4.2 Formation et évolution de la couche de sédiments
4.2.1 Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments
4.2.3 Evolution de l’espace poral ... 178
4.2.3.1 Evolution globale de la porosité surfacique ... 179 4.2.3.2 Evolution de la répartition des sédiments ... 181 4.2.3.3 Evaluation de la taille des particules des sédiments ... 183
4.3 FONCTIONNEMENT HYDRODYNAMIQUE DES COLONNES ... 186
4.3.1 Evolution temporelle de l’écoulement ... 186 4.3.2 Evolution de la capacité d’infiltration des sédiments ... 188
4.4 MODELISATION DES ECOULEMENTS AU SEIN DE LA COLONNE DE SOL ... 190
4.4.1 Présentation des caractéristiques du modèle ... 190
4.4.1.1 Géométrie du domaine ... 190 4.4.1.2 Détermination des propriétés hydrodynamiques ... 192 4.4.1.3 Conditions initiales et aux limites ... 193 4.4.1.4 Présentation des variables d’entrée et de sortie ... 193
4.4.2 Caractérisation de l’écoulement dans la colonne ... 193
4.4.2.1 Flux cumulés en sortie de colonne ... 193 4.4.2.2 Accumulation d’eau à la surface des sédiments ... 195 4.4.2.3 Estimation des conductivités hydrauliques à saturation ... 196
4.1 Rappels des conditions expérimentales
Nous avons mis en place dans des colonnes de sol, le sable originel du bassin de Cheviré, sur une hauteur de 20 cm. Les colonnes ont été sollicitées par des évènements pluvieux, avec un débit constant (20 mL min-1), d’une durée de 4h, deux fois par jour avec une période de ressuyage de 8h entre deux pluies. Ces pluies ont été appliquées du lundi au samedi avec une période sans pluie de 48h pendant le weekend (raisons pratiques).
À chaque épisode pluvieux, nous avons apporté, dans les colonnes, des sédiments. Les quantités apportées (400 mg L-1) correspondent aux concentrations en MES mesurées dans les eaux qui se déversent dans le bassin, par Durin (2006). Nous avons ainsi simulé trois années pluviométriques à l’échelle de la colonne. Une année correspond à un volume d’eau dans la colonne de 137,4 L.
Au total, onze colonnes de sol ont été mises en place au cours de cette expérimentation :
− Trois colonnes ont été équipées de tensiomètres et des balances ont été installées en sortie de colonne pour enregistrer les volumes d’eaux écoulés. Ces trois colonnes ont permis de simuler 36 mois de fonctionnement du bassin;
− Quatre autres colonnes ont été réalisées pour étudier l’évolution temporelle de l’espace poral du sable et des sédiments. Les colonnes ont été démontées après 6 mois, 12 mois, 24 mois et 36 mois de simulation ;
− Enfin, quatre autres colonnes ont été installées pour évaluer la migration du carbone et de l’azote dans le profil de sol ; avec les mêmes durées d’apport que les précédentes.
Les valeurs de succion mesurées par les tensiomètres ne seront pas présentées dans le cadre de cette étude. En effet, après un examen préalable des résultats, il s’est avéré que les données n’étaient pas exploitables.
4.2 Formation et évolution de la couche de sédiments
D’après les éléments de la synthèse bibliographique (paragraphe 1.3.5), l’arrivée progressive de MES sur un sol initialement très perméable (sable), engendre un remplissage progressif de la porosité du sol par les éléments les plus fins. Ce phénomène se traduit par un colmatage des pores, une baisse de la capacité d’infiltration des bassins (Ishizaki et al., 1996; Schuh, 1990). Dans cette partie, notre objectif est de caractériser l’évolution de la couche de sédiments au cours du temps, ainsi que l’évolution de la porosité du système.
4.2.1 Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments
Au cours de cette expérimentation, nous avons réalisé au total onze colonnes de sol (cf. Tableau 2.6). Pour chacune d’elle, nous avons mesuré régulièrement (tous les 2-3 jours) l’épaisseur de la couche de sédiments qui se formait à la surface du sable. Nous disposons au final de 117 mesures de hauteurs de sédiments réparties sur 36 mois simulés.
La Figure 4.1 présente l’ensemble des épaisseurs de sédiments mesurées sur toute la durée de la simulation. Nous avons distingué, par différents figurés, les mesures réalisées sur :
− Les colonnes (A, B, C, D et D2) qui ont simulé 36 mois de fonctionnement ;
− Les colonnes (E et E2) qui ont simulé 24 mois ;
− Les colonnes (F et F2) qui ont simulé 12 mois ;
− Les colonnes (G et G2) qui ont simulé 6 mois.
Des photographies des colonnes aux différents stades de la simulation sont exposées en Annexe I (Figures I1 à I5).
Figure 4.1 : Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments au cours du temps (n=117)
Les résultats montrent une accumulation régulière de sédiments à la surface du sable jusqu’à environ 24 mois simulés. Entre 24 et 36 mois simulés, nous pouvons constater que les épaisseurs de sédiments augmentent moins rapidement au cours du temps. Cette diminution du taux d’accumulation de sédiments peut s’expliquer par la présence d’une lame d’eau qui se développe à la surface des sédiments au cours de l’apport en eau et qui conduit à un tassement de la couche. Nous reviendrons plus en détail sur la formation de cette lame d’eau au paragraphe 4.3.2.
Le nombre important de mesures nous a permis d’obtenir une bonne relation linéaire entre 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 200 400 600 800 1000 1200 E p a is se u r d e s é d im e n ts ( c m ) Jours simulés
Colonnes de 6 mois Colonnes de 12 mois Colonnes de 24 mois Colonnes de 36 mois y = 0,0027x R² = 0,9671 36 mois 24 mois 12 mois 6 mois
l’épaisseur de sédiments et le nombre de jours simulées (R²=0,97, P<0,001). L’équation de cette régression linéaire indique que l’épaisseur de sédiments est égale à 0,0027 fois le nombre de jours. Ainsi, nous obtenons un taux d’accumulation de sédiments de l’ordre de 1 cm an-1.
Si on applique cette relation au bassin de Cheviré, âgé de 21 ans, on obtiendrait une épaisseur de sédiments de 20,7 cm. Cette valeur est supérieure à la moyenne des épaisseurs de sédiments (15,2 cm) que nous avons mesurées dans le bassin (Cf. Tableau 3.9). Cela est dû à une sous-estimation de l’épaisseur de sédiments à la surface du sable lors des mesures dans le bassin. En effet, la mesure de l’épaisseur de la couche de sédiments reste difficile à mesurer précisément avec une limite inférieure souvent subjective : présence d’un horizon de transition dans certaines zones (notamment en entrée de bassin), du fait de l’infiltration des eaux ; végétation dense qui crée un tapis de racines qui se mélangent avec la couche de sédiments, etc. De plus, dans le bassin, les sédiments subissent un tassement important en raison des forts volumes d’eau qui s’accumulent à la surface des sédiments après des épisodes pluvieux.