L`EAU DANS LES SOLS - Laboratoire d`étude des Transferts en

- L’EAU DANS LES SOLS - Rappels -
TD TUE412
18.10.06
C. Legout
Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et en Environnement
Université Joseph Fourier
[email protected]
Plan
1- L’eau dans les sols : rappels
1.1- Représentation physique des sols
1.2- Forces caractéristiques
1.3- Grandeurs caractéristiques : θ et h
2- Le bassin versant
2.1- Définition
2.2- Caractéristiques géométriques
2.3- Le réseau hydrographique
2.4- Les caractéristiques agro-pédo-géologiques
2.5- Les conditions aux limites et initiales
3- Les processus hydrologiques
3.1- L’évapotranspiration et l’interception
3.2- Le ruissellement
3.3- La percolation de l ’eau
3.4- L’écoulement de nappe
3.5- L’exfiltration
3.6- L’écoulement hypodermique
3.7- Décomposition des hydrogrammes de crue
1
1- Représentation physique des sols
Zone racinaire
Horizon de labour
Horizon structural
Arène granitique
« Les couvertures pédologiques sont formées de constituants minéraux et
organiques, présents à l ’état solide, liquide ou gazeux » (Référentiel pédologique,
1992)
1- Représentation physique des sols
pore
Le sol = milieu poreux très hétérogène à différentes échelles
profil
versant
2
1- Représentation physique des sols
Très faiblement
saturé
Partiellement
saturé
Sol/zone non
saturée
Sol/zone saturée
(nappe)
Quasi-saturé
agrégats
eau
air
1- Représentation physique des sols
La texture d ’un sol
« La texture d'un sol correspond à la composition granulométrique du
sol définie par les proportions des particules minérales de taille inférieure à 2
mm.»
Echelle texturale (taille des grains) (d ’après le Handbook of Soil Science)
Sable
Sol
Limon
Très
grossier
grossier
moyen
2-1
mm
1-0.5
mm
0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.05 50-20
mm
mm
mm
µm
fin
Très fin
grossier
Argile
moyen
fin
20-10
µm
10-2
µm
2-0
µm
3
1- Représentation physique des sols
La texture d ’un sol
1- Représentation physique des sols
La structure du sol
« La structure d'un sol désigne le mode d'assemblage, l'arrangement des
particules minérales du sol et les liaisons éventuelles avec les colloïdes ou d'autres
éléments»
Arrangement cubique
Arrangement hexagonal compact
4
1- Représentation physique des sols
La structure du sol
Types de structures :
* particulaires: aucune cohésion (sables)
* continues: particules entièrement liées par un ciment, continuité parfaite entre les particules
*fragmentaires: agrégats individualisés (les plus courantes)
columnaire
prismatique
Feuilletée ou lamellaire
polyédrique
⇒ Notion d ’échelle :
Grumeleuse
−
MO
+
+
Argile
−
texture = particule élémentaire constitutive du sol
agrégat = ensemble de particules élémentaires
structure = agencement des agrégats entre eux
2- Forces caractéristiques
Tension superficielle
• associée aux forces de cohésions internes
air
eau
Figure: Distribution des forces auxquelles est soumise
une molécule d ’eau dans l ’eau et à l ’interface eau-air
5
2- Forces caractéristiques
Tension superficielle
• Se manifeste à l ’interface fluide-fluide (liquide-liquide, liquide-gaz), et fluide-solide
• Résulte des forces de liaison intermoléculaires (forces de cohésion caractérisant
l ’attraction mutuelle des molécules d ’une même substance
• Accroissement de l’énergie interne dU = σ dS
• C ’est donc la force F par unité de longueur L nécessaire pour maintenir la cohésion
de la surface liquide
F : augmentation de la surface de dS = L dl
σea: coefficient de tension superficielle (N.m-1)
pour l ’eau avec l ’air à 20 °C, σea= 73.10-3 N.m-1
W = F dl = 2 σea L dl = 2 σea dS
Figure: Une expérience mettant en évidence le
phénomène de tension de surface
2- Forces caractéristiques
Relation entre la forme de l ’interface gaz-liquide et les différences de pression entre les
deux phases
gaz
R
gaz
gaz
R
liquide
pg > pl
liquide
pg = pl
liquide
pg < pl
6
2- Forces caractéristiques
Angle de contact
Loi de Young
air
σea
σsa
cos (θ ) =
θ
eau
σse
σ sa − σ se
σ ea
solide
θ est l ’angle de contact entre l ’eau et le solide
• si θ<90 °, le fluide est dit mouillant,
• si θ>90, le fluide est dit non mouillant
2- Forces caractéristiques
Capillarité
• A la base des processus de rétention dans le sol,
• Résulte de l ’action simultanée des forces d’adhésion et de cohésion
Hauteur d ’ascension capillaire:
Loi de Jurin
h=
2σ cos qθ
ρ wg r
Figure: Ascension capillaire dans un
tube de rayon r (Hulin et al., 2001)
7
2- Forces caractéristiques
… En résumé…
La forme de l ’interface solide-liquide-gaz se caractérise par un angle de contact θ = f
(nature liquide et solide)
0 < θ < 90°
Adh > Coh
Pl < Pa
90 < θ < 180°
Adh < Coh
Pl > Pa
θ = 90°
Adh = Coh
Pl = Pa
Surface solide
hydrophile
Surface solide
hydrophobe
Ni attraction, ni
répulsion
3- Grandeurs caractéristiques : θ
Teneur en eau pondérale:
w=
Me
Ms
[kg/kg]≡ .100 [%]
8
3- Grandeurs caractéristiques : θ
Teneur en eau volumique :
θ = θw =
θ=
Ve
Vt
[m3/m3]≡ .100 [%]
ρa
W = da W
ρe
Les humidités remarquables:
• teneur en eau résiduelle θr,
• teneur en eau à saturation θs,
Quelques valeurs de teneur en eau à saturation:
Sol argileux
…………………….
30 - 60%
Sol limoneux
…………………….
40 - 60%
Sol sableux
…………………….
35 - 50%
3- Grandeurs caractéristiques : h
Etat énergétique de l ’eau dans le sol
E = Ec +Ep
avec Ec <<<<Ep
Plusieurs types d ’énergie potentielle:
* Potentiel gravitaire ψg (situation de l ’eau par rapport à un plan de référence)
* Potentiel hydrostatique ψh (exercée par une colonne d ’eau de hauteur h)
* Potentiel capillaire ψc (tension superficielle eau-phase solide)
* Potentiel osmotique ψo (potentiel négligeable en sols non salés)
ψ = ψ g + ψ h + ψc + ψ o
9
3- Grandeurs caractéristiques : h
• Potentiel de gravité // charge de gravité
z
• Potentiel de pression // charge de pression:
h
– hydrostatique
– matricielle
Potentiel total // charge hydraulique totale
H
→ Le potentiel de l ’eau dans le sol correspond à la différence d ’énergie libre entre l ’eau
du sol et une eau de référence, libre et pure à la pression atmosphérique.
→ Le potentiel traduit l ’état de liaison de l ’eau du sol ou la quantité d ’énergie qu ’il
faudrait exercer pour l ’extraire du sol.
3- Grandeurs caractéristiques : h
Notion de pF du sol
pF = log10 (-h)
RU
RFU
pF=0
Saturation
pF=2.5
Capacité de rétention
pF=4
Point de flétrissement temporaire
pF=4.2
Point de flétrissement permanent
pF=7
Séchage à 105°C
10
3- Grandeurs caractéristiques : h
Mesure du potentiel capillaire
Figure: Schéma d’un tensiomètre
3- Grandeurs caractéristiques : relation entre θ et h
Courbe de rétention
La courbe de rétention d ’un sol, ou courbe caractéristique de l ’humidité d ’un
sol est la relation entre le potentiel matriciel et la teneur volumique de eau du sol
Figure: Effet de la réduction en eau
du sol sur les forces de pressionsuccion (Musy et Soutter, 1991)
Figure: Evolution schématique de la réserve en eau du sol en fonction
de la texture (Soltner, 1990)
11
3- Grandeurs caractéristiques : relation entre θ et h
Courbe de rétention, texture et structure d ’un sol
Capacité rétention
Figure: Influence de la texture et de la structure d ’un sol sur la relation h(q). (Musy
et Soutter, 1991)
3- Grandeurs caractéristiques : relation entre θ et h
Détermination de la courbe de rétention d ’un sol
• in
situ par mesure simultanée de l ’humidité et du potentiel (tensiomètrie)
• au laboratoire sur motte de terre par plaque et marmite à succion
Figure: marmitte à pression
12
3- Grandeurs caractéristiques : relation entre θ et h
Profils d ’humidité et de charge hydraulique dans un sol
Très faiblement saturé
Partiellement saturé
Saturé
grains
eau
air
3- Grandeurs caractéristiques : relation entre θ et h
Profil de charge totale et sens des écoulements (d ’après Musy et Soutter, 1991)
Z, altitude
−150 cm −100 cm −50 cm
0 H, charge
hydraulique
Z, altitude
−150 cm −100 cm −50 cm
0 H, charge
hydraulique
Zone plus sèche
Zone plus humide
Direction des
écoulements
−50 cm
−50 cm
Direction des
écoulements
−100 cm
Zone plus sèche
−150 cm
−100 cm
Zone plus humide
−150 cm
13
… au boulot maintenant !
14