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Gestion des Ressources en Eau dans les Régions Arides : Analyse Expérimentale d’un Sol Type du Burkina Faso et Modélisation Numérique des Transferts d’Eau Marcel Bawindsom KÉBRÉ Thèse de Doctorat Unique Université Montpellier 2 Université de Ouagadougou Direction : Pr. Fabien CHERBLANC et Pr. François ZOUGMORE

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Gestion des Ressources en Eau dans les Régions Arides :Analyse Expérimentale d’un Sol Type du Burkina Faso et

Modélisation Numérique des Transferts d’Eau

Marcel Bawindsom KÉBRÉ

Thèse de Doctorat UniqueUniversité Montpellier 2

Université de Ouagadougou

Direction :

Pr. Fabien CHERBLANC et Pr. François ZOUGMORE

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Plan

1 Introduction Générale

2 Modélisation théorique et numérique des transferts d’eauÉtat hydrique - Phénomènes physiquesModèle théoriqueModèle numérique

3 Caractérisation des propriétés physiques et hydrodynamiques des matériauxChoix du site - Caractéristiques physiques et hydriquesPerméabilité non-saturée

4 Non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eauChangement de phase : expérience et modélisationÉtude de cas : transferts aux faibles teneurs en eau

5 Conclusion & Perspectives

2

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Introduction Générale : contexte

1 Contexte mondialEnjeux majeurs de ce siècle : rationaliser l’utilisation des ressources naturelles(eau, terre, ...) pour nourrir bientôt les 7 milliards de personnes de la planète

Changement climatique et zones arides : raréfaction des précipitations,augmentation des indices d’aridité du climat, ...

Gestion rationnelle des ressources naturelles, l’eau en particulier : l’une despriorités pour l’atteinte des OMD

2 Contexte nationalChangement climatique dans les zones arides tropicales plus marquéesEnsablement des retenues d’eau et la réduction de capacités

La connaissance de la ressource en eau quantitative et qualitative de même que sadynamique dans le temps indispensable −→ modélisation des transferts dans les

sols pour une gestion eXciente des ressources hydriques

3

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Introduction Générale : contexte

1 Contexte mondialEnjeux majeurs de ce siècle : rationaliser l’utilisation des ressources naturelles(eau, terre, ...) pour nourrir bientôt les 7 milliards de personnes de la planète

Changement climatique et zones arides : raréfaction des précipitations,augmentation des indices d’aridité du climat, ...

Gestion rationnelle des ressources naturelles, l’eau en particulier : l’une despriorités pour l’atteinte des OMD

2 Contexte nationalChangement climatique dans les zones arides tropicales plus marquéesEnsablement des retenues d’eau et la réduction de capacités

La connaissance de la ressource en eau quantitative et qualitative de même que sadynamique dans le temps indispensable −→ modélisation des transferts dans les

sols pour une gestion eXciente des ressources hydriques

4

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Problématique de la modélisation pour les sols arides - Objectifs

Problématique dans les faibles teneurs en eau du sol

Modèles validés dans les zones tempérées dans les situations de forte saturationdu sol :

1 Concept de la perméabilité relative développé lorsque l’eau se trouve sousforme capillaire

2 Hypothèse d’équilibre local des transferts dans la phase gazeuse dans la couchesuperVcielle

Objectifs

Méthodes théoriques/numériques/expérimentales simples, moins couteuses etrobustes pour :

la caractérisation des propriétés hydrodynamiques du sol aux faibles teneurs eneau

la simulation numérique des transferts d’eau pour l’optimisation des techniquesde gestion des ressources en eau

5

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Problématique de la modélisation pour les sols arides - Objectifs

Problématique dans les faibles teneurs en eau du sol

Modèles validés dans les zones tempérées dans les situations de forte saturationdu sol :

1 Concept de la perméabilité relative développé lorsque l’eau se trouve sousforme capillaire

2 Hypothèse d’équilibre local des transferts dans la phase gazeuse dans la couchesuperVcielle

Objectifs

Méthodes théoriques/numériques/expérimentales simples, moins couteuses etrobustes pour :

la caractérisation des propriétés hydrodynamiques du sol aux faibles teneurs eneau

la simulation numérique des transferts d’eau pour l’optimisation des techniquesde gestion des ressources en eau

6

Plan

1 Introduction Générale

2 Modélisation théorique et numérique des transferts d’eauÉtat hydrique - Phénomènes physiquesModèle théoriqueModèle numérique

3 Caractérisation des propriétés physiques et hydrodynamiques des matériaux

4 Non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eau

5 Conclusion & Perspectives

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

État hydrique d’un sol non-saturé - Phénomènes physiques

DOMAINE FUNICULAIRE

eau capillaire

DOMAINE HYGROSCOPIQUE DOMAINE PENDULAIRE

eau capillaireeau adsorbée

8

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

État hydrique d’un sol non-saturé - Phénomènes physiques

DOMAINE FUNICULAIRE

eau capillaire

DOMAINE HYGROSCOPIQUE DOMAINE PENDULAIRE

eau capillaireeau adsorbée

Filtration liquide

Diffusion vapeur

Changement de phase

? ?

?

9

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modèle théorique

Équations de bilan :

à eau liquide

∂ρe∂t

+(ρevek

),k = −ρ̂e

à eau vapeur

∂ρv∂t

+(Jvk),k = +ρ̂e

1 Outils de la TPI −→ Relations phénoménologiques :ρevek : Wux de Vltration de l’eau liquide ( ∼ loi de Darcy)Jvk : Wux de diUusion de la vapeur d’eau (loi de Fick)ρ̂e : loi de changement de phase liquide/vapeur (Bénet, 1981)

2 Variables d’état :←− Contraintes expérimentalesteneur en eau massique wpression partielle de la vapeur d’eau pv

10

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modèle théorique

Équations de bilan :

à eau liquide

∂ρe∂t

+(ρevek

),k = −ρ̂e

à eau vapeur

∂ρv∂t

+(Jvk),k = +ρ̂e

1 Outils de la TPI −→ Relations phénoménologiques :ρevek : Wux de Vltration de l’eau liquide ( ∼ loi de Darcy)Jvk : Wux de diUusion de la vapeur d’eau (loi de Fick)ρ̂e : loi de changement de phase liquide/vapeur (Bénet, 1981)

2 Variables d’état :←− Contraintes expérimentalesteneur en eau massique wpression partielle de la vapeur d’eau pv

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user
Ellipse
user
Ellipse
user
Droite

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modèle théorique

Équations de bilan :

à eau liquide

∂ρe∂t

+(ρevek

),k = −ρ̂e

à eau vapeur

∂ρv∂t

+(Jvk),k = +ρ̂e

1 Outils de la TPI −→ Relations phénoménologiques :ρevek : Wux de Vltration de l’eau liquide ( ∼ loi de Darcy)Jvk : Wux de diUusion de la vapeur d’eau (loi de Fick)ρ̂e : loi de changement de phase liquide/vapeur (Bénet, 1981)

2 Variables d’état :←− Contraintes expérimentalesteneur en eau massique wpression partielle de la vapeur d’eau pv

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modèle théorique

Équations de bilan :

à eau liquide

∂w∂t− Ksat

ρ∗eρsg

(Kr∂µe

∂ww,k − Krg

),k− L

RρsMe

ln(

pvpveq

)= 0

à eau vapeur

∂t

(φgpv

)−(Dvsp∗v ,k

),k+ L

R2TM2

eln(

pvpveq

)= 0

1 Outils de la TPI −→ Relations phénoménologiques :ρevek : Wux de Vltration de l’eau liquide ( ∼ loi de Darcy)Jvk : Wux de diUusion de la vapeur d’eau (loi de Fick)ρ̂e : loi de changement de phase liquide/vapeur (Bénet, 1981)

2 Variables d’état :←− Contraintes expérimentalesteneur en eau massique wpression partielle de la vapeur d’eau pv

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user
Zone de texte
filtration
user
Zone de texte
changement de phase
user
Zone de texte
changement de phase
user
Zone de texte
diffusion

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modèle numérique

Z = 0

Z = H

Z

Maille nz

..

.

Sol

Maille 1

ii + 1

i - 1[wi, pvi]

Interface i + 1/2

Interface i - 1/2

..

.

Milieu physique Modèle numériquevs

Interface supérieure

Interface inférieure

Discrétisation en espace :Volume Finis

Discrétisation en temps :Schéma implicite

Equations couplées,fortement non-linéaires −→Newton-Raphson

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Plan

1 Introduction Générale

2 Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau

3 Caractérisation des propriétés physiques et hydrodynamiques des matériauxChoix du site - Caractéristiques physiques et hydriquesPerméabilité non-saturée

4 Non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eau

5 Conclusion & Perspectives

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Site de prélèvement - déVnition des couches

(Université)Nasso

Excavation de 1 m

Prélèvement de 3 couches

Stock de sol remanié ∼ sol naturel

NH1

NH2

NH3

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Site de prélèvement - déVnition des couches

(Université)Nasso

Excavation de 1 m

Prélèvement de 3 couches

Stock de sol remanié ∼ sol naturel

NH1

NH2

NH3

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Essais de caractérisations

1 Densités apparentes (sur site)2 Granulométrie3 Optimum Proctor4 Perméabilité à saturation5 Isotherme de désorption6 Courbe caractéristique, domaine capillaire7 Perméabilité non-saturée8 Changement de phase liquide/vapeur

18

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Analyse granulométrique

10−3 10−2 10−1 1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Diamètre tamis [mm]

Prop

ortio

n ta

mis

at c

umul

é [−

]

NH1 − ExpérienceModélisation NH1NH2 − ExpérienceNH2 − ModélisationNH3 − ExpérienceNH3 − Modélisation

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Activité de l’eau

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Act

ivit

é d

e l'e

au [

-]

NH1 - ModélisationNH2 - ModélisationNH3 - ModélisationNH1 - ExpérienceNH2 - ExpérienceNH3 - Expérience

20

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Courbes caractéristiques sol-eau (SWCC)

10−1 100 101 102 103 104 105 106

Potentiel chimique massique [J/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Ten

eur

en e

au m

assi

qu

e [k

g/k

g]

NH1NH2NH3

Kébré et al. (2013b) : IJER Volume No.2 Issue No7

Structures porales :

à NH1 et NH2 : structureunimodale

à NH3 : structure à doubleporosité ou bimodale

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Courbes caractéristiques sol-eau (SWCC)

10−1 100 101 102 103 104 105 106

Potentiel chimique massique [J/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Ten

eur

en e

au m

assi

qu

e [k

g/k

g]

NH1NH2NH3

Kébré et al. (2013b) : IJER Volume No.2 Issue No7

Structures porales :

à NH1 et NH2 : structureunimodale

à NH3 : structure à doubleporosité ou bimodale

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

SWCC : Modélisation

InsuXsances dans les faibles teneurs

à Hypothèse de linéarité en semi-log entre w et µ 6= modèles fondamentaux desisothermes

à µ0 = 106 J.kg−1 pour w = 0 6= µ0 = f( T, HR, p) ; sol naturel : w 6= 0

Proposition

à Formulation mathématique (Aubertin et al., 2006)

Se =wwsat

= 1− 〈1− Sa〉 (1− Sc)

Terme dû aux forces d’adsorption (faibles teneurs) :

Sa =(Aµ

)B

Terme dû aux forces capillaires (fortes teneurs) :

Sc = [1+ (αµ)n]−m

23

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

SWCC : Modélisation

InsuXsances dans les faibles teneurs

à Hypothèse de linéarité en semi-log entre w et µ 6= modèles fondamentaux desisothermes

à µ0 = 106 J.kg−1 pour w = 0 6= µ0 = f( T, HR, p) ; sol naturel : w 6= 0

Proposition

à Formulation mathématique (Aubertin et al., 2006)

Se =wwsat

= 1− 〈1− Sa〉 (1− Sc)

Terme dû aux forces d’adsorption (faibles teneurs) :

Sa =(Aµ

)B

Terme dû aux forces capillaires (fortes teneurs) :

Sc = [1+ (αµ)n]−m

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

SWCC : résultats modélisation - modèle proposé

100 102 104 1060

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Potentiel chimique massique [J/kg]

Deg

ré d

e sa

tura

tion

[−]

ExpérienceSe (total)Sc (capillarité)Sa (adsorption)

NH2

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

SWCC : résultats modélisation -zoom dans les faiblesteneurs en eau

102 103 104 105 106

Potentiel chimique massique [J/kg]

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06T

eneu

r en

eau

mas

siq

ue

[kg/

kg] Experience

VG80FS95FX94NM

NH2

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Plan

1 Introduction Générale

2 Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau

3 Caractérisation des propriétés physiques et hydrodynamiques des matériauxChoix du site - Caractéristiques physiques et hydriquesPerméabilité non-saturée

4 Non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eau

5 Conclusion & Perspectives

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Expérience : principe

Flux nul

Flux nul

6%

2%

Flux nul

Flux nul

0

z

H =

20

cm

Enceinte réguléeen température

Tube PVC

Sens du transfert

Film plastique

Film plastique

Sol

2%

6%

Transfert 1Disothermal

w > 2% (hors domainehygroscopique) pourque :à pv = pvsat =⇒diUusion etchangement de phasebloquésà Filtration de laphase liquide, seulphénomène enprésence

InWuence des eUetsgravitaires (2% - 6%)

28

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Expérience : disposition - mise au oeuvre

à Méthode destructive −→ nécessité de confectionnerplusieurs colonnes

29

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Expérience : disposition - mise au oeuvre

à Méthode destructive −→ nécessité de confectionnerplusieurs colonnes

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

ProVls expérimentaux

2% 3% 4% 5% 6%Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

1j3j5j7j

NH2 -

Expérience: 6%-2%

2% 3% 4% 5% 6%Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

3j5j7j10j

NH2 -

Expérience : 2%-6%

Objectifs : Tests et identiVcation des paramètres des modèles pourla perméabilité non-saturéey

31

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

ProVls expérimentaux

2% 3% 4% 5% 6%Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

1j3j5j7j

NH2 -

Expérience: 6%-2%

2% 3% 4% 5% 6%Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

3j5j7j10j

NH2 -

Expérience : 2%-6%

Objectifs : Tests et identiVcation des paramètres des modèles pourla perméabilité non-saturéey

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles capillaires

à Modèle intégral de Mualem← SWCC µ = f(w)

Kr (w) =

√w− wr

wsat − wr

( ∫ wwr

dwµ(w)∫ wsat

wr

dwµ(w)

)2

à Expression analytique : van Genuchten - Mualem (VGM80)

Kr (Se) =√Se[1−

(1− S

1me

)m]2

à Expression numérique← SWCC :

Fredlund & Xing (1994) : FX94

Fayer & Simmons (1995) : FS95

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles capillaires

à Modèle intégral de Mualem← SWCC µ = f(w)

Kr (w) =

√w− wr

wsat − wr

( ∫ wwr

dwµ(w)∫ wsat

wr

dwµ(w)

)2

à Expression analytique : van Genuchten - Mualem (VGM80)

Kr (Se) =√Se[1−

(1− S

1me

)m]2

à Expression numérique← SWCC :

Fredlund & Xing (1994) : FX94

Fayer & Simmons (1995) : FS95

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles capillaires : résultats

Simulation directe sans ajustement de paramètres pour Kr

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Ha

ute

ur

[-m

]

1j FX943j FX945j FX9413j FX941j FS953j FS955j FS9513j FS95

NH1

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

1 j3 j5 j13 j

VGM80

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles capillaires : résultats

Simulation directe sans ajustement de paramètres pour Kr

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Ha

ute

ur

[-m

]

1j FX943j FX945j FX9413j FX941j FS953j FS955j FS9513j FS95

NH1

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [-

m]

1 j3 j5 j13 j

VGM80

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles capillaires : résultats

Simulation directe sans ajustement de paramètres pour Kr

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Ha

ute

ur

[-m

]

1j FX943j FX945j FX9413j FX941j FS953j FS955j FS9513j FS95

NH1

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teur

[-m

]

1 j3 j5 j13 j

VGM80

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms

à 1er développement par Tuller &Or (1999) : équations complexes

àModèle simpliVé : Peters &Dur-ner (2008)

Kr = (1− β)Kcapr + βKVlm

r

β : coeXcient de pondération

à Présente étude : modiVcation du modèle de Peters & Durner

Kr(Se) =√Se[1−

(1− S

1me

)m]2+ ωSτe

Paramètres du modèle :

terme capillaire : m←− courbe caractéristique

terme Vlm : ω, τ ←− identiVcation par approche inverse

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms

à 1er développement par Tuller &Or (1999) : équations complexes

àModèle simpliVé : Peters &Dur-ner (2008)

Kr = (1− β)Kcapr + βKVlm

r

β : coeXcient de pondération

à Présente étude : modiVcation du modèle de Peters & Durner

Kr(Se) =√Se[1−

(1− S

1me

)m]2+ ωSτe

Paramètres du modèle :

terme capillaire : m←− courbe caractéristique

terme Vlm : ω, τ ←− identiVcation par approche inverse

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms

à 1er développement par Tuller &Or (1999) : équations complexes

àModèle simpliVé : Peters &Dur-ner (2008)

Kr = (1− β)Kcapr + βKVlm

r

β : coeXcient de pondération

à Présente étude : modiVcation du modèle de Peters & Durner

Kr(Se) =√Se[1−

(1− S

1me

)m]2+ ωSτe

Paramètres du modèle :

terme capillaire : m←− courbe caractéristique

terme Vlm : ω, τ ←− identiVcation par approche inverse40

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms : problème inverse

Fonction objective à minimiser

O (b) =n∑

i=1

m∑j=1

[w∗ (zi, tj)− w (b, zi, tj)]2

Algorithmes Levenberg-Marquardt et Downhill Simplex pour identiVer lesparamètres

Table 1: Scénarios et conditions d’optimisation

Scenario Paramètres libres Paramètres VxésF1 ω, τ Ksat, mF2 ω, τ , Ksat mF3 ω, τ , m, Ksat -

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms : problème inverse

Fonction objective à minimiser

O (b) =n∑

i=1

m∑j=1

[w∗ (zi, tj)− w (b, zi, tj)]2

Algorithmes Levenberg-Marquardt et Downhill Simplex pour identiVer lesparamètres

Table 1: Scénarios et conditions d’optimisation

Scenario Paramètres libres Paramètres VxésF1 ω, τ Ksat, mF2 ω, τ , Ksat mF3 ω, τ , m, Ksat -

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms : validation

2% 3% 4% 5% 6%

Teneur en eau massique [kg/kg]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Hau

teu

r [

-m]

1 j3 j5 j13 j

NH1 - Scénario F3 Prise en compte desécoulements par Vlms :meilleure reproductionqualitative et quantitativedes proVls expérimentaux

Précisions liées à la mise enoeuvre du protocoleexpérimental : la méthodedestructive.

43

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms : résultats

100 101 102 103 104 105

Potentiel chimique massique [J/kg]

10−14

10−12

10−10

10−8

10−6

Ksa

t x

Kr

[m

/s]

F1VGM80

NH1

Kr - VGM80↘ lorsque µ↗

Scénario F1 (Kr - présenteétude) : Changement derégime pour µ ≈ 1000 J.kg−1

avec K ≈ 10−12 m.s−1 (enaccord avec la littérature)

44

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation de la perméabilité non-saturéeModèles avec écoulements par Vlms : résultats

100 101 102 103 104 105

Potentiel chimique massique [J/kg]

10−14

10−12

10−10

10−8

10−6

Ksa

t x

Kr

[m

/s]

F1F2F3VGM80

NH1

Kr - VGM80↘ lorsque µ↗

Scénario F1 (Kr - présenteétude) : Changement derégime pour µ ≈ 1000 J.kg−1

avec K ≈ 10−12 m.s−1 (enaccord avec la littérature)

Scénarios F2 et F3 : pentesplates←− valeur de Ksat

estimée

45

Plan

1 Introduction Générale

2 Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau

3 Caractérisation des propriétés physiques et hydrodynamiques des matériaux

4 Non-équilibre dans les transferts aux faibles teneurs en eauChangement de phase : expérience et modélisationÉtude de cas : transferts aux faibles teneurs en eau

5 Conclusion & Perspectives

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Non-équilibre - loi de changement de phase

Systèmes d’équations couplées du modèle théorique :à eau liquide

∂ρe∂t

+(ρevek

),k = −ρ̂e

à eau vapeur∂ρv∂t

+(Jvk),k = +ρ̂e

ρ̂e −→ loi de changement de phase liquide-vapeur :

Propriété de non-équilibre thermodynamique (Bénet, 1981)

ρ̂e = LRMe

ln(

pvpveq

)CoeXcient phénoménologique L = f(w, pv) −→ la cinétique de changement dephase

Caractérisation et modélisation : Chammari, (2002) ; Lozanno, (2007)

47

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Non-équilibre - loi de changement de phase

Systèmes d’équations couplées du modèle théorique :à eau liquide

∂ρe∂t

+(ρevek

),k = −ρ̂e

à eau vapeur∂ρv∂t

+(Jvk),k = +ρ̂e

ρ̂e −→ loi de changement de phase liquide-vapeur :

Propriété de non-équilibre thermodynamique (Bénet, 1981)

ρ̂e = LRMe

ln(

pvpveq

)CoeXcient phénoménologique L = f(w, pv) −→ la cinétique de changement dephase

Caractérisation et modélisation : Chammari, (2002) ; Lozanno, (2007)48

user
Ellipse
user
Ellipse
user
Droite
user
Rectangle
user
Droite

Principe expérimental : changement de phase

échantillon de sol

[ 12 cm ]3

bainthermostaté

capteur

&P Tg

Trois phases

1 Équilibre thermodynamique2 Extraction de la phase

gazeuse⇒ vide3 Changement de phase, retour

à l’équilibre : mesure de Pg etT

Principe expérimental : changement de phase

échantillon de sol

[ 12 cm ]3

bainthermostaté

capteur

&P Tg

Trois phases

1 Équilibre thermodynamique2 Extraction de la phase

gazeuse⇒ vide3 Changement de phase, retour

à l’équilibre : mesure de Pg etT

temps

température

pression

Principe expérimental : changement de phase

pompeà vide

Trois phases

1 Équilibre thermodynamique2 Extraction de la phase

gazeuse⇒ vide3 Changement de phase, retour

à l’équilibre : mesure de Pg etT

t0

température

pression

temps

Principe expérimental : changement de phase

Enregistrement :- température- pression gaz

échantillonisolé

Trois phases

1 Équilibre thermodynamique2 Extraction de la phase

gazeuse⇒ vide3 Changement de phase, retour

à l’équilibre : mesure de Pg etT

t0teq

température

pression

temps

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Modélisation du changement de phase

Pv/Pveq

L

r

Leq

k

1

proche de l'équilibre loin del'équilibre

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Teneur en eau massique [ kg / kg ]

0×100

1×10−7

2×10−7

3×10−7

4×10−7

5×10−7

6×10−7

Leq

ExpérienceModélisation

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Teneur en eau massique [ kg / kg ]

0×100

1×10−5

2×10−5

3×10−5

4×10−5

5×10−5

pen

te k

ExpérienceModélisation

53

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Étude de cas : transferts aux faibles teneurs en eau

Objectifs :1 Cas d’étude dans la même conVguration que l’étude expérimentale dans

Ouédraogo et al., (2013)2 Comparer les modèles de Kr dans la mise en évidence du non-équilibre

liquide/vapeur

z z = H = 0,3 m

z = 0

Enc

eint

e où

T et

HR

con

stan

tes

Sol à

w (z

,t=0)

= 5

,7%

1 Phénomènes physiques encompte : Vltration - diUusion -changement de phase

2 Colonnes à winit = 6%

3 Conditions de séchage par la facesupérieure

4 Transfert 1D isothermal (T=30oC) età HR = 30% Vxée

54

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Résultats : cinétiques de séchage

0 2 4 6 8 10 12 14temps [ j ]

3,5%

4,0%

4,5%

5,0%

5,5%

6,0%

Ten

eur

en e

au m

assi

qu

e [

kg/k

g ] Kr - présente étude

Kr - VGM80

Même constat dans l’étudeexpérimentale de Ouédraogo et al.,2013) : modèle VGM80 sous estimele Wux d’eau↪→ cinétique de séchage plus lentedans les 2 premières semaines

→ La prise en compte desécoulements par Vlms dans Kr : unemeilleure estimation des Wux et descinétiques de séchage

55

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Résultats : Wux d’eau liquide

0 2E−06 4E−06 6E−06 8E−06 1E−05

Flux d'eau liquide [kg /m^2/s]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Hau

teu

r [m

]

1 j3j7j13 j

Kr - VGM80

0 2E−06 4E−06 6E−06 8E−06 1E−05

Flux d'eau liquide [kg /m^2/s]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Hau

teu

r [m

]

1 j3j7j13 j

Kr - présente étude

~ Prise en compte des écoulements par Vlms dans la modélisation de Kr :

conservation des Wux liquide même pour de faibles teneurs en eau et jusqu’à lasurface de l’échantillon ;

proVls de teneurs en eau simulés plus proches des expérimentaux dansOuédraogo et al. (2013)

prolongation de la Vltration de la phase liquide jusqu’à l’état hygroscopique 56

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Conclusion

~Méthodes théoriques/numériques/expérimentales mises en œuvre pourdéterminer dans les faibles teneurs en eau :

1 la courbe caractéristique sol- eau, relation entre le potentiel chimique et lateneur en eau ;

2 le coeXcient de perméabilité relative ;3 dans le domaine des faibles teneurs en eau du sol, les modèles exploitant les

mécanismes de capillarité moins performants que ceux prenant en compte lesécoulements par Vlms dans la matrice poreuse.

4 la contribution de l’écoulement par Vlms dans la mise en évidence dunon-équilibre liquide/gaz.

~ La prise en compte des écoulements par Vlms dans les faibles teneurs en eau :

une modélisation pertinente de la perméabilité relative ;

une extension de la Vltration de l’eau liquide dans le domaine hygroscopique ;

une modélisation qualitative et quantitative des transferts dans les faiblesteneurs en eau.

57

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Conclusion

~Méthodes théoriques/numériques/expérimentales mises en œuvre pourdéterminer dans les faibles teneurs en eau :

1 la courbe caractéristique sol- eau, relation entre le potentiel chimique et lateneur en eau ;

2 le coeXcient de perméabilité relative ;3 dans le domaine des faibles teneurs en eau du sol, les modèles exploitant les

mécanismes de capillarité moins performants que ceux prenant en compte lesécoulements par Vlms dans la matrice poreuse.

4 la contribution de l’écoulement par Vlms dans la mise en évidence dunon-équilibre liquide/gaz.

~ La prise en compte des écoulements par Vlms dans les faibles teneurs en eau :

une modélisation pertinente de la perméabilité relative ;

une extension de la Vltration de l’eau liquide dans le domaine hygroscopique ;

une modélisation qualitative et quantitative des transferts dans les faiblesteneurs en eau.

58

Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Perspectives

1 Étude in-situ :proVls de caractéristiques géotechniques : prise en compte des hétérogénéités dansla modélisation des propriétés hydrodynamiquesessai de transferts d’eau

2 Modèle numérique 3D des mécanismes de transfert dans un sol aride : unestructure hétérogène prenant en compte les paramètres climatiques et leursvariabilités dans les contextes de changement climatique et la gestion desressources en eau.

3 Optimisation des stratégies et pratiques agricoles : dans les régions aridespour retenir l’eau dans l’environnement du système racinaire des cultures : lezaï, la demi-lune, matière organique, etc...

4 Plateforme d’aide à la prise de décision, d’optimisation et de gestion desressources en eau dans les régions arides

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

Perspectives

1 Étude in-situ :proVls de caractéristiques géotechniques : prise en compte des hétérogénéités dansla modélisation des propriétés hydrodynamiquesessai de transferts d’eau

2 Modèle numérique 3D des mécanismes de transfert dans un sol aride : unestructure hétérogène prenant en compte les paramètres climatiques et leursvariabilités dans les contextes de changement climatique et la gestion desressources en eau.

3 Optimisation des stratégies et pratiques agricoles : dans les régions aridespour retenir l’eau dans l’environnement du système racinaire des cultures : lezaï, la demi-lune, matière organique, etc...

4 Plateforme d’aide à la prise de décision, d’optimisation et de gestion desressources en eau dans les régions arides

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Introduction Modélisation théorique et numérique des transferts d’eau Caractérisation Matériaux Non-équilibre Conclusion

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