CHAPITRE 8 Infiltration 8.1 INTRODUCTION L infiltrationestlephénomènedepassagedel eaudelasurfacedusolàl intérieurdecelui-ci. L infiltration revêt une grande importance car c est elle qui contrôle plusieurs processus en hydrologie comme le ruissellement, l humidification des sols et la percolation profonde. Les principales références sont: Référence:MusyetSoutter,1991. pp.215-225. Référence: Gray, 1972. pp. 5.1-5.17 8.2 INFILTRATION ET DÉFINITIONS Il est important de définir les principaux termes utilisés: Taux d infiltration (f) : quantité d eau qui s infiltre dans le sol par unité de temps (mm/h). Masse infiltrée - Infiltration(F): quantité totale d eau infiltrée dans le sol pour une période de temps donnée(mm). F = t 0 fdt [8.1] Capacitéd infiltration(f max ):tauxmaximumd infiltrationquepermetunsoldonné (mm/h). Letauxd infiltrationestenréalitélefluxd eauentrantàlasurfacedusol.
128 INFILTRATION 8.3 PROCESSUS D INFILTRATION Le processus d infiltration peut être décrit par les figures 8.1. Lors d une précipitation, la pluie s infiltre dans le sol tant que l intensité de précipitation est inférieure à la capacité d infiltration. Lorsque l intensité de précipitation dépasse la capacité d infiltration, le surplus s accumule dans les micro-dépressions du sol. Lorsque ces dernières sont pleines, elles débordent pourcréerunelamed eauquicommenceàs écouleràlasurfacedusol,cequiestleruissellement. Le ruissellement est en réalité contrôlé par le processus d infiltration. a) Processus impliqués PRÉCIPITATION RUISSELLEMENT INFILTRATION b) Organigramme de cheminement ACCUMULATION OUI Pte t <f max NON f =Pte t S =0 OUI Microdépressions pleines NON R =0 f =f max R =Pte f max t S =0 f =f max R =0 S = S i +Pte f max t f=tauxd infiltration f max =capacitéd infiltration R=Ruissellement Pte = Précipitation S = Variation de stockage t = Pas de temps Figure 8.1 Processus d infiltration. Le processus d infiltration est contrôlé par: 1. les phénomènes contrôlant l entrée de l eau à la surface du sols(battance, présence de végétation, etc.), 2. l écoulementdel eauverslebasautraversduprofildusol(écoulementselonla loi de Darcy), écoulement aussi appelé percolation, 3. l écoulement par les fissures du sol ou écoulement préférentiel. La gravité et la capillarité sont les deux principales forces qui influencent le processus d infiltration. La gravité agit principalement sur l eau libre qui se retrouve principalement dans les macropores et qui agit vers le bas. La capillarité ou les forces de tension agissent principalement au niveau de l eau capillaire contenue principalement dans les micropores. Ces dernières forces agissent dans toutes les directions.
PROFIL D HUMIDITÉ ET INFILTRATION 129 8.4 PROFIL D HUMIDITÉ ET INFILTRATION La figure 8.2 montre un profil d humidité typique lors du processus d infiltration. Il se forme à lasurfacedusolunezonedetrèsfaibleépaisseurquasisaturéeappeléezonedesaturation.au delàdecettezone,ils établitunezonedetransmissionoùlateneureneauestsupérieureàla capacité au champ mais inférieure à la saturation. Dans cette zone, l eau circule principalement par les macropores interconnectés ensembles. Cette zone de transmission se termine par lazonedemouillage,zonedetrèsfaibleépaisseurquiestentraindes humidifieretoùles gradients de potentiels sont très prononcés. Le front mouillant est la limite de la zone de mouillageséparantlesolhumidedusolsecetilestvisibleàl oeilnulorsquel onobserveleprocessus d infiltration dans un sol sec. Teneur en eau CC Sat Zone de saturation Zone de transmission Profondeur Front mouillant Zone de mouillage Figure 8.2 Description du profil d humidité lors de l infiltration. La figures 8.3 présente les trois principales étapes se produisant lors de la progression du front mouillant lors de l infiltration. Le front mouillant progresse en profondeur (figure 8.3 a) jusqu àcequecedernierrejoignelafrangecapillaireau-dessusdelanappe.c estl étapede l humidification du profil. Si l infiltration se poursuit, l eau qui migre par la zone de transmissionrejointlanappeetcelle-ciremontegraduellementverslasurfacedusol(figure8.3c). C est l étape de la remontée de la nappe. Lorsque l infiltration cesse à la fin de la précipitation oudel irrigation,leprofildusolseressuie(figures8.3betd)àuneteneureneauappelée capacité au champ(cc) et l excédent d eau alimente le profil inférieur en alimentant le front mouillant si celui-ci n a pas atteint la frange capillaire (figures 8.3 b) ou la nappe dans le second cas(figures 8.3 d). C est l étape du ressuyage. Ilfautretenirque,suiteàuneprécipitation,lesols humidifieduhautverslebasetquelanappe qui n est alimentée que lorsque le sol est complètement humidifié remonte du bas vers la surfacedusol.lesoldoits humidifieravantquelanappenepuisseêtrealimentée. Le modèle hydrique décrit ici est un modèle statique qui fait intervenir les humidités caractéristiques(saturation et capacité au champ). Ce modèle est un modèle simplifié par rapport au modèle dynamique de l écoulement en milieu non saturé présenté au Chapitre 6. Ce modèle
130 INFILTRATION considère la masse de sol comme homogène et ne considère pas l infiltration par les fissures et les craques du sol qui accélèrent la migration de l eau vers les profondeurs. Teneur en eau CC Sat Teneur en eau CC Sat Profondeur a) Profil en phase d humidification Teneur en eau CC Sat Teneur en eau CC Sat Profondeur Profondeur Profondeur b) Profil en phase de ressuyage c) Profil en phase de réalimentation de la nappe d)profilenphasederessuyagelorsde la réalimentation de la nappe Figure 8.3 Évolution du profil d humidité lors de l infiltration.
CAPACITÉ D INFILTRATION 131 8.5 CAPACITÉ D INFILTRATION La capacité d infiltration est contrôlée par: 1. le phénomène de transmission de l eau, 2. les phénomènes contrôlant l entrée de l eau à la surface du sol, 3. letemps. 8.5.1 Entréedel eauàlasurfacedusol L entréedel eauàlasurfacedusolestcontrôléeparl intensitéetlanaturedesprécipitationset les conditions de surface. La principale caractéristique des précipitations influençant la capacité d infiltration est l énergiedelapluiequiestfonctiondelagrosseurdesgouttesdepluieetdel intensitédesprécipitations. La grosseur des gouttes de pluie est fortement corrélée à l intensité de la précipitation. Lerôledel énergiedelapluiedansl infiltrationsejouelorsdel impactdesgouttesdepluie aveclesol.l énergiedel impactpulvériselesmottesdesolpourcréerunecouchedesurface composée de particules de sol très fines et peu perméable. Ce phénomène est appelée battance et il se manifeste surtout dans les sols limoneux. Les conditions de surface du sol réagissent à l énergie de la pluie. La principale condition de surface est la couverture végétale qui absorbe l énergie de la pluie. Plus la végétation est dense, plus les feuilles intercepteront les gouttes de pluie et absorberont l énergie des gouttes. La surface du sol sera préservée. De plus, la présence de végétation favorise une plus grande porosité à la surface du sol, ce qui favorise l infiltration. Enconditiondesolnu,cesontlescaractéristiquesdusolquiinfluencentlaréactiondusolface l impact des gouttes de pluie. La matière organique favorisera la stabilité structurale et la résistancedusolfaceàl impactdesgouttesdepluie.latexturedusoljoueaussiunrôle,lessols limoneux étant plus sensibles. 8.5.2 La transmission de l eau Latransmissiondel eaudanslescouchesdesolestcontrôléeparlaloidedarcy. L épaisseur des couches et leur conductivité hydraulique ont un impact majeur sur la capacité d infiltration. La capacité d infiltration est contrôlée à long terme par la conductivité hydraulique de l horizon le moins perméable. La structure du sol, sa stabilité structurale et la porosité favorisent de meilleures conductivités hydrauliques et une meilleure capacité d infiltration. Toutes les interventions qui favorisent la stabilité structurale et la porosité ont un impact positif sur la capacité d infiltration. Comme l eau circule principalement par les macropores et que la compaction des sols affecte pricipalement les macropores, la compaction des sols réduit rapidement la macroporosité et la capaité d infiltration. L accroissement de la teneur en eau du sol a tendance à faire décroître la capacité d infiltration dusol.lorsquelateneureneauaugmente,latensiondusoldiminueetlegradientdepotentiel au front mouillant diminue, ce qui entraîne une diminution du flux d eau.
132 INFILTRATION La température a aussi un impact par l intermédiaire de la viscosité. Une augmentation de la températuredel eauentraîneunediminutiondelaviscositédel eauetparlefaitmêmeune augmentation de la conductivité hydraulique et de la capacité d infiltration. Lespropriétéschimiqueontunimpactimportant.Laprésencedesodiumquiestunagentde dispersion entraînera une dégradation de la structure du sol et une diminution importante de la conductivité hydraulique et de la capacité d infiltration. Il faut noter que la transmission de l eau et la capacité d infiltration sont surtout influencées par les phénomènes qui modifient la macroporosité du sol. 8.5.3 Le temps La capacité d infiltration en fonction du temps est principalement décrite par la figure 8.4. Avecletemps,lasurfacedusolsedétériorecequientraîneuneplusfaibleporositéetunediminution de la capacité d infiltration. Au niveau de la percolation, le front mouillant s éloigne de plus en plus augmentant la distance de parcourt pour une même différence de potentiel; le gradient hydraulique diminue. Figure 8.4 Capacité d infiltration en fonction du temps. Il est démontré que le gradient hydraulique devient unitaire lorsque le front mouillant s éloignedelasurfacedusol(cequiestlecaslorsdeprécipitationsprolongées -figure6.3)etquela capacité d infiltration qui correspond au flux de Darcy tend alors vers la valeur de la conductivité hydraulique en autant que la surface du sol n offre pas de contraintes à l infiltration.
MESURE DE LA CAPACITÉ D INFILTRATION 133 8.5.4 Valeurs typiques de la capacité d infiltration. Le tableau 8.1 présente quelques valeurs typiques de la capacité d infiltration lorsqu elle tend àsestabiliseravecletemps.ilestànoterquelacapacitéd infiltrationaugmentedefaçonsignificative avec le couvert végétal. L annexe de ce chapitre présente les capacités d infiltration de différentes séries de sols du Québec; les données sont extraites de Côté et al., 2008. Tableau 8.1 Capacité d infiltration(mm/h) de quelques catégories de sols(gray, 1972). Catégorie Sol nu Culture Pâturage Céréales Pâturage Forêt desol en rang pauvre de qualité I 7,5 12 15 18 25 75 II 2,5 5 7,5 10 12 22 II 1,2 1,8 2,5 3,8 5 6 IV 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Catégorie I: Sols de texture grossière Catégorie II: Sols de texture moyenne CatégorieIII: Solsdetexturefine Catégorie IV: Sols minces 8.6 MESURE DE LA CAPACITÉ D INFILTRATION La mesure de la capacité d infiltration se fait au moyen d un infiltromètre. Il existe deux types d infiltromètre: à submersion et à aspersion. 8.6.1 Submersion Les deux systèmes de mesure de l infiltration à submersion sont le système à simple anneau et à double anneau. La figure 8.5 présente le système à double anneau. Q Surface du sol Figure 8.5 Infiltromètre à double anneau. La capacité d infiltration est déterminée: f max = Q A Q = débit d infiltration A = surface d infiltration [8.2]
134 INFILTRATION 8.6.2 Aspersion Pour reproduire les précipitations, des simulateurs de pluie peuvent être utilisé. Ils sont constituésdebusesquiessaientdereproduirelamêmeénergiequelapluie.l intensitédelapluieest simulée en faisant varier le nombre de buses en opération et leur temps d action. La capacité d infiltration est déterminée lorsque le ruissellement débute pour une intensité donnée. 8.6.3 Analyse des hydrogrammes L analyse des hydrogrammes des bassins versants de très petite taille ou des parcelles permet d estimer la capacité d infiltration. La capacité d infiltration correspond à la différence entre la précipitation et le ruissellement. Pour les bassins de grande taille, seule la capacité moyenne d infiltration peut être estimée. 8.7 ÉQUATIONS Cette section présente les principales équations utilisées pour décrire la capacité d infiltration d un sol. 8.7.1 Équations basées sur la masse infiltrée Ce premier groupe décrit la capacité d infiltration en fonction de la masse infiltrée. Holtan(1961) Référence: Gray, 1972. pp. 5.5 Holtan(1961) a proposé une expression de la capacité d infiltration en fonction de l épuisement de l emmagasinement de l humidité dans le sol: f max =a(s F) n +f c [8.3] S = volume potentiel(possible) d emmagasinement ou différence volumétrique entre la saturation et le point de flétrissement dans la zone située au-dessus de la couche de contrôle(qui limite l infiltration) (θ SAT -θ PF )dc dc = profondeur de contrôle F=massed eauinfiltréeoudéjàemmagasinéedanslesol f c =tauxd infiltrationfinalconstantdel horizondecontrôle conductivité hydraulique de l horizon de contrôle a,n =constantesdépendantdusol,n 0,5 Green- Ampt(1911) Référence: Musy et Soutter, 1991. pp. 215-225. L équation de Green-Ampt a été développée à l origine pour un sol profond et homogène. Elle utilise les hypothèses suivantes: lefrontmouillantestbiendéfinietséparelazonehumidedelazonesèche, leprofilestsaturéau-dessusdufrontmouillant, l infiltrationestcontrôléeparlavitessedetransmissiondedarcy.
ÉQUATIONS 135 Enseréférantàlafigure8.6etenutilisantlaloideDarcy,lacapacitéd infiltrationquicorrespondaufluxd eauentrantàlasurfacedusolpeuts écrire: f max =q= K s H 2 H 1 L f K s =conductivitéhydrauliquesaturée H 1 =potentielàlasurfacedusol H 2 =potentielaufrontmouillant [8.4] H 1 d Réf. θi θsat θ L f H 2 Front mouillant Figure 8.6 Schéma du processus d infiltration utilisé par Green-Ampt. Leniveauderéférenceétantàlasurfacedusol,lespotentielspeuventêtredéfinisetlacapacité d infiltration s écrit: H 1 =d=épaisseurdelalamed eauàlasurfacedusol H 2 =h f -L f h f =pressionaufrontmouillant hf L f d f max = K s L f [8.5] Sih f =pression= -S f = -succion,lacapacitéd infiltrationpeuts écrire: f max =K s Sf +L f +d L f [8.6] À n importe quel moment, la masse infiltrée F : F = θ sat θ i L f = θ L f [8.7] [8.8]
136 INFILTRATION Ce qui entraîne, L f = F θ [8.9] Sil épaisseurdelalamed eauesttrèspetited<<s f +L f,ddevientnégligeable: f max =K s +K s S f θ F [8.10] En réalité, lateneureneauau-dessusdufrontmouillantn estpassaturéemaispresquesaturée, l écoulementestpresquesaturék<k s, lateneureneauinitialen estpasuniformesurleprofil, lateneureneauinitialeestdifférented unessaiàl autre. la forme générale devient alors: f max =B+ A F [8.11] SiG=1/F, A,B=constantesdépendantesdesconditionsinitialesetdutypedesol A ->K s S f θ B ->K s ouf c f max =AG+B [8.12] 8.7.2 Équations basées sur le temps Cette section regroupe les équations qui expriment la diminution de la capacité d infiltration en fonction du temps. Gardner + Widstoe(1921), Horton(1940) Référence: Gray, 1972. pp.5.8; Llamas, 1993. pp. 237. Gardner et Windstoe(1921) et Horton(1940) utilisent l hypothèse suivante: la réduction du taux d infiltration correspond à un processus d épuisement, ce signifie que le taux de travail est proportionnel à la quantité de travail qui reste à faire. Dans le cas du processus d infiltration,letravailquiresteàaccompliràuncertainmoment t estceluiquiestnécessairepour modifier le taux d infiltration de sa valeur actuelle f à sa valeur finale f c (f max -> f c ). Comme la vitesse de travail est associée à la dérivée de la capacité d infiltration en fonction du temps et comme la capacité d infiltration diminue avec le temps, la dérivée est négative et s exprime: f max t = k(f max f c ) [8.13] k = constante de proportionnalité
ÉQUATIONS 137 L intégration de l équation précédente réarrangée donne: f max (f max f c ) = k t [8.14] ln(f max f c ) = kt+c 1 Àt=0,f max =f o,cequipermetd écrire: C 1 =ln(f o f c ) f max =f c + f0 f c e kt [8.15] [8.16] [8.17] f max f c f 0 f c =e kt [8.18] La masse infiltrée peut être dérivée de la capacité d infiltration: F = f max dt = fc + f0 f c e kt dt [8.19] F =f c t 1 k f 0 f c e kt +C 2 [8.20] Avect=0,F=0etC 2 [8.21] C 2 = + 1 k f 0 f c F =f c t+ 1 k f 0 f c 1 e kt [8.22] Cette dernière équation est parfois représentée sous cette forme suivante, forme qui n est pas équivalente: F =f c t+de kt Kirkham + Feng(1949) Référence: Gray, 1972. pp.5.9 [8.23] L équation de Kirkham et Feng(1949) décrit la masse d eau absorbée dans une colonne horizontale de sol sec. La force prédominante est la capillarité. F =C t +a [8.24] f max = df dt =1 2 C t [8.25] a, C = constantes déterminées expérimentalement
138 INFILTRATION Philip(1957) Référence: Gray, 1972. pp.5.9 L équation de Philip(1957) décrit la masse d eau absorbée dans une colonne de sol préalablementséchéeetoùlesforcescapillairesetdegravitéagissent: F =S t +At f max = 1 2 S t +A [8.26] [8.27] S, A = constantes déterminées expérimentalement LaconstanteAcorrespondàf c deséquationsprécédentes. Kostiakov(1932), Lewis(1937) Référence: Gray, 1972. pp.5.8 L équation de Kostiakov(1932) et Lewis(1937) a été développée de façon expérimentale: F =at n [8.28] f max =ant n 1 [8.29] a, n = constantes déterminées expérimentalement Avec les équations 8.25 et 8.29, la capacité d infiltration tend vers une valeur nulle lorsque le tend devient très grand. Les modèles de Kostiakov(1932) et Lewis(1937) sont utilisés dans les études d irrigation où les applications d eau ne sont généralement pas faites sur de longues périodes. BIBLIOGRAPHIE ASAE, 1983. Advances in infiltration. Proceeding ofnthe National Conference on Advances in Infiltration, Chicago, Illinois. American Society of Agricultural Engineers. St-Joseph, Michigan. ASAE Publication 11-83. Chow, Ven Te, 1964. Handbook of applied hydrology. McGraw-Hill, New York. Côté,D.,M.O.Gasser,etD.Poulin.2008.Guidedeconceptiondesamasdefumierauchamp II. Institut de recherche et de développement en agroenvironnement. Québec. 48 p. et annexes. Gray, 1972. Manuel des principes d hydrologie. Comité canadien de la décennie hydrologique internationale, Ottawa, Canada. Musy A. et M. Soutter. 1991. Physique des sols. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. Llamas, J. 1993. Hydrologie générale: principes et applications. 2e édition. Gaétan Morin. Boucherville.
PROBLÈMES 139 PROBLÈMES 8.1 PourlesdeuxconditionsdesolprésentéesauxschémasAetBdelafigure8.7. a) déterminezleprofild humiditéetlahauteurdelanappeaprèsunepluiede40mm, b) déterminezleprofild humiditéetlahauteurdelanappeaprèsunepluiede80mm, c) déterminez la précipitation nécessaire pour faire remonter la nappe à un mètre de la surface, d) déterminez la précipitation nécessaire pour faire remonter la nappe à 0,5 mètre de la surface, A) Teneur en eau 0 20 40 CCSat B) 0 Teneur en eau 20 40 CCSat 40 40 Profondeur (cm) 80 120 Profondeur (cm) 80 120 Frange Capillaire 160 Frange Capillaire 160 200 Sat=50% CC=42% PF=22% 200 Figure 8.7 Profils d humidité.
140 INFILTRATION 8.2 Voici les mesures d un imfiltromètre par aspersion effectuées sur un loam sableux. Le taux d application était de 50 mm/h maximum. Temps (min) Masse infiltrée (mm) 0 0,0 3* 2,5 5 4,0 10 6,0 20 10,0 40 15,5 60 18,0 90 22,5 120 30,0 150 32,5 180 37,5 210 41,0 *apparitiond unelamed eauàlasurfacedusol a) Déterminez le taux moyen d infiltration pour chaque interval de temps considéré, b) Déterminez le taux d infiltration instantané pour chaque mesure, c) Calez les requations théoriques suivantes sur les mesures pour obtenir les coefficients appropriés: - Green-Ampt -Horton -Philip d) Pour chacune des équations et les coefficients que vous avez déterminés en c), déterminez le taux d infiltration et la masse infitrée pour chacun des temps d observation. Comparez ces valeurs avec celles observées.