Courbe de percée

La courbe de percée est une courbe qui représente la concentration réelle ou relative en fonction du temps ou d’une unité volumique qui s’apparente au temps (Figure 4). Elle est obtenue à la suite d’une expérience d’élution sur colonne. Plusieurs critères de forme de cette courbe permettent d’obtenir des indications sur le fonctionnement hydraulique du matériau sur lequel est réalisé l’essai.

39 1.2.3.5 Phénomènes hors équilibre

1.2.3.5.1 Transfert dans les milieux non saturés

En 1961, Nielsen et Biggar ont réalisé deux expériences sur une seule et même colonne de sable remanié. L’une des expériences a été réalisée alors que la colonne est saturée, et l’autre alors que la colonne n’est pas saturée. Les auteurs observent que les courbes de percée sont différentes pour les deux expériences. La Figure 5 montre la différence de comportement du transport de soluté en milieu saturé et en milieu non saturé.

Pour le cas de la colonne en milieu saturé, la courbe de concentration cumulée n’est pas symétrique et montre une forme d’écoulement hors équilibre. Dans le cas de la colonne non saturée, la désaturation élimine les chemins d’écoulement et augmente le volume d’eau dans l’échantillon qui ne participe pas à l’écoulement. Les auteurs observent que la désaturation de la colonne engendre un décalage de la courbe de percée vers la gauche. Néanmoins une équation de convection dispersion classique (§ 1.2.3.3) suffit à reproduire le tracé des observations expérimentales.

Figure 5: Courbes de percée en concentration relative cumulée en fonction du volume d’eau sortie ; A : expérience alors que la colonne est saturée ; B : expérience alors que la colonne est non saturée (Nielsen et Biggar, 1961).

1.2.3.5.2 Transport préférentiel sur le terrain

Le transport préférentiel peut prendre des formes variées. Pour un sol structuré, les macropores (fissures, trous de racine, passages de vers de terre (Figure 6)), peuvent dominer l’hydrologie, en particulier dans les sols à

40 texture fine, où ils jouent le rôle de chemins à haute conductivité hydraulique dans une matrice imperméable (Beven et Germann, 1982 ; Beven et Germann, 2013).

Figure 6: Illustration des processus de transport préférentiel à l’aide d’un traceur coloré (Dousset et al., 2007)

Flury et al. (1994) étudient 14 sols différents et montrent que le transport préférentiel a lieu dans tous les sols. L’état hydrique du sol a une influence sur la profondeur maximale de pénétration du traceur. Dans le cas de sols grossiers, le maximum de pénétration du soluté est toujours plus important lorsque l’état hydrique initial est humide. Lorsque le sol a une texture moyenne, l’état hydrique initial n’a pas d’impact sur la profondeur du maximum de pénétration du soluté. L’écoulement se fait sous la forme de digitation. Ces instabilités pourraient être causées par une hétérogénéité du profil, comme une limite entre deux horizons (Hendrickx et al., 1993). Gerke (2006) propose une revue descriptive des phénomènes de transport préférentiel dans les sols structurés.

1.2.3.5.3 L’interruption de flux comme outil d’étude des phénomènes hors équilibre

De nombreux auteurs ont mis en évidence ces phénomènes hors équilibre en laboratoire sur des colonnes de sols (van Genuchten and Wierenga, 1976 ; Brusseau, 1992 ; Jarvis, 1998). Ces phénomènes se traduisent par une part plus ou moins importante de l’eau contenue dans la colonne qui ne participe

41 pas au transport du soluté. Cette eau est nommée « eau stagnante » ou « eau immobile ».

Les expériences en laboratoire permettent une étude fondamentale des facteurs qui influencent l’apparition de ces phénomènes hors équilibre. Plusieurs auteurs ont discuté de l’influence de l’état hydrique initiale (plus précisément la teneur en eau) du sol sur la favorabilité des phénomènes hors équilibre (While et al., 1986 ; Clothier et Green, 1994). Köhne et al. (2004) montrent que les états hydriques initiaux extrêmes (humide et sec) engendrent plus de phénomènes hors-équilibre que les états hydriques intermédiaires. Ces phénomènes sont donc plus propices à apparaître en régime transitoire.

Dès 1997, Brusseau et al. utilisent l’interruption de flux (arrêt brutal de l’apport d’eau en sommet de colonne) pour étudier plus précisément les phénomènes hors équilibre (Figure 7).

Figure 7: Effet de l’interruption de flux (1h) sur la courbe de percée (Brusseau et al., 1997)

Les auteurs concluent qu’il s’agit d’un bon moyen pour mettre en évidence la présence d’eau stagnante ou immobile pour peu que le transfert de masse du soluté soit assez important entre l’eau stagnante et l’eau participant à l’écoulement. Les phases d’interruptions peuvent s’accompagner de drainage

42 (succion à la base de la colonne) pour modifier l’état hydrique de la colonne et jouer sur le transfert entre l’eau stagnante et l’eau participant à l’écoulement (Cote et al., 2000). Allaire et al. (2009) proposent une revue des différentes techniques permettant de quantifier le transport préférentiel. 1.2.4 Modèles hors équilibre

Il existe beaucoup de modèles de transport en milieu poreux. Tout d’abord, il existe les modèles de transport à l’équilibre qui traduisent un écoulement uniforme sans interaction physique ou chimique avec la matrice du sol (Figure 8a). Ces écoulements se traduisent par l’équation de conversion-dispersion classique (§ 1.2.3.3) sans partitionnement de la teneur en eau. Ce type de modèle ne permet pas d’expliquer les transports préférentiels. Des modèles plus complexes ont été développés pour permettre de prendre en compte les phénomènes hors équilibre, qu’ils soient de nature physique (partitionnement de l’eau) (Figure 8b, c, d et e) ou de nature chimique (dus à des phénomènes de sorption du soluté). Les deux types de modèles de transport (hors équilibre physique et hors équilibre chimique) sont développés par Nkedi-Kizza et al. (1984).

Figure 8: Modèles conceptuels hors-équilibre physique pour l’écoulement de l’eau et le transport de soluté (Simunek et van Genuchten, 2008)

43 Les modèles hors-équilibre chimique caractérisent le phénomène de sorption comme un processus cinétique. Ce processus est couramment décrit par une équation de transfert de premier ordre. Ce modèle peut être complexifié en fractionnant les sites de sorption et en supposant des vitesses de transfert différentes pour chaque type de sites (Selim et al., 1976 ; van Genuchten and Wagenet, 1989). Le plus simple est le modèle à deux sites. L’échange au sein des sites de la première fraction est considéré comme instantané, et une cinétique de sorption a lieu dans les sites de la seconde fraction. Un modèle plus complexe (Two Kinetic Sites Model) (Rao et al., 1979) fait l’hypothèse que la cinétique de sorption a lieu dans les deux sites à des vitesses différentes.