TP DE TERRAIN L3 STE STE35T - PHYSIQUE DU SOL

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Marguerite Bastien
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1 TP DE TERRAIN L3 STE STE35T - PHYSIQUE DU SOL 3 ATELIERS EN SOUS-GROUPES DE 3 OU 4 : - Densité apparente et teneur en eau gravimétrique - Teneur en eau par TDR + tensiométrie - Infiltrométrie (9h-10h45 / 10h45-12h30 / 14h15-16h00)

4 Sols non saturés Porosité : n = V v / V : en général entre 20 et 70 % Masse volumique apparente sèche : ρ d = M s / V : en général entre 800 et 2000 kg/m3 Densité apparente sèche : ρ d / ρ eau : 0.8 à 2 environ (dry bulk density) Masse volumique de solide : ρ S = M s / V s : en général 2650 kg/m3 : densité = 2.65

5 Sols non saturés : teneur en eau Teneur en eau "pondérale" : W = M w / M s (en g/g) on dit aussi teneur en eau "gravimétrique" se mesure par pesée avant/après séchage, donc avec tous les échantillons, remaniés ou non. Teneur en eau "volumique" : θ = V w / V (en cm3/cm3) comprise entre presque 0 (sol sec) et la porosité (sol saturé) se mesure par pesée avant/après séchage sur les échantillons non remaniés (cylindre).

6 Sols saturés / non saturés : teneur en eau Relations importantes : θ = W x ρ d / ρ eau n = 1 - ρ d / ρ s

7 Méthodes de mesure de θ Méthode directe (référence) : - Pesée avant/après séchage sur éch. non remanié. Méthodes indirectes : - Comptage neutronique (ex : Campbell Pacific Nuclear, Troxler) - TDR = Time Domain Reflectometry (ex : Soil Moisture, Trase) - Sonde capacitive (ex : Sentek Diviner / Enviroscan) - par satellite micro-ondes (SMOS) Toutes les méthodes indirectes nécessitent un étalonnage.

8 n tdr n tdr tdr cap cap cap cap cap

9 Comptage neutronique Fondée sur l'interaction de neutrons à haute énergie avec les constituants du sol. Source radioactive Americium - Beryllium activité faible (qq mcu) 233 ans de demi vie Neutrons à haute Ec (qq MeV) : collisions avec H (les plus efficaces) Détecteur de neutrons ralentis : comptage N

10 Comptage neutronique : sphère d'influence Zone de mesure = sphère de 5 à 20 cm de rayon, dépendant de l'humidité : - sol humide : sphère petite - sol sec : sphère grande

11 Comptage neutronique Nécessite un tube d'accès, généralement en aluminium ou un matériau sans hydrogène (pas de PVC) On peut aller à + de 5 mètres de profondeur

Sonde à neutrons : étalonnage Etalonnage sur site : - échantillons tarière (W), à l'installation - échantillons au cylindre (θ), ultérieurement - il faut des conditions contrastées

12 Sonde à neutrons : étalonnage Etalonnage sur site : - échantillons tarière (W), à l'installation - échantillons au cylindre (θ), ultérieurement - il faut des conditions contrastées Relation LINEAIRE : θ = a n + b avec n = N / Ns : comptage réduit Ns = comptage en milieu absorbant Le constructeur propose son propre étalonnage : l'appareil indique N et aussi θ. Méfiance

13 ex : profils et calculs de stock hydrique Teneur en eau θ Z (cm) Evolution du stock hydrique Stock (mm) juil-01 sept-01 nov-01 janv-02 mars-02 mai-02 juil-02 Mise en évidence de sites plus secs ou plus humides

14 Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons 10 cm theta (cm3/cm3) comptage réduit n On fait un étalonnage séparé à 10 et à 20 cm de profondeur à cause de l'influence des neutrons perdus à la surface.

15 Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons 20 cm theta (cm3/cm3) comptage réduit n

16 Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons >30 cm theta (cm3/cm3) comptage réduit n

h = (p_eau p_atm) / ρ g ( ρ g = 10 4 ) Tension superficielle : attraction en surface σ = 0.

17 Potentiel matriciel h Le potentiel matriciel ou potentiel hydrique est la pression de l'eau du sol exprimée en mètres. h = (p_eau p_atm) / ρ g ( ρ g = 10 4 ) Tension superficielle : attraction en surface σ = N/m à 20 C Tige cylindrique Capillarité : illustration par le tube capillaire Forces de tens. sup. = Poids 2 π r σ = ρ g π r 2 x x = 2σ / ρ g r Similitude sol : + les pores sont petits + la capillarité est forte

Potentiel matriciel h Interprétation en pressions : pb = p_atmos pa = pb : surface libre pc p_atmos : ménisque pa pc = ρ g x (loi de l'hydrostatique) = 2 σ / r = pression capillaire ρ g h = p_eau

18 Potentiel matriciel h Interprétation en pressions : pb = p_atmos pa = pb : surface libre pc p_atmos : ménisque pa pc = ρ g x (loi de l'hydrostatique) = 2 σ / r = pression capillaire ρ g h = p_eau p_atmos = - 2 σ / r h < 0 dans un sol non saturé Ψ = -h = SUCCION (>0) Pour chaque pression d'eau, on calcule ainsi un rayon limite r lim tel que : - les pores de r < r lim sont pleins d'eau - les pores de r > r lim sont pleins d'air C'est la rétention

19 Potentiel matriciel h : mesure h se mesure avec un tensiomètre en zone non saturée (et avec un piézomètre en zone saturée) un tensiomètre : - une bougie poreuse (céramique) toujours saturée en eau, étanche à l'air ; - une conduite rigide, étanche ; - une mesure de pression (capteur, mercure, ) La céramique reste saturée jusqu'à 10 m (gamme du tensiomètre) à cause de la finesse de ses pores

20 Potentiel matriciel h : mesure Principe essentiel : maintenir le contact hydraulique depuis l'eau du sol jusqu'au capteur. Il faut donc une tarière de la taille de la bougie et fourrer généreusement l'espace libre avec de la boue argileuse pendant l'installation. Cette boue ne fausse pas la mesure continuité de la pression Le tensiomètre fonctionne bien jusqu'à 8 m environ, au-delà, il "décroche" (l'eau dégaze, cavitation). Pour des mesures à succion plus élevée : Watermark

21 Potentiel matriciel h : mesure

22 Relation h(θ) : courbe de rétention Détermination au champ, en séparant les profondeurs :

23 Bilan hydrique : 3 cas typiques 1. Juste après la pluie 2. En saison sèche 3. Intermédiaire

24 Infiltrométrie Conductivité hydraulique : K loi de Darcy : Flux (q = Q/S) = - K Grad H soit sur la verticale : q = - K ( H / z)

25 Infiltrométrie I = volume infiltré p.u. surface ; q = di / dt sous succion (h 0 < 0) sous charge (h 0 > 0) CONDITION LIMITE EN PRESSION, PAS EN FLUX!!

26 Infiltrométrie / équation de Philip

27 Infiltrométrie / équation de Philip

28 Infiltrométrie à disques A la surface du sol : h 0 = h 2 - h 1 h 0 < 0 : non saturation typ : -20 cm < h0 < 0 Non destruction de la surface + non activation des fissures : un pore est actif si R P < R = - 2 σ / (ρ g h)

29 Infiltrométrie Analyse des résultats : équation de Wooding (1968) : q_stab = K(h 0 ) + 4 Φ 0 / (π R) avec Φ 0 = 0.55 S 2 / θ et R = rayon du disque (terme latéral) On détermine K 0 et Φ 0 si on dispose de deux rayons de disque et que l'on moyenne plusieurs répétitions Exemple : 7.E-04 flux (cm/h) 6.E-04 5.E-04 4.E-04 3.E-04 2.E-04 1.E-04 Série1 Série2 Série3 Série4 Série5 Série6 0.E / R (cm-1)

30 Infiltrométrie

31 TDR (Merci à J-Paul Laurent pour tous les documents sur la TDR)

32 TDR

33 TDR

34 TDR

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