I. L'échantillonnage des Particules Fines et Colloïdes (PFC)
I.2. Echantillonneurs de particules actuels
I. 2. 1. Les échantillonneurs atmosphériques
Comme décrit dans l'article de synthèse publié par McMurry (2000) l'obtention d'échantillons représentatifs d'aérosols peut être difficile. Les facteurs influençant l'efficacité du prélèvement sont la taille des particules, la vitesse et la direction du vent aussi bien que la distance entre le capteur et le dispositif de mesure. Dans le paragraphe ci-dessous nous discutons des avantages et inconvénient des différents types d'échantillonneurs d'aérosols. Dans la mesure où ce travail traite des retombées atmosphériques d'aérosols sur la surface du sol, la discussion ne traite que d'échantillonneurs fixes.
L’un des échantillonneurs le plus communément utilisé est le type "impacteur". Le principe est d'accélérer les aérosols à travers un jet circulaire ou une fente vers un substrat d'impaction. Il a été montré qu'un tel dispositif est efficace pour fournir des échantillons de tailles connues (Rader & Marple, 1985), mais le biais principal est le rebond possible des particules sur le substrat d'impact (références dans McMurry, 2000).
Le dispositif dit "impacteur virtuel" a été créé afin d'éviter le phénomène de rebond. Dans de tels échantillonneurs le substrat d'impact est remplacé par un tube de réception séparant des particules sur la base de leur énergie d'écoulement.
Un troisième type d'échantillonneur est le type "cyclone". Il consiste, comme l'impacteur, à accélérer les particules mais de manière tangentielle, les particules humides collant aux parois et les particules sèches allant au fond.
Enfin un quatrième échantillonneur classique est de type "filtres de nuclepore". Après accélération, les particules sont filtrées, mais l'efficacité de tels filtres n'est pas établie (McMurry, 2000).
Considérant les objectifs recherchés dans ce travail, il semble que tous ces dispositifs présentent un problème majeur du fait de l'accélération des particules qui peut produire deux artéfacts : (i) le piégeage de particules en suspension dans l'air qui ne sont pas susceptibles en conditions naturelles de tomber sur le sol et (ii) une modification de l'aspect physique des particules pendant l'échantillonnage.
I. 2. 2. Les échantillonneurs des particules des solutions du sol
Afin de prélever les particules des solutions de sol la méthode habituelle consiste à échantillonner la solution de sol. Les solutions sont alors centrifugées ou filtrées dans le laboratoire pour séparer les fractions vraiment dissoutes et les fractions particulaire-colloïdales des échantillons. Les solutions de sol peuvent être recueillies par des méthodes très différentes. Certaines sont non-destructives comportant l'installation d'un lysimètre qui prélève la solution in situ, d'autres sont destructives impliquant le prélèvement de terres et l'extraction ultérieure de la solution de sol au laboratoire (Davis & Davis, 1963; Giesler et al., 1996). Les paragraphes suivants ne portent que sur les dispositifs in situ de prélèvement et permettent de discuter des avantages et inconvénients de toutes les méthodes.
I.2.2.1. Les lysimètres sans tension
Le lysimètre sans tension est le premier dispositif qui ait été utilisé pour recueillir des solutions de sol (DeLaHire, 1703; cité dans Cole et al., 1961) et il est toujours utilisé aujourd'hui. Ce dispositif recueille seulement l'eau gravitaire car aucune succion n'est appliquée au système. L'avantage de ce type d'échantillonneur est qu'il recueille l'eau de drainage et peut être employé pour estimer les flux élémentaires (Rasmussen et al., 1988; Sogn et al., 1993; Ranger et al., 2001). Basés sur le principe des premiers dispositifs, différents types de dispositifs ont été développés progressivement tels que les plaques lysimétriques, les gouttières lysimétriques et les lysimètres à mèches.
Le dispositif de plaques lysimétriques est employé depuis presqu'un siècle (Joffe, 1932; cité dans Giesler et al., 1996). Un tel dispositif consiste à introduire une plaque d'environ 1 m² dans le sol suivant une légère pente, ce qui exige de creuser de larges et profondes fosses. Les plaques employées ont une superficie d'un ou plusieurs mètres carrés et contiennent un tuyau ou un drain acheminant l'eau recueillie vers des bidons généralement d'une contenance de 100 L, placés dans une excavation adjacente. Pour l'analyse au laboratoire, une partie de l'eau échantillonnée est recueillie suivant les besoins de l'étude, puis les bidons sont vidés et lavés directement sur le site de prélèvement. L'introduction dans les sols de tels dispositifs métriques n'a jamais été officiellement critiquée. Cependant, l'implantation des plaques
lysimétriques est connue pour perturber profondément et pendant longtemps les écoulements de l'eau d'infiltration et le processus de pénétration des racines.
Les gouttières lysimétriques sont apparues il y a quelques années afin de simplifier l’installation des dispositifs utilisés dans les agrosystèmes contaminés (Boerner, 1982; Haines et al., 1982). Le dispositif consiste à introduire dans le sol des demi-tubes de PVC à différentes profondeurs à partir d'une grande fosse. Cette fosse est maintenue ouverte afin d'y installer des bidons d'environ 1L liés aux gouttières par des tuyaux et recevant la solution de sol échantillonnée par le dispositif. Quand c'est nécessaire les bidons sont collectés et remplacés par des nouveaux. Il semble que cette innovation est moins perturbante pour l'environnement que les plaques lysimétriques car diminuant la surface introduite.
Les lysimètres à mèches ont été présentés pour la première fois par Brown et al. en 1986 (Brown et al., 1986). Leur conception est semblable à celle des plaques lysimétriques mais de dimensions plus réduites (la surface est d'environ 500 cm²). La différence principale consiste en l'introduction d'un tapis des mèches de silice entre la plaque et le sol. Ce tapis agit comme un milieu poreux. La porosité du sol étant moins importante que celle du tapis de mèches, une forte surface de drainage se créée. Un tel système lysimétrique recueille à la fois les eaux percolantes et l'eau de la macroporosité (Landon et al., 1999). La manière de mettre en place le dispositif et de recueillir les échantillons d'eau est sensiblement identique à celle employée pour les plaques et gouttière lysimétriques à savoir qu’elle nécessite le creusement d’une fosse. Il a été montré que ce dispositif donne une évaluation fiable de l'eau et du flux élémentaire (Boll et al., 1992; Louie et al., 2000; Zhu et al., 2002). Plus récemment, Czigany et al. (2005) ont examiné l'efficacité des lysimètres à fibres de verre dans le prélèvement des colloïdes de l'eau interstitielle en zone vadose. Ils ont observé que, dans un certain nombre de conditions différentes, les colloïdes étudiés ont été sensiblement retenus à l'intérieur des mèches, et ont conclu que l'utilisation des mèches pour le prélèvement colloïdal dans la zone vadose devait être considérée avec prudence.
Depuis leur mise en œuvre, la validité des informations recueillies à l'aide de lysimètres sans-tension a souvent été sujet à discussion et remise en cause. Il est aujourd'hui généralement reconnu que les conditions nécessaires à leur utilisation ne sont pas entièrement naturelles : l'anomalie la plus significative étant associée à la création d'une interface sol-air au fond du lysimètre créant des conditions hydrodynamiques anormales (Richards et al., 1938; Colman, 1946; cité dans Cole et al., 1961; Giesler et al., 1996).
I.2.2.2. Les lysimètres sous tension
Les lysimètres sous tension ont été mis au point de manière à éviter la création d'états hydriques anormaux. Le principe est d'aspirer la solution de sol dans le lysimètre, en utilisant un dispositif de vide et des raccordements par tubes capillaires. Suivant cette même tension la solution est ensuite acheminée dans des bidons collecteurs situés sous la surface au sol. Principalement deux dispositifs sont utilisés de cette façon : les plaques lysimétriques sous tension et les bougies poreuses.
Le dispositif de plaques lysimétriques sous tension a été développé dans les années 1960 (Cole, 1958; cité dans Wagner, 1962) afin de réduire au maximum le problème d'interface sol-air générée dans les dispositifs de plaques lysimétriques sans tension. La conception des deux systèmes est identique. Cependant, une tension négative, équivalente à un phénomène d'aspiration est appliquée aux plaques sous tension. De ce fait la force capillaire du sol est opposée par la tension négative. Ceci provoque un drainage permanent de l'eau indépendamment du taux d'humidité du sol (Cole et al., 1961).
La première description des bougies poreuses apparaît dès 1940 (Wallihan, 1940). Le but est de modifier le principe de lysimètre en utilisant un tensiomètre afin d'aspirer l'eau du sol sous une tension équivalente à celle d'une colonne continue de sol. L'appareil développé dans les années 1960 par Wagner (Wagner, 1962) est alors censé éliminer les conditions hydriques anormales se développant lors de l'utilisation de lysimètres sans tension.
En résumé, l'objectif de ce travail étant d'étudier et d'analyser les caractéristiques physico-chimiques de la fraction particulaire circulant dans l'eau d'infiltration du sol, les dispositifs de prélèvement existants ne sont pas parfaitement adaptés. En effet, même si les lysimètres sans tension recueillent la vraie eau libre du sol, les conditions de prélèvement induisent trois biais majeurs :
(i) le risque vieillissement et de contamination de la solution à l'intérieur des bidons de collecte avant l'analyse (Chen & Buffle, 1996a);
(ii) la mise en place des systèmes d'échantillonnage perturbe la structure de sol, libérant les particules fines et créant une macroporosité préférentielle (Keeney, 1986; Zhu et al., 2002); (iii) la création d'une interface eau-air introduit des conditions anormales d'écoulement dans le sol (Kohnke et al., 1940; cité dans Wagner, 1962).
En ce qui concerne les lysimètres sous tension, même si ces dispositifs évitent la création d'états hydriques anormaux liés à l'interface air-eau en profondeur, il s'avère que la tension de
succion appliquée au système modifie clairement les propriétés physiques et chimiques de la fraction particulaire (Domange et al., 2004).
Il nous a donc semblé pertinent de développer un nouveau mode de prélèvement permettant de perturber le moins possible la fraction particulaire, tout en évitant le vieillissement de la solution et sans entraîner une libération importante de particules lors de la mise en place et le développement d'une macroporosité préférentielle.