Prof. Xanthoulis Dimitri Unité d’Hydrologie et Hydraulique agricole … · Physique du sol Prof....
Transcript of 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
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
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
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
Les profils d’humidité caractéristiques
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
relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pF
Mesure par l'appareil de Richards
relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pF
relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pF
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
relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pF
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 de la teneur en eaudes sols
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 de la teneur en eaudes sols
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 tensiométrique
Méthode tensiométriqueWatermark
Mesure de la teneur en eaudes sols
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 de la teneur en eaudes sols
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.