prof. xanthoulis dimitri unité d’hydrologie et hydraulique agricole … · physique du sol prof....

Physique du sol

Prof. Xanthoulis Dimitri

Unité d’Hydrologie et Hydraulique agricole FUSAGX

Physique du sol

Ref: Prof. MERMOUD (EPFL)Ref: Prof. MUZY (EPFL)Ref: Prof. DAUTREBANDE (FUSAGX)

Physique du sol

Science qui étudie l’état et le mouvement de matière et d’énergie dans le sol

Matière: eau, solutés, substances chimiques, gaz,…Energie: chaleur

ObjectifsCompréhension et modélisation des processus qui se déroulent dans le solFourniture des bases nécessaires à la mise en œuvre des techniques de génie rural, de protection des sols et de sauvegarde des eaux souterraines

APPLICATIONS DE LAPHYSIQUE DU SOL

Sauvegarde des eaux souterrainesPollution (fertilisants, pesticides, sels, métaux lourds,…)Réalimentation (recharge)

Captage des eaux souterrainesQuantité d’eau extractibleDébit de pompage

Protection et amélioration des solsErosionDégradation (contamination, salinisation, dégradation de la structure,…)

Techniques d’hydraulique agricoleIrrigationDrainage

etc …

Le stock au niveau planétaire: en 1015 m³

Océans : 1350

Glaciers: 25

Eaux souterraines: 9,4

Lacs et rivières: 0,2

Humidité du sol: 0,016

= stock de la zone racinaire

Atmosphère: 0,013

Eau biologique: 0,001

mportance ntitative du stock

au dans la zone racines est faible

échelle du globe

Transfert

« quantité »

Interface sol-air C

ours d’eau, égouts, plans d’eau

Zone racinaire

ETr

PLUIES, ETP,

apports anthropiques

Production eau de ruissellement et d’infiltration

Infiltration

Production et

Transfert eaux

Hypodermiques rapides

Surface bassin versant

Transfert des eaux de

Surface (ruissellement)

+Hypodermiques rapides

Nappe de base

Production et Transfert eaux Hypodermiques lentes

Zone non saturée

Géologique

Perc

olat

ion

Perc

olat

ion

Le cycle de l’eau

Importance quantitative du stockd’eau dans cette zone est faible maisLe mouvement de mouvement de ll’’eaueau dans la zone des racines des plantes est une des composantes composantes essentiellesessentielles de la dynamique du cycle de l’eau

Phase solide (matrice du sol)

Eléments minéraux: particules de taille et de forme diverses.- éléments grossiers (> 2mm)- terre fine (< 2 mm); argile (< 2 μm)- Analyse granulométrique

Eléments organiques: débris végétaux ou animaux en état de décomposition plus ou moins avancée.

Triangle des texturesFigure II.2b

Classification belge Classification USA

Relation texture - K

K=8.10-6 m/sT=60 min/cm

K=6.10-5 m/sT=45 min/cm

K=2.10-4 m/sT=25 min/cm

K=4.10-4 m/sT=15 min/cm

K=1.10-3 m/sT=10 min/cm

K=4.10-3 m/sT=4 min/cm

K=1.10-2 m/sT=1.5 min/cm

Phase liquide

Composé d’eau et d’éléments dissous :Sels minéraux, composés organiques et gaz.

Anions prédominants : NO3 -, HCO3 -, CO3 --, PO4--, Cl- and SO4 – (spécialement en zones arides)Cations prédominants : Ca++, Mg++, K+, Na+, NH4+

Matière organique dissouteGaz dissousFertilisants, pesticides, etc…

Zone saturée – zone non saturéeΨ = Potentiel capillaire

= Succion capillaire

= Hauteur de succion

Ψ > 0

Ψ = 0

Ψ < 0

1 : Profil au point de flétrissement, 2 : Profil limite d’assèchement (prairie)3 : Profil à la capacité au champ4 : Profil à la saturation

Les profils d’humidité caractéristiques

Nappe surmontée d’un Sol non saturé

Z=0θTeneur en eau volumétrique

θFC θsSurface du sol

Zone contenant de l’eau gravitaire

Zone d’eau retenue par les forces de capillarité

Epaisseur de la frange capillaire

Surface de la nappe

Ψ = 0

Eau capillaire

Profil d’humidité en ns; pression interstitielle < àpression atmosphérique

Eau gravitaireEau de capillarité

NappeZ

Principaux termes du bilan hydrique (du point de vue du sol)

Infiltration

Redistribution

Percolation

Remontée capillaire

Evapotranspiration

}Humidité du sol

Termes du bilan hydrique

infiltrationévapotranspiration,…

L’humidité du sol va conditionner les transferts hydriques

redistribution percolation (recharge des aquifères) remontée capillaire

RU



EU (%)= θFC - θWP

RU (mm) = Z. (θFC - θWP)

Caractéristiques hydrodynamiques de quelques sols

Sol Texture Humidité pondérale (%)

Eau Utilecapacité au champ θFC

point de flétrissement

θWP θFC - θWP

argileux fine 43 30 13

argilo-limoneux fine 31 22 9

limoneux moyenne 17 7 10

sablo-argileux moyenne 12 4 8

sableux grossière 4 1 3

RU

RFU = y*RU = dose d’irrigation

y dépend de la plante




Culture (Z) (m) Fraction Y RFU en mm/m ou (% Vol . 10)

1/ fin moyen grossier

Alfalfa 1.0 - 2.0 0,55 110 75 35Banana 0.5 - 0.9 0,35 70 50 20Barley 2/ 1.0 - 1.5 0,55 110 75 35Beans 2/ 0.5 - 0.7 0,45 90 65 30Beets 0.6 - 1.0 0,5 100 70 35Cabbage 0.4 - 0.5 0,45 90 65 30Carrots 0.5 - 1.0 0,35 70 50 20Celery 0.3 - 0.5 0,2 40 25 10Citrus 1.2 - 1.5 0,5 100 70 30Clover 0.6 - 0.9 0,35 70 50 20Cacao 0,2 40 30 15

Cotton 1.0 - 1.7 0.65* 130 90* 40Cucumber 0.7 - 1.2 0,5 100 70 30

Vérification d’un potentiel de capillarité en sols non saturés : le tensiomètre

Membrane poreuse

Manomètre(eau - mercure)Tube

transparent

mercure

Z1

Z2

Plan de référence

indications fidèles de l'évolution de la pression interstitielle du sol

inertie de la réponse du tensiomètre (temps de réponse)

condition non respectée lors d’une pluie ou irrigation

condition respectée en condition d’assèchement (avertissement àl’irrigation)

z – ψ = z + p/δ =hZ0

z + p/δ =constante (entre manomètre et bougie)

Vérification d’un potentiel de capillarité en sols non saturés

z – ψ = z + p/δ =h (hauteur piézométrique)

Evolution des profils de hauteurs piézométriques en sol limoneux (Gembloux) du 8/06 au 10/07

relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pF

mesure la teneur en humidité d'équilibre d'un sol placé sur une plaque poreuse et soumis à différentes tensions Après établissement de l'équilibre, on mesure la teneur en humidité θ de l'échantillon point par point, et on établit le diagramme ψ(θ) la courbe ψ(θ) présente un hystérésis, la relation étant différente selon que les tensions successives vont en croissant ou en décroissant

Drainage

pF

θ

humectation


Mesure par l'appareil de Richards


Pression(cm) Pf

Poids humide

brut

Poids humide

Teneur eneau

pondérale

Teneur en eau

volumétrique

10 1,0 256,8 188,4 24,9 37,6

40 1,6 256,6 188,4 24,9 37,6

70 1,8 255,3 187,2 24,1 36,4

100 2,0 255,3 187,3 24,2 36,5

300 2,5 250,5 182,5 21,0 31,7

700 2,8 245,1 177,1 17,4 26,3

1000 3,0 243,1 175,1 16,1 24,3

5000 3,7 237,8 169,8 12,6 19

15000 4,2 235,8 167,8 11,3 17

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

Teneur en eau pondérale

pF

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Teneur en eau volumétrique

pF

Courbes pF

4.2

θvo

l

2.0

SolLimoneux

Sol limono-argileux

pF

Sol sableux

Figure III.13a. Exemples de courbes de rétention en eau (courbes de pF)= teneur en eau et pF à la capacité de rétention (capacité au champ) (field capacity)= teneur en eau et pF au point de flétrissement (wilting point)

Sol sableux : faible porositétotale, faible capacité de rétention et faible « eau utile » ;Sol limoneux : bonne porositétotale, bonne capacité, « eau utile élevéeSol limono-argileux : porositétotale élevée, capacité de rétention élevée, eau utile moindre que le sol limoneux.

Courbes pF

Tension de succion selon la texture du sol, d'après Duchaufour


méga = porosité (trous de vers, racines, fissures) DEC > 300µm;

macro = macro-porosité : 30 µm < DEC < 300 µm; 1 < pF < 2

méso = méso-porosité < 0,1 µm < DEC < 30 µm; 2 < pF < 4,2

micro = micro-porosité DEC < 0,1 µm; pF > 4,2

DEC = diamètre équivalent de pore cylindrique.

Mesure de la teneur en eaudes sols

Mesure directe (labo): méthode gravimétriqueMesure indirecte (terrain):

Méthode nucléaire (sonde à neutrons –n’est plus utilisée)Méthode diélectrique (TDR)Tensiomètres


Mesure directe (labo): méthode gravimétrique

La méthode de référenceElle sert à l'étalonnage des autres méthodesPesée avant et après passage à l’étuve à105°C pendant 24heures (teneur en eau pondérale)


Mesure indirecte (terrain): Méthode diélectrique (TDR Réflectométrie en Domaine Temporel )Le principe de base :

repose sur la détermination de la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques le long d’une sonde enfoncée dans le sol. Vitesse propagation = f(constante diélectrique)

80=eauueDiélectriqCtesolueDiélectriqCte

TDR

Mesure sur une zone limitée

Mesure de la teneur en eau volumique

TDR – mesure d’un profil

Mesure d’un profil d’humidité

Mesure de la teneur en eau volumique

TDR en place

Mesure de la teneur en eaudes sols (tensiomètre)

Manomètre(eau - mercure)Tube

transparent

Membrane poreuse

mercure

Z1

Z2

Plan de référence

Méthode tensiométrique

Méthode tensiométriqueWatermark


Mesure indirecte (terrain): TensiomètresExemple du Watermark

chambre supérieure renferme deux parties métalliques,constituant un dipôle + matériau saturé en gypse dont on mesure l’impédance (liée àla teneur en eau)

Bloc de gypse

Sable


Mesure indirecte (terrain): TensiomètresExemple du Watermark

Bonne corrélation entre le pourcentage d’épuisement de la réserve utile en fonction de la tension de l’eau dusol mesurée par les sondes watermark sur des parcelles de blé chez des agriculteurs.

Ref: B. Ben NounaProjet INCO-WADEMED

SYSTEMES LYSIMETRIQUES

1. Système ouvert 2. Système fermé

2. Bougie poreuse

Avantages et inconvénients des différents sytèmesSYSTEMES

OUVERT

FERME

BOUGIE POREUSE

AVANTAGES INCONVENIENTS

- Mesure directe des vol et conc.

- Calcul des bilans

- Loudeur de mise en œuvre

- Gêne dans les pratiques agricoles

- Conservation de la structure du sol

- Pas de gêne pour les pratiques agricoles

- ! Info de concentration

- Bilans directs difficiles

- Prob vol drainés/qtés less.

- Perturbation du site minimale

- Pas de gêne pour les pratiques agricoles

- Nécessité de répétitions

- Gd soin à la mise en œuvre / fragilité/ remplacements difficiles

- ! Mesures de conc.

1. Type remanié

2. Type non remanié

Demi ceinture 10cm ht

Tuyaux drainant en inox, avec pointe inox, perforation 0,6 cm

30 cm Diamètre 1’

1,5 m Ht totale

10 cm

Rayon = 56 cm

Renforts latéraux

Installation Remanié

Installation Non Remanié

Installation Chambres de visite

Les lysimètres

Substrat imperméable

INFILTR

ATIO

N

Pluie

PERC

OLATIO

N

Eau pelliculaireEau

capillaireEau gravifique

Zone d’évapo-transpiration

Frange capillaire

Couche Aquifère

Surface hydrostatiqu

eΨ = 0

Zone d’aérationZone de saturation

Zone des eaux soutenues

Zone des eaux suspendues(eau + air)

Schéma de la répartition de l’eau dans le sol et le sous-sol

Batterie de lysimètres en Tunisie

L’infiltration

L'infiltration qualifie le transfert de l'eau à travers les couches superficielles du sol, lorsque celui-ci reçoit une averse ou s'il est exposé à une submersion. L'infiltration influence

de nombreux aspects de l'hydrologie, du génie ruralde l'hydrogéologie.

∫ ==t

ttdttiZ

0

)(

L’Infiltration et Infiltration cumulative au cours du temps

Temps [h]

Z = Volume infiltrécumulé [mm]

i

Z

I = vitesse d’infiltration [mm/h]

Conductivitéhydraulique à saturation (if)

Type de sol i0 (mm/h) if (mm/h)

Sable, silt 250 12 – 8

Limon sableux 200 8 – 4

Limon argileux 130 4 – 1

Argile, sols salins 75 1 – 0

L’infiltrationLe régime d'infiltration i(t), (ou taux d'infiltration), désigne le flux d'eau pénétrant dans le sol en surface. Il est généralement exprimé en mm/h. Le régime d'infiltration dépend

Le type de sol (structure, texture, porosité) –influence les forces de capillarité et d'adsorption sur les forces de succion.

La compaction de la surface du sol due à l'impact des gouttes de pluie (battance) À l'utilisation de lourdes machines agricoles

La couverture du sol - La végétation influence positivement l'infiltration Ralentissement de l'écoulement de l'eau à la surface, le système radiculaire améliore la perméabilité du solle feuillage protège le sol de l'impact de la pluie (diminue le phénomène de battance)

La topographie - La pente agit à l'opposé de la végétation. Une forte pente favorise les écoulements au dépend de l'infiltration.Le débit d'alimentation (intensité de la précipitation, débit d'irrigation).La teneur en eau initiale du sol (conditions antécédentes d'humidité) - Les forces de succion sont aussi fonction du taux d'humidité du sol.

Double anneau

Modélisation du processus d'infiltration

une approche basée sur des relations empiriques, à 2, 3 ou 4 paramètres,

La formule de Horton La formule de Kostiakov

une approche à base physiqueLe modèle de Philip Le modèle de Green et Ampt

La formule de Horton (3 paramètres)

tff eiiiti .

0 ).()( γ−−+=i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h],io : capacité d'infiltration respectivement initiale dépendant surtout du type de sol [mm/h],if : capacité d'infiltration finale [mm/h],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],γ : constante empirique, fonction de la nature du sol [min-1].

L'utilisation de ce type d'équation, quoique répandue, reste limitée, car la détermination des paramètres, i0, if, et γ présente certaines difficultés pratiques.

Temps [h]

i

i = [mm/h]

if

La formule de Kostiakov(3 paramètres)

oa ftkati += − )1(..)(

i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h],fo : capacité d'infiltration finale [mm/h],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],a, k: constantes empiriques, fonction de la nature du sol.

Equation beaucoup utilisée en irrigation. Fonction non linéaire.

Temps [h]

i

i = [mm/h]

fo

Le modèle de Philip (2 paramètres)

Atsti += − 5.0.21)(

i(t) : capacité d'infiltration au temps t [cm/s],t : temps écoulé depuis le début de l'averse [h],s : sorptivité [cm.s-0,5]A : composante gravitaire fonction de la conductivité

hydraulique à saturation [cm/s]

La sorptivité représente la capacité d'un sol à absorber l'eau lorsque l'écoulement se produit uniquement sous l'action du gradient de pression. La sorptivité est définie par la lame infiltrée en écoulement horizontal.

Temps [h]

i

i = [mm/h]

A

Le modèle de Philip (2 paramètres)

Atsti += − 5.0.21)(

Classes texturales So [cm s-1/2] A [cm s-1]

Sable grossier 1,7.10-1 1,3.10-3

Sable fin 7,3.10-2 3,5.10-4

Limon sableux 6,5.10-2 2,1.10-4

Silt limoneux 4,9.10-2 6,2.10-5

Limon 4,0.10-2 4,6.10-5

Limon sablo-argileux 6,5.10-2 1,9.10-4

Limon silto-argileux 2,1.10-2 1,4.10-5

Limon argileux 1,6.10-2 8,8.10-6

Argile légère 3,6.10-2 3,4.10-5

Argile limoneuse 1,4.10-2 9,8.10-6

Argile lourde 6,5.10-3 1,7.10-6

Tourbe 2,5.10-2 2,2.10-6

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00 1

θθiss

θi = teneur en eau initiale

θ0 = teneur en eau de surface

Le modèle de Green et Ampt(2 paramètres)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=

)(1)( 0

tZhh

Ktif

fs

Ks : conductivité hydraulique à saturation [mm/h]h0 : charge de pression en surface [mm]hf : charge de pression au front d'humidification [mm]zf : profondeur atteinte par le front d'humidification [mm]

Méthode empirique puisqu'elle nécessite la détermination expérimentale de la valeur de la charge de pression au front d'humidification.

prof. xanthoulis dimitri unité d’hydrologie et hydraulique agricole … · physique du sol prof....

Documents