Prélèvement par évaporation dans une nappe soumise à des conditions évaporatoires naturelles

2.3.1.1. Tarissement de la nappe

L'évolution du tarissement de la nappe sous l'effet de l'évaporation naturelle est suivi par piézométrie. D'importantes variations nycthémérales dans la vitesse de tarissement de la nappe sont mises en évidence (cf. figure 2.21). La nappe ne décroît pas régulièrement, mais principalement entre 19 heures et 10 heures du matin, lorsque la demande évaporatoire est

20/08/94 21/08/94 22/08/94 23/08/94 24/08/94 25/08/94 26/08/94 0.6 0.65 0.7 0.75 H au teu r p iézo mét ri q u e (m)

Figure 2.21. Evolution du tarissement de la nappe sous évaporation naturelle. Les repères verticaux correspondent aux étiquettes de minuit.

20/08/94 21/08/94 22/08/94 23/08/94 24/08/94 25/08/94 26/08/94 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P rél èv emen ts d an s l a n ap p e cu mu lé s (mm)

Figure 2.22. Evolution des prélèvements par évaporation cumulés dans la nappe située à 40 cm de profondeur. Les repères verticaux correspondent aux étiquettes de minuit.

les après-midi du 20 et 23 août, elle s'est ensuite rabattue de respectivement 4 et 5 cm la nuit suivante. En revanche, les remontées de nappe ne sont égales qu'à environ 0,9 cm et 0,7 cm les 21 et 22 août après midi pour des rabattements de 2,5 cm la nuit suivante. Les données tensiométriques recueillies n'ont pas été de qualité suffisante pour permettre une analyse plus fine de ces observations.

2.3.1.2. Prélèvements dans la nappe fixe

Pour comparer les oscillations observées par la piézométrie de la nappe en tarissement et les prélèvements dans une nappe de profondeur fixe, la pesée du vase de Mariotte est effectuée sur la même période dans une seconde cuve. La nappe est fixée à une profondeur de 40 cm. Les mesures sont présentées figure 2.22 sous forme de cumul des prélèvements dans la nappe. Un phénomène comparable à celui constaté en tarissement est observé : les prélèvements ont essentiellement lieu la nuit et au début de la matinée. De même que pour le tarissement, les prélèvements dans la nappe les plus importants ont été observés les nuits qui ont suivi les après-midi du 20 et du 23 août (1,45 et 1,5 mm), alors que les prélèvements les plus faibles ont été observés les nuits qui ont suivi les après-midi du 21 et du 22 août (1,4 et 1 mm). Les différences entre les jours de faible et de forte demande évaporatoire sont cependant moins marquées, sans doute en raison des valeurs de prélèvement assez proches du flux limite pour cette profondeur de nappe (2,6 mm/j).

Par ailleurs, le fait que l'on ne mesure pas d'alimentation du vase par la nappe durant la journée (qui correspond aux montées de nappe diurnes du tarissement) s'explique par le système hydraulique de quantification des flux utilisé. La pesée du vase de Mariotte ne permet en effet que de mesurer un flux ascendant qui fait baisser le niveau de la nappe. Le vase n'impose qu'une limite inférieure à la position de la nappe en ne l'alimentant que si la charge hydraulique dans la nappe est inférieure à celle du vase (cf. figure 2.23) ; dans le cas contraire, seule une petite quantité d'eau est transférée de la nappe vers le tube du vase en équilibre avec la pression atmosphérique (cf. figure 2.24). Une remontée de nappe ne peut donc être mesurée par pesée et comparée à une baisse de nappe. En revanche, le piézomètre disposé dans la cuve indique bien une remontée de nappe durant la journée.

Des mesures tensiométriques sont réalisées entre les 20 et 24 août dans la cuve à profondeur de nappe fixe. Les pressions oscillent fortement durant la journée. Ces oscillations peuvent traduire soit une mesure réelle de cycles d'humidification/dessiccation du sol, soit une perturbation de la mesure due aux variations de température. Les expériences réalisées au laboratoire, où la température était contrôlée, tendent plutôt à mettre en cause les interactions sol-tensiomètres dues aux variations de température plutôt qu'un phénomène indépendant du tensiomètre. Nous reviendrons sur cet aspect à la section suivante.

Figure 2.23. Vidange du vase de Mariotte vers la cuve lorsque le niveau de la réglette du vase est supérieur au niveau de la nappe.

Figure 2.24. Vidange de la cuve vers le vase de Mariotte lorsque le niveau de la réglette du vase est inférieur au niveau de la nappe.

19/08/94 20/08/94 21/08/94 22/08/94 23/08/94 24/08/94 25/08/94 0 2 4 6 8 10 12 Gr ad ie nt hy dr au li q u e gra d 10-20 gra d 20-40

Figure 2.25. Evolution des gradients hydrauliques entre 10 et 20 cm et entre 20 et 40 cm de profondeur de sol dans la cuve à profondeur de nappe fixée à 40 cm ; la demande évaporatoire est naturelle ; un gradient positif indique un écoulement ascendant.

midis. De même, malgré ses fluctuations nycthémérales, le signe du gradient mesuré en surface

entre 10 et 20 cm de profondeur est toujours positif, ce qui indique un écoulement

hydrodynamique toujours ascendant.

2.3.1.3. Première interprétation des résultats obtenus sous une demande évaporatoire naturelle

Une première interprétation des oscillations nycthémérales dans les prélèvements de nappe peut être de nature purement hydrodynamique. La journée, le dessèchement de la zone non saturée, et notamment de la partie superficielle du sol, crée un mulch où la conductivité hydraulique est réduite. Cette zone aurait pour effet de stopper l'évaporation et les flux en provenance de la nappe. La nuit, une redistribution s'effectuerait pour réhumecter le profil, ce qui aurait comme conséquence l'augmentation de la conductivité hydraulique et une augmentation des flux en provenance de la nappe. Cette interprétation présente toutefois plusieurs lacunes :

- elle est en contradiction avec les résultats obtenus en régime permanent (cf. section 2.2.) où des prélèvements par évaporation dans la nappe non nuls ont toujours été mesurés, quel que soit l'état de surface du sol (avec ou sans mulch) et quelle que soit la profondeur de la nappe ;

- elle ne permet pas d'expliquer le fait que l'on observe une alimentation diurne de la nappe qui se traduit par une remontée lorsqu'elle est libre, un arrêt des prélèvements

dans la nappe lorsqu'elle est fixée par le vase de Mariotte ; dans les deux cas, ces

phénomènes devraient être reliés à une inversion diurne des gradients hydrauliques ; or ceux-ci, bien que variables, indiquent dans tous les cas un écoulement ascendant. Les observations pourraient en revanche s'expliquer par des transferts d'eau sous l'effet d'un

gradient de température. Les différences de potentiels générées par des températures

différentes créent en effet des écoulements en phase liquide et vapeur des températures les plus élevées vers les températures les plus basses (cf. section 1.2.3.). Des flux d'eau sous l'effet de gradients hydrauliques et thermiques qui posséderaient des ordres de grandeur comparables permettraient d'expliquer l'ensemble des phénomènes observés.

Le jour, l'évaporation ne se satisfait que dans la partie supérieure du sol, ce qui provoque son

assèchement ; un gradient hydraulique se crée, provoquant un flux d'eau ascendant ; dans le même temps, la partie supérieure du sol est chauffée, ce qui génère un gradient thermique qui provoque un flux d'eau descendant. Ce dernier flux peut même être supérieur au flux ascendant puisque la nappe remonte dans la cuve où la nappe n'est pas reliée à un dispositif de vase de Mariotte.

hydraulique généré par l'assèchement du sol en surface provoque l'alimentation de la zone non saturée et induit la réhumectation du profil. Ce phénomène débute très rapidement et s'accélère en fin de nuit lorsque la température extérieure est la plus basse (forme concave des tarissements). Au début de matinée, il est possible que les gradients thermiques soient inversés par rapport au reste de la journée (nappe plus chaude que la surface du sol), ce qui induirait deux écoulements dans un même sens.

Enfin, les effets de bord de la cuve pourraient être tenus responsables des variations des prélèvements dans la nappe observés. En effet, une des causes possible de différences entre un milieu fini et un milieu semi-infini est l'effet de chauffage des bords de la cuve. Cet effet a cependant tendance à réduire les gradients de température au sein du massif par homogénéisation, et donc à réduire les écoulements verticaux liés à ces gradients. D'autre part, d'éventuels retraits entre le sol ne sont visuellement pas observables par la paroi en Plexiglas. Les effets de bord ne peuvent expliquer les phénomènes observés.

Afin de vérifier l'interprétation des observations par des transferts d'eau significatifs sous l'effet des gradients de température, des mesures sont réalisées au laboratoire sous l'effet d'une demande évaporatoire variable. Une demande évaporatoire de type radiative (ou thermique) est imposée dans une première étape. Ce type de demande a pour effet de chauffer et d'assécher la surface du sol. Un suivi de tarissement de la nappe libre et des prélèvements dans la nappe fixée à différentes profondeurs, est réalisé. Dans une seconde étape, la mesure des prélèvements dans une nappe fixe est réalisée sous une demande évaporatoire aérodynamique (ou isotherme). Dans tous les cas, les mesures sont complétées par la mesure

des températures dans le sol à 4 profondeurs différentes (10, 30, 42, 62 cm).

2.3.2. Prélèvements par évaporation dans une nappe soumise à une