Conductivité hydraulique : Pourquoi vous en avez besoin
La conductivité hydraulique du sol, ou la capacité d'un sol à transmettre l'eau, a un impact sur presque toutes les applications du sol. Elle est essentielle pour comprendre le bilan hydrique complet et est également utilisée pour estimer la recharge des eaux souterraines à travers la zone vadose. Les hydrologues ont besoin des valeurs de conductivité hydraulique pour la modélisation, et les chercheurs l'utilisent pour déterminer la santé du sol ou pour prédire comment l'eau s'écoulera à travers le sol sur différents sites. Les décisions agricoles se fondent sur la conductivité hydraulique pour déterminer les taux d'irrigation ou pour prévoir l'érosion ou le lessivage des nutriments. Elle est également utilisée pour déterminer l'efficacité de la couverture des décharges. Les ingénieurs géotechniciens en ont besoin pour concevoir des bassins de rétention, des plates-formes routières, des jardins de pluie ou tout autre système destiné à capter les eaux de ruissellement. Elle est également utilisée pour comprendre l'eau disponible pour les plantes dans les substrats sans sol. En fait, si vous voulez prédire comment l'eau se déplacera dans votre système de sol, vous devez connaître la conductivité hydraulique car elle régit l'écoulement de l'eau. Comment la mesurer ? Cet article explique comment mesurer la conductivité hydraulique, ce qu'elle est et les avantages et inconvénients des méthodes les plus courantes.
Qu'est-ce que la conductivité hydraulique du sol ?
En termes scientifiques, la conductivité hydraulique est définie comme la capacité d'un milieu poreux(le sol, par exemple) à transmettre l'eau dans des conditions de saturation ou de quasi-saturation. L'équation 1 illustre ce que cela signifie. Si i indique le flux d'eau (la quantité d'eau par unité de surface et par unité de temps), il est égal à K (conductivité hydraulique) multiplié par le gradient de hauteur dh/dz. Le gradient de hauteur de chute (ou gradient de potentiel hydrique) est la force qui pousse l'eau à se déplacer dans le sol. K est le facteur de proportionnalité entre cette force motrice et le flux d'eau dans le sol.
Équation 1
La hauteur de chute(potentiel hydrique) peut être décomposée en deux éléments principaux. hm est la hauteur de charge matricielle (potentiel matriciel) et hg est la hauteur de charge gravitationnelle (potentiel gravitationnel). En d'autres termes, il existe des forces matricielles qui poussent l'eau à se déplacer dans le sol, ainsi que des forces gravitationnelles.
Équation 2
Le gradient gravitationnel dhg/est égal à 1. Initialement, lorsque de l'eau est appliquée sur le sol, les forces matricielles attirent rapidement l'eau dans le sol (voir la figure 2 ci-dessous). Mais si l'infiltration se prolonge jusqu'à ce que le sol soit très humide, la hauteur de charge matricielle devient égale à 0.
Équation 3
Ainsi, en période prolongée, le taux d'infiltration est à peu près égal à la conductivité hydraulique. Cela donne une idée de ce que signifie la conductivité hydraulique du sol. Si de l'eau est appliquée pendant une longue période, la vitesse d'infiltration de l'eau dans le sol sera approximativement égale à la conductivité hydraulique.
Facteurs influençant la conductivité hydraulique
La conductivité hydraulique dépend de facteurs tels que la texture du sol, la distribution granulométrique, la rugosité, la tortuosité, la forme et le degré d'interconnexion des pores conducteurs d'eau. Si l'on ne tenait compte que de la texture du sol, les sols à texture plus grossière auraient généralement une conductivité hydraulique plus élevée que les sols à texture fine. Cependant, la structure du sol et la structure des pores peuvent avoir un impact significatif sur la capacité d'un sol à transmettre l'eau.
Un sol structuré contient généralement de grands pores, tandis que les sols sans structure ont des pores plus petits. La figure 1 (ci-dessous) illustre la différence entre un sol argileux bien structuré et un sol argileux mal structuré, ainsi que l'importance de la structure pour la conductivité hydraulique, en particulier à la saturation ou à proximité de celle-ci.
Les biopores, les canaux racinaires ou les terriers d'animaux augmentent la conductivité hydraulique saturée s'ils contiennent de l'eau. S'ils ne se remplissent pas d'eau parce qu'ils n'atteignent pas la surface, ils peuvent diminuer la conductivité. Le compactage ou la densité du sol est un autre facteur d'influence, de même que la teneur en eau ou le potentiel hydrique du sol.
Courbes de conductivité hydraulique : des outils prédictifs importants
Le sol est soit saturé, soit non saturé, et la conductivité hydraulique du sol est donc désignée soit par conductivité hydraulique saturée (Ks/Kfs), soit par conductivité hydraulique non saturée (K(Ψ)). Les chercheurs utilisent des instruments de laboratoire (KSAT et HYPROP) pour créer des courbes de conductivité hydraulique qui représentent graphiquement les valeurs de conductivité pour un sol particulier à différents niveaux de saturation/non saturation. Ces courbes permettent de prédire l'écoulement de l'eau dans divers types de sol à différents potentiels hydriques.
Figure 1. Courbes de conductivité hydraulique pour trois sols différents. Les valeurs à droite de l'axe vertical indiquent des valeurs de conductivité saturées. Les valeurs à gauche indiquent les valeurs non saturées. Notez que l'axe vertical est un axe logarithmique. Les différences sont donc des différences d'ordre de grandeur (facteurs de 10, et non facteurs de 1 ou 2).
La figure 1 présente les courbes de conductivité hydraulique de trois sols différents. L'axe vertical correspond à une hauteur de chute de 0(potentiel hydrique). Les valeurs à droite indiquent les valeurs de conductivité saturées. Les valeurs à gauche indiquent les valeurs non saturées. Le sol argileux mal structuré (ligne inférieure) a une conductivité saturée beaucoup plus faible que le sol sableux. Cela s'explique par le fait que le sol argileux est constitué de petits pores et que les voies d'écoulement sont plus restreintes. Mais si ce sol argileux (ligne pointillée) avait une bonne structure (c'est-à-dire s'il contenait des agrégats avec de grands pores entre ces agrégats, ce qui crée de meilleures voies d'écoulement), sa conductivité hydraulique saturée pourrait être supérieure à la conductivité du sable.
Dans la partie gauche de la figure 1, où la hauteur de chute (potentiel hydrique) est négative, le sol commence à se désaturer et les pores se vident. Au fur et à mesure que les pores (en particulier les grands pores) se vident, la conductivité hydraulique diminue considérablement. La conductivité non saturée est donc toujours inférieure et, dans la plupart des cas, inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du sol saturé.
Remarquez que la conductivité hydraulique non saturée du sol argileux mal structuré et celle du sol argileux bien structuré finissent par se rejoindre. Cela s'explique par le fait qu'à un certain moment, les macropores cessent de contribuer à l'écoulement, qui se produit alors uniquement dans les mésopores entre les particules du sol. Notez également que la courbe de conductivité hydraulique non saturée du sol sableux sans structure commence par être plus élevée que celle du sol argileux, mais au fur et à mesure que le sol sèche, la conductivité hydraulique non saturée devient inférieure à celle des sols argileux.
La saturation des champs n'est pas la saturation
La conductivité hydraulique saturée (Ks) n'est pas la même que la conductivité hydraulique saturée sur le terrain (Kfs). En effet, lorsque la conductivité hydraulique saturée est mesurée en laboratoire, les carottes de sol peuvent être amenées à saturation complète. Cependant, sur le terrain, il est difficile d'amener le sol à une saturation complète. Pourquoi ? Généralement, lors d'une infiltration par le haut, il n'y a pas d'endroit où l'air peut s'échapper, de sorte que le sol se retrouve avec de l'air piégé (figure 2).
Figure 2. Lorsque le sol adsorbe l'eau, il crée un film d'eau qui s'accroche aux particules du sol. Il existe également des pores remplis d'air. Dans les conditions de terrain, il est difficile d'éliminer ces espaces d'air. Ce piégeage de l'air explique pourquoi le pourcentage de saturation sera rarement égal au maximum théorique de saturation pour un type de sol donné.
Il en résulte une situation qui n'est pas complètement saturée, c'est pourquoi on parle de conductivité hydraulique saturée sur le terrain (Kfs). La Kfs est généralement inférieure à la Ks en raison de l'air emprisonné qui ralentit le mouvement de l'eau.
Comment mesurer la conductivité hydraulique
Les chercheurs mesurent la conductivité hydraulique des sols saturés et non saturés à l'aide de nombreuses techniques de laboratoire et de terrain. Cet article présente quelques-unes des méthodes les plus courantes.
TECHNIQUES DE LABORATOIRE : CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE SATURÉE
Cellules d'écoulement (Ks): Leur fonctionnement
Les mesures par cellule d'écoulement sont généralement effectuées sur des carottes de sol apportées au laboratoire. Elles mesurent des échantillons de sol non perturbés ou perturbés, mais la taille de l'échantillon dépend de la conception de la cellule d'écoulement. Elles peuvent utiliser la technique de mesure de la tête constante ou de la tête tombante.
Figure 3. Diagramme de la cellule d'écoulement
La figure 3 illustre le fonctionnement d'une cellule à écoulement typique (il existe d'autres modèles). La carotte de sol est saturée avant d'être insérée dans la cellule d'écoulement. L'eau provenant d'une source d'eau traverse la partie supérieure de la carotte de sol et le débit en régime permanent est mesuré. Cette valeur est ensuite utilisée pour déterminer le taux d'infiltration. Des corrections sont apportées pour les techniques de hauteur de chute et de hauteur de chute constante afin de passer de i (le taux d'infiltration) à un Ks (représentative d'une influence de la hauteur de pression de 0).
Avantages et inconvénients des cellules d'écoulement
Tableau 1. Avantages et inconvénients des cellules à circulation
Avantages
Inconvénients
Calculs simples
Les sols expansifs sont confinés
Pas de corrections pour les flux tridimensionnels
Les valeurs peuvent différer des méthodes utilisées sur le terrain
Séparer les différents horizons
L'automatisation nécessite des équipements supplémentaires
Plusieurs échantillons peuvent être mesurés simultanément
Espace de laboratoire dédié
Installation relativement facile
Petite surface
Les calculs des cellules d'écoulement sont simples car l'eau s'infiltre à travers une zone connue, ce qui élimine l'écoulement tridimensionnel (latéral). Un autre avantage est que les horizons du sol peuvent être séparés - vous pouvez prélever des échantillons dans différentes couches du sol pour déterminer quel horizon peut être un facteur limitant.
Les cellules à écoulement sont faciles à installer, mais l'automatisation du dispositif est plus complexe. Elle nécessite un espace de laboratoire dédié en raison de l'équipement d'automatisation important qui doit rester en place. Une autre limitation des cellules d'écoulement est que lorsqu'un sol expansif est mouillé, il se dilate dans le noyau de sol confiné, ce qui comprime les pores du sol et modifie les propriétés du sol. Cela peut entraîner une sous-estimation de la conductivité hydraulique du sol. Pour résoudre ce problème, prélevez des échantillons lorsque le sol est proche de la saturation.
L'un des problèmes des cellules à écoulement (et de toutes les techniques de laboratoire) est que les valeurs de laboratoire diffèrent des valeurs de terrain. Un macropore fermé sur le terrain peut être ouvert lors du prélèvement d'une carotte de sol. Comme l'eau s'écoule plus facilement dans un pore ouvert, il est possible de surestimer la conductivité hydraulique. En outre, une petite carotte de sol ne tient pas compte de la variabilité spatiale. Il est donc nécessaire de prélever davantage d'échantillons pour obtenir une représentation précise du terrain.
KSAT (Ks): Comment cela fonctionne-t-il ?
METER's KSAT est similaire à la cellule d'écoulement, sauf qu'il simplifie et accélère la mesure parce que l'automatisation est intégrée à l'appareil.
Vue de face de l'instrument de laboratoire KSAT qui mesure la conductivité hydraulique saturée
Il est capable de réaliser des techniques à tête tombante et à tête constante. Le site KSAT utilise une petite carotte de terre et dispose d'une colonne d'eau avec une burette pour contrôler le débit d'eau (figure 4).
Figure 4. KSAT section transversale
L'eau s'écoule dans la burette, pénètre au fond de l'échantillon et s'écoule par le haut de l'échantillon. Le site KSAT utilise un capteur de pression qui mesure automatiquement la hauteur de pression de la colonne d'eau. Un ordinateur prend les mesures du transducteur de pression et le logiciel automatise les calculs et corrige les changements de viscosité de l'eau à différentes températures. Lorsque vous utilisez la technique de la chute de charge, le capteur de pression mesure le changement dans la colonne d'eau et le logiciel calcule le débit et la conductivité hydraulique de l'échantillon.
Comme pour les cellules d'écoulement, les limites du KSATsont dues à la faible surface et au fait que l'échantillon est confiné. Vous devez donc tenir compte des mêmes considérations lorsque vous prélevez des échantillons pour ce dispositif.
Le grand avantage du KSAT est que tout est automatisé, ce qui permet de gagner du temps, et qu'il ne nécessite pas beaucoup d'espace de laboratoire. De plus, il peut être combiné avec le HYPROP pour générer automatiquement des points sur la courbe de conductivité hydraulique saturée et non saturée. Regardez la vidéo pour voir comment.
TECHNIQUES DE TERRAIN : CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE SATURÉE SUR LE TERRAIN
Infiltromètres à anneau(Kfs)
Les techniques de terrain offrent une meilleure représentation de ce qui se passe réellement sur le terrain. Un infiltromètre annulaire est un cylindre à parois minces et à extrémité ouverte inséré dans le sol à une profondeur spécifique (généralement autour de 5 cm) pour mesurer la conductivité hydraulique saturée sur le terrain. L'eau s'infiltre à travers le(s) anneau(x) en utilisant soit la technique de la tête constante, soit celle de la tête tombante. Cette opération est effectuée manuellement ou le système peut être automatisé, ce qui permet d'effectuer plusieurs mesures en même temps. Il existe différents types de cylindres, y compris les infiltromètres à anneau simple et à anneau double (ou concentrique).
Infiltromètre à anneau unique(Kfs)
Un infiltromètre à anneau unique utilise un seul cylindre de mesure (figure 5), et l'eau est infiltrée à travers le cylindre en utilisant la technique de la tête constante ou de la tête tombante. Pour la technique de la hauteur de chute constante, un réservoir avec un barboteur à mariotte est généralement utilisé pour contrôler le débit et le niveau d'eau à l'intérieur de l'anneau. Lorsque l'eau s'infiltre dans l'anneau, elle se déplace horizontalement et verticalement dans le sol, et des corrections doivent donc être apportées pour tenir compte de l'écoulement tridimensionnel.
Figure 5. Coupe transversale d'un infiltromètre à anneau unique
Les diamètres des infiltromètres à anneau unique varient de 10 à 50 cm. Un diamètre d'anneau plus grand signifie qu'une plus grande surface peut être mesurée, ce qui permet une meilleure représentation de la variabilité spatiale.
Infiltromètre à double anneau(Kfs)
Un infiltromètre à double anneau (ou anneau concentrique) comporte un cylindre de mesure unique placé à l'intérieur d'un cylindre tampon plus grand. Le cylindre tampon est destiné à empêcher toute divergence d'écoulement par rapport au cylindre de mesure afin de simplifier l'analyse. En théorie, le cylindre de mesure ne mesure que l'écoulement vertical de l'eau, sans écoulement horizontal. Cette méthode utilise des techniques de chute ou de hauteur de chute constante, et le même niveau d'eau doit être maintenu dans les deux cylindres pour obtenir les mêmes gradients de pression, ce qui nécessite généralement beaucoup d'eau.
Figure 6. Coupe transversale d'un infiltromètre à anneau double ou concentrique
Avantages et inconvénients de l'infiltromètre annulaire
Les anneaux plus grands de l'infiltromètre annulaire tiennent compte d'une plus grande variabilité spatiale et représentent donc mieux les conditions de terrain que les instruments de laboratoire, ce qui signifie qu'ils sont plus utiles pour la modélisation. Cependant, la mesure nécessite beaucoup d'eau - entre 60 et 100 litres d'eau par heure, en supposant un taux d'infiltration d'environ 30 cm/heure (un sol à forte conductivité pourrait utiliser plus de 300 litres/heure), ce qui est difficile à transporter. De plus, la mesure prend beaucoup de temps - deux à trois heures selon la taille de l'anneau.
Un autre problème est la nécessité d'estimer le facteur de longueur capillaire macroscopique du sol (appelé Alpha) afin de corriger l'écoulement tridimensionnel. Il existe des tableaux permettant d'estimer ce paramètre Alpha, mais si vous vous trompez, vous obtiendrez des estimations inexactes de la conductivité hydraulique.
De plus, le cylindre tampon n'est souvent pas efficace pour arrêter le flux latéral. Cela a été démontré dans la littérature par des analyses de laboratoire et de modélisation. Les calculs basés sur l'hypothèse d'un écoulement uniquement vertical peuvent donc donner lieu à des surestimations.
SATURO (KFS): Comment cela fonctionne-t-il ?
METER's SATURO automatise la méthode bien établie de la double tête, qui mesure l'infiltration à deux têtes de pression différentes, rationalisant ainsi la mesure et évitant les erreurs humaines potentielles.
Installation de l'infiltromètre SATURO
Il dépose de l'eau sur le sol, utilise la pression de l'air pour créer les deux têtes de pression, et une pompe maintient automatiquement les niveaux d'eau corrects. Son processeur interne calcule automatiquement la conductivité hydraulique saturée sur le terrain, éliminant ainsi le post-traitement des données.
Figure 7. SATURO section transversale
SATURO avantages et inconvénients
Le système SATURO combine l'automatisation et l'analyse simplifiée des données en un seul système. Il est conçu pour être transporté et installé par une seule personne et, comme il maintient automatiquement les niveaux d'eau corrects, il élimine les mesures et les ajustements constants.
La mesure prend un peu de temps, mais beaucoup moins qu'un infiltromètre à anneau, et elle fonctionne sans surveillance. Vous pouvez utiliser plusieurs instruments simultanément et il n'est pas nécessaire d'estimer le facteur Alpha, ce qui élimine une source d'erreur courante. Il utilise deux poches d'eau de 20 litres, mais a besoin de beaucoup moins d'eau qu'un infiltromètre à double anneau, car il n'a pas besoin d'un grand anneau extérieur.
Dans le webinaire suivant, le Dr Gaylon S. Campbell enseigne les bases de la conductivité hydraulique et la science derrière l'infiltromètre automatisé à double tête SATURO .
Infiltromètre à pression (Kfs)
L'infiltromètre à pression est similaire à l'infiltromètre à anneau unique, sauf qu'une fixation au sommet de l'anneau permet de contrôler la tête de pression appliquée sur l'anneau (figure 8).
Figure 8. Coupe transversale de l'infiltromètre à anneau de pression
Les utilisateurs appliquent une seule tête pendant un certain temps, puis passent à une tête de pression plus élevée pendant un intervalle donné, et reviennent ensuite à la tête de pression inférieure pendant un intervalle donné. Cette opération est répétée jusqu'à ce qu'un taux d'infiltration quasi stable soit atteint pour les deux têtes de pression. Les taux d'infiltration aux différentes têtes de pression peuvent ensuite être utilisés pour estimer des valeurs telles que la valeur Alpha ou la sorptivité.
Avantages et inconvénients de l'infiltromètre à pression
Tableau 2. Avantages et inconvénients de l'infiltromètre à pression
Avantages
Inconvénients
La mesure de (𝛂) améliore l'analyse de Kfs
Appareil de mesure plus complexe
Peut également être utilisé pour déterminer la sorptivité et le potentiel de flux matriciel.
La technique des têtes multiples demande plus de temps
Non automatisé - nécessite plus de travail
Cette technique vous permet d'effectuer une analyse de têtes multiples, ce qui vous permet de réaliser d'autres mesures telles que la sorptivité et le potentiel de flux matrique. En outre, vous pouvez mesurer le facteur de longueur capillaire macroscopique (la valeur Alpha) au lieu de l'estimer, ce qui élimine une source d'erreur potentielle lors de la correction de l'écoulement tridimensionnel.
Mais il s'agit d'un appareil de mesure plus complexe. Il faut plus d'automatisation, en particulier pour changer de tête de pression. Et il faut du temps pour atteindre un taux d'infiltration stable aux deux têtes de pression.
Les perméamètres de sondage (KFS)
Il existe plusieurs modèles de perméamètres de forage (ce qui dépasse le cadre de cet article), mais nous allons ici en explorer les bases.
Figure 9. Coupe transversale du perméamètre de forage
Les perméamètres de forage utilisent une méthode de hauteur de chute constante pour éviter les erreurs dues à la vérification de la hauteur de l'eau dans un trou de forage. Pour utiliser un perméamètre de forage, un trou est creusé à la tarière jusqu'à la profondeur souhaitée, le perméamètre est monté au-dessus du puits et le barboteur à mariotte est inséré pour maintenir une hauteur de charge constante à l'intérieur du trou de forage. Vous calculez ensuite le débit entrant, attendez l'état stable et utilisez ces valeurs pour calculer la conductivité hydraulique, après quoi vous corrigez pour tenir compte de l'écoulement tridimensionnel. Vous pouvez effectuer une analyse à tête simple ou multiple en modifiant le niveau d'eau et la hauteur de pression à l'intérieur du trou foré.
Avantages et inconvénients du perméamètre
Tableau 3. Avantages et inconvénients du perméamètre de sondage
Avantages
Inconvénients
La mesure de (𝛂) améliore l'analyse des Kfs (uniquement en cas d'analyse de têtes multiples)
Petite surface
Analyse de différentes couches de sol
Longues durées de mesure
Peut être utilisé pour déterminer la sorptivité et le potentiel de flux matrique
Risque de soulèvement et d'envasement
Pas de visibilité de la surface de mesure
Si vous utilisez l'analyse de la tête de bassin multiple, un perméamètre vous permet de mesurer l'alpha, ce qui élimine une source d'erreur potentielle, et il peut déterminer la sorptivité et le potentiel de flux matrique. Il est également plus facile de mesurer différentes couches de sol, car il suffit de creuser un petit trou à la tarière, contrairement aux infiltromètres annulaires, qui nécessitent une excavation importante.
Les perméamètres ne mesurent qu'une petite surface, de sorte qu'un plus grand nombre de mesures est nécessaire pour obtenir une représentation du champ. De plus, les temps de mesure sont longs, surtout lorsqu'il s'agit d'analyser plusieurs têtes.
Un autre problème est celui de la maculation et de l'envasement à l'intérieur du trou de forage (c'est-à-dire que la tarière peut maculer la surface lorsqu'elle coupe). Cela ferme les pores et les rend incapables de conduire l'eau, ce qui entraîne des sous-estimations. Comme il n'y a pas de visibilité, il est difficile de savoir s'il y a eu maculage ou envasement. Il existe cependant des méthodes pour réduire ces problèmes.
TECHNIQUES DE LABORATOIRE : CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE NON SATURÉE
Cellules d'écoulement (K(Ψ))
Les cellules d'écoulement sont également utilisées pour mesurer la conductivité hydraulique non saturée (K(Ψ)), mais contrairement à la conductivité hydraulique saturée, la mesure nécessite des tensiomètres (figure 10).
Figure 10. Coupe transversale de la cellule d'écoulement et du tensiomètre
L'eau s'écoule d'une source d'eau, à travers l'échantillon et hors de la carotte de sol. Deux tensiomètres surveillent le potentiel hydrique et l'utilisateur contrôle le débit faible à élevé pour permettre au sol de transmettre l'eau dans des conditions non saturées. Un débit constant est maintenu jusqu'à ce que les deux tensiomètres indiquent le même potentiel hydrique (succion du sol). Ces mesures et le débit sont utilisés pour déterminer la conductivité hydraulique non saturée à ce potentiel spécifique. Pour obtenir les propriétés de rétention, l'utilisateur mesure également la teneur en eau de la carotte du sol. Les étapes sont répétées pour déterminer différents points le long de la courbe de conductivité hydraulique non saturée.
Avantages et inconvénients des cellules d'écoulement
Tableau 4. Avantages et inconvénients des cellules à circulation
Avantages
Inconvénients
Propriétés de transmission et de rétention d'eau simultanées
Nécessite une méthode pour maintenir un débit constant
Estimation des paramètres d'écoulement saturé et non saturé sur la même colonne de sol
Opération complexe
Une cellule d'écoulement vous permet de mesurer la conductivité hydraulique non saturée et les propriétés de rétention en même temps, ce qui permet de générer une courbe de libération partielle de l'humidité du sol. De plus, vous pouvez mesurer les paramètres d'écoulement saturé et non saturé sur la même colonne de sol.
Cependant, cette technique nécessite une pompe pour contrôler et modifier les débits, et l'opération est compliquée. Les cellules à écoulement nécessitent également de l'espace dans le laboratoire, et l'automatisation requiert une instrumentation complexe.
Méthode d'évaporation (K(Ψ))
La méthode d'évaporation a été introduite pour la première fois par Wind en 1968. Elle nécessite une carotte de sol dans laquelle sont insérés des tensiomètres à différentes profondeurs. La carotte initialement saturée est ouverte en haut et fermée en bas, ne permettant l'évaporation qu'à partir de la surface. Cela crée un gradient de potentiel matriciel dans la carotte. La masse de la carotte et le gradient sont mesurés au fur et à mesure de l'évaporation de l'eau, ce qui permet de calculer le potentiel de flux matrique ou la conductivité hydraulique non saturée. Cette technique nécessite un taux d'évaporation constant afin d'obtenir des mesures simultanées de la tête matricielle et de la teneur en eau, ce qui permet à la fois de mesurer la conductivité hydraulique non saturée et de générer la courbe de libération de l'humidité du sol.
HYPROP (K(Ψ))
METER's HYPROP est un instrument de laboratoire basé sur une version simplifiée de la technique d'évaporation Wind/Schindler.
HYPROP 2 crée des courbes de restitution de l'humidité du sol
À l'intérieur du site HYPROP se trouvent deux tensiomètres situés à des hauteurs différentes à l'intérieur d'une carotte de sol qui n'est ouverte qu'en surface (figure 11).
Figure 11. Coupe transversale à l'intérieur du cylindre HYPROP
Le site HYPROP repose sur une balance et mesure la masse de la carotte de terre qui s'évapore au fil du temps. Il génère à la fois les propriétés de rétention du sol et la conductivité hydraulique non saturée. La conductivité hydraulique non saturée est calculée en utilisant l'inversion de l'équation de Darcy (équation 4).
Équation 4
HYPROP avantages et inconvénients
Tableau 5 : HYPROP avantages et inconvénients
Avantages
Inconvénients
Propriétés de transmission et de rétention d'eau simultanées
Données K(Ψ) peu fiables à proximité de la saturation
Mesure automatisée
Courbe d'apprentissage
Excellente résolution des mesures
Seules les caractéristiques de désorption
L'avantage de HYPROP par rapport à une cellule d'écoulement est une mesure entièrement automatisée sur toute la plage d'humidité. HYPROP permet de gagner du temps en générant automatiquement la courbe de conductivité hydraulique non saturée pendant que vous vous occupez d'autres choses. Il fournit simultanément les propriétés de transmission et de rétention de l'eau avec une haute résolution (plus de 200 points de données), sauf à proximité de la saturation. Combinez-le avec le site KSAT pour l'extrémité saturée de la courbe, et avec l'instrument de mesure du potentiel hydrique (sols secs). WP4C (sols secs) pour générer des courbes complètes de libération de l ' humidité du sol. Pour en savoir plus sur les courbes de libération de l'humidité du sol, consultez la vidéo suivante.
L'appareil a une courbe d'apprentissage. HYPROP a une courbe d'apprentissage, mais une fois que vousavez appris à remplir les tensiomètres, l'installation est facile. Et une fois qu'il est installé, il est entièrement automatisé. Notez que HYPROP ne mesure que les caractéristiques de désorption (perte d'eau) car il s'agit d'une méthode d'évaporation ; il peut donc y avoir des différences avec les caractéristiques d'adsorption (ajout d'eau).
TECHNIQUES DE TERRAIN : CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE NON SATURÉE
Infiltromètres à tension (K(Ψ))
Les infiltromètres à tension ne mesurent que la conductivité hydraulique non saturée. Une plaque poreuse est placée sur le sol (figure 12) et l'eau est aspirée sous l'effet d'une succion contrôlée par une tour contenant un barboteur à mariotte.
Figure 12. Coupe transversale de l'infiltromètre de tension
Il contrôle l'aspiration négative en insérant le tube à bulles plus profondément dans l'eau afin d'augmenter l'énergie nécessaire pour aspirer l'air afin de remplacer l'eau aspirée par le dispositif. Cette technique permet d'effectuer des analyses à l'aide de méthodes transitoires ou en régime permanent.
Méthode transitoire : mesure le taux d'infiltration au fur et à mesure qu'il évolue dans le temps et l'extrapole à un état stable.
Méthode de l'état stable: au fil du temps, un taux d'infiltration stable est atteint.
Un infiltromètre à tension infiltre de l'eau dans le sol sous l'effet de succions imposées, ce qui vous permet de mesurer les taux d'infiltration à différentes succions négatives afin de séparer les tailles de pores. Plus la succion est forte, plus les pores doivent être petits pour extraire l'eau. Il s'agit également d'une technique d'infiltration tridimensionnelle, qui nécessite donc une analyse tridimensionnelle de l'écoulement.
Avantages et inconvénients de l'infiltromètre de tension
Tableau 6. Avantages et inconvénients de l'infiltromètre à tension
Avantages
Inconvénients
Aspiration contrôlée
Les méthodes d'état stable prennent du temps
Les disques plus grands expliquent une plus grande variabilité spatiale
Nécessite l'estimation des propriétés du sol pour corriger l'écoulement tridimensionnel
Estimation de la sorptivité et de la répulsion
Photographie d'un infiltromètre à tension
L'avantage de l'infiltromètre à tension est que l'aspiration contrôlée permet de mesurer la conductivité hydraulique non saturée à un potentiel matriciel spécifique. L'utilisation d'un disque plus grand permet de tenir compte d'une plus grande variabilité spatiale. Cependant, cela n'est pas forcément critique car les pores de grande taille sont la principale source de variabilité spatiale et ils se drainent à de très faibles dépressions. Les infiltromètres à tension sont également utilisés pour obtenir une estimation de la sorptivité et de la répulsion - utile pour les études d'hydrophobie après les incendies de forêt.
Les limites sont que les méthodes en régime permanent prennent du temps et que, comme pour la méthode transitoire, des imprécisions sont possibles (en particulier dans un sol très sec avec un taux d'infiltration initial plus élevé). C'est donc une bonne idée d'effectuer plusieurs mesures. Cette technique nécessite une estimation de l'alpha pour corriger l'écoulement tridimensionnel, ce qui constitue une source d'erreur potentielle. Mais dans l'ensemble, il s'agit d'une bonne technique de terrain.
Considérations relatives à la mesure de la conductivité hydraulique
Ne pensez pas que vous pouvez utiliser les mêmes valeurs de conductivité hydraulique du sol pour le même type de sol dans un champ. Ce n'est pas le cas, en particulier lorsque l'utilisation des terres et la position des paysages sont différentes. Un chercheur a constaté des changements radicaux dans les propriétés hydrauliques d'un même type de sol. Son site était composé de prairies naturelles, de pâturages améliorés et de cultures conventionnelles, et il y avait un fort changement dans la position du paysage dans les trois champs.
Figure 13. Valeurs de conductivité hydraulique pour trois utilisations différentes des terres et positions du paysage dans les terres noires du Texas. Les chercheurs ont effectué des mesures en trois exemplaires de la conductivité hydraulique saturée sur le terrain à l'aide d'infiltromètres à double anneau à chacun des points.
La figure 13 montre les mêmes tendances pour les pâturages et les prairies sur le sommet, le versant arrière et le versant inférieur. Les valeurs de conductivité hydraulique du sol sont plus élevées sur le versant arrière et les valeurs les plus faibles sur le versant inférieur. Cela s'explique en partie par l'effet catina (modifications des propriétés hydrauliques et de la composition chimique du sol dues au lessivage des solutés du sommet et à la précipitation des solutés dans le bas de la pente). Il est intéressant de noter que cette tendance n'était pas évidente sur le site de labourage conventionnel, probablement parce que ce site était perturbé (labouré régulièrement).
Où devez-vous mesurer ? Combien de mesures ?
Une stratégie consiste à mesurer l'EC en vrac dans un champ pour obtenir une estimation de la variabilité spatiale réelle. Grâce à cette information, vous pouvez décider où effectuer les mesures et combien sont nécessaires pour couvrir la variabilité spatiale du champ. La figure 14 est une carte de l'EC d'un champ générée à l'aide d'un appareil EM38 pour mesurer l'EC globale.
Figure 14. Carte de la CE montrant la variabilité dans un champ du Texas
Cette carte a aidé les chercheurs à diviser le champ en sections et à décider où effectuer les mesures. Dans ce cas, les chercheurs ont choisi d'effectuer des mesures en trois exemplaires de la conductivité hydraulique saturée du champ à chacun des points choisis (croix blanches).
Approfondir la mesure de la conductivité hydraulique
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)
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)
Daniel DE. 1989. In situ hydraulic conductivity tests for compacted clay. J. Geotech. Eng. 115(9).(Lien article)
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)
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)
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)
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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Les mesures imprécises de la conductivité hydraulique saturée (Kfs) sont fréquentes en raison d'erreurs dans l'estimation de l'alpha spécifique au sol et d'un tamponnage tridimensionnel inadéquat de l'écoulement.
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La plupart des gens ne considèrent l'humidité du sol que sous l'angle d'une seule variable, la teneur en eau. Or, deux types de variables sont nécessaires pour décrire l'état de l'eau dans le sol.
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