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Pourquoi le _Kfs est un problème

La conductivité hydraulique saturée, ou la capacité du sol à absorber l'eau, a toujours été une mesure complexe pour les scientifiques. Les mesures imprécises de la conductivité hydraulique saturée (_Kfs) sur le terrain sont courantes en raison d'erreurs dans l'estimation de l'alpha spécifique au sol et d'un amortissement inadéquat de l'écoulement tridimensionnel. L'écoulement tridimensionnel signifie que l'eau s'infiltre dans le sol en trois dimensions ; elle se propage latéralement et vers le bas. Le problème est que la valeur qui représente la conductivité hydraulique saturée, _Kfs, est une valeur unidimensionnelle. Les chercheurs utilisent _Kfs dans la modélisation comme base de leur prise de décision, mais pour obtenir cette valeur, ils doivent d'abord supprimer les effets de l'écoulement tridimensionnel.

Estimation - une proposition risquée

La méthode traditionnelle pour éliminer les effets de l'écoulement tridimensionnel consiste à consulter une table de valeurs alpha ou la longueur capillaire macroscopique du sol. Mais comme alpha n'est qu'une estimation de l'effet de sorptivité, c'est-à-dire de l'attraction latérale de l'eau par le sol, le risque d'inexactitude est élevé. Et si un chercheur ou un ingénieur choisit la mauvaise valeur d'alpha, son estimation peut être considérablement erronée.

Pour contourner ce problème, les chercheurs mesurent parfois le _Kfs à l'aide d'un infiltromètre à double anneau (figure 2), une méthode simple où l'anneau extérieur est censé limiter la propagation latérale de l'eau après l'infiltration et tamponner l'écoulement tridimensionnel. Cependant, un infiltromètre à double anneau ne tamponne pas parfaitement le flux tridimensionnel (Swartzendruber D. et T.C. Olson 1961a). Par conséquent, si les chercheurs partent du principe qu'ils obtiennent un écoulement unidimensionnel dans l'anneau central, ils risquent de surestimer leurs valeurs de conductivité saturée sur le terrain. Cela peut être désastreux, en particulier lorsque l'on travaille avec un sol qui a été conçu pour avoir une très faible perméabilité. Si _Kfs est surestimé, un chercheur ou un ingénieur pourrait supposer à tort qu'une couverture de décharge (par exemple) est inefficace (_Ks est supérieur à ^10-5 cm ^s-1), alors qu'en réalité, il a surestimé _Kfs et que la couverture est en fait conforme.

Kfs _résolu

La méthode SATURO élimine le problème de l'estimation/hypothèse en automatisant la méthode bien établie de la double tête . Il dépose de l'eau sur le sol et utilise la pression de l'air pour créer deux têtes de pression différentes. La mesure de l'infiltration à ces deux têtes de pression différentes évite d'avoir à estimer le facteur alpha, ce qui permet aux chercheurs de déterminer la conductivité hydraulique saturée sur le terrain sans faire d'hypothèses. En outre, le site SATURO utilise beaucoup moins d'eau car il n'a pas besoin d'un grand anneau extérieur comme un infiltromètre à double anneau. Cette approche automatisée permet de gagner du temps et de réduire les erreurs dans l'évaluation de la conductivité hydraulique. La section théorique suivante explique en détail pourquoi cela est possible.

Comparez les relevés de SATURO aux relevés de l'infiltromètre à double anneau.

Dans la vidéo ci-dessous, le Dr Gaylon S. Campbell enseigne les bases de l'hydrologie et la science derrière l'infiltromètre automatisé à double tête SATURO . Dans ce webinaire de 30 minutes, apprenez :

• Qu'est-ce que la conductivité hydraulique?
• Milieux poreux
• Qu'est-ce qui détermine la conductivité hydraulique ?
• Pourquoi la conductivité hydraulique doit-elle être prise en compte ?
• Comment mesure-t-on la conductivité hydraulique ?
• Instruments de laboratoire
• Instruments de terrain
• La méthode derrière SATURO: l'infiltromètre à double tête
• Comparaison : Méthodes du double anneau et de la double tête SATURO

SATURO: Pourquoi c'est plus précis

Conductivité hydraulique saturée sur le terrain, K_fs (cm/s) est une propriété hydraulique fondamentale du sol qui décrit la facilité avec laquelle un fluide (généralement de l'eau) peut se déplacer à travers les espaces poreux ou les fractures dans des conditions de saturation sur le terrain. L'une des méthodes les plus anciennes et les plus simples pour la détermination in situ de K_fs consiste à mesurer l'infiltration en bassin(D) à l'intérieur d'un anneau unique (d'un rayon b) enfoncé sur une petite distance dans le sol(d)(figure 1). L'analyse originale a utilisé le débit constant mesuré, Qs (cm3/s) et a supposé un écoulement unidimensionnel et vertical pour obtenir K_fs d'après Bouwer (1986) et Daniel (1989).

Cette approche a surestimé K_fs en raison de la divergence latérale de l'écoulement résultant de la capillarité du sol non saturé et de la formation de mares dans l'anneau (Bouwer 1986). Les tentatives pour éliminer la divergence de l'écoulement ont impliqué l'ajout d'un anneau extérieur pour tamponner l'écoulement dans l'anneau intérieur (figure 2). Cependant, la technique de l'infiltromètre à double anneau s'est avérée inefficace pour empêcher l'écoulement latéral à partir de l'anneau intérieur (Swartzendruber et Olson 1961a, 1961b).

Des recherches plus récentes fournissent de nouvelles méthodes pour corriger l'écoulement latéral. Reynolds et Elrick (1990) ont présenté une nouvelle méthode d'analyse de l'infiltration régulière dans un anneau unique, qui tient compte de la capillarité du sol, de la profondeur de l'étang, du rayon de l'anneau(b) et de la profondeur de l'insertion de l'anneau(d), et qui permet de calculer K_fsle flux matriciel(φm) et la longueur capillaire macroscopique(∝). Cette analyse est connue sous le nom d'approche de la tête de bassin à deux bassins (Reynolds et Elrick 1990).

L'approche de la hauteur de chute à deux bassins est la technique utilisée par SATURO, bien qu'avec quelques modifications et simplifications. L'équation la plus simple pour ce calcul est celle de Nimmo et al. (2009). Ils calculent K_fs comme indiqué dans l'équation 1.

où i ( cm/s) est le taux d'infiltration stable (final) (volume divisé par la surface) et F est une fonction qui corrige la sorptivité et les effets géométriques.

Nimmo et al. (2009) donne F comme indiqué dans l'équation 2

où

• D est la profondeur de l'étang (cm)
• d est la profondeur d'insertion de l'infiltromètre (cm)
• b est le rayon de l'infiltromètre (cm)
• ∆ est la constante pour une géométrie d'infiltromètre donnée ; C₁d + C₂b (cm)
• C₁ est de 0,993
• C₂ est de 0,578
• λ est la réciproque de la valeur de Gardner ∝, qui est une caractéristique du sol et de sa teneur en eau initiale (cm).

Dans l'équation 2, ∆ est simplement l'équation 36 de Reynolds et Elrick (1990) multipliée par bπ, ce qui permet de réconcilier la figure 2 et l'équation 2 avec l'équation 37 de Reynolds et Elrick (1990).

Pour deux profondeurs de bassin, utilisez l'équation 3 :

En réarrangeant l'un des termes de droite pour résoudre λ en termes de K_fsen remplaçant λ par l'autre terme de droite et en simplifiant, on obtient

où

• D₁ est la hauteur de charge réelle de la haute pression
• D₂ est la hauteur de chute réelle
• ∆ est 0,993d + 0,578b (cm)
• i₁ est le taux d'infiltration à la hauteur de pression élevée
• i₂ est le taux d'infiltration à la faible hauteur de pression

Pour ∆ , d est la profondeur d'insertion de l'infiltromètre et b est le rayon de l'infiltromètre. Pour l'anneau d'insertion SATURO, 5 cm, d = 5 cm et b = 7,5 cm, soit ∆ = 9,3 cm. Pour l'anneau d'insertion de 10 cm, d = 10 cm et b = 7,5 cm, soit ∆ = 14,3 cm.

La conductivité hydraulique est ensuite multipliée par la différence du taux d'infiltration à l'état quasi stable pour le dernier cycle de pression et divisée par la différence de la hauteur de pression mesurée à partir du dernier cycle de pression.

L'équation 4 est équivalente à l'équation 41 de Reynolds et Elrick (1990) et supprime la dépendance aux caractéristiques du sol et à la teneur en eau initiale décrite par λ.

Économisez des heures de travail manuel fastidieux

Le système SATURO combine l'automatisation et l'analyse simplifiée des données en un seul système. Il calcule même les taux d'infiltration et la conductivité hydraulique saturée sur le terrain à la volée. Le SATURO rend la vie un peu plus facile à ceux qui ont besoin d'une méthode plus rapide et plus précise pour mesurer le _Kfs sur le terrain.

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Références

1. Bouwer H. 1986. Intake rate : Cylinder infiltrometer. Dans Klute A., éditeur, Methods of soil analysis : Part 1-Physical and Mineralogical Methods. 2e éd. Madison (WI) : ASA et SSSA. 825-844.(Lien article)
2. Dane JH et Topp GC, éditeurs. 2002. Méthodes d'analyse des sols : Part 4-Physical Methods. Madison (WI) : Soil Science Society of America Inc.(lien)
3. Daniel DE. 1989. In situ hydraulic conductivity tests for compacted clay. J. Geotech. Eng. 115(9).(Lien article)
4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS, et Stock JD. 2009. Rapid measurement of field saturated hydraulic conductivity for areal characterization. Vadose Zone J. 8(1) : 142-149(lien de l'article)
5. Reynolds WD et Elrick DE. 1990. Ponded infiltration from a single ring : I. Analysis of steady flow. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5) : 1233-1241.(Lien article)
6. Swartzendruber D et Olson TC. 1961. Sand-model study of buffer effects in the double-ring infiltrometer. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1) : 5-8.(Lien article)
7. Swartzendruber D et Olson TC. 1961. Model study of the double ring infiltrometer as affected by depth of wetting and particle size. Soil Sci. 92(4) : 219-225.(Lien article)

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