Analyse des incertitudes associées à la mesure des propriétés hydrauliques du sol et de son état hydrique

Analyse des incertitudes associées à la mesure des propriétés hydrauliques du sol et de son état hydrique

L’efficacité des ouvrages végétalisées de gestion des eaux pluviales dépend largement des propriétés hydrauliques et physiques du sol. Ces propriétés présentent d’importantes variabilités spatiales et des incertitudes dues aux méthodes d’estimation. Ces propriétés ainsi que leurs incertitudes sont peu rapportées dans la littérature, en particulier pour les ouvrages en milieu urbain en bordure de voirie. La mesure de la teneur en eau du sol présente également des incertitudes liées à l’appareil de mesure. Ces incertitudes affectent le calcul des stocks dans le sol et la validation à partir de ces mesures des modèles hydrologiques. Dans cette section, la variabilité spatiale des propriétés hydrauliques et les incertitudes associées aux méthodes de mesure de l’état hydrique sont abordées en deux articles. Ceux-ci seront présentés dans les sections 2.2.2 et 2.2.3. Ils sont intitulés : Dans le premier article la variabilité spatiale des propriétés hydrauliques du sol, ainsi que l’incertitude de ces propriétés due aux méthodes d’estimation, ont été étudiées pour les trois ouvrages végétalisés situées dans notre site d’étude. Les méthodes d’estimation étaient basées à la fois sur des tests d’infiltration in situ et sur des fonctions de pédotransfert (PTF). Afin d’évaluer les effets de cette variabilité sur les performances hydrologiques, un modèle hydrologique d’une cellule de biorétention a été testé.

Le second article évalue les incertitudes affectant la mesure de la teneur en eau du sol par des capteurs capacitifs. Les capteurs utilisés sont les EC5 et 5TE (Meter Group). Plusieurs études ont évalué ces deux types de capteurs, mais pas pour les sols urbains ayant des caractéristiques spécifiques. En outre, les résultats de la littérature sont divergents et les données de calibrage publiées sont limitées. Par conséquent, une étude approfondie de leur précision est évaluée dans cet article. Premièrement, les procédures et méthodes existantes dans la littérature ont été examinées. La variabilité inter-capteurs, ainsi que leur répétabilité, ont été testées dans le sol et les solutions. De plus, une méthode de calibrage in situ a été réalisée pour estimer les effets de la texture du sol sur les données des capteurs. Deux méthodes de calibration en laboratoire correspondant à des procédures différentes ont également été appliquées, comparées l’une à l’autre et à la calibration in situ. Abstract: Sustainable drainage systems (SuDS) have become a promising solution for increasing imperviousness by reducing water runoff volumes and flow rates, and improving water quality. However, the efficiency of these systems is dependent on soil hydraulic and physical properties, which in turn are spatially variable; however, this variability has been sparsely documented for urban areas, especially for road-side SuDS. In this study, the spatial variability of soil hydraulic properties, along with the uncertainty of these properties due to estimation methods, were investigated for three roadside SuDS in France (Paris region). Estimation methods were based on both in-situ infiltration tests and pedotransfer functions (PTFs). Results show high spatial variability in saturated hydraulic conductivity Ks (up to 160% coefficient of variation), which is dominant relative to uncertainties in PTFs predictions and those induced by experimental errors.

Many specific factors might be responsible for this variability, especially in the urban context, such as construction techniques, CaCO3 precipitation, and vegetation development. In order to evaluate the effects of this variability on hydrological performance, a hydrological model of a bioretention cell was tested. Simulations revealed that peak flows and volumes are highly affected by the spatial variability of soil hydraulic properties; notably, vertical variability increases the overflow by 50%. The number of infiltration measurements required to evaluate a representative average Ks with an uncertainty of a factor of two or less was found to be four/eight, depending on the studied site. This study provides considerable insight into the spatial variability of soil hydraulic properties and its implications for hydrological performance of roadside SuDS, as it is based on a sound understanding of both theory and practice. Increased impervious surfaces, due to urban development, have a negative impact on the hydrologic and water quality characteristics of stormwater runoff [1]. In order to mitigate effects arising from the generation of runoff and associated pollutant loads [2], sustainable urban drainage systems (SuDS) are widely implemented for stormwater management. SuDS aim to shift the water cycle back to its natural state [3] by reducing runoff volumes, attenuating peak flows, and improving water quality, through various processes including infiltration and evapotranspiration. These practices include filter strips, grassed swales, bioretention facilities, green roofs, permeable pavements, and water treatment trains. Filter strips are longitudinal, permeable and grassed surfaces which are perpendicular to the direction of the runoff; swales are shallow vegetated ditches; and bioretention facilities consist of a filter media with a vegetation cover [4]. These three systems are commonly used alongside streets and highways [5–7].