FIF-ENGREF B. Jabiol, 2001 L EAU DANS LE SOL

FIF-ENGREF B. Jabiol, 2001 L EAU DANS LE SOL 1

1 - Objet Evapotranspiration - états d humidité variables, d aspect et dans le temps Précipitations - transits de l eau : selon quelles forces, quelles directions, quelles vitesse? - stockage de l eau : quelles quantités, quelle disponibilité? poly 1 Ruissellement infiltration Stockage Drainage 2

1 - Objet 2 - Quantités d eau - définition de l humidité du sol : massique : Hm = masse d eau masse de sol sec x 100 volumique : Hv = volume d eau volume de sol sec x 100 Hv = Ve/Vs = (Me/ρe) x (ρa/ms) = Me/Ms x ρa/ρe = Hm da Teneur en eau : Θ = masse d eau masse de sol sec 3

2 - Quantités d eau (suite) - définition de l humidité du sol - expression en mm z h S S Hm = 100 Me/Ms = 100 (Ve x ρe) / (Vs x ρa) = 100 (h x S x ρe) / (z x S x ρa) = 100 (h / z) x (ρe / ρa) = 100 (h / z) x (1/da) h mm = Hm % z mm da 10-2 4

2 - Quantités d eau - expression en mm - mesure de l humidité 1- séchage en étuve 105 C 3 -sondes TDR 2- sondes neutroniques, sondes gama 5 poly 3

1 - Objet 2 - Quantités d eau 3 - Etats énergétiques de l eau du sol - définitions énergie potentielle de l eau = potentiel hydrique total Différentes formes d expression : - rapportée à u. de masse d eau : Φ, J/kg - rapportée à u. de volume d eau : P, dimension d une pression : Pa, bars, atm - rapportée à u. de poids d eau : Η, en cm d eau (charge hydraulique) Φ = P / ρ e H = P / ρ e g 6

3 - Etats énergétiques de l eau du sol (suite) - différentes composantes Φ = Φo + Φg + Φp +. par simplification on considère Φ = Φg + Φp (ou P = Pg + Ψ, ou H = Hg + Hp) potentiel gravitaire : Φg = g z Pg = ρe g z Hg = z valeur relative par rapport à une origine quelconque (choisie pour qu il soit positif) potentiel de pression : Φp ou Hp ou Ψ 7

Sous l eau (zone saturée) : H = Hp + Hg s écrit : H 1 = h1 + z1 H est une constante, Hp est positif : potentiel de pression hydrostatique h1 h2 z2 - Surface de l eau : Ψ = 0 z1 + Dans la zone non saturée : H2 = Hp + z2, or Hp + z2 = H1 = z1 + h1 et donc Hp = H1 - z2 = z1 + h1- z2, ou Hp = -h2 Hp (ou Ψ) < 0 poly 2 Le potentiel de pression abaisse le potentiel de l eau en zone non saturée 8

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - différentes composantes - expression du potentiel de pression en zone non saturée Ψ : potentiel matriciel en valeur absolue : succion expression : Pa, bars, cm : 1 à 10 6 kpa ou : pf = log Hp : 1 à 7 rétention forte = potentiel matriciel bas = succion forte = pf élevé 9

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - expression du potentiel de pression en zone non saturée - origine du potentiel de pression en zone non saturée loi de Jurin : Z = 2A cos α / ρ g r succion d autant plus forte que capillaires fins 10

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - origine du potentiel de pression en zone non saturée - relations potentiel matriciel - humidité 4,2 argile Succion (pf) sable 2 10 20 30 40 Humidité % poly 4 11

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - différentes composantes - expression du potentiel de pression en zone non saturée - origine du potentiel de pression en zone non saturée - relations potentiel matriciel - humidité - valeurs du potentiel matriciel PRESSION STATIQUE (valeur absolue) humidité pf cm eau atmosphère bar k Pa (L) ( bar) (dim. : M L -1 T -2 ) 1 10 0,0098( 0,01) 0,98 très humide 2 100 0,098( 0,1) 9,8 humide 3 1 033 1 1,013 101,3 4,2 15 296 14,8 15 1 500 Très sec 5 10 5 96,8 100 10 000 Séch. air 7 10 7 10 000 10 000 10 6 Séch. 105 C poly 4 12

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - valeurs du potentiel matriciel - mesure du potentiel matriciel tensiomètres psychromètres poly 3, fig 3 13

3 - Etats énergétiques de l eau du sol - mesure du potentiel matriciel - obtention des courbes pf / humidité échantillons remaniés ou mottes? poly 3, fig 4 14

1 - Objet 2 - Quantités d eau 3 - Etats énergétiques de l eau du sol 4 - Les déplacements de l eau dans le sol - origine et sens des déplacements les gradients de potentiel total déplacement des potentiels hauts vers potentiels plus bas dh / dz > 0 => flux descendant H = Hg + H p => dh / dz = 1 + dhp/dz 15

- origine et sens des déplacements (suite) Potentiel (cm) - 40 0 dh / dz = 1 + dhp/dz H z Hp dhp/dz > 0 d où dh/dz > 1 donc positif Potentiel (cm) Hp 0 H z dhp/dz = 0 d où dh/dz = 1 donc positif 16 poly 5

dh / dz = 1 + dhp/dz - 40 0 Potentiel (cm) H z dhp/dz < 0 mais dh/dz > 0 Hp Potentiel (cm) - 40 0 dhp/dz < -1 donc dh/dz < 0 H Hp z 17

plan de flux nul 18

4 - Les déplacements de l eau dans le sol - origine et sens des déplacements (suite) déplacements latéraux 19

4 - Les déplacements de l eau dans le sol - origine et sens des déplacements - vitesse des déplacements en sols saturés d eau : écoulement ou infiltration de nappes Débit Q donné par loi de Darcy : Q = K dφ/dx K : conductivité hydraulique liée à macropores Q sol sableux : K = 10-3 à 10-2 cm/s (3,6 à 36 cm/h) Sol argileux : K = 10-4 à 10-7 cm/s ( 0,36 à 0,00036 cm/h) mesure de K: méthode du cylindre dφ 20

en sols non saturés : déplacement d eau capillaire, mise en évidence dθ / dt sable argile poly 3, fig 2 θ 21

en sols non saturés : déplacement d eau capillaire (suite) Θ, Ψ, K sol gorgé sol «humide» Θ Ψ Q = K(Θ) dφ/dx liés à micropores sol «sec» K poly 6 22

en sols non saturés : déplacement d eau capillaire (suite) K argile sol saturé début réessuyage sol «humide» S L A 10 cm/h > 2 < 0,36 1 > 0,1 10-3 10-2 sable sol «sec» 10-4 < 10-4 succion (I Ψ I) poly 6 23

1 - Objet 2 - Quantités d eau 3 - Etats énergétiques de l eau du sol 4 - Les déplacements de l eau dans le sol 5 - Localisation de l eau dans le sol - l eau à déplacements «rapides» localisée dans la porosité la plus grande (mm) : faible succion rôle 24

5 - Localisation de l eau dans le sol - l eau à déplacements «rapides» - l eau à déplacements «lents» localisée dans la porosité capillaire (µm à cent µm) stockage absorbable en partie 25

5 - Localisation de l eau dans le sol - l eau à déplacements «rapides» - l eau à déplacements «lents» - l eau adsorbée : eau hygroscopique ou pelliculaire tubes capillaires fins (< 1 ou 0,2 µm) et surface des particules potentiel matriciel très bas, très forte rétention solution du sol 26

1 - Objet 2 - Quantités d eau 3 - Etats énergétiques de l eau du sol 4 - Les déplacements de l eau dans le sol 5 - Localisation de l eau dans le sol 6 - Le sol réservoir en eau 6-1 humidités caractéristiques : mythe ou réalité? 27

- intérêt humidités caractéristiques humidité maximale (HM) eau à circulation rapide capacité au champ (CC) eau capillaire absorbable à circulation lente humidité au point de flétrissement (HF) eau capillaire non absorbable et eau hygroscopique poly 7 28

6 - Le sol réservoir en eau 6-1 humidités caractéristiques : mythe ou réalité? - intérêt - humidité maximale : HM souvent 15 à 50 % sols organiques et tourbes : > 100% 29

6-1 humidités caractéristiques : mythe ou réalité? - intérêt - humidité maximale : HM - humidité à la capacité au champ : CC stock d'eau dans le sol (mm) 600 550 500 450 400 0 365 730 1095 1460 jour julien (année 1 à 4) poly 8, fig 1 d'après Bréda, 1994 Réalité? limite entre écoulement rapide et lent 30

- humidité à la capacité au champ (suite) : problèmes d estimation. par HCR : humidité à la capacité de rétention dθ / dt HCR argile?. par mesure de l humidité à un pf donné : lequel? HCR sable θ ou : 1 - sur échantillons remaniés : par centrifugation à pf 3 : HE, humidité équivalente à pf 2,5 ou à : pf 3 pour l argile pf 2,5 pour les limons pf 2 pour les sables 31

dans le cas d une mesure de «HCR» à pf 2,5 sur échantillons remaniés il apparaît une relation entre HCR et texture poly 9 CC % S 8 SL 12 SA 19 LlS 15 LS 19 LmS 20 LSA 22 LAS 24 Ll 17 Lm 23 LA 27 AS 33 A 37 AL 32 Alo Séd. 29 Al. 38 32 D après Jamagne et al.1 977

2 - mesures sur mottes : pour échantillons argileux CC = humidité à pf 2 teneur en eau volumique 0,5 CC pf 1,0 pf 2 pf 2,5 pf 3 pf 4 CC très dépendante de da : CC = 0,953/da - 0,362 0,4 pf 4,2 (Bruand et al. 1996) 0,3 poly 8, fig 2 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Bruand et al. 1996 densité apparente

6-1 humidités caractéristiques : mythe ou réalité? - intérêt - humidité maximale : HM - humidité à la capacité au champ : CC - humidité au point de flétrissement : HF HF : humidité à -15 bars (ou -1,5 MPa ou pf 4,2) discussion 34

mesures sur échantillons remaniés à pf 4,2 : relation entre HF et texture poly 9 CC% HF% S 8 3 SL 12 5 SA 19 10 LlS 15 7 LS 19 9 LmS 20 9 LSA 22 11 LAS 24 12 Ll 17 8 Lm 23 10 LA 27 13 AS 33 22 A 37 25 AL 32 19 Alo Séd. 29 18 Alt. 38 25 D après Jamagne et al.1 977 35

mesures sur mottes : HF% = 100(0,0071 CEC 7 + 0,0468) (Tessier et al. 1999) Teneur en eau à pf 4,2 CEC 7 poly 8, fig 3 36

6 - Le sol réservoir en eau 6-1 humidités caractéristiques : mythe ou réalité? 6-2 le réservoir utilisable maximum :définition pour un matériau homogène : réservoir utilisable : RUM % = CC % - HF % RUM mm = (CC % - HF % ) z mm da 10-2 37

humidité maximale (HM) eau à circulation rapide capacité au champ (CC) RUM réserve j eau capillaire absorbable à circulation lente humidité au point de flétrissement (HF) humidité j eau capillaire non absorbable et eau hygroscopique poly 7 notion de RFU : 2/3 de RUM 38

6 - Le sol réservoir en eau 6-2 le réservoir utilisable maximum :définition 6-3 le réservoir utilisable maximum : estimation Pour un horizon h sans EG : RUM mm = (CC % -HF % ) z mm da 10-2 Pour un horizon avec EG : retirer % volumique des EG : RUM mm = (CC % -HF % ) z mm da 10-2 (100 - %EG)/100 Pour i horizons prospectés : sommer le RUM de chaque horizon RUM sol (mm) = 10-2 Σ (CC % -HF % ) i z i (mm) da i (100 - %EG i ) / 100 Parfois : réserve propre aux EG 39

6-3 le réservoir utilisable maximum : estimation (suite) 4,2 Succion (pf) 2 RU sable RU argile 10 20 30 40 Humidité % 1ère remarque : RU directement proportionnelle à profondeur prospectée 2è remarque : méthode d estimation dépend de celles de CC et HF poly 4 La plus simple : méthode des textures (Jamagne) 40

Texture Jamagne CC % HF % RUM % da RUM mm/cm S 8 3 5 1,35 0,70 SL 12 5 7 1,40 1,00 SA 19 10 9 1,50 1,35 LlS 15 7 8 1,50 1,20 LS 19 9 10 1,45 1,45 LmS 20 9 11 1,45 1,60 LSA 22 11 11 1,50 1,65 LAS 24 12 12 1,45 1,75 Ll 17 8 9 1,45 1,30 Lm 23 10 13 1,35 1,75 LA 27 13 14 1,40 1,95 AS 33 22 11 1,55 1,70 A 37 25 12 1,45 1,75 AL 32 19 13 1,40 1,80 Alo Séd. 29 18 11 1,50 1,65 Alt. 38 25 13 1,30 1,70 D après Jamagne et al.1 977 poly 9 Imperfections : rôle MO, da, estimation CC 41

1 - Objet 2 - Quantités d eau 3 - Etats énergétiques de l eau du sol 4 - Les déplacements de l eau dans le sol 5 - Localisation de l eau dans le sol 6 - Le sol réservoir en eau 7 - Évolution de la réserve dans le temps 7-1 profils de réhumectation 42

7-1 profils de réhumectation profondeur t 0 CC t4 t2 HM humidité t1 après forte pluie redistribution entre t1 et t2 front de réhumectation t4 équilibre après la 1ère forte pluie tn équilibre après pluies importantes tn poly 10 43

7 - Évolution de la réserve dans le temps 7-1 profils de réhumectation 7-2 profils de dessèchement (N. Bréda) poly 11 44

0 0 profondeur (m) -1-2 -1-2 -3 zone 1 zone 2 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 humidité volumique (m 3 m -3 ) humidité volumique (m 3 m -3 ) -3 d'aprs Granier et al., 2001, Agric. For. Meteorol. 45

7 - Évolution de la réserve dans le temps 7-1 profils de réhumectation 7-2 profils de dessèchement 7-3 remontées capillaires 46