xanthoulis_physique du sol.pdf

7/29/2019 Xanthoulis_Physique du sol.pdf

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Physique du sol

Prof. Xanthoulis Dimitri

Unité d’Hydrologie et Hydrauliqueagricole

FUSAGX

Physique du sol

Ref: Prof. MERMOUD (EPFL)Ref: Prof. MUZY (EPFL)Ref: Prof. DAUTREBANDE (FUSAGX)

Physique du solScience qui étudie l’état et le mouvement de matièreet 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 desauvegarde des eaux souterraines

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 …

Le stock au niveau planétaire:en 1015 m³

Océans : 1350

Glaciers: 25

Eaux souterraines: 9,4

Lacs et rivières: 0,2

Humidité du sol: 0,016

= stock de la zone racinaire

Atmosphère: 0,013Eau biologique: 0,001

portance

titative du stock u dans la zone racines est faible chelle du globe

Transfert

« quantité »

Interfacesol-air C

o ur s d ’

e a u , é g o u t s , pl a n s d ’ e a u

racinaire

PLUIES, ETP,

apports anthropiques

Production eau de

ruissellement et

d’infiltration

Infiltration

Production et

Transfert eaux

Hypodermiques

rapides

Surface bassin versant

Transfert des eaux de

Surface (ruissellement)

+Hypodermiques rapides

Nappe de base

Production et Transfert eaux Hypodermiques lentes

Zone non

saturée

Géologique

P e r c o l a t i o n

Le cycle de l’eau

Importancequantitative du stock

d’eau dans cette zoneest faible maisLe mouvement demouvement dell’ ’ eaueau dans la zone desracines des plantes estune des composantescomposantes

essentiellesessentielles de ladynamique du cycle del’eau

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 dedécomposition plus ou moins avancée.

Triangle des texturesFigure II.2b

Classification belge Classification USA

Relation texture - K

K=8.10-6 m/s

T=60 min/cm

K=6.10-5 m/s

T=45 min/cm

K=2.10-4 m/s

T=25 min/cm

K=4.10-4 m/s

T=15 min/cm

K=1.10-3 m/s

T=10 min/cm

K=4.10-3 m/s

T=4 min/cm

K=1.10-2 m/sT=1.5 min/cm

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…

Zone saturée – zone non saturéeΨ = Potentiel capillaire

= Succion capillaire

= Hauteur de succion

Ψ = 0

Ψ < 0

1 : Profil au point de flétrissement,2 : Profil limite d’assèchement (prairie)3 : Profil à la capacitéau champ4 : Profil à la saturation

Les profils d’humidité caractéristiques

Nappe surmontée d’un Sol non

saturéZ=0

θTeneur en eauvolumétrique

θFC θsSurfacedu sol

Zone contenant de l’eaugravitaire

Zone d’eau retenue par lesforces de capillarité

Epaisseur de la frangecapillaire

Surface dela nappe

Ψ = 0

Eaucapillaire

Profil d’humidité en ns;pression interstitielle < àpression atmosphérique

Eau gravitaireEau de

capillarité

NappeZ

Principaux termes du bilan hydrique

(du point de vue du sol)

Infiltration

Redistribution

Percolation

Remontée capillaire

Evapotranspiration

}Humidité du sol

Termes du bilan hydrique

infiltration évapotranspiration,…

L’humidité du sol va conditionner les transfertshydriques

redistribution percolation (recharge des aquifères) remontée capillaire

EU (%)=θFC - θWP

RU (mm) = Z. (θFC - θWP)

Caractéristiques hydrodynamiques de

quelques sols

Sol Texture Humidité pondérale (%)

Eau Utilecapacité auchamp θFC

point de

flétrissement

θWP θFC - θWP

argileux fine 43 30 13

argilo-limoneux fine 31 22 9

limoneux moyenne 17 7 10

sablo-argileux moyenne 12 4 8

sableux grossière 4 1 3

RFU = y*RU =

dose d’irrigation

y dépend de laplante

Culture (Z) (m) Fraction Y RFU en mm/m ou (% Vol . 10)

1/ fin moyen grossier Alfalfa 1.0 - 2.0 0,55 110 75 35

Banana 0.5 - 0.9 0,35 70 50 20

Barley 2/ 1.0 - 1.5 0,55 110 75 35

Beans 2/ 0.5 - 0.7 0,45 90 65 30

Beets 0.6 - 1.0 0,5 100 70 35

Cabbage 0.4 - 0.5 0,45 90 65 30

Carrots 0.5 - 1.0 0,35 70 50 20

Celery 0.3 - 0.5 0,2 40 25 10

Citrus 1.2 - 1.5 0,5 100 70 30

Clover 0.6 - 0.9 0,35 70 50 20

Cacao 0,2 40 30 15

Cotton 1.0 - 1.7 0.65* 130 90* 40

Cucumber 0.7 - 1.2 0,5 100 70 30

Vérification d’un potentiel de capillarité en

sols non saturés : le tensiomètre

Membraneporeuse

Manomètre(eau - mercure)Tube

transparent

mercure

Plan de référence

indications fidèles de l'évolution

de la pression interstitielle du sol inertie de la réponse dutensiomètre (temps de réponse)

condition non respectée lors d’une

pluie ou irrigation condition respectée en conditiond’assèchement (avertissement àl’irrigation)

z – ψ = z + p/δ =hZ0

z + p/δ =constante (entremanomètre et bougie)

Vérification d’un potentiel de capillarité en sols

non saturész – ψ = z + p/δ =h(hauteur piézométrique)

Evolution des profils de hauteurspiézométriques en sol limoneux(Gembloux)du 8/06 au 10/07

relation teneur en humidité potentiel matriciel

relation teneur en humidité - potentiel matricielCoubes 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

Drainage

humectation

Mesure par l'appareil de Richards

l ti t h idité t ti l t i i l

Pression(cm) Pf

humidebrut

Poidshumide

Teneur en

eaupondérale

Teneur en

eauvolumétrique

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 36,4

100 2,0 255,3 187,3 24,2 36,5

300 2,5 250,5 182,5 21,0 31,7

700 2,8 245,1 177,1 17,4 26,3

1000 3,0 243,1 175,1 16,1 24,3

5000 3,7 237,8 169,8 12,6 19

15000 4,2 235,8 167,8 11,3 17

3,03,5

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

Teneur en eau pondérale

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Teneur en eau volumétrique

Courbes pF

Limoneux

limono-

argileux

sableux

Figure II I .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)

Sol sableux : faible porosité

totale, faible capacité derétention et faible « eau utile » ;

Sol limoneux : bonne porosité

totale, bonne capacité, « eau

utile élevée

Sol limono-argileux : porositétotale élevée, capacité de

rétention élevée, eau utile

moindre que le sol limoneux.

Courbes pF

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

relation teneur en humidité - potentiel matriciel

relation teneur en humidité potentiel matricielCoubes 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.

M d l t

Mesure de la teneur en eau

des sols

Mesure directe (labo): méthodegravimétrique Mesure indirecte (terrain):

Méthode nucléaire (sonde à neutrons –n’est plus utilisée)

Méthode diélectrique (TDR) Tensiomètres

M d l t

des sols

Mesure directe (labo): méthodegravimétrique La méthode de référence Elle sert à l'étalonnage des autres

méthodes

Pesée avant et après passage à l’étuve à105°C pendant 24heures (teneur en eaupondérale)

M d l t

des sols Mesure indirecte (terrain):

Méthode diélectrique (TDR Réflectométrieen Domaine Temporel )

Le principe de base : repose sur la détermination de la vitesse de

propagation des ondes électromagnétiques lelong d’une sonde enfoncée dans le sol.

Vitesse propagation = f(constante diélectrique)

80=eauueDiélectriqCte solueDiélectriqCte

Mesure sur une zonelimitée

Mesure de la teneuren eau volumique

TDR – mesure d’un profil

Mesure d’un profild’humidité

Mesure de la teneuren eau volumique

TDR en place

des sols (tensiomètre)

Manomètre(eau - mercure)Tube

transparent

Membraneporeuse

mercure

Plan de référence

Méthode tensiométrique

Watermark

des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres

Exemple du Watermark

chambre supérieure renferme

deux parties métalliques,constituant un dipôle +matériau saturé en gypse donton mesure l’impédance (liée à

la teneur en eau)

Bloc de gypse

des sols Mesure indirecte (terrain): Tensiomètres

Exemple du Watermark Bonne corrélation entre lepourcentage d’épuisement de

la réserve utile en fonction dela tension de l’eau dusol mesurée par les sondeswatermark sur des parcelles de

blé chez des agriculteurs.

Ref: B. Ben Nouna

Projet INCO-WADEMED

SYSTEMES LYSIMETRIQUES1. Système ouvert 2. Système fermé

2. Bougie poreuse

Avantages et inconvénients des différents sytèmes

SYSTEMES

OUVERT

BOUGIE POREUSE

AVANTAGES INCONVENIENTS

- Mesure directe desvol et conc.

- Calcul des bilans

- Loudeur de mise en œuvre

- Gêne dans les pratiquesagricoles

- Conservation de lastructure du sol

- Pas de gêne pour lespratiques agricoles

- ! Info de concentration

- Bilans directs difficiles

- Prob vol drainés/qtés less.

- Perturbation du site

minimale- Pas de gêne pour lespratiques agricoles

- Nécessité de répétitions

- Gd soin à la mise en œuvre/ fragilité/ remplacementsdifficiles

- ! Mesures de conc.

1. Type remanié

2. Type non remanié

Demi ceinture

10cm ht

Tuyaux drainant en inox,

avec pointe inox, perforation 0,6 cm

30 cm Diamètre 1’

1,5 m Ht totale

Rayon = 56 cm

Renforts

latéraux

Installation Remanié

Installation Non Remanié

Installation Chambres de visite

lysimètres

Substrat

imperméable

I NF I L T RA T I ON

P E R C OL A T I ON

E a u p el l i c ul ai r e

c a pi l l ai r e

E a u gr

av i f i q u e

d’évapo-

transpiration

Frange

capillaire

Couche

Aquifère

Surface

hydrostatiqu

Ψ = 0

Z on e d ’ a é r a t i on

Z on e d e s

a t ur a t i on

Z on e d e

s e a ux

s o u t en u e s

Z on e d e s e a ux s u s p

en d u e s

( e a u+ ai r )

Schéma de la répartition de l’eau dans le sol et le sous-sol

Batterie de lysimètres en Tunisie

L’infiltration L'infiltration qualifie le transfert de

l'eau à travers les couches superficiellesdu 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.

L’Infiltration et Infiltration

∫ ==

ttdttiZ

L Infiltration et Infiltration

cumulative au cours du temps

Temps [h]

Z = Volume infiltré

cumulé [mm]

I = vitesse d’infiltration

[mm/h]

Conductivitéhydraulique à saturation(if)

Type de sol i0

(mm/h) if (mm/h)

Sable, silt 250 12 – 8

Limon sableux 200 8 – 4

Limon argileux 130 4 – 1

Argile, sols salins 75 1 – 0

L’infiltrationLe 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 pentefavorise 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.

Double anneau

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

La formule de Horton

(3 paramètres)

tf f eiiiti .0 ).()( γ −−+=i(t) : capacité d'infiltration au temps t [mm/h],i o : capacité d'infiltration respectivement initialedépendant 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].

L'utilisation de ce type d'équation, quoique répandue, reste limitée, car ladétermination des paramètres, i 0 , i f , et γ présente certaines difficultés pratiques.

Temps [h]

i = [mm/h]

La formule de Kostiakov

(3 paramètres)

oa f tkati += − )1(..)(

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.

Equation beaucoup utilisée en irrigation. Fonction non linéaire.

Temps [h]

i = [mm/h]

Le modèle de Philip

(2 paramètres)

Atsti += − 5.0.2

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 conductivitéhydraulique à saturation [cm/s]

La sorptivité représente la capacité d'un sol à absorber l'eau lorsquel'écoulement se produit uniquement sous l'action du gradient de pression. Lasorptivité est définie par la lame infiltrée en écoulement horizontal.

Temps [h]

i = [mm/h]

Le modèle de Philip

(2 paramètres)

Atsti += − 5.0.21)(

Classes texturales So [cm s-1/2] A [cm s-1]

Sable grossier 1,7.10-1 1,3.10-3Sable fin 7,3.10-2 3,5.10-4

Limon sableux 6,5.10-2 2,1.10-4

Silt limoneux 4,9.10-2 6,2.10-5

Limon 4,0.10-2 4,6.10-5

Limon sablo-argileux 6,5.10-2 1,9.10-4

Limon silto-argileux 2,1.10-2 1,4.10-5

Limon argileux 1,6.10-2 8,8.10-6

Argile légère 3,6.10-2 3,4.10-5

Argile limoneuse 1,4.10-2 9,8.10-6 Argile lourde 6,5.10-3 1,7.10-6

Tourbe 2,5.10-2 2,2.10-6

⎟⎟ ⎠ ⎞

⎜⎜⎝ ⎛ −=

θ iss θi = teneur en eau initialeθ0 = teneur en eau de surface

Le modèle de Green et Ampt

(2 paramètres)

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=)(

hhK ti

K s : conductivité hydraulique à saturation [mm/h]h0 : charge de pression en surface [mm]

hf : charge de pression au front d'humidification [mm]zf : profondeur atteinte par le front d'humidification [mm]

Méthode empirique puisqu'elle nécessite la détermination expérimentalede la valeur de la charge de pression au front d'humidification.

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