MESURE DE L’HUMIDITÉ DU SOL [SHOFM E55]

4.5.1 Généralités

Un immense réservoir d’eau douce existe sous la surface de la terre. Ces eaux sous la surface du sol peuvent être classées en humidité du sol, eau vadose et eaux souterraines peu profondes et profondes.

Les zones d’humidité du sol et d’eau vadose consti-tuent ensemble la zone d’aération. La quantité d’eau retenue sous forme d’humidité du sol à tout moment est insignifiante si on la compare à toute l’eau disponible sur la Terre, mais elle est cruciale pour les plantes et la production alimentaire, et donc indispensable à la vie.

L’humidité du sol correspond à l’eau qui y est retenue par attraction moléculaire. Les forces en jeu sont des forces d’adhésion et de cohésion. Elles s’opposent aux forces de gravité et à l’évaporation, ainsi qu’à la transpiration. La quantité d’eau de l’humidité du sol à un instant donné est ainsi déter-minée par l’intensité et la durée des forces agissant sur l’eau, ainsi que par l’humidité initiale.

Les sources naturelles d’eau du sol comme la pluie ou la fonte de la neige sont, normalement, forte-ment réduites en période de sécheresse. La morphologie, la pente et la rugosité de la surface du sol affecteront son contenu en eau. En effet le ruis-sellement de surface ou de subsurface, provenant de parcelles plus élevées adjacentes au site étudié, peut alimenter l’humidité du sol alors que le ruisselle-ment, sur le site lui même, peut lui retirer de l’eau.

L’évaporation, l’évapotranspiration, la percolation profonde au-delà de la zone racinaire sont d’autres facteurs de diminution de l’humidité du sol.

C’est pourquoi l’humidité du sol doit être quanti-fiée pour donner avec précision la quantité d’eau stockée dans le sol à un moment donné. À satura-tion, après une forte pluie ou la fonte des neiges, une certaine quantité d’eau est libre de percoler vers le bas du profil de sol. Cette eau excédentaire est appelée eau de gravité. Elle peut s’infiltrer plus bas que les racines de certaines plantes. Il est important ici de définir certains termes relatifs à l’humidité du sol. La capacité au champ est la quantité d’eau retenue dans le sol après que l’eau de gravité s’est écoulée. Le point de flétrissement permanent est la teneur en eau du sol pour laquelle la capacité d’absorption des racines des plantes est contreba-lancée par la capacité de rétention du sol. La quantité d’eau correspondant à la différence entre la capacité au champ et le point de flétrissement permanent est généralement considérée comme l’eau disponible pour les plantes, bien que ces dernières puissent aussi extraire de l’eau de gravité lorsqu’elle est disponible.

La teneur en eau du sol est un élément clé pour la programmation de l’irrigation. La zone racinaire sert de réservoir à l’humidité du sol. Durant la saison des pluies, la teneur en eau est élevée, mais, au moment de la récolte, le sol est généralement

pauvre en humidité. La mesure de l’humidité du sol est donc un élément important pour éviter à la fois la surirrigation génératrice de gaspillage d’eau et de lessivage des engrais, et la sous-irrigation condui-sant à un déficit hydrique.

L’humidité du sol est mesurée par deux sortes de méthodes: quantitatives et qualitatives, qui donnent une indication sur la force avec laquelle l’eau est retenue par les particules du sol.

4.5.2 Méthodes quantitatives

4.5.2.1 Méthode gravimétrique (dessiccation à l’étuve et pesée)

La méthode gravimétrique est l’une des méthodes directes de mesure de l’humidité du sol. Elle consiste à prélever un échantillon de sol (généralement 60 cm³), à le peser avant et après dessiccation, et à calculer sa teneur en eau. L’échantillon de sol est considéré comme sec quand son poids reste constant à la température de 105 °C. De nombreux types différents d’instruments de prélèvement, d’étuves et de balances spéciales ont été mis au point pour l’application de cette méthode.

La méthode gravimétrique est la plus exacte pour mesurer l’humidité du sol, et sert à étalonner les équipements utilisés dans toutes les autres méthodes.

Toutefois, elle ne peut être employée pour obtenir un relevé continu de l’humidité en un point quel-conque du sol, puisqu’il est nécessaire de prélever les échantillons dans le sol pour effectuer les mesures en laboratoire.

Prélèvement des échantillons

La procédure de prélèvement d’un échantillon pour la méthode gravimétrique est différente selon que l’humidité doit être déterminée sur la base de la masse de matière sèche de l’échantillon ou de son volume. Pour déterminer l’humidité par rapport à la masse de matière sèche, l’échantillon peut être remanié. Ce n’est pas le cas pour la détermination du volume. Il est difficile de prélever des échan-tillons lorsque le sol est très sec ou très humide et qu’il est caillouteux, rocailleux ou qu’il contient des matériaux qui en rendent le découpage peu aisé par les appareils servant au prélèvement.

Les appareils et techniques utilisés pour le prélè- vement des échantillons doivent être conçus de façon que les échantillons ne perdent ni ne gagnent d’humidité, et ne soient jamais altérés ou conta-minés au cours du prélèvement ou du transport. Si le prélèvement est effectué dans une couche sèche

en passant par une couche mouillée, on devra s’assurer que le matériel reste aussi sec que possible et éviter que l’eau de cette dernière couche ne pénètre dans le trou et n’humidifie le terrain sec. Si le terrain regorge d’eau, le contenu d’humidité mesuré sera probablement inférieur au taux réel, car une certaine quantité d’eau pourra s’égoutter lorsque l’on retirera l’échantillon du sol, ou pourra en être expulsée par compression au cours de l’opération.

Dans le cas de sédiments secs, durs, à texture très fine, il est difficile d’enfoncer le cylindre de carot-tage ou de tourner la tarière. Lorsque l’on procède au prélèvement de sédiments secs à texture gros-sière, l’échantillon risque de s’échapper par l’extrémité du cylindre ou de la tarière au moment où on le retire du sol. Il est très difficile de faire des prélèvements dans les terrains rocailleux, surtout volumétriquement, la lame coupante de l’appareil risquant, d’une part de heurter une pierre et, d’autre part, parce que l’échantillon doit être d’un assez grand volume. Il est également difficile d’effectuer des prélèvements dans les terrains encombrés de racines ou contenant d’autres matières organiques.

Lorsqu’on utilise la méthode gravimétrique, la quantité de sol à prélever dans le cas d’un sol contenant des graviers est beaucoup plus impor-tante que pour les sols dépourvus de gravier, et dépend de la taille et de la teneur du gravier.

L’humidité est déterminée en pourcentage pondéral. Son produit par la densité apparente donne un pourcentage volumique.

Dans les prélèvements destinés à mesurer l’humi-dité du sol, il est essentiel que toutes les opérations touchant à l’échantillon – transfert dans les boîtes et pesées des échantillons humides – soient effec-tuées aussi rapidement que possible pour éviter des pertes d’humidité. On peut éviter de nombreuses difficultés dans l’utilisation du matériel de prélève-ment si tous les appareils sont maintenus propres et à l’abri de l’humidité et de la rouille.

Description des appareils de prélèvement Tarières (figure I.4.9)

L’appareil le plus simple pour le prélèvement d’échantillons est la tarière à main. Avec de tels appareils, munis de rallonges tubulaires en alumi-nium, on a pu effectuer des prélèvements jusqu’à une profondeur de 17 mètres. L’un des modèles les plus pratiques consiste en un cylindre de 76 mm de diamètre et de 230 mm de longueur, équipé à sa partie supérieure d’une rallonge de 1,40 m et à sa

base de deux dents coupantes incurvées. Le cylindre étant à parois pleines, l’échantillon ne risque pas d’être contaminé par les couches de terrain traver-sées lors du forage. Avec cet appareil, on obtient un bon échantillon représentatif, encore qu’il soit remanié. Pour faciliter le prélèvement à des profon-deurs supérieures à 1,50 m, on peut utiliser, si besoin est, des rallonges en tube d’aluminium de 19 mm de diamètre et de 0,9 m de longueur (figure I.4.10).

Pour prélever un échantillon selon cette méthode, on enfonce la tarière dans le sol en tournant la poignée. Normalement, pour remplir le cylindre, il faut pénétrer de 80 mm environ dans la couche pour remplir la tarière. On retire alors l’appareil du sol et on fait tomber l’échantillon en vrac dans un réci-pient, en frappant sur le cylindre avec un marteau de caoutchouc.

Carottiers (figure I.4.9)

Le cylindre pour échantillonnage, la sonde de carottage ou tout appareil de même type offrent un avantage certain, car ils permettent d’obtenir des échantillons volumétriques à partir desquels on peut calculer le contenu d’humidité en volume. Le carottage fournit des échantillons exempts de toute contamination si les appareils sont maintenus dans

Figure I.4.9. Tarières et tubes de gauche à droite:

tarière rubanée, tarière cylindrique, sonde à prélève-ment, tarière à boues hollandaise, préleveur de tourbe)

(Source: http://soils.usda.gov/technical/manual/

print_version/complete.html)

un grand état de propreté. On ne doit jamais les huiler et ils doivent toujours être protégés contre la saleté, la rouille et l’humidité. Normalement, il faut deux personnes pour effectuer les prélèvements en profondeur, celle-ci pouvant atteindre 20 mètres (figure I.4.11). Il est recommandé que le volume de la carotte de sol soit au moins de 100 cm³.

La sonde ouverte comprend un cylindre de carot-tage de 50 mm de diamètre intérieur et de 100 mm de long, avec des rallonges de 25 mm de diamètre et de 1,5 m de longueur pour les prélèvements en profondeur. On utilise des chemises de laiton de 50 mm de long pour retenir des échantillons non remaniés. On les retire du cylindre au moyen d’un piston. Comme rallonge, on peut utiliser de petites tiges de forages ou un tube de 15 mm.

On peut réaliser, à peu de frais, une sonde simple pour effectuer des prélèvements volumétriques à faible profondeur: il suffit d’un tube de laiton, à parois minces de 50 mm de diamètre et de 150 mm de longueur, équipé à une extrémité d’une poignée en T de 0,9 m, faite d’un tube de 19 mm. Après avoir retiré la sonde du forage, une poussée vers le bas sur la poignée permet d’obtenir des carottes qui sont extraites du cylindre au moyen d’un piston central. Le diamètre intérieur et la surface étant connus, on peut aisément obtenir des carottes volumétriques en coupant à longueur voulue la carotte au moment où on l’extrait de l’appareil.

Procédure de laboratoire

Les échantillons de sol humides doivent d’abord être pesés individuellement dans leur récipient de transport. Les récipients sont alors ouverts et placés dans une étuve à 105 ± 0,5 °C. Pour les échantillons contenant de la tourbe ou une fraction importante de gypse, la température dans l’étuve devrait être maintenue à 50 ± 0,5 °C, ce qui requiert un séchage plus long.

Après séchage, les échantillons sont pesés à nouveau dans leurs récipients. La différence entre le poids humide et le poids sec est une mesure du contenu en eau initial. D’autres méthodes de séchage sont plus rapides que l’étuve classique, par exemple, le brûlage à l’alcool, les lampes infrarouges et les fours à micro-ondes.

Figure I.4.11. Tube de prélèvement hydraulique monté sur une camionnette.

Le tube ouvert est en place. Les commandes hydrauliques se trouvent sur la droite.

Figure I.4.10. Équipement d’échantillonnage de sol (Source: http://www.colparmer.com/catalog/

product_view.asp?sku=9902640)

Si les échantillons contiennent du gravier et des pierres, cette procédure peut être adaptée à condi-tion que le poids ou le volume des graviers et des pierres puissent être déterminés séparément.

Les avantages et inconvénients de la méthode sont donnés ci-dessous.

Avantages: cette technique est relativement peu coûteuse, simple et très précise.

Inconvénients: cette technique demande du temps, de la main-d’œuvre et est difficile à mettre en œuvre pour les sols rocailleux.

4.5.2.2 Méthode neutronique

[SHOFM C58]

La méthode neutronique indique la quantité d’eau par unité de volume de sol. Le volume de sol mesuré par cette méthode a la forme d’un bulbe de 1 à 4 m de rayon, selon la teneur en eau du sol et l’activité de la source émettrice.

Cette méthode est basée sur le principe du ralen-tissement des neutrons émis dans le sol par une source de neutrons rapides (Greacen, 1981). La perte d’énergie est beaucoup plus importante dans la colli-sion de neutrons avec des atomes de faible poids atomique, et est proportionnelle au nombre de ces atomes dans le sol. L’effet produit par ces collisions est de transformer un neutron rapide en un neutron lent. L’hydrogène, qui est l’élément principal de faible poids atomique contenu dans le sol, existe en grande quantité dans les molécules d’eau du sol. Le nombre de neutrons lents, détectés par dosimètre après l’émission de neutrons rapides par un tube émetteur radioactif, est indiqué électroniquement sur un cadran.

Instruments

L’appareillage consiste en un compteur portable actionné par batterie ou par un mécanisme à ressort, comptant de 0,5 à 5 minutes et pesant environ 16 kg et en une sonde d’humidité contenant une source de neutrons rapides de 100 millicuries d’americium-241 et de poudre fine de béryllium (période 458 ans).

Cette sonde fait environ 400 mm de longueur, 40 mm de diamètre, pour un poids total de 20 kg avec écran de protection en plomb et paraffine de 150 mm de diamètre et de 100 mm de longueur (figure I.4.12). Ces appareils ont été utilisés avec un câble allant jusqu’à 60 m.

L’émetteur et le détecteur sont descendus dans le sol à l’intérieur d’un puits à tubage d’aluminium;

les lectures peuvent être faites à n’importe quelle profondeur, sauf près de la surface. Le diamètre intérieur du tube ne doit être que légèrement plus large que le diamètre de la sonde. Le tube doit, si possible, être mis en place de façon à assurer un contact étroit entre la surface extérieure du tube et le sol.

Des dispositifs semblables ont été développés pour effectuer des mesures dans la couche superficielle du sol. Dans ce cas, le dispositif est placé sur le sol et mesure la quantité d’eau contenue dans un volume de forme hémisphérique de 15 à 40 cm de rayon.

Tubes d’accès

L’installation des tubes d’accès doit être effectuée avec précaution afin d’éviter le tassement du sol et

Câble

Tube d’aluminium

Neutron rapide Neutron lent Tube de détection

Source neutronique Figure I.4.12. Sonde à neutrons

d’assurer le contact entre le sol et l’extérieur du tube, c’est-à-dire qu’aucun espace vide ne devrait être créé à l’extérieur des tubes au cours de leur installation.

Les tubes d’accès peuvent être installés:

a) En insérant les tubes dans des trous déjà pré- parés de même diamètre ou de diamètre légèrement inférieur (ces trous peuvent être préparés à l’aide d’une tarière manuelle ou motorisée); ou

b) En enfonçant les tubes dans le sol à l’aide d’un marteau et en enlevant la terre de l’intérieur des tubes à l’aide d’une tarière.

Les extrémités inférieures des tubes devront être scellées de manière à empêcher les infiltrations d’eau du sol. Les sommets des tubes devront être protégés à l’aide d’un couvercle ou d’un bouchon en dehors du moment des mesures.

Étalonnage

La sonde devra être étalonnée par référence à la méthode gravimétrique (section 4.5.2.1) appliquée pour le type de sol où l’on fera les mesures et en fonction des dimensions et du type de tubage dans lequel elle sera descendue. On devra prélever un nombre suffisant d’échantillons autour du trou de mesure pour déterminer le profil d’humidité du sol.

Il est toutefois difficile d’obtenir un bon étalonnage dans des terrains hétérogènes ou dans ceux où l’hu-midité varie rapidement avec la profondeur. Un étalonnage approximatif peut aussi être réalisé au laboratoire en utilisant un récipient rempli de terre.

Le type et les dimensions du tubage et la façon dont il a été mis en place ont des effets considérables sur les lectures; c’est pourquoi, pour chaque type d’installation, on doit établir de nouvelles courbes d’étalonnage.

Mesures et exactitude

Les tubes d’accès doivent être protégés contre un excès d’humidité qui fournirait des lectures erronées.

Après avoir descendu la sonde à la profondeur voulue dans le tube d’accès, on détermine le nombre d’impulsions comptées sur une période donnée.

Le nombre moyen d’impulsions est converti en teneur en eau en utilisant la courbe d’étalonnage.

L’exactitude de la mesure dépend principalement:

a) De la validité de la courbe d’étalonnage;

b) Du nombre d’impulsions comptées.

En raison du caractère aléatoire de l’émission et de la collision des neutrons, les comptages peuvent être entachés d’une erreur aléatoire. Les erreurs sur

les temps de comptage peuvent être réduites au minimum en utilisant un intervalle de temps constant de deux minutes.

Les teneurs en sel, dans la gamme trouvée habi- tuellement dans l’eau du sol, n’affectent pas matériellement les données fournies par la méthode neutronique mais, si le degré de salinité est égal à celui de l’eau de mer, on enregistre des effets sensibles. Un effet de la température a été mis en évidence.

Les lectures correspondant aux mesures à faible profondeur sont sensibles à la position de la sonde par rapport à la surface de contact air-sol. La proxi-mité de cette dernière se traduit par des comptages plus faibles que ceux qui caractérisent une teneur en humidité déterminée à une plus grande profondeur.

Quand les sources d’erreurs sont minimisées, l’exactitude d’une mesure individuelle peut atteindre 0,5 à 1 %. Pour des mesures répétées au cours du temps comme le nécessitent des études de bilan hydrique, des variations de la teneur en eau du sol peuvent même être déterminées avec une meilleure exactitude du fait de l’élimination des erreurs systématiques.

Les avantages et inconvénients de la méthode et la disponibilité des instruments pour leur utilisation sont résumés ci-dessous (Prichard, 2003):

Avantages: la sonde à neutrons donne une mesure, rapide, précise, et reproductible de la teneur en eau du sol à différentes profondeurs et sur différents sites.

Inconvénients: l’utilisation d’un matériau radioactif requiert un opérateur habilité et très bien formé, un coût élevé d’équipement et un étalonnage consé-quent pour chaque site.

Disponibilité des instruments: les sondes à neutrons sont disponibles dans le commerce.

4.5.2.3 Méthodes diélectriques [SHOFM C60]

Les méthodes diélectriques cherchent à mesurer la capacité d’un élément non conducteur (le sol) à transmettre des ondes ou des impulsions électroma-gnétiques. Les valeurs obtenues sont reliées à la teneur en eau du sol par étalonnage.

Ces instruments sont basés sur le fait que la constante diélectrique des particules du sol varie entre environ 2 et 5, tandis que celle de l’eau est de 80 (mesurée entre 30 MHz et 1 GHz).

Les deux méthodes diélectriques pour mesurer la constante diélectrique du milieu sol-eau et estimer la teneur en eau volumétrique du sol sont:

a) La réflectométrie dans le domaine temporel; et b) La réflectométrie dans le domaine fréquentiel.

Ni l’une, ni l’autre de ces méthodes n’utilise de source radioactive, ce qui réduit les coûts d’habili-tation, de formation et de suivi par rapport aux sondes à neutrons.

Réflectométrie dans le domaine temporel (TDR)

Le dispositif TDR envoie une onde électromagné-tique transverse à haute fréquence (micro-ondes) dans un câble relié à une sonde conductrice

Le dispositif TDR envoie une onde électromagné-tique transverse à haute fréquence (micro-ondes) dans un câble relié à une sonde conductrice