Laboratoire de caractérisation hydrodynamique des sols

Vous trouverez ci-dessous la liste des variables d'état caractéristiques du comportement hydrique des sols, ainsi que le matériel et les méthodes utilisées et développées dans l'UMR pour les mesurer: 

• Courbe de rétention hydrique
• Courbe de conductivité hydraulique 
• Mesures de flux préférentiels

Dans le cadre de la démarche qualité de l'UMR, les grandeurs de base en jeu dans les différents types de mesures sont obtenues sur des instruments étalonnés sur des étalons de travail régulièrement raccordés dans les domaines des pressions, masses et températures. Par ailleurs,  des protocoles et des modes opératoires sont également rédigés et mis à jour pour chaque type de mesure. Une partie des échantillons est conservée pour d'éventuelles vérifications ou mesures complémentaires (granulométrie).

La courbe de rétention hydrique traduit la capacité du sol à retenir l’eau. Lors du dessèchement d’un sol, l’eau restante est liée de plus en plus fortement au sol : l’extraire requiert une énergie de plus en plus importante, ce qui, par exemple, peut amener les plantes à présenter un « stress hydrique ». L’énergie de liaison entre l’eau et le sol se traduit par le potentiel matriciel  . C’est une énergie par unité de volume, elle est donc homogène à une pression et on peut l’exprimer en pascal (Pa) ou en mètre de colonne d’eau (m). Elle est négative : il faut fournir de l’énergie pour extraire de l’eau d’un sol non saturé. L’opposée du potentiel matriciel est appelée succion.
La courbe de rétention hydrique est la relation entre le potentiel matriciel (ѱ) d’une part et l’humidité du sol d’autre part. Cette humidité du sol peut être exprimée sur une base volumique (c’est le rapport entre le volume d’eau contenu dans l’échantillon et le volume de cet échantillon), on parle alors de teneur en eau volumique  (m³ m^-3), ou sur une base massique (c’est le rapport entre la masse d’eau et la masse de sol sec de l’échantillon), on parle alors de teneur en eau massique ou de teneur en eau gravimétrique W (kg kg^-1). La courbe de rétention est donc la courbe (Ө) ou (W).
Pour déterminer cette courbe de rétention, nous utilisons simultanément deux types de dispositifs. Dans la gamme des faibles succions (typiquement entre 0 et 1 m), nous utilisons des tables à succion (photo de gauche) : les échantillons initialement saturés sont posés sur un lit de sable fin (de la silice) raccordé à une réserve d’eau dont on peut régler le niveau, la distance entre la surface du lit de sable et le niveau d’eau représente la succion. Sur la photo de gauche, nous pouvons voir deux types d’échantillons utilisés : des échantillons cylindriques prélevés dans le sol, et des « agrégats » obtenus par fragmentation de mottes de terre de grande taille. Pour les fortes succions (typiquement entre 1 m et 150 m), nous utilisons deux types de dispositifs :

• Les presses de Richards (photo du milieu) : utilisées dans la gamme de succion de 1 m à 150 m. Dans ce dispositif, les échantillons initialement saturés sont disposés dans des enceintes dans lesquelles on injecte de l’azote sous pression : Après atteinte de l’équilibre hydrique dans la presse par écoulement de l’eau de l’échantillon, la pression de gaz appliquée est l’équivalent de la succion imposée à l’échantillon. On récupère alors les échantillons pour en mesurer la teneur en eau massique correspondante.
• Un psychromètre (Decagon WP4C) : cet appareil (photo de droite) permet de mesurer directement la succion d’un échantillon de sol (agrégats) correspondant à sa teneur en eau actuelle. Le principe de mesure repose sur la mesure de l’humidité de l’air au-dessus de l’échantillon qui se met en équilibre avec l’humidité de l’échantillon de sol. Cette humidité de l’air en équilibre est directement liée à la succion (loi de Kelvin). On peut utiliser cet appareil dans une gamme de succion de 30 m à plusieurs milliers de mètres (i.e. jusqu’à 200 MPa). Il est donc très utile pour les milieux secs.

Courbe de conductivité hydraulique

La courbe de conductivité hydraulique traduit la capacité du sol à transmettre l’eau. Elle est quelquefois appelée abusivement «perméabilité ». Lorsqu’un sol est totalement saturé, tous ses pores sont remplis d’eau. Par analogie nous pouvons assimiler le réseau de pores à un ensemble de capillaires qui vont tous permettre à l’eau de s’écouler. La conductivité hydraulique est maximale et est appelée conductivité hydraulique à saturation, classiquement notée K_sat ou K_s. Lorsque le sol se dessèche, les pores de plus grand diamètre se vident en premier : l’eau va donc s’écouler dans des pores de diamètres de plus en plus fins lors du dessèchement. Les forces de frottement augmentant, l’eau va s’écouler de plus en plus difficilement : pour un même gradient moteur, le flux d’eau va être beaucoup plus faible pour un sol sec que pour le même sol humide. Ainsi la conductivité hydraulique est une fonction fortement décroissante de la teneur en eau du sol. Elle se note K(Ө) ou K(W). 

La conductivité hydraulique est le rapport entre le flux d’eau volumique (exprimé en m s^-1) traversant une section donnée et le gradient moteur (exprimé sans unité) responsable de cet écoulement : c’est la loi de Darcy, exprimée initialement pour des sables saturés, que l’on appelle loi de Darcy généralisée lorsqu’on l’applique à des sols non saturés. Elle est donc homogène à un flux hydrique ou à une vitesse et s’exprime en m s^-1.

Nous utilisons divers types de dispositifs pour mesurer la conductivité hydraulique. Pour un échantillon saturé, nous utilisons un perméamètre à charge constante qui nous permet de calculer la conductivité hydraulique à saturation K_sat (photo de gauche).

Pour estimer la conductivité hydraulique en non saturé K, et ses variations avec une teneur en eau variable, nous utilisons une méthode reposant sur la mesure des variations de masse et de succion au cours du temps dans un échantillon de sol intact (prélevé dans un cylindre) dues au séchage durant une évaporation. L’interprétation des mesures est réalisée avec la méthode de Wind, avec un dispositif de l’UMR EMMAH (commercialisé par SDEC, France) comportant 6 tensiomètres (capteurs de mesure de la succion – photo du milieu) ou une version simplifiée avec seulement 2 tensiomètres et des échantillons plus petits (dispositif Hyprop, Meter Group, Allemagne - photo de droite). Avec ces dispositifs les courbes de variation K(θ) et K(h) (i.e. variation de K en fonction de la teneur en eau volumique θ ou de la succion h) sont obtenues, ainsi que la courbe de rétention θ(h). Les résultats sont obtenus pour une succion inférieure à 8 m environ, et sont extrapolés pour des succions supérieures avec des formulations semi-empiriques de K(h) et éventuellement des mesures de rétentions complémentaires.

 Mesure des flux préférentiels

L’obtention des courbes de rétention et de conductivité hydraulique permet de modéliser l’écoulement de l’eau dans les sols non saturés par l’intermédiaire de l’équation de Richards. Cependant, dans certaines conditions et pour certains sols, les écoulements ne suivent plus la loi de Darcy généralisée. C’est par exemple le cas lorsque des pluies de fortes intensités arrivent sur des sols secs fissurés ou présentant une forte macroporosité (trous de vers de terre par exemple). On parle alors d’écoulements préférentiels, qui doivent être décrits par d’autres lois que la loi de Darcy généralisée, ces lois nécessitant l’utilisation d’autres paramètres que la conductivité hydraulique. Pour décrire les écoulements préférentiels, nous utilisons une équation d’onde diffusante décrite dans Di Pietro et al. (2003). Les paramètres dits «cinématiques » intervenant dans cette équation sont déterminés par un dispositif spécifiquement conçu appelé « dispositif des ondes cinématiques »