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Caractérisations hydrodynamiques

Analyses effectuées : teneur en eau pondérale, densité apparente, détermination des courbes de rétention hydrique des sols, détermination des courbes de conductivité hydraulique.

Teneur en eau pondérale

La détermination se fait de manière pondérale en comparant la masse de l’échantillon prélevé et la masse après séchage à 105°C pendant 48h. La détermination peut être réalisée :
sur un échantillon prélevé à la main (humidité pondérale ou gravimétrique) ;
sur un échantillon prélevé au cylindre (humidité volumétrique).

Densité apparente

Cette analyse permet de mesurer la fraction de porosité d’un échantillon comparé à un volume de sol donné. La détermination se fait sur des échantillons prélevés au cylindre de 250 cm³.

Détermination des courbes de rétention hydrique des sols

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 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).

Nous utilisons deux types de dispositifs pour mesurer les courbes de rétention.

  • Méthode du bac à sable et à kaolin (pF inférieur à 2.7). Pour les faibles succions, 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 représentant la succion. Cet équipement (adapté de Stackmann et al., 1969 et Varallyay, 1973) est utilisé pour déterminer les courbes de rétention hydrique d’échantillons de sol non remaniés dans la gamme de tension (h) compris entre 0 et 500 cm.
Bac (sable et kaolin) pour détermination des courbes de rétention - Bac (sable et kaolin) pour détermination des courbes de rétention.
Bac (sable et kaolin) pour détermination des courbes de rétention
  • Méthode des presses de Richards (pF supérieur 2.7). Pour les fortes succions (typiquement entre 1 et 150 m), le dispositif des presses de Richards est utilisé. Les échantillons, initialement saturés, sont disposés dans des enceintes dans lesquelles on injecte de l’air (de l’azote) sous pression : la pression appliquée est l’équivalent de la succion imposée à l’échantillon.

Détermination des courbes 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 Ksat ou Ks. 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.
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 deux types de dispositifs pour mesurer la conductivité hydraulique.

  • Dans le domaine saturé, nous utilisons un perméamètre à charge constante qui nous permet de calculer la conductivité hydraulique à saturation Ksat. La mesure est réalisée sur des échantillons non remaniés prélevés au cylindre.
  • Dans le domaine non saturé, nous utilisons la méthode de Wind, qui peut être utilisée en évaporation ou en infiltration
Perméamètre à charge constante - Perméamètre à charge constante
Perméamètre à charge constante

1er octobre 2013