Parcelle Salgues cultivée en blé (S2, S3, S4)

Les mesures de la teneur en eau à 60°C et à 105°C ont également été réalisées le 07/04/2011 sur la parcelle Salgues cultivée en blé (sites S2, S3, S4 avec deux placettes A et B par site (Figure III.2Ψ. Les profils de teneur en eau ont été mesuré jusqu’à 100 cm de profondeur sur les placettes A et à 60cm sur les placettes B. Les évolutions générales d'augmentation des teneurs en eau avec la profondeur sont atténuées par l'efficacité du drainage installé à 1.00 m de profondeur. L'anomalie de teneurs en eau ponctuellement très élevées en surface n'existe pas dans ces parcelles cultivées à sols fracturés et structurés dès la surface par le travail du sol. L'effet de la dessiccation à 105°C est cohérent, il accroit les teneurs en eau calculées par rapport au séchage à 60°C.

Figure III.2 : Profils de teneur en eau à 60°C et à 105°C sur les sites A et B.

De manière générale les différences entre les teneurs en eau mesurées à 60°C (W60) et celles

mesurées à 105 °C (W105) restent inférieures à 5%. Elles devraient être proportionnelles à la

teneur en eau réelle. En fait représentées dans un diagramme W105 en fonction de W60 la

tendance de "proportionnalité" est bien respectée mais avec un écart type important (Figure III.3):

W105 = 1,10 W60 avec un R2 = 0,92 Eq.III.1

La courbe de tendance de type droite ne montre par contre aucune cinétique de dessiccation entre faibles et fortes teneurs en eau.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 P r of on d e u r (c m )

Teneur en eau (%) S2-A

60°C 105°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 P r of on d e u r (c m ) Teneur en eau (%) S2-B 60°C 105°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70

Teneur en eau (%) _S3-A

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Teneur en eau (%) S3-B 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70

Teneur en eau (%) S4-A

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Teneur en eau (%) _S4-B

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Cet aspect cinétique peut être traduit par une courbe de tendance de type polynôme du second degré, avec un R2 légèrement supérieur (Figure III.3):

W105 = -0,06 (W60)2 + 1,30W60 avec un R2 = 0,94 Eq.III.2

Figure III.3 : Relation entre les teneurs en eau mesurées à 105°C et celles mesurées à 60°C. C- Conclusion sur différences entre W60 et W105

Les deux relations obtenues permettraient d'extrapoler les W105 à partir de W60. La relation

linéaire permet de les recalculer simplement par une augmentation de 10%. In situ, les formes des profils de teneur en eau restent semblables qu'elles soient mesurées à 60°C ou 105°C. Pour les travaux qui suivent, on a utilisé la mesure de la teneur en eau à 105°C pour calculer les profils de salinité et les profils de réserve utile de ces sols de marais.

Dans ces territoires de marais, qui résultent de la conquête des sédiments fluvio-marin, les niveaux de nappes résultent de la "poldérisation". Comme cela a été précisé précédemment, soit par simple dessiccation et rabattement progressif de la nappe du Bri, soit accéléré et accentué par le drainage. Dans le premier cas le niveau de nappe reste très proche de la surface, souvent moins de 1 m de profondeur. Dans le second cas, la profondeur des drains enterrés est voisine de 1 m de profondeur. Ces faibles profondeurs de nappe ajoutées à la texture très fines des sédiments suggèrent des remontées capillaires potentielles jusqu'à la

y = 1,1025x R² = 0,924 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 y = -0,0062x2_{+ 1,3042x} R² = 0,9367 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 W₁₀₅ W₁₀₅ W₆₀ W₆₀

Courbe de tendance linéaire

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surface, que ce soit en parcelle drainées ou non drainées (Schmidhalter et Oertli, 1989; Terzaghi et Peck; 1967; Giesel et al, 1972; Hansbo, 1975).

Dans un premier temps, les relations profils structuraux - profils hydriques vont être gouvernées par la compétition entre l'approfondissement (descente) du front de dessiccation en cours de saison et les remontées capillaires. La descente du front de dessiccation est gouvernée à la fois par les conditions atmosphériques en période estivale et par le couple croissance racinaire - consommation en eau des plantes. C'est le bilan d'évapotranspiration; pluviométrie moins ETP ou ETM. Par rapport à l'évolution des profils hydriques, les remontées capillaires peuvent être caractérisées par une hauteur d'ascension et par des vitesses de remontées capillaires qui dépendent initialement de la texture de la matrice constitutive du sol ou des sédiments.

Dans un deuxième temps, aussi bien en prairies (non drainées) qu'en parcelles cultivées (drainées), un effet mécanique de compaction des sols peut s'appliquer sur les profils structuraux des sols ; soit le piétinement du bétail en prairie soit l'effet du labour en culture. En préliminaire à tous les résultats acquis in situ pendant les saisons 2011 à 2015, le présent document présente :

- un rappel sur les mécanismes de remontées capillaires appliqué au Bri des marais de l'ouest,

- un rappel sur les chemins d'état du matériau argileux.

III.1.2. Rappel sur les mécanismes de remontées capillaires et sur les chemins d'états du matériau argileux

III.1.2.a. Mécanisme de remontée capillaire au sein du Bri.

Les remontées capillaires sont dues à l'existence de tensions superficielles aux interfaces entre fluide et phase solide. L'analogie est généralement présentée avec un tube de verre dans lequel la hauteur de remontée est inversement proportionnelle au diamètre du tube, c'est la loi de Jurin:

� = _{ d}−4� Eq.III.3

avec Hc la hauteur de la remontée, T la tension capillaire, W la masse volumique du fluide, g

l'accélération de la pesanteur et d le diamètre du tube.

A partir du niveau de nappe, la hauteur de remontée capillaire dans un sol suit la même loi générale. La différence tient essentiellement à la texture et à la microstructure du sol. Dans notre cas le fluide est l'eau (à différente salinité), la paroi solide est constituée par les faces des minéraux (phyllosilicates dominants) et le diamètre du tube est remplacé par le réseau de porosité inter grains. Néanmoins deux niveaux de remontée capillaire doivent être considérés : - le niveau situé directement au contact de la nappe qui est saturé par les remontées capillaires d'eau,

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Terzaghi et Peck (1967), en considérant que la dimension des pores du sol est proportionnelle au d10, ont déterminé empiriquement la hauteur de remontée capillaire de la zone saturée (Hs) qui repose sur la nappe, à partir de :

� = Eq.III.4

avec e l'indice des vides, (Hs et d10 en mm), C est une constante entre 10 et 50 mm2. d10 = diamètre correspondant à 10% de passant.

Pour des sols argileux à limoneux, ce calcul suggère des hauteurs de remontées capillaires comprises entre 1,5 et 12 m (Tableau III.1).

Terzaghi et Peck, 1967 Hansbo, 1975

Type de sol Etat lâche Etat compact

Sable grossier /graviers 0,01 - 0,05 0,03 - 0,12 0,04 - 0,15

Sable moyen 0,1 - 1 0,12 - 0,50 0,35 - 1,10

Sable fin 0,3 - 2 0,4 - 3,5

silt 2 - 10 1,5 - 10 2,5 - 12

argile 10 - 30 > 10 > 10

Tableau III.1 : Hauteur de remontées capillaires en mètres, calculées d’après Terzaghi et Peck (1967) et Hansbo (1975) pour différents types de sol

Les mêmes auteurs ont calculé la hauteur de la zone non saturée (Hns) correspondant aux remontées capillaires (superposée à la zone saturée) à partir de :

�� = ₆ Eq.III.5

avec e l'indice des vides, (Hns et d10 en mm), d60 = diamètre correspondant à 60% de passant.

En considérant des valeurs moyennes de d10 et d60 respectivement égales à 2 et 5µm (Bernard, 2006) et des indices des vides compris entre 0,5 (limite de retrait, Wr=20%), 1,0 (limite de plasticité, Wp = 40%) et 1,5 (proche de la limite de liquidité, Wl=70%) les hauteurs minimums (C=10) de remontées capillaires qui constituent la zone saturée (directement sur la nappe) puis la zone non saturée "perchée" sur la zone saturée sont respectivement de 10 à 3,30 m et 4,0 à 1,30 m (Tableau III.2).

Hauteur frange capillaire

e Zone saturée Zone non saturée Cumul à W constant

0,5 (eWrΨ 10 4 14

1,0 (eWpΨ 5 2 7

1,5 (eWlΨ 3,3 1,3 4,6

Tableau III.2 : Hauteur de remontées capillaires (minimales) en mètres, calculées à partir de l'équation empirique de Terzaghi et Peck (1967) pour les indices des vides correspondants aux microstructures des états limite de liquidité (Wl), limite de plasticité (Wp) et limite de retrait (Wr).

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Les profils de teneur en eau mesurés sur ces territoires de marais ont toujours montré une augmentation des teneurs en eau de la surface vers la profondeur qui est cohérente avec le mécanisme de remontée capillaire et les faibles profondeurs de nappe. A ces profils hydriques de type Wr - Wp - Wl correspondent des profils structuraux de type eWr - eWp - eWl qui

traduisent la courbe de retrait du matériau argileux. Par rapport à la hauteur des remontées capillaires correspondant aux différents états structuraux (eWr - eWp - eWl ; Tableau III.2), une

hauteur totale de remontée est associée au profil de dessiccation. Le phénomène de retrait diminue la taille des pores inter-particules argileuse lorsqu'on se rapproche de la surface, en conséquence les hauteurs de remontée sont accentuées par le phénomène de retrait vers la surface. La hauteur de remontée capillaire peut être finalement définie comme une vitesse d'ascension gouvernée par la profondeur de la nappe et par le potentiel matriciel associé à la texture (microstructure du sol) du sol.

A partir de ces estimations empiriques, pour nos structures de sol argileux (Bri) les remontées capillaires, pour des profondeurs de nappes inférieures à 1,5 m, atteignent la surface, que ce soit pour la zone saturée et/ou pour le cumul zone saturée + zone non saturée. L'étude des évolutions des profils de teneurs en eau et des profils de réserves utiles est associée au phénomène de compétition entre descente du front de dessiccation et remontées capillaires (Figure III.4; III.5).

Figure III.4 : Représentation schématique des fronts opposés de remontées capillaires issues de la nappe et de dessiccation issu de la surface dans le cas d'une nappe profonde et dans le cas d'une nappe proche de la surface de type marais côtiers.

Niveau de nappe Limite supérieur remontées capillaires Zone saturée Zone non-saturée dessiccation ou hydratation à partir de la surface Pluvio - ETP ou ETM

Zone sa turée

Front de dessiccation  zone non saturée

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Figure III.5 : Représentation schématique de l'évolution des profils de teneur en eau prévisibles dans les marais à partir d'un profil de sol initialement saturé par les remontées capillaires issues de la nappe proche de la surface.

Cette compétition est également associée aux vitesses d'ascensions capillaires (flux, cm/j) qui évoluent en fonction de la microporosité du matériau, rapide pour les diamètres de porosité élevée et lente pour les diamètres étroits. D'autre part en se basant sur la loi de Darcy,

= � ℎ _� Eq.III.6 avec q le flux (cm/j), K(h) la conductivité hydrique, dH/dz le gradient hydrique,

Il est possible de calculer la remontée capillaire. Schmidhalter et Oertli (1989) montrent que dans un sol silteux une tension de 315 cm CE (315 mbar) suffisent à fournir 0,1 cm d'eau par jour en surface lorsque le niveau de nappe est à 2,50m, pour une nappe à 1 m de profondeur une tension de 100 cm d'eau est suffisante pour le même apport en eau et réciproquement une tension de 315 cm CE remonte plus de 2 cm d'eau par jour. Pour un sol limoneux sableux comparable au Bri et pour un potentiel matriciel de 200 mbar les ordres de grandeurs sont (Figure III.6 et III.7; Schmidhater et Oertli, 1989):

- 2,7 cm/jour pour un niveau de nappe à 0,50 m - 0,7 cm/jour pour un niveau de nappe à 1 m

- et devient nul à partir d'une profondeur de nappe de 1,50 m.

W%

Wp

Wl

Wr

Zone sa turée

Front de dessicca tion

Potentiel remontée ca pilla ire

zone non sa turée

pa r dessicca tion de surfa ce

Profils W mesurés

Surfa ce topogra phique

P

r

o

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Figure III.6 : Hauteur de la remontée capillaire dans un sol silteux, en fonction de la profondeur de la nappe phréatique et de la tension (D’après Schmidhalter et Oertli, 1989Ψ. Sur le même type de sol, et pour une tension de 200 mbar, la hauteur de remontée capillaire peut atteindre environ 80 cm pour une vitesse (ou taux) de remontée de 2,7 cm/jour, il peut atteindre 2,20 m environ pour une vitesse de remontée de 0,7 cm/jour.

Figure III.7 : Relation entre la hauteur de la remontée capillaire (en décimètre dm) et le type de sol, a- pour un taux de remontée de 5 mm d’eau par jour, b- pour un taux de remontée de 0.2 mm d’eau par jour. La répartition des sols est établie selon le triangle Suisse des textures (D’après Schmidhalter et Oertli, 1989). A = sol argileux, AL = argile limoneuse, La = limon argileux, L = limon, SL = sable limoneux, S = sable, Ua = silt argileux, Ul = silt limoneux, U = silt

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Pour des sols limono-argileux, la remontée capillaire est gouvernée par le volume des pores et par conséquent par l'état microstructural de la matrice argileuse. Une augmentation de densité de tassement, diminue la porosité et la hauteur de remonté (Giesel et al, 1972). La texture limono - argileuse du Bri devrait permettre des hauteurs de remontée capillaire de 90cm pour un taux de remontée de 5mm/jour et 2,70 m pour un taux de remontée de 0,4mm/jour.

Finalement la hauteur de remontée capillaire et le flux d'eau apporté en surface est dépendant de la profondeur de la nappe, du gradient de tension et de la microstructure de la matrice minérale. Dans le cas de nos sols de marais l'évolution des profils structuraux des sols vers une fermeture de porosité en surface augmente progressivement les hauteurs de remontées capillaires mais avec des flux de plus en plus faibles en surface qui sont plus facilement annihilés par le front de dessiccation.

Dans cette étude des évolutions des profils hydriques et des profils de RU et notamment des profils de RU utilisable par les plantes, il est intéressant de localiser la limite de saturation du sol, soit la limite sol saturé (en profondeur) et de la zone vadose en surface. Ensuite il est peut être intéressant de quantifier la proportion d'évapotranspiration supplée par la zone saturée (Ground Water évapotranspiration; GWET) et la proportion d'évapotranspiration supplée par la zone vadose (VZET). Cette limite zone saturée - zone non saturée et le ratio "GWET - VZET" ou GWET / ETP) sont évidemment en partie contrôlés par la profondeur de nappe (Shah et al., 2007; Figure III.8).

Figure III.8 : Représentation schématique de la répartition entre évapotranspiration supplée par les remontées capillaires en zone saturée (GWET) et l'évapotranspiration supplée par l'eau disponible en zone non saturée (VZET), d'après Shah et al., 2007.

La limite d'interaction du front d'ETP est fonction des flux (vitesses d'ascension de l'eau capillaire) et des hauteurs de remontées. Pour une prairie, si dans les sols sableux elle est voisine de 1,50 m, pour les sols limono-argileux elle descend vers 4,3 m (Shah et al., 2007). Cette étude préliminaire montre que toute la zone comprise entre la surface topographique et la surface de la nappe du Bri est concernée par les bilans ETP - remontées capillaires.

0 50 100 150 200 250 300 350 GWET 1 0 P rof . n ap p e

Limite du front d’ETP

Ration GWET / ETP et VZET / ETP VZET

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III.1.2.b. Chemins d'état de la matrice argileuse, profils de teneur en eau (W105),

compactage Proctor, densités, indice de saturation

Par rapport à l'utilisation des sols de marais aussi bien en prairie pour les territoires non drainés que pour les cultures en parcelles drainées, les profils structuraux sont impactés par les gradients hydriques qui viennent d'être décrits et par les tassements éventuels causées par les contraintes de surfaces de type piétinement et passage d'engins. Dans l'optique de l'étude des chemins d'état de nos sols, une des méthodes a été de comparer les évolutions de microstructure du matériau soumis à un compactage Proctor et sa courbe de retrait. Sur le diagramme Proctor, la courbe de retrait est représentée par des profils de densité humide et de densité sèche calculés à partir des profils de teneur en eau mesurés en L3, E2 et sur la parcelle Salgues en S2, S3 et S4. La transformation teneur en eau - densité est effectuée via la courbe de retrait de la matrice argileuse constituant le Bri avec une densité réelle moyenne des particules égale à 2,58 mesurées au pycnomètre (Figures I.14 à I.16).