INFILTRATION D’EAU, TRANSFERT THERMIQUE ET SUCCION DANS LE SOL

 Les lois qui gèrent la dynamique de l’infiltration de l’eau dans le sol sont établies sur la base des propriétés : – du sol, en tant que milieu complexe multiphasique et poreux, dont la constitution varie dans l’espace et dans le temps, – du mouvement d’écoulement de l’eau, en tant que fluide incompressible et caloporteur, – du transfert de chaleur dans le sol. A l’échelle du mois ou de l’année, le sol peut être considéré comme une structure stable ainsi, selon une première approche, sa description peut être rapportée à un état statique. Dans ce cas, la méthodologie de l’étude dynamique de l’infiltration s’appuie sur trois concepts fondamentaux qui sont : l’analyse du comportement de la phase solide du sol, la formulation des lois théoriques qui gèrent le mouvement de la phase liquide et, l’évolution des processus d’échange thermique entre ces deux phases. Avant d’entamer l’étude proprement dite, il nous paraît indispensable de rappeler les lois et les éléments de base de description qui ont été établis jusqu’à présent.

Concepts de base

Le sol et ses propriétés physiques

Description générale D’un point de vue très générale, le sol se présente comme un système naturel complexe où les parties constituantes sont présentes dans trois états de phases différentes : solide, liquide et gazeuse [3], [4].  La phase solide correspond à la matrice solide du sol qui est le lieu des réactions physicochimiques avec les éléments de l’écosystème. Elle est composée de particules de formes et de tailles variées ; comme le recouvrement spatial occupé par ces particules ne remplit pas nécessairement la totalité du volume de la matrice, il existe des régions interstitielles vides (pores) qui marquent aussi la structuration de cette matrice solide.  La phase liquide est représentée par le fluide qui s’écoule dans les zones interstitielles ou qui stagne dans les pores de la matrice solide.  La phase gazeuse désigne le mélange gazeux composé essentiellement d’air et de vapeur d’eau qui est, soit piégé dans les pores, soit circulant à travers les espaces lacunaires de la matrice solide. 7 Laboratoire de Physique et Modélisation La coexistence de ces trois phases dans le « système sol » n’est pourtant pas à caractère statique ni à pourcentage de composition constant car elles s’influencent et s’interpénètrent mutuellement au cours du temps. Ainsi, même si le sol apparaît comme une structure compacte et stable, un affinement de sa description consiste à inclure aussi bien les propriétés dynamiques de ses phases constituantes que celle des processus d’interférence et d’échange entre elles. Selon une approche statique, le classement des sols en fonction des répartitions volumique et massique des phases constituantes peut être schématisé grossièrement par la figure I.1 [3], [5]. Figure I. 1 : Représentation schématique de la constitution des phases dans le sol De cette représentation schématique peut être établi un classement des états hydro-physiques du sol, selon la proportion de la phase liquide dans l’ensemble :  un sol sec est caractérisé par l’absence de la phase liquide  un sol partiellement saturé est caractérisé par la présence des trois phases : solide, liquide et gazeuse  un sol saturé ne renferme que les phases solide et liquide puisque tous les pores sont remplis d’eau. 

La matrice solide

Les propriétés dynamiques du processus d’infiltration sont fortement conditionnées par les caractéristiques hydrodynamiques, la structure et la texture du sol, entre autres. Le degré d’implication de ces trois facteurs relève des particules élémentaires qui composent le sol. D’une Phase gazeuse Phase liquide Phase solide MG ML MS MT Relation massique VS VG VT VL Relation volumique 8 Laboratoire de Physique et Modélisation manière générale, ces particules peuvent être groupées en trois grandes catégories : les particules minérales, les particules organiques et les pores. a) La partie minérale Les parties minérales (blocs, cailloux, gravier, etc.) sont différenciées entre elles par leur volume et leur forme. Il est alors possible de définir un critère de classement des particules (texture du sol) selon leur diamètre apparent Ф (granulométrie). De cette manière, les sols peuvent être classés selon leur texture. Citons en exemple, les trois classes texturales des terres dites « fines » qui sont retenues par la société Suisse de Pédologie.  Sable : ensemble des éléments minéraux dont le diamètre apparent est compris entre 0,05mm et 2mm.  Limon : ensemble des éléments minéraux dont le diamètre est compris entre 2µm et 50µm.  Argile : ensemble des éléments minéraux dont le diamètre est inférieur à 2µm. A partir de ces trois classes texturales de base, on peut reconstituer les autres classes par combinaison de différentes proportions de chaque classe, selon le principe du triangle des textures (Figure I.2) [1], [6]. Figure I. 2 : Triangle des textures Pour chaque type textural, le degré de compacité, ainsi que la densité poreuse du sol sont des facteurs à effet très significatif sur les propriétés dynamiques du processus d’infiltration. A : argileux As : argilo-sableux Al : argilo-limoneux La : limono-argileux Laf : limono-argileux-fin Las : limono- argileuxsableux L : limoneux Ls : limono-sableux Lfa : limoneux fins argileux Lf : limoneux fins Ltf : limoneux très fins Sl : sablo-limoneux S : sableux 9 Laboratoire de Physique et Modélisation b) La partie organique Contrairement à la partie minérale, la partie organique du sol n’est pas constituée de particules distinctes les unes des autres mais, se présente plutôt comme un ensemble caractérisé par sa masse ou son volume. Leur présence dans le sol résulte des activités biologiques sur les animaux et les végétaux (champignons, bactéries, etc.). Du point de vue de la composition, elle renferme généralement les trois composantes ci-après :  Les résidus : matière organique fraîche résultant de la sécrétion et de l’excrétion de végétaux ou d’animaux peu décomposés.  L’humus : sous-produit stable de la minéralisation primaire de la matière organique fraîche.  Les produits transitoires : produits entre la matière organique fraîche et l’humus stable. La partie organique du sol joue le rôle de substance liante pour les particules minérales. c) Les pores et leur rôle Les pores désignent les espaces vides (poches) ou les interstices non comblées qui marquent la structuration de la matrice solide du sol. Les propriétés caractérisant ces espaces lacunaires sont décrites à partir de la « porosité », notée 𝑓, qui est définie par le rapport du volume 𝑉𝑣 des vides au volume total apparent 𝑉𝑇 du sol [4], [7]: 𝑓 = 𝑉𝑣 𝑉𝑇 (I.1) La grandeur physique 𝑓 permet d’évaluer la capacité d’écoulement ou de rétention de l’eau dans le sol. La condition d’apparition de chacun de ces processus est liée non seulement au réarrangement des particules mais aussi au diamètre apparent des pores confinés à l’intérieur de la matrice solide. La valeur moyenne des diamètres des pores existants nous permet de classer les sols selon leur porosité [7], [8]. – macroporosité, lorsque les diamètres des pores sont supérieurs à 0,2mm. Pour cette structure, le déplacement de la phase liquide et celui de la phase gazeuse se réalise librement. – mesoporosité, lorsque les diamètres des pores sont compris entre 0,2mm et 6µm. Pour ce deuxième cas, le déplacement de la phase liquide devient plus difficile et le phénomène de rétention commence à apparaître. 10 Laboratoire de Physique et Modélisation – microporosité, lorsque les diamètres des pores sont compris entre 6µm et 0,2µm. Pour ce troisième cas, le déplacement de la phase liquide est presque impossible. Cette structure est idéale pour le stockage de l’eau dans le sol (réservoir d’eau). – porosité matricielle, lorsque les diamètres des pores sont très fins (inférieurs à 0,2µm). Le déplacement de la phase liquide n’est plus possible que pour une succion d’environ égale à – 15bars. Cette structure empêche tout mouvement de déplacement des fluides et, elle se comporte en véritable barrière à toute circulation de fluide. 

L’état hydrique du sol

D’une manière générale, l’état hydrique du sol est défini en fonction du niveau de son taux d’humidité. La détermination de ce niveau est effectuée à partir de paramètres caractéristiques qui s’inscrivent dans la terminologie utilisée en Sciences du sol. Nous rappelons ci-après, les principaux paramètres qu’on utilise dans la description de l’état hydrique du sol [9].  Le taux d’humidité (ou la teneur en eau) représente la quantité de la phase liquide existant dans le sol ; elle permet de statuer sur l’état hydrique du sol.  La saturation correspond à l’état hydrique lorsque tous les espaces vides du sol sont remplis d’eau. Dans cette condition, la valeur de la teneur en eau est égale à la porosité totale et le sol ne peut plus retenir l’eau.  La capacité de rétention caractérise l’état hydrique lorsque la teneur en eau est temporairement maximale dans une certaine couche avant de s’écouler en profondeur. Cet état marque l’apparition du phénomène de rétention d’eau dans le processus d’infiltration.  Le point de flétrissement désigne l’état hydrique à partir duquel les plantes ne disposent plus d’eau pour survivre, l’infime quantité d’humidité se trouve au niveau des micropores.  Le point d’hygroscopicité définit l’état hydrique lorsque la teneur en eau est extrêmement réduite. Dans ce cas, l’humidité apparaît sous forme de traces qui vont devenir des éléments constitutifs du sol, appelée eau de constitution.  L’assèchement caractérise l’état hydrique lorsque le milieu ne présente plus aucune trace d’humidité et, le sol commence à se fissurer au niveau de la surface.