Réversibilité du mulch (Etape (9))

La dernière étape de l’expérimentation a consisté à neutraliser l’état de surface en mouillant la surface du sol ; l’évaporation retrouve alors son niveau initial aux alentours de 11 mm/j.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 pression (m) c o te (m ) pas de mulch mulch : 1 cm mulch : 2,5 cm mulch : 4 cm

Figure 4.20 : profils de pression de l’eau dans le sol pour un mulch d’épaisseur croissante et une nappe profonde de 1,5 m 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 pression (m) c o te (m ) pas de mulch mulch : 1 cm mulch : 2,5 cm mulch : 4 cm

Figure 4.21 : profils de pression de l’eau dans les 50 premiers cm de sol, pour un mulch d’épaisseur croissante et une nappe profonde de 1,5 m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 pression (m) c o te (m ) mulch : 4 cm

Figure 4.22 : profils de pression de l’eau dans le sol pour trois profondeurs de nappe et un mulch d’une épaisseur initiale de 4 cm. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 teneur en eau (m³/m³) c o te (m ) mulch : 4 cm Pn=1,5 m Pn=1,0 m Pn=0,5 m

Figure 4.23 : profils de teneur en eau volumique dans le sol pour trois profondeurs de nappe et un mulch d’une épaisseur initiale de 4 cm.

3.2.4 Conclusion

A partir d’un état de surface très sec, nous avons donc formé, en grattant cette surface, une couche de structure différente de celle du sol sous-jacent ; son aspect est poudreux. Cette couche réduit sévèrement le flux de remontée capillaire d’autant plus que son épaisseur est accrue. Il

Chapitre 4 – Rôle de la vapeur d’eau

apparaît qu’un régime permanent peut s’établir signifiant que le flux est continue de la nappe jusqu’à la surface du sol et que l’épaisseur du mulch n’est pas évolutive. Dans la zone de sol non perturbée, le flux ascendant est liquide ; les gradients de pression s’ajustent avec la décroissance du flux pouvant être transmis par le mulch. L’efficacité du mulch est conservée même en présence d’une nappe dans la zone proche de la surface. Ainsi, quel que soit l’état hydrique du sol sous-jacent, le mulch présente un caractère irréversible et conserve ses propriétés.

Rappelons qu’un seul type de demande évaporatoire a été testé ; il s’agit d’une demande convective en vent faible. Il aurait été intéressant de vérifier si la présence du mulch conduit à une valeur unique du flux de remontée capillaire, pour une épaisseur de mulch et une profondeur de nappe données, c’est à dire à une valeur strictement indépendante de l’intensité de la demande évaporatoire.

4. Conclusion

En conditions isothermes, la résolution des équations de transferts d’eau dans le sol, selon un mode ‘liquide’ ou un mode couplé ‘liquide/vapeur’, converge vers une solution unique pour le flux total de remontée capillaire. Il se confirme qu’à partir d’une certaine pression en surface le flux tend vers une valeur limite indépendante d’un accroissement de la valeur de cette pression. Ainsi, de la même manière que dans le modèle monophasique, les gradients hydrauliques s’adaptent à la décroissance de la conductivité hydraulique pour fournir un flux limite constant, ces mêmes gradients s’adaptent aux coefficients de diffusion liquide et vapeur pour toujours fournir le même flux.

La valeur du flux limite est fonction des caractéristiques du sol et de la profondeur de la nappe. Mais les résultats obtenus - indépendance de l’intensité du flux limite à la diffusion gazeuse peu variable d’un sol à l’autre, variabilité importante du flux limite d’un sol à l’autre - confirment plus particulièrement l’importance des propriétés de la phase liquide dans le processus de flux de remontée capillaire. La détermination de la conductivité hydraulique apparaît donc fondamentale pour le calcul du flux limite, particulièrement pour les faibles valeurs de succion. Outre l’obtention de mesures précises, l’ajustement d’une fonction ou d’une autre de conductivité hydraulique sur ces mesures peut modifier fortement l’intensité calculée du flux limite, tel que le remarquaient Brandyk et al. (1985) et Mermoud et al. (1990) (Chapitre 1 - 2.2.1).

nappe donnée, avec la profondeur de nappe pour une succion de surface donnée. Ses caractéristiques sont fonction du rapport des coefficients de diffusion isotherme liquide et gazeux. Il apparaît que plus la conductivité hydraulique est limitante, c’est à dire fortement décroissante avec la succion, plus le gradient hydraulique de surface est abrupt et moins le front d’évaporation est développé. En dessous du front d’évaporation, la nappe maintient une zone humide où le flux de remontée capillaire est liquide.

Le flux limite s’établit alors que le sol atteint un maximum dans sa capacité de transmission de l’eau dans la zone non saturée pour une certaine profondeur de nappe ; ce maximum est lié à la décroissance de la conductivité hydraulique avec la teneur en eau de l’horizon supérieur du sol. Toutefois, une fois ce flux atteint, toute progression de l’assèchement de la couche de surface est sans effet et le développement d’un front d’évaporation n’est pas un frein supplémentaire à la transmission de l’eau depuis la nappe. Etant donné ces résultats, nous pensons que dans un objectif d’évaluation de l’intensité du flux de remontée capillaire, un outil basé sur le formalisme ‘liquide’ peut être utilisé sans grande erreur à condition d’estimer la conductivité hydraulique de manière fine et précise pour la partie proche de la saturation.

Dans nos conditions expérimentales, nous avons vu apparaître une croûte de surface dure et sèche, pour les plus grandes profondeurs de nappe (soit 1 m et 1,5 m de profondeur). La confrontation entre les flux calculés en mode ‘liquide/vapeur’ et les flux mesurés indiquerait que la présence de cette croûte peut être associée à celle d’un front d’évaporation lorsque, pour une profondeur de nappe donnée, le flux limite est atteint. Nous n’avons donc pas observé de phénomène de mulch spontané, responsable d’une diminution des remontées capillaires et mettant en défaut la théorie du flux limite. En revanche, l’effet d’un sarclage du sol a entraîné une modification vraisemblable de ses propriétés hydrodynamiques de surface et a eu un effet très sensible sur les flux de remontée capillaire. Ceux-ci diminuent très fortement en fonction de l’épaisseur de la couche perturbée et le phénomène ne s’inverse pas lorsque la nappe est remontée par le bas. Dans ce cas, le mulch est un facteur limitant qui détermine davantage les flux de remontée capillaire que la profondeur de nappe et surtout que la conductivité hydraulique du matériau non remanié.

La question des conditions spontanées d’apparition du mulch reste entière pour un sol en présence d’une nappe superficielle. Si, comme nous le décrivions au cours du Chapitre 1, ce sont les effets mécaniques et surtout transitoires du climat (action mécanique des gouttes de pluie, cycles pluie/évaporation de durée variable) qui concourent à la formation d’un mulch, il peut être alors difficile d’observer sa formation en conditions contrôlées. D’autre part, même in situ, on peut

Chapitre 4 – Rôle de la vapeur d’eau

se demander si la détermination forte que la nappe opère sur les flux d’eau évaporés n’est pas indissociable de la formation spontanée d’un mulch.

La caractérisation du mulch que nous avons crée par sarclage est une question importante dans un objectif de modélisation. Dans l’hypothèse que les propriétés de cette couche ‘perturbée’ seraient connues, pourrait on considérer le système comme une superposition simple de deux matériaux différents ? Le fonctionnement du système pourrait il être décrit par les équations du modèle mécaniste ?

Chapitre 5 - Le couplage sol-atmosphère dans le

processus de flux de remontée capillaire

Chapitre 5 – Le couplage sol-atmosphère

Après avoir démontré, dans le chapitre précédent, la validité de l’approche monophasique dans la représentation du processus de remontée capillaire – excepté dans le cas particulier du mulch – nous nous attachons dans ce chapitre à traiter de la condition à la limite de surface. Nous analysons la spécificité des interactions entre l’atmosphère et le sol en présence d’une nappe peu profonde. L’objectif est d’aboutir, au terme de ce chapitre, à une conclusion sur la nécessité d’utiliser une modélisation couplée sol-atmosphère dans le contexte traité ainsi que sur le type de condition à la limite à utiliser dans les modèles de transferts dans le sol. Le modèle TEC est utilisé dans sa version la plus complète, où les équations de transferts de masse et de chaleur dans le sol sont résolues de manière couplée avec les équations du bilan d’énergie à la surface du sol.

Comme nous l’avons précisé dans la présentation des résultats expérimentaux, nous ne disposons pas de l’ensemble des mesures nécessaires pour appliquer le modèle à l’expérimentation et confronter les résultats. Nousconsidérons donc que le modèle est valide et les simulations sont donc effectuées dans un cas théorique pour lequel nous avons choisi un sol de texture moyenne dont la surface est soumise à différentes conditions climatiques.

Une première section est consacrée au couplage sol-atmosphère du flux de remontée capillaire en régime permanent. Un ensemble de quatre vingt dix simulations ont été effectuées combinant différentes profondeurs de nappe et conditions de vent, d’humidité et de rayonnement dans l’atmosphère. De ce jeu de simulations, deux scénarios types sont identifiés selon que le régime thermique de l’atmosphère est stable ou instable . Dans chaque cas, nous analysons l’équilibre énergétique obtenu et examinons en particulier l’effet spécifique des variables climatiques sur les flux dans le sol et l’équilibre entre le sol et l’atmosphère.

Dans une seconde section, nous abordons la question du traitement transitoire de la modélisation du flux de remontée capillaire. Si dans les périmètres irrigués, le niveau de la nappe peut être relativement stable, la question de l’établissement d’un flux permanent de remontée capillaire se pose par rapport aux variations horaires des conditions climatiques. Nous répondons à cette question en imposant à notre sol des conditions climatiques expérimentales issues d’un périmètre irrigué situé au Maroc.

1. Modélisation du flux de remontée capillaire en liaison avec le climat, en