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)
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
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).
Sols saturés / non saturés : teneur en eau Relations importantes : θ = W x ρ d / ρ eau n = 1 - ρ d / ρ s
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.
n tdr n tdr tdr cap cap cap cap cap
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
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
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 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
ex : profils et calculs de stock hydrique Teneur en eau θ 0 0 0.05 0.1 0.15 Z (cm) 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 3 4 5 6 Evolution du stock hydrique 160 140 120 Stock (mm) 100 80 60 40 20 0 juil-01 sept-01 nov-01 janv-02 mars-02 mai-02 juil-02 Mise en évidence de sites plus secs ou plus humides
Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons 10 cm 0.5 0.4 theta (cm3/cm3) 0.3 0.2 0.1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 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.
Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons 20 cm 0.5 0.4 theta (cm3/cm3) 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 comptage réduit n
Exemple : centre Espagne EFEDA 91 - Etalonnage de Sonde à Neutrons >30 cm 0.5 0.4 theta (cm3/cm3) 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 comptage réduit n
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 = 0.072 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 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
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
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
Potentiel matriciel h : mesure
Relation h(θ) : courbe de rétention Détermination au champ, en séparant les profondeurs :
Bilan hydrique : 3 cas typiques 1. Juste après la pluie 2. En saison sèche 3. Intermédiaire
Infiltrométrie Conductivité hydraulique : K loi de Darcy : Flux (q = Q/S) = - K Grad H soit sur la verticale : q = - K ( H / z)
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!!
Infiltrométrie / équation de Philip
Infiltrométrie / équation de Philip
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)
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+00 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1 / R (cm-1)
Infiltrométrie
TDR (Merci à J-Paul Laurent pour tous les documents sur la TDR)
TDR
TDR
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