Physique du sol. Prof. Xanthoulis Dimitri. Unité d Hydrologie et Hydraulique agricole FUSAGX

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1 Physique du sol Prof. Xanthoulis Dimitri Unité d Hydrologie et Hydraulique agricole FUSAGX

2 Physique du sol Ref: Prof. MERMOUD (EPFL) Ref: Prof. MUZY (EPFL) Ref: Prof. DAUTREBANDE (FUSAGX)

3 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 Objectifs Compréhension et modélisation des processus qui se déroulent dans le sol Fourniture des bases nécessaires à la mise en œuvre des techniques de génie rural, de protection des sols et de sauvegarde des eaux souterraines

4 APPLICATIONS DE LA PHYSIQUE DU SOL Sauvegarde des eaux souterraines Pollution (fertilisants, pesticides, sels, métaux lourds, ) Réalimentation (recharge) Captage des eaux souterraines Quantité d eau extractible Débit de pompage Protection et amélioration des sols Erosion Dégradation (contamination, salinisation, dégradation de la structure, ) Techniques d hydraulique agricole Irrigation Drainage etc

5 Le stock au niveau planétaire: en m³ Océans : 1350 Glaciers: 25 Eaux souterraines: 9,4 Lacs et rivières: 0,2 Humidité du sol: 0,016 portance titative du stock u dans la zone acines est faible helle du globe = stock de la zone racinaire Atmosphère: 0,013 Eau biologique: 0,001

6 Le cycle de l eau PLUIES, ETP, ETr apports anthropiques Importance quantitative du stock d eau dans cette zone est faible mais Le mouvement de l eau dans la zone des racines des plantes est une des composantes essentielles de la dynamique du cycle de l eau Interface sol-air Zone racinaire Zone non saturée Géologique Infiltration Percolation Percolation Production eau de ruissellement et d infiltration Production et Transfert eaux Hypodermiques rapides Surface bassin versant Transfert des eaux de Surface (ruissellement) + Hypodermiques rapides Production et Transfert eaux Hypodermiques lentes Cours d eau, égouts, plans d eau Transfert «quantité» Nappe de base

7 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.

8 Figure II.2b Triangle des textures Classification belge Classification USA

9 Relation texture - K K= m/s T=60 min/cm K= m/s T=45 min/cm K= m/s T=25 min/cm K= m/s T=15 min/cm K= m/s T=10 min/cm K= m/s T=4 min/cm K= m/s T=1.5 min/cm

10 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 dissoute Gaz dissous Fertilisants, pesticides, etc

11 Zone saturée zone non saturée Ψ = Potentiel capillaire = Succion capillaire = Hauteur de succion Ψ < 0 Ψ = 0 Ψ > 0

12 Les profils d humidité caractéristiques 1 : Profil au point de flétrissement, 2 : Profil limite d assèchement (prairie) 3 : Profil à la capacité au champ 4 : Profil à la saturation

13 Nappe surmontée d un Sol non saturé Z=0 Surface du sol Eau capillaire θ FC θ s θ Teneur en eau volumétrique Zone d eau retenue par les forces de capillarité Profil d humidité en ns; pression interstitielle < à pression atmosphérique Epaisseur de la frange capillaire Surface de la nappe Ψ = 0 Zone contenant de l eau gravitaire Eau de capillarité Eau gravitaire Z Nappe

14 Principaux termes du bilan hydrique (du point de vue du sol) Infiltration Redistribution Percolation Remontée capillaire Evapotranspiration } Humidité du sol

15 Termes du bilan hydrique infiltration évapotranspiration, L humidité du sol va conditionner les transferts hydriques redistribution percolation (recharge des aquifères) remontée capillaire

16 Les profils d humidité caractéristiques EU (%)= θ FC - θ WP RU (mm) = Z. (θ FC - θ WP ) RU 1 : Profil au point de flétrissement, 2 : Profil limite d assèchement (prairie) 3 : Profil à la capacité au champ 4 : Profil à la saturation

17 Caractéristiques hydrodynamiques de quelques sols Sol Texture Humidité pondérale (%) capacité au champ θfc point de flétrissement θwp Eau Utile θfc - θwp argileux fine argilo-limoneux fine limoneux moyenne sablo-argileux moyenne sableux grossière 4 1 3

18 Les profils d humidité caractéristiques 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 champ 4 : Profil à la saturation

19 Les profils d humidité caractéristiques Culture (Z) (m) Fraction Y RFU en mm/m ou (% Vol. 10) 1/ fin moyen grossier Alfalfa , Banana , Barley 2/ , Beans 2/ , Beets , Cabbage , Carrots , Celery , Citrus , Clover , Cacao 0, Cotton * * 40 Cucumber ,

20 Vérification d un potentiel de capillarité en sols non saturés : le tensiomètre indications fidèles de l'évolution de la pression interstitielle du sol Tube transparent Z 2 Manomètre (eau - mercure) inertie de la réponse du tensiomètre (temps de réponse) condition non respectée lors d une pluie ou irrigation Z 1 condition respectée en condition d assèchement (avertissement à l irrigation) mercure z + p/δ =constante (entre manomètre et bougie) Membrane poreuse Z 0 Plan de référence z ψ = z + p/δ =h

21 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

22 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 pf Drainage humectation θ

23 relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pf Mesure par l'appareil de Richards

24 relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pf

25 relation teneur en humidité - potentiel matriciel Coubes pf Pression (cm) Pf Poids humide brut Poids humide Teneur en eau 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, ,0 255,3 187,3 24,2 36, ,5 250,5 182,5 21,0 31, ,8 245,1 177,1 17,4 26, ,0 243,1 175,1 16,1 24, ,7 237,8 169,8 12, ,2 235,8 167,8 11,3 17 pf pf 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Teneur en eau pondérale 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Teneur en eau volumétrique

26 Courbes pf pf Sol sableux Sol Limoneux Sol limonoargileux Sol sableux : faible porosité totale, faible capacité de rétention et faible «eau utile» ; Sol limoneux : bonne porosité totale, bonne capacité, «eau utile élevée Sol limono-argileux : porosité totale élevée, capacité de rétention élevée, eau utile moindre que le sol limoneux. θ vo l 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)

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

28 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.

29 Mesure de la teneur en eau des sols Mesure directe (labo): méthode gravimétrique Mesure indirecte (terrain): Méthode nucléaire (sonde à neutrons n est plus utilisée) Méthode diélectrique (TDR) Tensiomètres

30 Mesure de la teneur en eau des sols Mesure directe (labo): méthode gravimétrique La méthode de référence Elle sert à l'étalonnage des autres méthodes Pesée avant et après passage à l étuve à 105 C pendant 24heures (teneur en eau pondérale)

31 Mesure de la teneur en eau des 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) Cte Diélectrique Cte Diélectrique sol eau =80

32 TDR Mesure sur une zone limitée Mesure de la teneur en eau volumique

33 TDR mesure d un profil Mesure d un profil d humidité Mesure de la teneur en eau volumique

34 TDR en place

35 Mesure de la teneur en eau des sols (tensiomètre) Tube transparent Z 2 Manomètre (eau - mercure) Z 1 mercure Membrane poreuse Plan de référence

36 Méthode tensiométrique

37 Méthode tensiométrique

38 Méthode tensiométrique Watermark

39 Mesure de la teneur en eau des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres Exemple du Watermark chambre supérieure renferme deux parties métalliques, constituant un dipôle + matériau saturé en gypse dont on mesure l impédance (liée à la teneur en eau) Bloc de gypse Sable

40 Mesure de la teneur en eau des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres Exemple du Watermark Bonne corrélation entre le pourcentage d épuisement de la réserve utile en fonction de la tension de l eau du sol mesurée par les sondes watermark sur des parcelles de blé chez des agriculteurs. Ref: B. Ben Nouna Projet INCO-WADEMED

41 SYSTEMES LYSIMETRIQUES 1. Système ouvert 2. Système fermé

42 2. Bougie poreuse

43 Avantages et inconvénients des différents sytèmes SYSTEMES OUVERT FERME BOUGIE POREUSE AVANTAGES - Conservation de la structure du sol - Pas de gêne pour les pratiques agricoles - Mesure directe des vol et conc. - Calcul des bilans - Perturbation du site minimale - Pas de gêne pour les pratiques agricoles INCONVENIENTS -! Info de concentration - Bilans directs difficiles - Prob vol drainés/qtés less. - Loudeur de mise en œuvre - Gêne dans les pratiques agricoles - Nécessité de répétitions - Gd soin à la mise en œuvre / fragilité/ remplacements difficiles -! Mesures de conc.

44 1. Type remanié

45 2. Type non remanié Rayon = 56 cm 1,5 m Ht totale 10 cm 30 cm Diamètre 1 Demi ceinture 10cm ht Tuyaux drainant en inox, avec pointe inox, perforation 0,6 cm Renforts latéraux

46 Installation Remanié

47 Installation Non Remanié

48 Installation Chambres de visite

49 Les lysimètres Pluie Zone des eaux suspendues (eau + air) Zone d aération Zone d évapotranspiration Frange capillaire Eau pelliculaire INFILTRATION Surface hydrostatiqu e Ψ = 0 Eau capillaire Zone des eaux soutenues Zone de saturation Couche Aquifère Eau gravifique PERCOLATION Substrat imperméable Schéma de la répartition de l eau dans le sol et le sous-sol

50 Batterie de lysimètres en Tunisie

51 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 rural de l'hydrogéologie.

52 L Infiltration et Infiltration cumulative au cours du temps I = vitesse d infiltration [mm/h] Z = Volume infiltré cumulé [mm] Z = t t = t 0 Z i( t) dt Conductivité hydraulique à saturation (if) i Temps [h] Type de sol i 0 (mm/h) i f (mm/h) Sable, silt Limon sableux Limon argileux Argile, sols salins

53 L infiltration Le 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 sol le 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.

54 Double anneau

55 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 physique Le modèle de Philip Le modèle de Green et Ampt

56 La formule de Horton (3 paramètres) i( t) = i f + ( i i ). 0 f e γ. t i = [mm/h] i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h], i o : capacité d'infiltration respectivement initiale dépendant surtout du type de sol [mm/h], i f : 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 ]. i f i Temps [h] L'utilisation de ce type d'équation, quoique répandue, reste limitée, car la détermination des paramètres, i 0, i f, et γ présente certaines difficultés pratiques.

57 La formule de Kostiakov (3 paramètres) ( a 1) i ( t) = a. k. t + f o i = [mm/h] i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h], f o : 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. i f o Temps [h] Equation beaucoup utilisée en irrigation. Fonction non linéaire.

58 Le modèle de Philip (2 paramètres) 1 5 i ( t) = s. t A i = [mm/h] 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] A i Temps [h] 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.

59 Le modèle de Philip (2 paramètres) Classes texturales So [cm s -1/2 ] A [cm s -1 ] Sable grossier 1, , Sable fin 7, , Limon sableux 6, , Silt limoneux 4, , Limon 4, , Limon sablo-argileux 6, , Limon silto-argileux 2, , Limon argileux 1, , Argile légère 3, , Argile limoneuse 1, , Argile lourde 6, , Tourbe 2, , i ( t) = s. t A s θ s0 1 i θ = 0 θ i = teneur en eau initiale θ 0 = teneur en eau de surface

60 Le modèle de Green et Ampt (2 paramètres) i( t) = K s 1+ h 0 Z f h f ( t) K s : conductivité hydraulique à saturation [mm/h] h 0 : charge de pression en surface [mm] h f : charge de pression au front d'humidification [mm] z f: 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.

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