transfert. Nous citerons PRUDHOMME (9-10),
DAVIDSON et al. (2) et GIESEL et al. (5). Ces mesures sont données
par la loi de DARCY appliquée au milieu non saturé, en régime per¬
manent.
Q =
eau
s f.
ldh
dt
Q
S
h
dh
d-t
- étant le débit
- la surface à travers laquelle s'effectue l'écoulement
- la perméabilité effective à l'eau
- la viscosité de l'eau
- le poids spécifique de l'eau
- est la perte de charge par unité de longueur
Notons ici que ce raisonnement suppose que le milieu est
homogène. T' tensiomètre placé à une profondeur donnée indique la
pression de l'eau en ce point par rapport à la pression atmosphérique,
et le potentiel hydraulique de l'eau en ce point par rapport au plan de
référence.
Donc dh sera donnée par les lectures des tensiomètres
dv sera la profondeur du tensiomètre, ou la distance entre
deux tensiomètres, suivant que l'on étudiera ce qui se
passe entre la surface et un tensiomètre ou dans une tran¬
che de terrain située entre deux tensiomètres.
H
h
surface du sol
Si FIG. 5
-So
- 18 -
Supposons que l'on veuille connaître le débit de transfert
, Q ,ou la vitesse (v = -r-) toujours dans l'hypothèse que le régime est
o
permanent, dans la tranche de terrain comprise entre les plans Sj et
Le tensiomètre T^ à un mofnent donné indiquera une valeur
de charge égale à h^ Le tensiomètre T^^ donnera la valeur hz .
La différence de charge dh = h, - h.
La distance entre les deux tensiomètres est d-C = ^2, ~ 1
Si d h est positif l'écoulement se fait vers le bas si d h est
négatif l'écoulement se fait vers le haut.
En ce qui concerne les valeurs de la perméabilité effective
on sait qu'elle est fonction de la teneur en eau. On obtient la courbe
de perméabilité en fonction de la teneur en eau en laboratoire, sur
un échantillon de terrain intact que l'on aura prélevé.
Cette courbe de perméabilité a l'allure indiquée ci-dessous
FIG. 6
teneur en eau 6
Il suffira donc ensuite, connaissant la teneur en eau de la
tranche de terrain étudiée, de se reporter à la courbe pour avoir la
valeur de la perméabilité.
- 19 -
Pour connaître cette teneur en eau on a deux possibilités.
On peut, pour un échantillon intact prélevé, tracer en laboratoire la
courbe dite de "succion" que les hydrauliciens appellent courbe <f (6) .
Cette opération consiste à soumettre l'échantillon à différentes pres¬
sions et dépressions, et à mesurer le volume d'eau qui sort de l'échan¬
tillon ou qui y entre, donc d'en déduire la teneur en eau. On connaît
la teneur en eau initiale d'un échantillon intact similaire, prélevé au
même moment, et au même endroit.
Cette courbe a une allure légèrement variable suivant la na¬
ture du terrain. La courbe a, en général, une forme du type ci-dessous
pressionFIG. 7
teneur en eau
La courbe de réhumidification ne coïncide pas avec la
courbe de désaturation: on parle pour ces courbes d'hystérésis.
Donc en théorie avec cette courbe établie en laboratoire,
la courbe de perméabilité effective et les mesures tensiométriques,
on peut déterminer le débit de transfert.
En réalité, à cause de cet effet d'hystérésis dont il a été
question précédemment, il est préférable d'utiliser un autre moyen
pour déterminer la teneur en eau. Ceci est réalisé en général dans un
forage, à l'aide d'une sonde nucléaire pour mesure d'humidité.
- 20 -
On a essayé d'appliquer cette méthode aux mesures effectuées
à Mielan par la Compagnie d'Aménagement des Coteaux de Gascogne (7-8).
D'autre part DAVIDSON, STONE, NIELSON et LARUE (2) ont cal¬
culé ainsi des vitesses de transfert, mais ils utilisaient les courbes de
succion pour obtenir les teneurs en eau. Ces auteurs estiment que la
méthode fournit des valeurs correctes de la teneur en eau, pour les étu¬
des sur le terrain. Ces auteurs ont étudié trois profils de sol différents,
avec et sans evaporation, et ils ont déterminé les vitesses de transfert
à différentes profondeurs.
A Hanovre, GIESEL, LORCH, RENGER, STREBEL (5) utilisent
également le principe de cette méthode, mais avec des perfectionnements
techniques remarquables.
Les mesures de teneur en eau en place sont effectuées à l'aide
de sondes nucléaires à rayons Y . Rappelons qu'il existe deux types de
sondes pour les mesures de teneur en eau : sondes à "^ , et sondes à
neutrons. La plupart des auteurs utilisent la méthode par rétrodiffusion,
la source et le détecteur étant introduits dans le même trou. Il existe
une méthode par transmission directe : la sonde et le détecteur sont dans
deux trous différents séparés par une épaisseur connue de sol, ce qui
impose un parallélisme rigoureux des deux forages. Les allemands utili¬
sent la méthode par transmission avec une source ^ , les résultats sont
enregistrés et dépouillés sur ordinateur. L'opération se fait automatique¬
ment le long d'un profil tous les 10 cm.
Les mesures de tension en place sont effectuées à l'aide de ten¬
siomètres à manomètres à mercure. A chaque profondeur étudiée, onze
en tout, on place deux tensiomètres à 2 m de distance l'un de l'autre
pour avoir une valeur moyenne. Les lectures sont faites journalièrement.
Ces tensiomètres classiques sont remplacés maintenant par des tensio¬
mètres reliés à des capteurs de pression qui ont un pouvoir de résolution
plus grand et une sensibilité thermique plus faible. Ces mesures de ten¬
sion sont également enregistrées.
La pluviométrie et les variations de niveau de la nappe sont
enregistrées. Les résultats sont dépouillés par un ordinateur.
- 21 -
5.3. Utilisation_lors_dejpompages_d'essai
On ne dira que quelques mots de cette utilisation des tensio¬
mètres. Le département d'hydrogéologie a installé au cours de pompages
d'essai dans le Nord (bassin de la Lys), dans la vallée de l'Authion
(Maine-et-Loire), et récemment (Juin 197 0) à Bordeaux (1), des tensio¬
mètres sur le terrain. Ces tensiomètres sont implantés à de grandes
profondeurs, parfois même dans la zone saturée. Ils permettent de
suivre l'état hydrique du sol, de mesurer les pressions de l'eau.
On se propose par ces mesures d'observer comment s'opère la
désaturation de l'aquifère lors du rabattement provoqué par un pompage,
et quel est l'effet de ce rabattement sur la distribution des tensions
dans la zone non saturée initiale. On cherchera notamment à confronter
ces observations avec l'hypothèse admise par iCschéma de BOULTON :
effet du retard de dé saturation de l'aquifère (égouttement) se traduisant
par une stabilisation plus ou moins durable des niveaux piézométriques.
On donne en annexe, à titre d'exemple, les premiers résultats
obtenus dans le bassin de la Lys.
Les enseignements que l'on peut tirer de ces expérimentations
seront précisés dans les rapports se rapportant à ces opérations qui
sont en cours.
(1) Dans le cadre d'une opération de recherche entreprise pour la
D.G.R.S.T. (Action concertée EAU) sur l'évaluation du coefficient
d'emmagasinement dans le cas des nappes libres, en collaboration
avec le Centre d'hydrogéologie de l'Université de Bordeaux.
- 22 -
CONCLUSION
La tensiométrie apparaît comme une méthode de mise en oeuvre
simple, peu onéreuse si l'on n'enregistre pas les résultats. Cette méthode
peut rendre de grands services dans la détermination des tensions de l'eau
du sol, qui peuvent être reliées aux teneurs en eau, aux vitesses d'infil¬
tration, si l'on connaît les précipitations aux mesures de la perméabilité
verticale, et aux débits de transferts de l'eau dans la zone non saturée.
Les mesures sont quelquefois délicates à interpréter, c'est
pourquoi l'idéal est de mesurer le maximum de paramètres, et si possible
de s'affranchir des relevés des mesures en enregistrant toutes les données.
- 23 -
BIBLIOGRAPHIE SOMMAIRE
(1) BORDAS J. et MATHIEU G. (193 0)
Recherches sur la force de succion des sols et l'irrigation
souterraine.
(Ann. Agron. 47, 192)
(2) DAVIDSON J.M., STONE L.R., NIELSEN D.R., LARUE M.E. (1969)
Field measurement and use of soil water properties.
(Water resources research, vol. 5 n° 6, décembre 1969)
(3) FEODOROFF A., BALLIF J.L. (1969)
Etude de l'infiltration de la pluie in-situ à l'aide de
tensiomètres.
(Ann. Agron. 20 (5), 475-504)
(4) GARDNER R. (1965)
Relation of temperature to moisture tension of soil.
(Soil. Sci. 79, 4, 257-265)
(5) GIESEL W., LORCH S., RENGER M. , STREBEL O. (197 0)
Water flow calculations by means of y absorption and
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(Symposium on the use of isotopes in Hydrology, I.À.E.A.
Vienne, mars 197 0)
(6) HAISE H.R., KELLEY D.J. (1950)
Causes of diurnal fluctuations of tensiometers.
(Soil. Sci. 70, 301-313)
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Etat des études et réalisations entreprises sur le bassin
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(B.E.P. Etude des mouvements de l'eau dans les sols.
Réunion de Versailles, 27.10.1967)
- 24 -
(8) MUTIN P. (1968)
Présentation de mesures tensiométriques sur le bassin
de Mielan.
(B.E.P. Etude des mouvements de l'eau dans les sols.
Réunion de Tarbes, 12.1.1968)
(9) PRUDHOMME M. (1967)
Quelques remarques au sujet du processus d'infiltration.
(B.E.P. Etude des mouvements de l'eau dans les sols.
Réunion de Versailles , 27 . 1 0 . 1 9 67 )
(10) PRUDHOMME M. (1968)
Remarques suscitées par les résultats obtenus sur le
terrain expérimental de Mielan.
(B.E.P. Etude des mouvements de l'eau dans les sols.
Réunion de Tarbes, 12.1.1968)
(11) RICHARDS L.A. (1942)
Soilmoisture tensiometer materials and construction.
(Soil. Sci. 53, 241-248)
(12) RICHARDS L.A. et GARDNER W. (1936)
Tensiometers for measuring the capillary tension of soil
water.
(Journ. Amer. Soc. of agronomy 28, 352-358)
(13) SORMAIL L, (1969)
Quelques considérations sur l'emploi des tensiomètres.
(Fac. Se, Toulouse. Institut de Mécanique des fluides,
doc. inédit)
- 25 -
P H O T O 1
Tensiomètre "Soilmoisture"à manomètre Bourdon
P H O T O 2
Tensiomètre "Soilmoisture1
à gauche, à manomètreà mercure
- 26
ANNEXE
Observations tensiométriques faites au cours
d'un pompage d'essai de longue durée dans
le bassin de la LYS (région du Nord)
par A. LALLEMAND- BARRÉS et M. BONNET
Le S.G.R. du Nord-Pas-de-Calais a effectué un pompage d'essai
de longue durée (1) dans le bassin de la Lys (nappe de la craie). Ce pompage
a été réalisé de façon continue du 5 .9 . 69 au 7 .1 0.69 . On a mis à profit ce
pompage pour expérimenter un dispositif de tensiomètres Soilmoisture.
(Opération réalisée en collaboration par le département d'hydrogéologie et le
S.G.R. Nord-Pas-de-Calais).
1 . Dispositif expérimental
Onze tensiomètres à manomètre Bourdon étaient mis en place dans
le voisinage du puits de pompage. Les cannes des tensiomètres étaient de
trois longueurs différentes : 30 cm, 60 cm, 120 cm. Le plan d'implantation
de ces tensiomètres par rapport au puits de pompage et des piézomètres
Pg et Pg auxquels il sera fait référence dans le texte est donné sur la
figure 1 de cette annexe.
Sur les onze tensiomètres installés, six seulement ont fonctionné
pendant toute la durée de l'essai. Ce sont les tensiomètres n° 1 (30 cm),
6 (60 cm), 7 (30 cm), 8 (60 cm), 9 (120 cm), 11 (30 cm).
Les tensiomètres étaient implantés dans un limon qui recouvre la
craie aquifère très finement fissurée. Leur implantation s'est faite sans
difficulté, et le contact entre la cellule et le terrain était bon.
Avant le pompage le niveau piézométrique de la nappe était à 3 m
de profondeur,
(1) Dans le cadre d'une expérience de renforcement du débit d'étiage d'une
rivière - la Traxenne - par pompage dans la réserve (surexploitation ré¬
gulatrice), entreprise au terme d'une opération de recherche pour la
D.G.R.S.T. (action concertée EAU),
- 27 -
Pendant le pompage les lectures des tensions étaient faites au
début plusieurs fois par jour, puis tous les jours. Après l'arrêt du pom¬
page les lectures étaient faites une fois par semaine.
Pendant la durée du pompage le niveau de la nappe était mesuré
en même temps qu'on lisait les tensions.
On a porté sur un graphique les variations des tensions, du niveau
piézométrique de la nappe et la pluviométrie pendant cette période.
2. Observations sur les résultats obtenus
Dans la période comprise entre le début du pompage, soit le
6.9.69 et le 17.9.1969, le niveau piézométrique dans P., a baissé de 1 m.
Pendant la même période il a baissé de 2,25 m dans P^. P^ est situé à
environ 20 m du puits de pompage, alors que Po est distant d'environ 32 m
du puits de pompage.
Notons que pendant cette même période il n'a pas plu. On cons¬
tate que les tensions montent tandis que le niveau de la nappe baisse. Pour
les tensiomètres les moins profonds il semble qu'il faille relier cette aug¬
mentation de tension à l'absence de pluie pendant cette période, tout au
moins en majeure partie.
Plusieurs chutes de pluie se sont produites les 18,21 et 22/9/69.
Elles ont eu une influence certaine sur les tensions à faible profondeur
dont l'évolution s'est inversée, ce qui est particulièrement visible à T 7
et T 8. Mais cette influence ne semble pas s'être propagée plus profondé¬
ment : la tension à T 9 (120 cm, à 20 m du puits de pompage) a continué à
croître. Aussi n'est-il pas interdit d'attribuer cet accroissement à l'effet
de désaturation lié à la baisse du niveau piézométrique provoquée par le
pompage, d'autant plus qu'il s'est poursuivi pendant toute la durée du
pompage.
- 28 -
En l'absence de précipitations il n'est pas possible de séparer
les effets cumulés de l'assèchement du sol (action de l'évapotranspiration)
et de la dé saturation entraînée par le rabattement de la nappe, qui se tra¬
duisent par un accroissement général des tensions. L'enseignement (provi¬
soire) pouvant être tiré de ces observations est que la recherche, au moyen
de mesures tensiométriques, d'indications sur la désaturation déterminée
par un abaissement de niveau piézométrique n'est possible que si l'on peut
isoler l'effet produit sur les tensions de celui des conditions de surface.
Dans le cas étudié il semble que l'effet des conditions de surface, prédo¬
minant à faible profondeur, est par contre négligeable au-delà d'I mètre.
Les tensiomètres à manomètres Bourdon sont cependant d'une pré¬
cision médiocre, et il est préférable comme on l'a constaté depuis, d'utili¬
ser des manomètres à mercure. Par ailleurs, dans les expériences réalisées
récemment, les bougies poreuses sont placées beaucoup plus loin de la
surface et beaucoup plus près de la nappe, voire même dans la zone saturée.
B.R.G.M.
Département d'hydrogéologie - 29 -
Pompage d'essai de la Traxenne (bassin de la Lys)
Mesures tensiométriques
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PLAN D'IMPLANTATION DU DISPOSITIF
Echelle (approximative)
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Légende
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" tensiomètre à Bourdon
(longueur 12" # 3 0 cm)
A idem - longueur 24 " (60 cm)
a idem - longueur 48 " (120 cm)
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