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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
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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
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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
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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
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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
? ?
?
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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
∂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
∂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
∂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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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
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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
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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
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
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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
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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
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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
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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.
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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 : 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)
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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 : 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
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.
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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
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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