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Office d e l a Recherche Sc ien t i f ique e t Te chni que Out r e-Mer
- Zabo4qtoire de Géologie Dynamique de l 'Univers i t6 P ie r r e e t Marie Curie
. AllF-CI\IRS 65.1 - 2337 Hydrologie
Group d'Hydrologie de 171ns t ï tu l ;
(Université Sc ien t i f ique e t Médicale de Grenoble)
Direct ion des Ressources en Eau
de Mécanique de Grenoble .
. .
. . e t en So l s de Tunisie
. . .
. . . .
. .. . . . .
U t i l i s a t i o n de la sonde & neutrons
pour l a carac té r i sa t ion d'un p r o f i l de
s o l du Sud,Tunisien simultanément
à l 'emploi äe mesures tensiométriques
e t -de t raçages isotopiques e t saI ins
JOURNEES SCIWIFIQUES I
- DU GROUTE FRANCAIS D ' HUMIDIMETRIE FSE;UTRONIQOE
C E * A CADARACHE 21 - 22 novembre 1978
/L.
J. COLOMBAN1
d-'
. .
h * Chef du Département Recherche du Service Xydrologique
de 1'ORSTOM
... .. , . ._
I .
U t i l i s a t i o n de l a sonde 5 neutrons
pour l a carac té r i sa t ion d'un p r o f i l de
s o l du Sud Tunisien simultanèment
5 1'e.mploi de mesures tensiométriques
e t de t raçages isotopiques e t s a l i n s
I
. .
Résumé : Dans l e cadre de 1'ATP-CNRS Hydrologie une opération a é t6 menée ans l e Sud Tunisien a r ide par un Groupe de chercheurs r e s s o r t i s - sants de L'ORSTOM, L'Université de Pa r i s V I , l ' I n s t i t u t de Mécanique de Grenoble, l a Faculté des Sciences e t Techniques de Montpellier e t l a Faculté des Sciences de Tunis.
Le problème abordé est l ' é tude ponctuelle des t r a n s f e r t s d'eau, de so lu t é s , d ' isotopes e t de chaleur en t ran t e t so r t an t d'un p r o f i l de s o l . Le Groupe a m i s en oeuvre des apparei l lages e t méthodes complémentaires: sonde 2 neutrons, tensiomètres, méthode de t raçage chimique e t i so to- pique, étude du b i l an d'énergie pour l a détermination de l 'évaporat ion. La communication a pour objet l a présentat ion des travaux ef fec tués e t un aperçu des r é s u l t a t s obtenus ou attendus.
a -
Abstract : I n t h e frame work of a spec ia l operation of CNRS i n Hydrogeo- logy a work has been done i n a r i d South Tunisia by a Group of researchers coming from ORSTOM, Pa r i s V I University, I n s t i t u t de Mécanique de Greno- I 1
b le , Sc i en t i f i ca1 and Technical University of Montpellier and Sc ien t i f i - -cal University of Tunis.
The problem which has been t r ea t ed is t h e pin-point study of water, heath and dissolxed matters t r ans fe r i n and out of s o i l .
complementary implements have been used : Neutron moisture probe, ten- siometers, chemical. and i so topic markers, evaporation measures (energy balance). This paper sets out t h e work done and some of t h e r e s u l t s obtained or expected.
I . i
. . . - 1 -
. . . . I - Introduction. - . _ . .
. .
A l'origine de cette opération un but était fixé : 1'Etude des possibilités d'alimentation des nappes par infiltration directe de la pluie dans le sol en zone aride. Divers organismes ayant pro- posé un programme de recherche dans ce sens le CNRS a demandé qu'un programme commun soit élaboré.
. L'association de différentes équipes sw ce programme avec des techniques différentes et complémentaires ne pouvait qu'être bé- néfique et l'opératioi s'est effectivement déroulée jusqu'à ce jour dans des conditions tout 5 fait satisfaisantes.
Le site choisi au Djebel Dissa se trouve en zone aride dans le Sud Tunisien 2 15 km au Nord-Ouest de Gabès 5 proximité de la rau- te Gabès-Gafsa (approximativement 33"55' Nord - 9058' Est).
Le poste pluviométrique le plus proche ayant une.longue pé- riode d'observation est GABES oÙ sur 75 ans d'observation on observe un total de pluie annuel médian de 155 mm (moyenne 183 mm), le minimum observé étant de 36 mm seulement et le maximum atteignant 532 mm. Au Djebel Dissa les valeurs observées doivent être en moyenne un peu plus faibles du fait d'une plus grande distance A la mer et du fait de l'orientation,
I
--_ --._
I1 est 5 noter que l'on a observé au Djebel Dissa en 1973 une averse de 133 m (12.12.73). Des averses journalières égales A deux fois la valeur médiane du total annuel peuvent se produire. Les intensités mesurées en 5 minutes ont atteint jusqu'8 I50 mm/h,
i Les températures relevées 5 Gabès de I901 5 1950 donnent les
résultats suivants :
Les maximas, surtout par temps de sirocco, peuvent être trGs .. élevés et approcher 50°C sous abri.
L'évapotranspiration potentielle calculée par la formule de TURC (Baldy 1968) serait de 1417 mm par an à Gabès, l'évaporation Piche est de 2022 mm.
.O . ./. * .
+ .,
&r _ _ STATION OU OJLILL OtSS. .'lZll I i
Les vents sont fréquents e t souvent violents .
La zone du Djebel Dissa e s t formée de dépôts a l luviaux, col- .
luviaux e u Goliens du quaternaire r é c n t ou ac tue l , surmontant un dé- pôt argilo-sableux gypseux du miopliocène, l e tou t é tan t adossé à un r e l i e f cretacé. Le p r o f i l é tudié e s t composé d'un s o l isohumique (s ie - rozem) recouvrant une couche gypseuse miopliocène.
La pos i t ion du p r o f i l e t sa composition sont i l l u s t r é e s par l e s f igu res I ( a ) , I ( b ) e t I ( c ) . On notera une f o r t e d i scont inui té du p r o f i l vers 90 cm de profondeur : l a teneur en gypse passe d 'environ 1 % dans l a couche supérieure t r è s sableuse (66 B 89 % de szble) A 40 % ou p lus dans l'encroutement gypseux pour redescendre & 30 A 35 % seulement vers 110 cm. Ce type de s o l e s t fréquent dans l a zone qui s 'é tend en t r e Gabès e t Gafsa.
. .
La végétation e s t f o r t peu développée représentée par quel- quels p lan tes perennes e t sur tout des p lan tes annuelles dont l e déve- loppement est l i é étroitement A l ' importance des chutes de pluie . Le s i t e est un ancien labour non cu l t i vé depuis assez longtemps, Cela se t r a d u i t pa r un horizon supe r f i c i e l de 10 dens i té apparente un. peu p lus f a i b l e , avec une teneur en sab le un peu p lus élevée.
15 cm d 'épaisseur e t de
Une des ra i sons du choix de ce s i t e est l ' ex i s t ence d'un disposi t i - f d ' étude ORSTOM-DRES (1) t r è s complet d'une toposéquence complète du Djebel Dissa 5 proximité immédiate, l e monolithe é t an t implanté dans un t e r r a i n identique A ce lu i du bas de l a toposéquence. L'étude de c e t t e toposéquence concerne l e ruissel lement , l ' é ros ion , l e t ranspor t so l ide e t l e b i l a n hydrique e t a duré cinq ans de 1972 &
977 1
II'- Appareillage de mesure,
. . '
Nous avons décidé d ' i s o l e r l a composante v e r t i c a l e de l#é- coulement. En e f f e t il e s t d i f f i c i l e d 'e f fec tuer sur une p e t i t e surfa- ce des essais d ' i n f i l t r a t i o n a r t i f i c i e l l e sans supprimer d'une faqon ou d'une a u t r e l e s t r a n s f e r t s la té raux , Le p lus souvent l ' opé ra t ion est r é a l i s é e Le r é s u l t a t obtenu dans ce cas e s t t r è s imparfai t car si fondeur l'écoulement e s t .& peu p rès v e r t i c a l sous l 'anneau de mesure, t r è s rapidemment il y a divergence l a t é r a l e . Nous avons donc chois i d ' u t i l i s e r un monolithe de s o l non remani6 e t sans fond (c 'es t -à-dire que l e p r o f i l se poursuit vers l e bas sans aucune coupure ou b a r r i è r e art i f i c i e l l e.
l ' a i d e d'un apparei l lage Munte de grande dimension, f a i b l e pro-
(I) Direct ion des Ressources en Eau e t en Sols Minis tère Tunisien de l 'Agricul ture .
1 7 I r 1
A h, r+ 4
TUN-21049
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Chenchoc
-COUPE SCHEMATIQUE MONTRANT LA REPARTITION D E S MATERIAUX DANS L A REGION DU D J E B E L D I S S A
N. E
Dj. Mensof
D J . D I S S A Bled Senhojia (Dj.e! Krenba)
(O. Haboji 1 M L - 2 0 8 STATION Oas is de Dune Ghannouch littorale C
L E G E N D E
Quaterraire recent (alluvions, colluvions, ddpots eoliens) . I I,' .,
. . Argiles s;rJbie,uses gypseuses a u miopliocene
- , . . . Croûtes e t encroûtements gypseux
PL.. . Nebkhas (dunes fixe'es pcr der Ziziphus !otus!
. . C o l c o l r e s d u r s d u Camoonien (Senonten sup6r ieur ) % . Route
m &&l. , . . Sectonien inferieur (ol ternanca de marnes et do colcoires durs)
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TUN- 21048
,COUPE SCHEMATIQUE IWONTRAMTLA REPARTITION DES MATERIAUX SUR LA STATION DU DJEBEL DISSA(coupe .- D b)
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- + Parcel le NQ 1
Parcelle NQ 2 il --
-.-.._.Calcaires dqrs du Ss'ncnien inferieur
I_____ Argiles sableuses gypseuses du miopliocene
U , - , - C r o û t e s et encroatements gypseux
E I .-___ Encroûtements c a l c o r o - gypseux
Monolithe
.--I (?oute'MC 208
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Horizon sablo- arpi:eux 6 soblo-limoneux accumulation cd:cun:e
______,_Horizon sableux Ô sablo-limoneux
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(y: u: C n I 2 3 I-
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O Ap. #I
10 --------..-I
15
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190
Fig- I c
Ancien horizon de labour Recouvrement S L. Sierozem
Horizon SA a LS riche en modules calcaires. tronqué.
Encroûtement gypseux jaune rougeâtre
Cailloux
Encroûtement gypseux blanc plátreux
Miopliocène gypseux altéré SA.
Profil type du Sierozem au Djebel Dissa I
. . *
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. .
L'appareil cons t ru i t consis te en un cyl indre de t ô l e en t r o i s sec teurs boulonnés, dont l a longueur enterrée e s t de 220'cm. C e cyl indre a é t é m i s en place en creusant t o u t autour jusqu '&.ce q u ' i l g l i s s e autour de l a colonne i n t é r i e u r e a i n s i t a i l l é e e t non perturbée o
Cette mise en place n ' a pas é t é t r è s f ac i l e . Un des sec- t e u r s por te des o r i f i c e s percés & d i f f é ren te s profondeurs prédéter- minées e t obturés par des couvercles boulonnés. Ces o r i f i c e s servent 5 i n t rodu i r e l e s appare i l s de mesure dans l e monolithe. C e secteur est encastré dans l a paroi d'une fosse couverte qui permet d ' y accé- der e t l e s deux au t r e s sec teurs sont enterrés ,
Le monolithe dépasse du s o l de I O cm. (c f , f i gu re II (a). ,
I Un tube de sonde & neutrons occupe l ' a x e du monolithe qui a ' u n diamètre de 1,38 m e t une supe r f i c i e de l ,5 m2.
I
i
Les mesures neutroniq7des d'humidité ont é t é f a i t e s grâce 6 2 sondes CFA type SOLO, l e so1,ayant é t6 &talonné i n s i t u (gravimétrie) e t par l e CFA, 5 Cadarache.
10 tensiomètres ont é té placés 5 d i f f é ren te s profondeurs, s o i t 6 p a r t i r de l a surface ( I O cm e t 20 cm de profondeur), s o i t p a r t i r de l a fosse pour l e s au t res .
Des cannes de prélèvement de l ' e a u du s o l ont également é t é mis en place 5 d i f f é ren te s profondeurs.
L'eau u t i l i s é e pour l e s i n f i l t r a t i o n s é t a i t de l ' e a u app3.u- f vr i e en oxygène 18 obtenue par l a fonte de neige r e c u e i l l i e en a l t i t u - de dans l a région de Grenoble (méthode beaucoup moins coÛteuse que de faire un marquage par un excès d'oxygène 18. Le t raçage de c e t t e eau
'
a é t é r é a l i s é e également 5 l ' a i d e de t r i t i um e t dans c e r t a i n s essais par des sels : chlorure de l i th ium, chlorure de potassium, e tc ,..
-
Une s t a t i o n de mesure f i n e de l 'évaporat ion a é t é également mise en place 5 f a i b l e dis tance du monolithe (environ 20 m).
L'évaporation est déterminée par deux méthodes d i f f é ren te s , (b i l an d 'énergie - rapport de Bowen et es t imat ion du coe f f i c i en t de
t r a n s f e r t ) . L'appareil lage m i s en p lace pour c e l a comporte :
#- - Mesure du rayonnement global : c e l l u l e au s i l i c ium
Rayonnement atmosphérique -I- Rayonnement global : Bilanmètre modifié ( l a face in fé r i eu re r e ç o i t l e rayonnement d'un corps n o i r f o r t e i n e r t i e thermique dont l a température est enregis t rée .
Mesure du b i l a n r a d i a t i f : Bilanmètre Swissteco
Mesure de l 'a lbedo : appare i l fabriqué localement avec une
Mesure des gradients de température e t de pression de vapeur
' p i l e de Kipp e t une p i l e au s i l ic ium.
d'eau : Thermocouples cuivre-constantan doublés placés dans des tuyères avec une a sp i r a t ion permanente supérieure B 2 m/s. disposés sur un bras a r t i c u l é permettant l a modification des deux niveaux de référence (en- t r e O e t 2 m au dessus du s o l ) . Humectation par mousseline e t mêche .-
Mesure des températures sèches e t humides par thermocouple.
Mesure de l a v i t e s se du vent B 6 niveaux,par des anémomètres sens ib l e s type "Casella" suivant une progression logarithmique de 20 400 cm. Un système permet l e démarrage e t l ' a r r ê t s imul tmés du compta- ge des 6 apparei ls . On peut a i n s i estimer l e coef f ic ien t de t r a n s f e r t de l a vapeur d'eau. La d i r ec t ion du vent e s t déterminée par une. girouet- te.
La v i t e s se du vent e s t enregis t rée en permaneme B 2 m du sa l pa r un anémomètre C I M E modifié. On peÙt a i n s i extrapoler dans' l e temps l a détermination du coef f ic ien t de t r ans fe r t .
' La température e s t mesurée B d i f f é r e n t s niveaux dams l e sol . e t s u r l e so l . On peut a i n s i déterminer l a quant i té de chaleur stockée par l e s o l en t r e deux i n s t a n t s e t donc l e f l u x de chaleur moyen.
I *
Une cent ra le de mesures permet l 'enregistrement par intégra- t i o n s u r 15 minutes des rayonnements (rayonnement global , rayonnement atmosphérique + l e rayonnement global , b i l a n r a d i a t i f ) des temp&ra.;ures sèches e t humides, de l a v i t e s se du vent B 2 mèt res , l 'enregis t rement de l a valeur instantanée des températures du s o l . '
L'ensemble de l ' appa re i l l age e s t alimenté en énergie é l ec t r i - que par groupe électrogène e t ba t t e r i e s .
Le disposi t ' i f d 'a l imentat ion en eau du monolithe e s t consti- t u é par un "simulateur de pluie" (c f . f i g . 1I.a). Le but recherché é t a i t de r é a l i s e r une alimentation en eau sans mise en charge en répar- t i s s a n t l ' e a u de f q o n homogène avec une i n t e n s i t é rég lab le e t cons- tante.
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4
i.
.- 5 - - .
-Le simulateur est cons t i tué d'un bac cylindrique de sec t ion égale 5 c e l l e du monolithe ( l ,5 m 2 ) contenant une couche de sab le ar- gi leux reposant s u r un t i s s u f i l t r e et une plaque perforée. Une char- ge d'eau rég lab le e s t maintenue s u r l e sab le par un système de vase de Mariotte. Le débi t du système est connu par l a mesure du niveau du ré- se rvo i r d 'alimentation. Le bac est placé B une cer ta ine hauteur (ré- glable) au dessus du monolithe e t il se forme su r sa face in fé r i eu re '
une p l u i e qui présente l ' inconvénient d ' ê t r e const i tuée de grosses gout tes tombant 5 peu près toujours au même endroit.
L'homogénéisation e t l e fractionnement de l a p lu i e sont r é a l i s é s par l ' i n t e r p o s i t i o n d'une g r i l l e du genre t o i l e moustiquaire en plast ique, Chaque goutte tombant s u r ce tamis l léclatel l e t a r rose l e s o l s u r une supe r f i c i e d'environ 3 B 400 cm2. -
C e système n ' a pas l a pré ten t ion t e l q u ' i l a é t é r é a l i s é de simuler t ou te s l e s carac té r i s t iques de l a p lu ie mais seulement d'assu- r e r une alimentation en eau sans mise en charge a r t i f i c i e l l e par un arrosage homogène 6 i n t e n s i t é constante connue ( e t réglable) .
Des e s sa i s annexes prél iminaires ont é t é r é a l i s é s sur des Muntz 5 proximité du monolithe su r un sol identique. Ces e s s a i s avaient pour but de t e s t e r l e s méthodes avant l 'opéra t ion commune du monolithe, Quatre tubes de sonde 6 neutrons ont é t é mis en place au cent re d'ap- p a r e i l s Muntz. Sur l ' u n des p r o f i l s tensiomètres e t cannes de prélève- ment ont auss i é t é employés.
III - Mesures r éa l i s ées .
111.1. Mesures dévaporation - L'équipe chargée de ces mesures (C. RIOU- R. CHARTIER) a effectué des mesures sur des séquences de I O 6 15 jours 6 d i f f é ren te s époques de l 'année de façon 5 obtenir une estimation de l 'gvaporat ion au cours de l 'année seLon l e s saisons. Des mesures ont é t é f a i t e s pendant l e s expérimentations de m a i 1978 sur l e monolithe, Les mesures s e poursuivront jusqu 'à l ' é t é 1979. L e s r é s u l t a t s obtenus sont en cours d 'é laborat ion e t paraissent très bons.
-- , E
111.2. Mesures d ' i n f i l t r a t i o n .
I_ III.2,I. Mesures prél iminaires f a i t e s en mai - j u i n 1977 pa r 1'6- &e de PARIS V I e t 1'ORSTOM. ' I .
Ces mesures avaient pour but de t e s t e r l e comportement des * d i f f é r e n t s t raceurs e t l e matériel de prélèvement de l ' e a u du sol;
Le simulateur de p lu i e a également é t é t e s t é 5 c e t t e occasion su r Lsun des Muntz.
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Une s é r i e de p lu ies a k té simulée avec cet appare i l , l e s so lu t ions é t an t marquées successivement par du chlorure de rubidium, du chlorure de l i thium, du chlorure de potassium, on u t i l i s e de l ' e a u appauvrie en oxygène 18, pu i s enf in enrichie en t r i t ium.
.
Les au t r e s muntz ont é t é a r rosés (à l ' a r r o s o i r ) avec l e s mêmes solut ions, Nous n 'entrerons pas dans l e d é t a i l des opérations r éa l i s ées . . .
Des conclusions ont é t 6 t i r é e s de ces expériences quant au comportement des t r aceu r s :
Lithium : Le comportement de ce t raceur est t r è s proche de ce- l u i de l 'eau,paraissant peu adsorbé e t peu soumis aux échanges ioni- ~
ques
Sodium : Son comportement e s t vo is in de ce lu i du l i thium mais il existe B une concentration gênante dans l e sol, ce qui o b l i g e , & . u t i l i s e r des concentrations de marquage t r o p for tes .
'
Potassium : I1 e s t m a l adapté é tan t t r è s fortement re tenu dès l e s premières couches du sol .
Rubidium, .cesium sont également t r è s fortement re tenus dans l e s premières couches du s o l e t peu u t i l i s a b l e s donc.
Oxygène 18 et t r i t i um sont de bogs t raceurs encore que l e der- ,
n i e r subisse une f o r t e dispersion qui rend d i f f i c i l e sa détect ion en profondeur.
La comparaison des t r a n s f e r t s des d i f f é ren t s t raceurs permettra -- sans doute de mieux saisir l e mécanisme du t r a n s f e r t d'eau l u i même.
I '
11.2.2. Mesures prél iminaires f a i t e s du 9 au 13 octobre 1977 p a l ' équipe de 1'IMG de Grenoble e t l'ORS?'OM.
I .
Ces mesures avaient pour but de t e s t e r - l a méthode de mesure u t i l i s a n t tensiomètres e t sonde neutrons.
, Une i n f i l t r a t i o n r é a l i s é e par l e simulateur a é t é faite SUT l e s i t e d ' e s s a i prél iminaire équip6 de tensiomètres e t d'un tube de sonde & neutrons pendant 6 heures à une i n t e n s i t é hora i re moyenne de 22, l mml/h. ' 7
s .
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Les r é s u l t a t s obtenus mettent en évidence une cer ta ine d i f - fusion l a t é r a l e d 'autant plus n e t t e que l e temps d'observation après l ' i n f i l t r a t i o n est long.
Un ca lcu l approché des v i t e s ses de f i l t r a t i o n aux d i f f é ren t s niveaux en fonction de l 'humidité a é t é possible.
111.2.3. Mesures annexes.
Depuis l a mise en place du monolithe des mesures 'régulières de l 'humidi té du s o l (Sonde A neutrons) e t du po ten t i e l de succion (dès l a mise en place des tensiomètres) ont é t é f a i t e s en dehors des .
périodes d ' i n f i l t r a t i o n provoquée. D e p lus du 23.11 .I977 au 13.12.1977 des mesures ont é t é f a i t e s avec l a sonde & neutrons a f i n d 'é ta lonner ce t appa re i l i n s i t u par gravimétrie.
La comparaison avec l 'é ta lonnage f a i t s u r des échant i l lons de s o l par l e CE4 B Cadarache permet de constater des r é s u l t a t s t r è s vois ins dans l e s 60 premiers centimètres de ' so l .
Par contre 5 une plus grande profondeur il y a une cer ta ine divergence due sans doute 6 l a per turbat ion apportée par l a discont i - nu i té du s o l A 90 cm e t auss i , p lus bas, B l a f a i b l e gamme d'humidité du s o l SUT l aque l l e nous avons pu opérer i n s i t u . . .
III,2.4. Opération con,jug&e du 8 mai 1978 au 13 mai 1978.
Toutes l e s equipes é tan t présentes une i n f i l t r a t i o n provo- quée, r é a l i s é e à l ' a i d e su simulateur de p l u i e , a é t é f a i t e avec de l ' e a u marquée.
On a simulé sur l e monolithe une averse de 9 h 5 une inten- " s i t é quasi constante de 19,3 "/heure (va r i a t ion de 21 & l8,5 mm/h pendant l a durée de l ' ave r se ) ,
, NOW n 'entrerons pas dans le dékai l des opérations r é a l i s é e s
mais rappel lerons simplement' l e s méthodes u t i l i s é e s pour l a caractér i - s a t i o n du p r o f i l e t présenterons quelques uns des r é s u l t a t s obtenus.
111.2.4.1 o Rappel. de l a méthode de --.-- carac té r i sa t ion hydrodynamique --- ' i n s i t u en i n f i l - t r a t i o n provoquée-.
Ce qui s u i t e s t e x t r a i t d'un rapport d.e G. VACHAUD, C. DAN- CEZLE, S. SANK0 e t J.L. Thony (1977).
o " ./. . *
. .
. _ . . . .
. ' ., On d é f i n i t l e s grandeurs suivantes : . '
. . . . . , .
, " . ' . . e teneur en eau volumique
h pression e f f ec t ive de l ' e a u (différence en t re l a pression de
. .
l ' e a u dans l e s o l e t l a pression atmosphérique. h e s t aqssi appelée llsuccionll
La mesure de 8 e t de h (fonction de 8 ) permet de d é f i n i r 1'6- coulement : La var ia t ion de 8 donne l a valeur absolue du f lux e t 3.a mesure de h donne l e sens du flux.
Z é tan t l a cote dlun point par rapport -5 l a surface du s o l (OZ . or i en té positivement vers l e bas) on 'peut d é f i n i r 1.a charge hydrzuliqJe H en ce point sous l a forme :
. . H = h - X . . . '
S i H var i e d'un point 6 un au t r e il y a écoulement des poin ts -5 ' f o r t e charge (ou énergie p o t e n t i e l l e par un i té de poids) vers l e s
poin ts 6 f a i b l e charge. .
L'écoulement e s t r é g i par l a l o i de Darcy génkraliske qui dans l e cas d'un écoulement 'vertical ( c ' e s t l e cas du monolithe) s ' é c r i t : -
oh K( €3) e s t l a conductivité hydraulique (fonction de l 'humidité du s o l )
'ia est l e gradj-znt de charge en t r e deux sec t ions d i s t an te s de
AZ e t q e s t l a v i t e s se de Darcy ou f l u x volumique B t r ave r s une sec- t i o n u n i t a i r e de s o l .
E .
lb
L'équation de conservation de l a masse par a i l l e u r s permet d 1 h i r e :
oh q1 e t 92 sont l e s f lux entrant e t so r t an t d'une tranche de sol d'épaisseur AZ, Qv le volume de s o l compris dans c e t t e tranche.
Pour une surface un i t é Av = A Z . 1 et l ' équa t ion devient en s impl i f ian t :
P b
d
.a * / * . .
. .
. . . . . . . . . . . . .
' A0 est l a var ia t ion de teneur en eau pendant l e temps A t . .
. .
AS = A o . A Z e s t l a va r i a t ion de s tock dans l a tranche' dPépaisseur Z pour une surface unit&.
. . , .
La connaissance de h( 0 ) .et K( B ) permet de d é f i n i r l a dy-' namique de l ' e a u dans un sol.
Les équations ci-dessus ne sont valables que sous cer ta ines conditions : 7'
- Le milieu do i t avoir une r i g i d i t é suf f i san te . Les argiles gonflantes par exemple sont exclues du champ d 'appl icat ion.
Dans notre cas l e p r o f i l de sol étudié s a t i s f a i t bien ?i
c e t t e première condition.
- Le milieu do i t ê t re isotherme.
Cet te condition bien qu'imparfaitement vgr i f i6e dans l e cas présent n ' e s t pas t r è s importante car l e f l ux dû A l a thermomigration e s t t r è s f a i b l e par rapport au f l u x dÛ l a var ia t ion de charge hydrau- l i que , Il en e s t de mGme pour l e gradient osmotique d ' a i l l e u r s .
. .. . ....
- L ' a i r contenu dans l e s pores e s t 5 l a pression atmosphérique : cec i e s t t r è s important. ,
Dans notre expérimentation nous avons c h i t é l a submersion en apportant l ' e a u sous forme de pluie . Donc nous v6rif ions bien c e t t e condition.
- L'écoulement doi t ê t r e v e r t i c a l : cec i e s t parPaitement r6ali--, sé dans l e monolithe aux paro is impermgables a r rosé de façon homogène, '
Pour l a détermination des r e l a t i o n s K ( 8 ) et h ( Q ) deux m&thodes de t r a v a i l sont poss ib les : l a méthode d i t e 2u Drainage in t e rne e t l a méthode d i t e du Bilan.
. , , . . . . . . 111.2,4,1.1. Méthode du drainage interne. . ,
La méthode consis te 5 su ivre l a red is t r ibu t ion ' de l ' e a u dans l e p r o f i l aprks l a fili de l 'a-pport d 'eau en supprinant l e s p o s s i b i l i t g s d-' évaporat i on (en couvrant l e so l ) .
. . . . . . .
n . L'évolukon des p r o f i l s de charge e t des p r o f i l s d'humidité é t an t connue on peut calcul-er l e f l u x so r t an t du volume de s o l limiti d'une p a r t par l a surface ( f lux en surface nul) e t d ' au t r e pa r t par une sec t ion 6 l a co te Z par l a va r i a t ion du stock ,ASz dags ce volume
q(z) i - on peut é c r i r e '. A t . !
ASZ 1 ou en valeur absolue q ( Z ) ..= ( - A:.t . .
A par t i r des mesures on peut t r a c e r l a courbe Sz ( t ) donnant l e s tock de l a sur face 6 l a cote Z en fonction du temps. La pente de c e t t e courbe, s o i t 3 permet l e ca lcu l du f l u x & l ' i n s t a n t t
d t
A p a r t i r de l a courbe donnant H(Z, t ) on peut mesurer l e gradient dH
dZ qui est l a pente de c e t t e courbe pour chaque profondeur.
On conna.2t donc 6 chaque in s t an t
dH * ù
8, H ( e t donc h = H + Z), q et
on peut donc en d6duire K( e-) = - & dH I
dZ
III.2.4.'1.2. Méthode _u.- du Bilan, 8
Cette méthode peut s e prat iquer sous l e s p lu i e s na ture l les . . Dans ce cas il y a non seulement drainage mais auss i évaporation.
' A ùne cer ta ine profondeur par conséquent apparaft un plan de f l u x nul pour lequel .!% = o.
-
dZ
La pos i t ion du p l& de f lux nul e s t donc repéré par l e ma- ximum des courbes H(Z) qui peut facilement ê t r e déterinin6 SUT l e s pro- fils obtefius zu cours des mesures. La pos i t ion du plan de f l u x nul e s t va r i ab leyen période de drainage e t d'6vaporatiGi1 il descend,peu 6 peu. On note 210 l a cote de ce p lan ,
Entre deux temps t q e t t 2 ZO passe de Zo(-tq) 5 Z o ( t 2 ) e t pn admet qu'en moyenne pendant cet i n t e r v a l l e de temps l a ... cote du plan de f l u x nul e s t Eo. - - ZG(tl) f Zo(t2)
t l ;t2 2
. .
. .
. . . . . .
. . , le gradient moyen est égdement IASI to , . .
t2 -tq le flux ii l a cote. z est q = connu à la cote 2.
(moyenne arithmétique de (%)tq et
on peut donc en déduire K ( 0 = 9'
Remarquons que IASI 2 représente l'évaporation du so l .
et que ] A S l P
zo - (F base du profil considéré) représente le '
drainage au dessous du niveau de cote F.
111.2.4.2. Commentaires sur les résultats obtenus.
III .2 -4 -2.1 . Période d'infiltration. La figure 311.2.4.2.1. (a) représente les profils d'humidité
et de charge hydraulique au cours de l'infiltration qui a dur6 9 heures.
On peut faire les remarques suivantes :
- L'intkgration des profils hydriques donne une variation de. stock en accord avec les apports d'eau avec une très bonne précision.
- La détermination du front d'humidité pai. l e s mesures neutroni- ques donne un résultat en avance par rapport 5 ceux obtenus par les me- sures tensiométriques o
Cela s'explique très bien par le fait que la sonde SOLO uti- lisée explore un volume approximativement sphérique de 20 cm de dia- mètre environ. Par conséquence la source radioactive étant placée à la cote Z cm signale l'arrivée du front d'humidité a l o r s que celui-ci n'est encore su'à la cote B - IO cm environ,
Les tensiomètres donnent une détermination plus ponctuelle et donc ilne position plus juste du front (avec sans doute une certaine avance encore).
La figure 111.2eLt*2=1 e (b) donne une représentation de cette avance de la sonde A neutrons, avance correspondant approximativement B notre évaluation ci-dessus.
QD
6 O
O
O I
Y
C
C
n I
C I
s C C I.$ I I
‘
Fig-IU
- 2-4
-2-1
- (a)
e
d II
+.r
w a
I
Y II a-
z 100
50
o
~~~~~~~~~~ pendarat I‘inf iltratiora . Estimation de ia pbnétrat ion du front corresponddnt
. à ìa variat ion de mesure neutron
/’
o’ / P’
/
P’ /
i
O 100 200 300 400
. .
Est imat ion de la Dénétrat ion du f ron t correspondant a la vdr iat ion de la mesure - tensiométrique à u n
\niveau 7
V tesse moyenne d’avancement = 1.0 c m / tieure
500 600 t minutes
- 12 -
Ce décalage présente l ' inconvénient de l i m i t e r l e s possibi-. l i tes de cor ré la t ion en t re pregsion e t teneur en eau au moment du pas- sage du f ront humide.
Détermination du f lux :
Le simulateur a fourni un f l u x parfaitement contrôlé qui a légèrement va r i é au cours de l ' i n f i l t r a t i o n ( f ig . .III.2.3.2.l. (c).
Le f l u x à une profondeur Z est obtenu par l a formule :
S é tan t l e stock d'eau en t r e la. surface e t l a cote Z e t . q, l e f lux apporté par l e simulateur.
La f igu re 111.2.4.3.1. (d) représente la var i a t ion du stock d'eau dans l e s tranches 0-20, 0-40 et 0-60 cm, La pente des courbes fourn i t dS e t on peut donc ca lcu ler l e flux.
d t
La f igu re 111.2.4.2.1. (e ) représente l ' évo lu t ion de ces f l u x à d i f f6 ren t s niveaux ; on peut constater l 'é tabl issement d'un r&- gime permanent; de O à 50 cm au moins.
.-
Estimation des r e l a t i o n s K ( 0 ) e t h ( II 8
L'estimation n ' e s t possible qu'après l e passage du f ron t -
humide, donc seulement en t r e O e t 60 cm et après des temps d ' i n f i l t r a - t i o n importants : 4 h pour l a cote 20 cm, 6 h pour l a cote 40 cm e t 8 h pour la cote 60 cm.
Les po in ts obtenus sont repor tés sur l e s figdres 111.2.4.2.1 i ( f ) pour K ( 0 ) e t 111.2-4.2.1. ( g ) pour h ( 0 )e
'
Pour h ( 0 ) on met a i n s i en éviderice l e phénomène d 'hys te res i s (h p lus f a i b l e en valeur absolue & l ' i n f i l t r a t i o n qu'au drainage).
III 2 o I t . 2.2 o Redistribution. .
Au bout de 9 heures l a p l u i e a é t6 a r r ê t é e au mment 03 l e front; humide a t t e i g n a i t l 'encroutement gypseux B 90 cm de profondeur,
P r o f i l s Hydriques - . . Les p r o f i l s hydriques de l a période de r ed i s t r ibu t ion s o n t
représentés sur l a f igure 111,2.4.2,2, . . (a>., .
; o J* O "
. .
20
I. c
r. <- I
ESSAI D'INFILTRATION GARES
Lame d'eau i n f i l t r e e en fonct ion du temps.
r = 0.99976 I = At -I- 3
A = 0.032243 cm/mn E = 0.20017
-_
- EO 120 240 483 5cc
E c r
CI)
2 0 0 -
100-
/
1
h
0-40
0 - 2 0
- t h e u r e s
c - E E 0 20
IC
c
Z = O - .
-.
O
i n f i it rat i o n
4 5 6
rip
GABES K 101. pour horizon superieur
c t--
Re la t
200
I 5 0
Z e n cm
on h en fonction d e 6
6
H 20 El
8 40 ' O
a 60 A
+ 85
x 100
0 110
@ 145
v 165 -
\
\
L- \ \
\ \ \
O, 3
... . .;i w . ...
... . .
. _-
ILS FI
L A
,
.. I
. . . . . . . . .. ..
. . . . . .
... .
. .
Y
. . . . - 13 - . .
.. .
. .
Sur ce graphique l e temps e s t compté 5 p a r t i r de l a f i n de l a pluie.
Dans un premier temps l 'évaporat ion a é t é stoppée par cou- ve r tu re du s o l par une f e u i l l e de p las t ique jusqu'à 17 h après l a fin de l a p lu i e , Durant c e t t e période il y a donc seulement drainage et on observe l e s faits suivants :
. .
- de O 8 '80 cm l e drainage e s t assez rapide l a teneur en.eau VQ- lumique passant de 32 % 8 25 % en moyenne.
- de 90 à 110 cm l a teneur en eau r e s t e constante (aux environs de 20 %)
- 2 p a r t i r de 110 cm l e s sec t ions s'humidifient régulièrement jusqu'6 160 cm au bout de I7 heures. Le stock d'eau correspond bien l ' i n f i l t r a t i o n r é a l i s é e (173 mm) avec une précis ion meilleure que '1,5 % 9
D i x sept heures après l a f i n de l a p lu i e l e s o l est décou- ve r t e t l 'évaporat ion commence. De O A I50 cm toutes l e s sec t ions perdent de l ' e a u par évaporation ou drainage. Au delà de I50 cm l'hu-a midif icat ion s e poursuit . Le bas du nonolithe e s t a t t e i n t par l e f ront humide au bout de 48 h.
220 cm de profoqdeur
Cha.rge e t p r o f i l s de charge.
L'évolution des charges dans l e temps montre que de l '?O à 160 cm e t au delà de 150 heures l a différence de charge comespop4 5 . l a différence de cote donc l e gradient de charge e s t égal. à l ' u n i t 6 e t 1'écoulement e s t g rav i ta i re . D a n s l 'encroutement gypseux par centre l e gradient e s t de l ' o r d r e de 0,6 seulement e t t r adu i t l a discontinui-
. I
.. t 6 du s o l B ce niveau-
Le t r a c é des courbes H(Z) ( f igu re I I Ia2 .~ t ,2 ,2 . (b) permet de déterminer l a pos i t ion du plan de f lux nul qui correspond au maximum de ces courbes, I
Sur l a f igure II1.2.4,2,2. (c) on a f iguré l t é v o l u t i o n dans l e temps d e ' c e t t e positiori. Au bout de 2QO h 1-a tranche de s o l soumise 5 Z'évaporation e s t de 35 cm, au bout de 631 heures l 'kpa isseur de l a tranche en évaporation a t t e i n t 90 cm.
. . La f igure 111e2,4.2,2. (b) f a i t b ien apparaî t re l a disconti- nu i té d.Ûe au gypse ( l a conductivité va r i e brutalement),
, . . . . . . . . . ...... ,-., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' , !.)i i ,: . i , * . ; t , ' 8 . . * ...* _ ........-. {
I REDISTR'IB . . . . . . . . . . . . I. . .i . . . . . I
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. . . .. .. . . . . . . . . . . ...... . . I j _ _ . j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - , ._ . . . . I
. . . :.. c !.::! I -. " . ,. -. .i...: !.
Fig-III- 2-4-2-24 C )
RetdisZribution ea
4 Esaimation de Ba pin i t ra l ion der plan de flux nul 90
E I U
K al
5 0 - 0
I ' 40
30
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...._ /
-en Iiwres depuis la , f i i l de l ' infi l tration
1 1 I I I i J - r , *
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O 208
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. .
1
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- 14 - . . . .
. , ,
. . . . J
Lame évaporge e t f l u x d'évaporation. ' . _ . .
Connaissant l a pos i t i on du plan de f l u x nul e t l ' évo lu t ion des p r o f i l s hydriques il est f a c i l e de déterminer l e s quant i tés d'eau Qvaporées e t l e s f l u x d'évaporation.
Le graphique 111.2.3.2.2.2. ( c ) r e p r k e n t e l ' évo lu t ion dans l e temps de l a lame d'eau évaposée e t indique les valeurs du flux d'évaporation.
Le f l u x tend vers O : s ' é levant 5 0,17 m m / h 24 heures après l e début de l a r e d i s t r i b u t i o n il n ' e s t p lus que de 0,049 mm/h au bout de 240 heures e t 0,040 mm/h au bout de 631 heures. Ceci e s t en accord avec les mesures f a i t e s 5 l a s t a t i o n climatologique par C. R I O U e t R, CHARTIER.
FLUX dans l e p r o f i l . .
Le f l u x à t r ave r s l a sur face de co te Z e s t déterminé par
qo é tan t l e f l u x dsévaporat iok 5 l ' i n s t a n t
- dS est connu puisque c ' e s t l a pente des courbes S(Z, t ) dB;
q, e s t connu a u s s i , puisque c ' e s t s o i t O ( t < l 7 h > p s o i t les ' va leurs calculées p lus haut ( t > l 7 h) .
Pour t ou te s l e s sec t ions de drainage on constate que S ( t ) est une r e l a t i o n de l a forme
1 .
S = a l o g t f b I
a - d t t.
- - donc on peut &rire - dS
Les valeurs suivantes de a sont re levées . . 4
O 50 1 O 0
I I e n mm/h)
I
. - 15 - . .
rì
c
I1 e s t donc f a c i l e de ca lcu ler q(Z, t ) . 0'
. , Les f igures I11.2,4.2.2. (d) e t ( e ) représentent l ' évolu t ion des f l u x d i f fé re i i t s niveaux en fonction du temps obtenus A l ' a i d e du ca lcu l indiqué. Aux cote,s 20, 40, 60, 80, l e f l u x s ' annul le respec t i - vement A 72, 240, -470 e t /u590 heures e t devient ensui te négat i f (il ne peut & t r e représenté sur not re graphique en coordonnée semi logar i - thmique) o
. . Lame d'eau percol&e, . . . - .
. "
Connaissant l a lame d'eau évaporée E( t ) e t l e s tock d'eau S ( t ) du monolithe, on peut en déduire l a lame d'eau P ( t ) qui e s t sor- t i e du monolithe à l a base de ce lu i - c i à l a cote-220 cm.
'
. . .
- n . . I I . . ! I t I ! i I i ! 1
! Temps! 0 ! 17 ! 24 1 36 ! 48 ! 72 ! 120 ! 168 .D 240 ! 631 1 ! heures I
1 ! ! - ! I 1 E I ! ! .. i 1
I ' ! ! -- -_1_1
. ! I I ! , ! I -__u_--
+U
! E I I !- 0,84!- 3,26!- 5,08!- 7,97!- i1,8!- 14,9! - 20 !- 3 , 8 r ? ! f ! I I ! . I ! !
t ! 1 1 i ! ' ! I I ! I I ..-I_.
ml ! -_y -.I__
! p m m ! o ! o ! o ! o ! o ! + 4 ! + 1 5 ! + 2 4 1 + 3 9 ! + g o 1 1 I ! ! 1 ! ! I I ! ! t
I On peut penser que q e t t e lame d'eau qui échappe ii l '&vapo-
r a t i o n peut recharger l e s nappes profondes, Cependant l a paroi du mo- no l i the s a r r ê t an t à 220 cm il- e s t probable qu'une cer Laine évasion l a t é r a l e s e produit vers l e s t e r r a i n s encaissants p lus secs . Cette évasion e s t - e l l e t o t a l e ou une f r ac t ion de l ' e a u continue-t-elle & descendre ? Nous serons mieux renseign6s A ce s u j e t lorsque l e s résul- tats d'observation sous p l ù i e n a t u r e l l e seront disponibles.
I c . .
. . Nous connaisson6 8 (Z , t ) '
. . ~ . . .
8 . .
10 * 1 - E E
c? v
Pl
1
10 -
10-
A
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O
10-
IO-
:G
O
@ 1 2 2 5 c m
. .
. . . .
t . .
' On peut donc ca lcu ler K( 0 ) = -%- ' dH/dz
. .
on peut Q t a b l i r l a - r e l a t i o n h( e ) en
correl-ant .€I 2- h = IT - 2 . .
. Les f igu res III.2.4~.2,Ie ( f ) e t III,2.4.2,2. ( f ) donnent 3.a r e l a t i o n K( 0 ).
Ces courbes démontrent que ' l a couche supérieure du p r o f i l de O 5 60 cm e s t t r è s homogène e t assez peu perméable,
La zone de l 'encroutement gypseux (c f courbe 5 I00 .cm) es t par contre beaucbup p lus perméable que l ' ho r i zon supérieur (pour 8 = 18 % l a perméabili té y e s t 30 f o i s p lus f o r t e ) ,
% .
Le bas du p r o f i l (Miopliocène) e s t relativement homogène avec une perméabili té intermédiaire en t r e c e l l e s des deux zones pré- cédent es o
Le graphique 111.2.4.2,l (g) donne l e s r e l a t i o n s h( 6 ) B d i f f é r e n t s niveaux. La zone de l 'encroutement gypseux s e d is t ingue bien également su r ce graphique par 'une succion moins f o r t e que i e s au t r e s couches 2 humidité égale. La couche 5 20 cm 5 humidité égale a.une p lus f o r t e succion que l e r e s t e du p r o f i l , L'horizon 165 cm e t l e s horizons 40 5 60 cm semblent t r è s s proches.
111e2e5e Traçage. Au moment o Ù nous rédigeons ce t e x t e nous ne dis- posons $tas des r é s u l t a t s du Laboratoire de GéologieDynamique de 1'U- n i v e r s i t é P ie r r e e t Marie Curie. Le dépouillement des mesures néces- s i t e dans ce cas des analyses assez longues ce qui explique ce re- t a rd -
Les premiers r é s u i t a t s entrevus paraissent très prometteurs e t devraient permettre de f a i r e l a pa r t en t r e e f f e t p i s ton e t mélange d i spe r s i f o
;
S i nous recevons 5 temps l e s documents nous en donnerons oralement un aperçu, I .
.III,3, Conclusion provisoire ,concernant l e s mesures. I -
Le dépouillement des mesures consécutives 5 l ' i n f i l t r a t i o n a r t i f i c i e l l e est en voie d'achèvement, Les r é s u l t a t s actuellement connus sont t r è s s a t i s f a i s a n t s ,
:. J.3 .
10
4 I
10-
10 -
B il
c . r- r-
- 8 C Y
O
O
O
d I
I I
O Z = 85
Q z4100
O Zf=115
o, 2 O, 3
17 -
. .
i
i
h
. . .- Le p r o f i l de sol p a r a î t t r è s b ien ca rac t é r i s é e t il d o i t ê t r e poss ib le de mettre au point un modèle de simulation de l s i n f i l - tration-évaporation su r ce s o l ,
- L'encroutement gypseux qui pas sa i t pour ê t r e une b a r r i è r e ' A l ' i n f i l t r a t i o n s e révè le en f a i t t r è s perméable,de 39 5 IO0 f o i s
p lus A humidité égale que l a couche supérieure.
- LOinf i l t ra t ion de l ' e a u jusqu'au 'del; de 2,20 mètres e s t poss ib le e
Cependant'les mesures en cours actuellement sous p l u i e s na- t u r e l l e s devraient permettre de confirmer nos r é s u l t a t s , de comparer exactement l 'évaporat ion mesurée à la s t a t i o n météorologique pa r l a méthode du b i l a n d 'énergie monolithe ( l e s humidiths du sol é tan t l e s mêmes).
avec c e l l e déduite des mesures s u r l e ,
- La p o s s i b i l i t é d ' i n f i l t r a t i o n s profondes d o i t pouvoir . _ ê t r e confirmée,
- 11 e s t in té ressant de no ter que l ' i n t e n s i t é de l a p l u i e chois ie (environ 19,3 mm/h) correspond apparemment 5 l a capaci té li- mite d ' i n f i l t r a t i o n d u p r o f i l puisque nous avons vu appayaî t re sur l e s o l des p e t i t e s zones de mise en charge (charge t r è s f a l b l e ) e t que d ' au t r e p a r t ì e s cinquante premiers centimètres de s o l para i ssent avoi r a t t e i n t l a sa tura t ion e t avoi r é t é soumis à un écoulement per- manent u
-
Ceci e s t 6 ra-pprocher des observations de J. BOURGES sur . l a toposéquence vois ine oÙ il met en kvicience l a p robab i l i t é d.'une capaci té d 'absorption l i m i t e de 20 "/ho du moins t a n t que l ' i n t e n s i - t é pluviomhtrique ne dépasse pas 3.0 mm/h. Au del& de c e t t e valeur de l ' i n t e n s i t é il pourra i t s e produire une modification de l a sur face du s o l sous l ' impact des gouttes de p l u i e qui pourra i t r édu i r e 1 ' i n Î i l - t ra t ior i e t f a i r e tendre même l a capaci té d 'absorption vers O ( p e l l i - cule de bat tance) .
I F
I V - Reinarque.
Pour l a rédact ion de ce t e x t e nous avons f a i t t r è s largement appel aux notes proviso i res de G. VACHAUD, PI. VAUCLIN, J-P. GAUDET e t R. HAKEPUqP en reproduisant l e u r s graphiques, De même nous avons u t i - l i s é . l a thèse de J.F. ARANIOSSY, l e s notes proviso i res de J.C. FON'I'FS . e t l a note proviso i re de C. RIOU. Tous doivent ê t r e remerciés pour ' l e t rava i l fourni dans un e s p r i t d 'équipe remarquable,
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w. . .
Fait à Par i s , l e 14.71.1978.
J. COLOMBAN1
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