Phénomène d’infiltration : influence du sol

 Influence du milieu poreux dans les phénomènes de diffusion et de transport

Définition du milieu poreux et la porosité Les roches meubles ou i ndurées constituant le sol et le sous-sol peuvent toutes être considérées comme formant ce q u’on appelle un milieu poreux se caractérisant par la présence d’une matrice solide et d’espaces. Ces espaces correspondent aux pores de la roche ou aux chenaux fissures, fractures, cavités que l’on peut rencontrer dans diverses formations géologiques. D es phases fluides (par exemple l’air, l’eau des hydrocarbures) occupent ces espaces disséminés dans le milieu. Ces espaces peuvent être interconnectés ou isolés. Un corps poreux est un solide contenant des trous .Toutes les roches peuvent être considérées comme poreuses à un c ertain degré, les pores peuvent contenir un ou pl usieurs fluides (de l’air, de l’eau, des hydrocarbures) [6]. Ψ = Potentiel capillaire Ψ < 0 Ψ = 0 Ψ > 0 Figure 3 : Zone saturée -Zone non saturée [6] Mémoire de master II présenté par M. Ousmane SAMBOU 10 II-2 La caractérisation hydrodynamique des sols La redistribution de l’eau arrivant au sol est largement conditionnée par les propriétés hydriques (rétention hydrique, conductivité hydraulique) des sols .Ces propriétés sont contrôlées par la structure et la texture de milieux poreux, très variables tant verticalement (selon les horizons dans les profils de sol) que latéralement (suivant les conditions de dépôt et les formations superficielles) Le sol est composé de trois phases : la phase solide, la phase liquide, et la phase gazeuse. L’analyse de différents paramètres hydrodynamiques rend possible la description de la circulation de la phase liquide, objet de notre étude.

Les paramètres du sol Kh est conductivité hydraulique

Elle exprime la capacité du sol à transmettre l’eau suivant son état de saturation mesuré par (teneur en eau volumique) ou (mesure l’état énergique et traduit la plus ou moins grande saturation du sol en eau. Elle est donc faible dans les sols saturés et augmente dans les sols secs. C’est une grandeur négative exprimée en cm d’eau) L’importance que revêt la conductivité hydraulique pour la description de la dynamique de la phase liquide fait de sa détermination un aspect essentiel de l’évaluation des processus de transfert. -La masse volumique du constituant i ( la masse i par unité de volumique -La densité équivaut au rapport de la masse volumique du solide ou du liquide considéré à la masse volumique de l’eau à 4 degré Celsius -La masse volumique apparente du constituant i de la phase (solide liquide ou gazeuse) est la masse de i présente dans la phase en question par unité de volume de sol  -La densité apparente exprimée le rapport du sol sec sur le volume total de l’échantillon. En d’autres termes, elle représente la masse volumique du sol sec. La teneur en eau du sol est caractérisée par deux paramètres essentiels : – L’humidité pondérale W qui est la relation de masse en tre l’eau co ntenue dans un échantillon et la matière sèche de cet échantillon. -L’humidité volumique est égale au rapport du volumique d’eau d’un échantillon sur le volumique total Les teneurs en eau à saturation moyennes de divers sols est de l’ordre de : -sol sableux : 35%< -sol silteux : 40%< -sol argileux : 30%<

Potentiel de l’eau

La grandeur, qui permet de décrire et prévoir les transferts d’eau dans la couverture pédologique, est le « p otentiel de l’eau », qu antité d’énergie contenue dans une quantité unitaire d’eau. L’état énergétique de l’eau dans le sol se décompose en énergie potentielle de position dans un champ de force et en énergie cinétique due à la vitesse de déplacement du liquide. Cette dernière, généralement faible dans les sols, est négligeable devant le terme d’énergie potentielle. On considère donc que le terme « énergie potentielle », ou « potentiel », suffit à décrire l’état énergétique de l’eau dans le sol. Mémoire de master II présenté par M. Ousmane SAMBOU 12 Dans tout ce qui suit, on considérera l’eau comme un liquide incompressible et se déplaçant uniquement sous forme liquide en conditions isothermes. Le phénomène d’évaporation ne sera donc pas traité ici. 

Etat de référence du potentiel de l’eau

La définition de l’état énergétique de l’eau dans le sol se fait par référence à l’état standard suivant : eau pure (sans soluté), libre (pas de phase solide), à l a pression de référence (pression atmosphérique) et à l’altitude de référence (plan horizontal de référence généralement pris à l a surface du sol). Par définition, le potentiel de l’eau à cet état de référence a une valeur nulle. Le potentiel total de l’eau Ψt correspond au travail nécessaire pour déplacer de façon totalement réversible une unité de quantité d’eau de l’état énergétique de référence à celui de l’eau dans le volume de sol considéré. A l’équilibre, le potentiel total de l’eau est identique en tout point de l’espace. Toute variation dans l’espace du potentiel de l’eau entraînera un déplacement spontané de l’eau dans le sens des potentiels décroissants (par convention). L’unité la plus courante en physique du sol est celle faisant référence au volume d’eau, Ψ, donc homogène à une pression. Le référencement de l’état énergétique à l’unité de masse est utilisé en physico-chimie, tandis que le référencement à l ’unité de poids d’eau est couramment utilisé en hydraulique.

Composantes du potentiel de l’eau dans un sol

Dans le sol, l’eau est soumise au champ de force lié à la gravité et à des interactions dues aux phases solide et gazeuse ainsi qu’à la présence de solutés dans la phase liquide. A l’échelle macroscopique, ces forces s’expriment à travers divers phénomènes comme la capillarité, l’osmose… La distinction entre ces phénomènes est à la base de la décomposition du potentiel total de l’eau en ses composantes. Si l’on se limite à d es sols indéformables, non salés et pour lesquels on peut négliger les variations de température, on distingue 2 composantes de base du potentiel total : gravitaire et de pression, cette dernière étant décomposable en composantes matricielle et hydrostatique.

potentiel gravitaire

Le potentiel gravitaire, hg, de l’eau est le travail nécessaire pour déplacer de manière réversible une unité de quantité d’eau de l’état de référence jusqu’à l’altitude du point considéré dans le sol. Le potentiel gravitaire correspond donc à un déplacement dans le champ  de pesanteur. En général, l’axe des altitudes est orienté vers le haut, puisque l’eau s’écoule par gravité dans le sens des potentiels décroissants. Par conséquent, l’altitude de référence étant la surface du sol, le potentiel gravitaire sera négatif dans le sol, positif au dessus de la surface du sol. Le potentiel gravitaire, en unité de pression, s’exprime par : Hg = z (1.8) Où z est l’altitude du volume de sol considéré. 

Potentiel de pression ou potentiel tensiométrique

Le potentiel de pression, hp de l’eau est le travail nécessaire pour déplacer de manière réversible une unité de quantité d’eau de l’état de référence jusqu’à la pression de l’eau dans le volume de sol considéré. Le potentiel de pression hp est directement mesurable à l’aide d’un tensiomètre.