Cinétiques d’infiltration

Cinétiques d’infiltration

 Les cinétiques d’infiltration réalisées à différents potentiels présentent, pour certaines, une allure inattendue (Figures 14, 15, 16) : certaines courbes d’infiltration cumulée au cours du temps montrent une allure convexe. Alors que le taux d’infiltration est censé décroître au cours du temps, lors de certaines infiltrations, il croît au cours du temps (Figures 14a, 14b, 14c, 14f). Par exemple, si l’on regarde en détail la courbe d’infiltration du 27/09/07 (Figure 14c), on observe que la première courbe d’infiltration (entre les temps 0 et 125 min) montre deux régimes facilement distinguables. Jusqu’au temps 20 min, la courbe a une allure convexe (creux dirigé vers le bas) typique. Le ralentissement du taux d’infiltration est classique des débuts d’infiltration pendant lesquels le régime d’infiltration est transitoire. Cependant, à partir du temps 20 min environ, la courbe se redresse et donc le taux d’infiltration augmente. Différentes raisons peuvent être avancées pour expliquer cette observation : − une modification du système poral sous l’infiltromètre (par exemple, sous l’action de l’eau d’infiltration, des particules du sol sont déplacées et de nouveaux pores actifs apparaissent), − la présence et le développement d’un film d’eau en surface qui augmente la surface d’infiltration, − une évaporation d’eau dans le vase de Mariotte qui induirait une augmentation du potentiel d’infiltration au cours de l’expérience, et donc la mise en fonction de pores jusque là inactifs. − la présence de deux horizons avec des conductivités hydrauliques différentes (l’horizon de surface aurait une conductivité hydraulique inférieure à celle de l’horizon sous-jacent). L’allure de la courbe de la Figure 14a s’accorde bien avec cette dernière hypothèse puisque l’accroissement du taux d’infiltration est très régulier. L’expérience du 26/10/07 sur le sol de Grignon, qui a comporté 4 infiltrations successives, montre des résultats mitigés. Les courbes représentant les 2 premières infiltrations donnent les résultats escomptés (courbes convexes) alors que les 2 dernières montrent des allures concaves (Figure 14d). Le potentiel choisi pour l’infiltration semble discriminant dans ce cas. Les deux premières infiltrations se sont déroulées à un potentiel égal à -2 cm alors que les deux dernières se sont déroulées au potentiel -0,5 cm.  En ce qui concerne la journée du 31 mars, la même observation que précédemment peut être faite : l’infiltration du matin au potentiel -1 cm montre une allure convexe, alors que celle de l’après-midi, réalisée à un potentiel supérieur (-0,5 cm) est concave (Figures 14e, 14f). La cinétique d’infiltration sur le sol de Cernay, le 17-10-07, montre une allure en palier, car, ce jour là, on a tenté de bloquer l’infiltromètre (en bouchant le tube d’alimentation en air), pour réaliser des mesures d’infiltration et pouvoir juger d’un éventuel effet électrocinétique (Figure 15a). De plus le taux d’infiltration est très élevé. Il se pourrait qu’une fuite à la base de l’infiltromètre soit responsable de ce taux d’infiltration très élevé. La cinétique d’infiltration sur le sol de Cernay du 10-4-08 est nettement plus régulière et montre un taux d’infiltration plus modéré que lors de l’infiltration du 17-10-07 (Figure 15). La courbe présente une allure rectiligne. Les cinétiques d’infiltration sur le sol de Rambouillet montrent, quant à elles, les régimes d’infiltration attendus avec une décroissance régulière au cours du temps du taux d’infiltration (Figure 16). Néanmoins l’infiltration du 16/10/07 montre un taux d’infiltration plus faible que celui du 19/06/08 alors que le potentiel d’infiltration est plus élevé le 16/10/07 que le 19/06/08 (potentiels d’infiltration égaux à -0,4 cm et -3 cm respectivement). Ce résultat inattendu peut s’expliquer par la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique dans ce sol.De nombreuses courbes d’infiltration ne présentent pas l’allure escomptée. On ne pourra pas réaliser d’inversion des paramètres hydrodynamiques en utilisant les courbes d’infiltration concaves, car aucun jeu de paramètre ne permettrait de prédire une telle cinétique d’infiltration.

 Résistivités électriques 

État initial 

On a représenté en fonction du temps l’évolution de la résistivité électrique apparente mesurée par chacun des 54 quadripôles (Figures 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 et 26) lors des infiltrations. Pour un sol homogène et un système électrique idéal (c’est-à-dire si les électrodes étaient parfaitement disposées et ponctuelles), on aurait à l’instant initial la même valeur de résistivité électrique pour chacun des quadripôles. Ceci n’est évidemment pas le cas, et les valeurs mesurées de résistivité électrique montrent pour chaque expérience, et à l’instant initial (avant infiltration), une dispersion autour d’une valeur moyenne. Cette dispersion est d’ailleurs assez variable (Tableau 11).Ces différences entre les valeurs des résistivités électriques apparentes calculées pour chacun des quadripôles résultent à la fois de l’inhomogénéité du sol et des erreurs de mesures. Par inhomogénéité du sol, on entend l’effet de la variabilité spatiale des caractéristiques bio-physico-chimiques du sol (texture, masse volumique apparente, teneur en eau volumique,…) dont dépend la mesure de résistivité électrique apparente. Cette dispersion des valeurs de résistivités électriques apparentes est largement plus faible pour le sol de Grignon (coefficient de variation σ/µ environ égal à 0,9) que pour le sol de Cernay et le sol de Rambouillet (coefficients de variation compris entre 0,13 et 0,26). Ce résultat s’accorde avec des observations macroscopiques : − A Grignon, aucune inhomogénéité de matériau n’avait été observée. − A Rambouillet, de nombreux petits cailloux sont présents. − A Cernay, il existe des variations locales de couleur qui pourraient être corrélées à des variations de paramètres physiques (type de constituants, porosité, granulométrie,…). De plus, les mesures ont été réalisées sur des états très secs, ce qui se traduit par des résistivités électriques très élevées (comprises entre 1055 et 7852 Ω.m), et parfois même hors gamme de mesure (>10 kΩ.m). Les valeurs moyennes de la résistivité électrique apparente à Grignon appartiennent à l’intervalle 12,5 Ω.m – 28,1 Ω.m ce qui démontre une grande variabilité de cette valeur à l’échelle saisonnière. En revanche, l’effet d’inhomogénéité nous semble assez restreint et les valeurs de coefficient de variation relatif ne dépassent jamais à Grignon 14 %.  

État transitoire 

Pour toutes les expériences, dès le début de l’infiltration, l’évolution de la résistivité électrique apparente est brutale. Certains quadripôles enregistrent une baisse ou une hausse de la résistivité électrique apparente selon que leur sensibilité est positive ou négative par rapport à l’anomalie (c’est-à-dire le bulbe d’infiltration) qui se développe. En effet, il existe des zones de sensibilité négative dans le cas des dispositifs gradient et dipôle-dipôle. A Grignon, si l’on compare les mesures réalisées le 18 et le 19 juillet 2007 (Figure 17 et Figure 18 respectivement), on observe le 19-07-07, alors que l’eau d’infiltration eau est plus minéralisée, une allure voisine de celle du 18-07-07, avec toutefois, pour certains quadripôles, une amplitude supérieure dans les contrastes de résistivité électrique apparente. Le 19-07-07, la résistivité électrique apparente initiale, comme pour le 18-07-07, est voisine de 13 Ω.m,L’expérience du 27-09-07 réalisée sur le sol de Grignon, qui comporte deux phases d’infiltration distinctes séparées d’une pause pendant laquelle l’infiltromètre a été rempli à nouveau (Figure 19), montre bien l’effet de la minéralisation de l’eau : l’amplitude des variations de résistivité électrique apparente est plus importante lors de la seconde phase qui correspond à l’infiltration de l’eau plus conductrice. Lors des 2 arrêts de l’infiltration, entre les temps 142 min à 167 min, et après 272 min, on observe un saut de sens contraire au saut initial. Plusieurs explications peuvent être mises en avant pour expliquer ces sauts : 1. La «désaturation» du milieu peut expliquer le saut inverse. Le retrait de l’infiltromètre fait se vider très rapidement les macropores remplis d’eau et déclenche ainsi une baisse rapide de la teneur en eau. 2. La présence de l’infiltromètre pourrait modifier, par sa seule présence, les lignes de champ du courant électrique. Même pour les expériences où les pièces métalliques ont été remplacées par des pièces isolantes, la présence de l’infiltromètre et de l’eau contenue à l’intérieur, peut être une cause de ces variations brutales. Ainsi, lors de sa pose et de son retrait, il y aurait une variation brusque. Il est possible que les phénomènes 1 et 2 se combinent. L’expérience du 26-10-07 montre, aux instants initiaux qui précèdent l’infiltration, une variabilité importante des valeurs de résistivité électrique apparente (Figure 20), alors que, pour toutes les autres expériences, les mesures initiales montrent des résultats très proches. Peut-être que ce jour là, le prélèvement des cylindres (destinés à la teneur en eau initiale du sol), a perturbé les premières mesures de résistivité électrique. Les expériences du 31-03-08 réalisées sur le sol de Grignon montrent des variations de résistivité électrique apparente au cours de l’infiltration beaucoup plus faibles que les précédentes (Figures 21 et 22) qui s’expliquent par des teneurs en eau initiales très élevées (θi=0,36 cm cm-3). L’expérience réalisée sur le sol de Cernay le 17-10-07 (Figure 24) pose plusieurs problèmes : Les valeurs de résistivité électrique apparente calculées grâce aux 54 quadripôles avant l’infiltration sont très dispersées (coefficient de variation µ/σ égal à 0,26) (Tableau 11). Lors de l’infiltration, les valeurs de résistivité électrique apparente sont décroissantes tout au long de l’infiltration pour tous les quadripôles (pas de saut positif de la valeur de résistivité électrique apparente au début de l’infiltration), ce qui n’est le cas pour aucune des autres  expériences. Ce résultat inattendu s’accorde cependant avant l’observation selon laquelle l’eau s’est infiltrée extrêmement rapidement, en dépit d’un potentiel bas imposé (-14 cm). Une fuite à la base de l’infiltromètre pourrait en être la cause. A Cernay, lors de l’expérience du 10-04-08, les valeurs de résistivité électrique apparente initiale sont nettement moins dispersées qu’elles ne l’étaient le 17-10-07 (coefficient de variation µ/σ égal à 0,13). La résistivité électrique apparente décroît très rapidement dès les premières minutes d’infiltration (Figure 25). La décroissance est ensuite nettement plus faible (à partir de 12 min). Il n’était pas possible d’obtenir une infiltration plus lente car le potentiel imposé (-15 cm) est le plus faible potentiel que l’on puisse obtenir avec notre matériel. Cependant on peut imaginer que si l’on avait infiltré une eau beaucoup moins conductrice, l’évolution des valeurs de résistivité électrique apparente aurait été moins marquée. A Rambouillet, le 16-10-07, on a observé comme à Grignon, un saut très marqué des valeurs de résistivité électrique apparentes dès le début de l’infiltration et un saut de sens contraire à la fin de l’infiltration (Figure 26). Cependant, pour certains quadripôles, les valeurs n’évoluent presque pas au cours de l’infiltration. Les quadripôles concernés ont des écartements très larges. A Rambouillet, le 19-06-08, la qualité des mesures de résistivité électrique obtenues est très médiocre, c’est-à-dire que les valeurs mesurées par 15 quadripôles sont inutilisables car la variabilité sur la mesure est trop importante (en effet chaque mesure est répétée plusieurs fois afin d’obtenir une moyenne). Il est probable que ce problème d’extrême variabilité de la mesure (liée donc au dispositif expérimental) soit imputable à l’appareil. En effet ce jour la, alors que notre résistivimètre habituel était en réparation, nous avons utilisé un autre résistivimètre. Néanmoins, les mesures de résistivité électrique apparente obtenues montrent une évolution très particulière : certains quadripôles voient leur valeur décroître ou augmenter de façon vertigineuse (Figure 27), alors que pour d’autres, cette valeur n’évolue quasiment pas lors de l’infiltration (les valeurs qui n’évoluent que très peu correspondent à des quadripôles aux grands écartements, dont la mesure est peu sensible à la faible quantité d’eau infiltrée). Comme dans le cas de Cernay, l’évolution est très importante dans les premières minutes, et ralentit nettement par la suite. Cependant, le volume infiltré est dans le cas du sol argileux de Rambouillet beaucoup plus faible. Des informations sur la sensibilité des différents quadripôles seront apportées lors de l’interprétation des inversions numériques. En effet lors de l’optimisation des valeurs de sensibilité des mesures sont calculées par PEST, ce qui donne directement une information sur la sensibilité du modèle aux différents quadripôles utilisés.

Courbes de teneur en eau

 Le sol de Grignon montre une courbe de teneur en eau volumique avec une pente assez constante (Figure 28) typique des sols limoneux. – A pF 4,2, il reste, en volume, encore 19 % d’eau. – La pente est très douce (paramètre n proche de 1,1) – La teneur en eau volumique à saturation à pF 1 est environ égale à 0,38. Les courbes de teneur en eau réalisées sur les échantillons du sol de Cernay (9 échantillons) montrent une allure typique de sols sableux (Figure 29) : − faible teneur en eau aux états secs : à partir de pF 2,5, le sable contient en volume moins de 5 % d’eau. − cassure de la courbe assez franche aux alentours de pF 2 (-100 cm). − teneur en eau à saturation proche de 45 %. Chapitre 3. Expérimentation sur données de terrains 106 Pour le sol argileux de Rambouillet, l’ensemble des courbes (6 échantillons) montre une allure typique des sols argileux (Figure 30) : − teneur en eau élevée aux états secs : à pF 4,2, le sol contient en volume encore environ 22 % d’eau. − augmentation douce de la teneur en eau avec l’augmentation du potentiel jusqu’à une valeur de 35 % aux alentours de pF 2 (-100 cm). Par ailleurs, entre pF 1 et la saturation, il y a une évolution de la teneur en eau volumique, ce qui signifie, que le sol contient des pores de diamètre équivalent supérieur à 300 µm.