5. Infiltration et écoulements

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1 5. Infiltration et écoulements 5.1. Définitions et paramètres descriptifs de l infiltration 5.2. Facteurs influençant l infiltration 5.3. Variation du taux d infiltration au cours d une averse 5.4. Modélisation du processus d infiltration 5.5. Les différents types d écoulements 1

2 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 Caractéristiques hydrodynamiques des sols (texture, structure) Conditions initiales (humidité) et débit d alimentation (intensité de la pluie, irrigation ) 2

3 5.1. Paramètres descriptifs de l infiltration Taux d infiltration = flux d eau pénétrant dans le sol, noté i (mm/h) Infiltration cumulative = volume total d eau infiltrée pendant une période donnée, notée I(t) (mm) t I (t ) = i(t ) * dt t = t0 3

4 5.1. Définitions et paramètres descriptifs de l infiltration La conductivité hydraulique à saturation Ks = valeur limite du taux d infiltration si le sol est saturé et homogène. t I (t ) = i(t ) * dt t = t0 4

5 5.1. Définitions et paramètres descriptifs de l infiltration La capacité d infiltration = flux d eau maximal que le sol est capable d absorber à travers sa surface, lorsqu il reçoit une pluie efficace ou s il est recouvert d eau La percolation = écoulement dans le sol en direction de la nappe Pluie nette = quantité de pluie qui ruisselle lors d une averse Temps de submersion : d autant plus court que l intensité de la pluie est grande et que l humidité du sol initiale est importante 5

6 5.2. Facteurs influençant l infiltration Le type de sol (structure, texture, porosité) La compaction de la surface du sol La couverture du sol La topographie et la morphologie Le débit d alimentation (intensité des précipitations, débit d irrigation) La teneur en eau initiale du sol 6

7 Fermeture progressive d un sol sous l impact des gouttes de pluie et formation de croûtes Boiffin,

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9 Les capacités d infiltration des états de surface : Gamme d infiltration mm/h Capacité d infiltration Travaillé sans croûte cailloux 27 à à 31 Très forte Forte Travaillé avec croûte 15 à 27 Forte Sol nu avec croûte Végétation herbacée litière 11 à à 24 5 à 13 Moyenne à forte Moyenne Très faible à faible Exemple expérimentations conduites en milieu viticole méditerranéen, Moyenne vallée de l Hérault 9

10 5.3. Variation du taux d infiltration au cours d une averse Le profil d infiltration ou le profil hydrique = représentant la distribution verticale des teneurs en eau dans le sol, à différents instants donnés. 10

11 Evaluation quantitative de l infiltration méthodes empiriques P(t) t Hauteur d eau fixe s infiltre dans le sol Méthode 1 Coefficient d abattement ou de réduction proportionnel à l intensité des précipitations Méthode 2 Après une période initiale durant laquelle la totalité de la précipitation s infiltre à concurrence d une hauteur déterminée, la lame de ruissellement est déterminée par soustraction d une hauteur constante et application d un Abattement aux excedents Méthodes

12 Evaluation quantitative de l infiltration Eq. empirique equation de Horton décroissance logarithmique de l infiltrabilité entre des Valeurs limites d infiltrabilité initiale i0 et finale if Eq. Semi-empiriques equation de Green et Ampt application de la Loi de Darcy en considérant des Hypothèses fortes sur l évolution du profil d humidité dans le sol Eq. Physiques equation de Richard équation aux dérivées partielles, fortement non linéaire Méthodes de résolution numérique 12

13 Valeurs typiques des paramètres de la formulation d infiltration de Horton (Skaggs et Khaleel, 1982, in Anctil et al, 2006) Type de sol h0 (mm/h) hf (mm/h) β (mm-1) Sol nu à Agricole avec tourbe à Tourbe à Sable fin nu à Argile avec tourbe à

14 5.5. Les différents types d écoulements Ecoulements de surface Ecoulements de subsurface Ecoulements souterrains 14

15 5.5. Les différents types d écoulements Les différentes composantes de l écoulement dans le cas d une averse uniforme dans le temps et dans l espace 15

16 Genèse du ruissellement Par dépassement de la capacité d infiltration Ruissellement Hortonien Ruissellement produit par une partie de la pluie sur tout le bassin versant Sur surfaces saturées Ruissellement produit par la totalité de la pluie tombant Sur une zone imperméable ou saturée, dont l étendue 16 Varie avec le niveau moyen de la nappe phreatique

17 Ruissellement par dépassement d un seuil de saturation Lorsque le sol est déjà saturé, l infiltration de l eau n est plus possible, puisque toute la porosité est occupée. - Affleurement de la nappe phréatique ou - de nappes «perchées» temporaires Dans le bassin de la Somme, la nappe ne se limite pas au fond de vallon, mais occupe De façon homogène L ensemble du bassin. Si les pluies sont Abondantes et cette Nappe assez peu Profonde, son Affleurement peut Se produire sur des Grandes surfaces 17 Cosandey et al, 2003

18 Ruissellement par dépassement d un seuil de saturation Affleurement des nappes «perchées» temporaires a) En substrat sédimentaire, lorsqu un niveau plus argileux limite l infiltration en profondeur b) En région de grande culture, lorsqu une semelle de labour, résultant du compactage du sol par le poids des engins agricoles, bloque l infiltration en profondeur de l eau qui a traversé la tranche labourée Toute la pluie s infiltre Le toit de la nappe perchée a atteint la Surface du sol 18 Cosandey et al, 2003

19 Ruissellement par dépassement d un seuil de saturation Affleurement des nappes «perchées» temporaires c) En région de massif ancien, le manteau d altérités est peu épais surtout en haut de versant et la roche mère, imperméable, se situe à faible profondeur. Des pluies suffisamment abondantes peuvent provoquer la formation de nappes percées 19 Cosandey et al, 2003

20 Du ruissellement sur les versants aux écoulements de crue Des travaux géochimiques ont montré que l eau qui s écoule est majoritairement de l eau déjà présente dans le bassin avant la pluie L eau qui tombe sur les versants s infiltre jusqu à la nappe, ce qui remonte son niveau et donc sa surface d affleurement. Toute l eau qui tombe sur cette surface saturée contribue À l écoulement de crue par ruissellement, par transmission de pression dans la nappe et exfiltration rapide dans le cours d eau Décomposition D un hydrogramme De crue (crue du 26 octobre 1981, Bassin de la Solenzara, Corse) Loye-Pilot,

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22 de plus, elle dépend de : conditions topographiques de détail, organisation du réseau des haies et de chemins 22