Recherche agronomique (1998), 2. 27 - "^6
INRAA
Etude hydrodynamique de la couche du sol superficielle
en conditions naturelles
A. Boulasse!* et F. Sellam**
*/i\RAA. 2. nie des frères Oiiaddek. Hassen Badi, B.P. 200 El-Harrach 16200. Algérie
**EN.-\S.A (ex. iNA). Dpt Génie Rural. El-Harrach 16200, Algérie.
Résumé - La dynamique de l'eau dans la zone non saturée du sol est un phénomène très com plexe dépendant des propriétés du système eau-sol-plante-coniinuum. Elle constitue l'élément de hase pour toute étude ou modélisation du système agricole ou hydrologique, car les proces sus d'infiltration, redistribution, drainage, évaporation et évapotranspiration sont des élé ments de hase pour toute application agricole (irrigation), ainsi que la contribution des préci pita; ions dans la recon.sfitution de la réserve hydrique du sol et sur les flux de surface.
Cette étude consiste à une caractérisai ion de l'état hydrique d'un sol nu .ArgHo-Umoneux sou mis à dts conditions naturelles à l'aide d'un suivi permanent de l'évolution de l'humidité du .sol par deux méthodes de me.sure: gravimétrique et neutronique.
Les résultats obtenus montrent que l'assèchement le plus important est obsen'é .sur la coitche 0-25 cm. On a constaté également que les faibles hauteurs de pluies n 'affectent que les couches supérieures (0-10 cm) et sont évaporées rapidement sans affecter l'évolution générale du pro
cessus d'assèchement du soi
Mots dés :Dyn(tmt'(/iie de reatt/profils hydruptes/ étalonnage/sol nu/ assèchement.
Abstrttct - The water dynamic in insaturated soil area is a very complicated phenomenon. it dépends on soil-water-continuum .sy.stem proprities and constitutes the hasis element for every siudv or either hydrologie and agriculcural .system modélisation, because every agricultiiral application (irrigation) is based on : infiltration, redistribution, drainage and évaporation processus, as well as the précipitation contribution in the soil hydric reserve reconstitution and
on the surface flow.
This sfuilv constitutes a caracterisation of mudy-clayey naked soil hydric .stat. submited to a permanant keep track of the soil moi.sture évolution by the use of two mea.surement méthodes:
gravimétrie and neutronic.
The results ofour study show that 0-25 cm laver is caracterised by the more important drying.
li e have noted also. that the weak rain amounts affect the upper laver (0-10 cm) only and are rapidiv evaporated wiihoui affect the général évolution ofsoil drying process.
Keys H'ords : wuter dymtmic/ hydric profiles/sUmilardizatUm/ tutked soil/ dryiiig.
21
INTRODUCTION
La plupart des processus de
circulation de l'eau dans le sol et dans la zone radiculaire se déroulent dans des conditions de sol non satu ré (Hillel, 1984;Koch et al., 1987).
Les processus de circulation
de l'eau dans le sol sont en général
très complexes et difficiles à décrirequantitativement à cause de la va
riabilité spatiale de l'état et de la teneur en eau du sol pendant récoulement (Nielsen et al., 1973:Warrick et al., 1981: Hillel, 1984:
Aidaoui, 1985).
Durant ces dernières années, la circulation de l'eau en milieu poreux non saturé est devenue l'un
des sujets les plus importants. Dans
ce contexte, les hydrologues et les hydrogéologues n'ont jamais caché leur soucis à trouver les modèles, les méthodes de mesure et de calcul pour arriver à mieux connaître lesdifférents termes du bilan hydrique qui présente les gains et les pertes d'eau du système sol-eau.
Afin d'étudier l'incidence des
précipitations et son influence sur l'évolution de la réserve hydrique du sol. les techniques d'apprécia
tion de la teneur en eau du sol sont
en pleine évolution; en effet, la
sonde à neutrons trouve sa justification dans la diversité des problè
mes d'estimation de l'humidité in
situ, quoique son inconvénient ma jeur reste dans ses limites d'utilisa tion pour les horizons superficiels
(sphère d'influence).Notre travail consiste à ca ractériser réta,t hydrique d'un sol nu soumis à des conditions naturelles à l'aide d'un suivi permanent des
profils hydriques. Nous procédons à
des contrôles gravimétriques dans la couche superficielle (0-20 cm) non
disponible à la sonde à neutrons, dans un but comparatif avec
l'intégration rectangulaire jusqu ici utilisée pour le calcul du stock
d'eau.
MATERIEL ET METHODES
Site expérimental :
Notre essai s'est déroulé à la statiori
' • de l'Institut National expérimentale ae
Agronomique d'El-harrach (INA) dans la partie basse de la Mitidja^
Ses coordonnées géographiques
sont:
- Altitude: 48 m
-Latitude: 36» 43'Nord
■^°"ï'ë2ai's'est'déroulé sur un
sol nu maintenu sans végétation
grâce au désherbage perntanent. La
Lerficie de la parcelle d essai est de 100 Elle est équipée de cinq
fublsd accès pour l'humidimètre.
servant à la détermination des pro
fils hydriques.
A proximité de la parcelle d'essai, nous avons installé un dis positif pour l'étalonnage de la
sonde. . . , .
Les caractéristiques physiques du sol sont résumées dans le
tableau 1.
28
Tableau I. caractéristiques physiques de la parcelle d'essai
Profondeur (cm) Argile (%) Limon (%) Sable (%) Densité ap parente
0-10 26.6 39.8 32.6 1.49
10-20 28.0 39.3 31.8 1.49
20-30 36.7 31.3 29.2 1.53
30-40 37.6 28.6 31.7 1.53
Le sol est de texture argile-
limoneuse selon la classification
Américaine (USDA) (Perrier et Salkini, 1991).
Conduite de l'expérimentation : Notre expérimentation s'est dérou lée dans des conditions agrométéo
rologiques naturelles. De ce fait, la
parcelle d'essai est soumise au seul apport naturel qui est la pluie. Lesmesures sont effectuées à des inter
valles de temps bien déterminés, à une fréquence de deux fois par se maine et en fonction des pluies en registrées.
Méthodes de mesure :
Pour la caractérisation de l'état hy drique du sol, nous avons utilisé deux méthodes, à savoir:
• La méthode gravimétrique: utili
sée pour caractériser la couche
superficielle de 0-20 cm. Leprincipe de la méthode consiste à prélever des échantillons de sol à l'aide d'une tarière agronomique.
L'humidité est calculée après
double pesée et passage à l'étuve
à 105°C pendant 24h.
• La méthode neutronique: nous
avons utilisé une sonde à neu
trons type SOLO 25 qui est
destinée à mesurer l'humidité du sol dans la couche 20-40 cm. Le procédé mis en œuvre utilise le ralentissement des neutrons ra
pides émis par une source radio active par les atomes d'Hydro gène présents dans l'eau du sol (Doudet et Vachaud, 1977; Ano
nyme, 1989).
Nous avons procédé à la dé termination du régime d'infiltration et de la perméabilité in situ en utili
sant la méthode du double anneau.
RESULTATS ET DISCUSSIONS Etalonnage de la sonde à neu
trons :
L'étalonnage de la sonde à neutrons
consiste à établir une relation entre le nombre de neutrons et la teneur en eau. Pour ce faire, il faut mesurer
simultanément l'humidité par gra
vimétrie et par dispersion neutronique dans le temps et dans l'espace.
29
La courbe d'étalonnage est une droite de régression de la forme
Hv = Hp.ba = a + b.(N/S} (!)
où :
Hv: humidité volumétrique (%) Hp: humidité pondérale (%) Da: densité apparente du soi N; comptage neutronique
S: impulsion neutronique
Standard
a et b: coefficierus à
déterminer; constante et pente de la
droite de régression.
Le rapport N/S est donné en %.
Les résultats de Létalonnage de la sonde SOLO 25 sont récapitulés
dans le tableau II.
Tableau II. Résultats de l'étalonnage de la sonde SOLO 25
Horizon (cm) Constante « a » Pente « b » R au carré
20 8.53 0.58 0.87***
25 1.23 0.74 0.90=^=^*
30 -4.62 0.86 0,90***
35 -16,72 1.19 0 91 * * *
40 -14.17 1.09 0 90***
Evolution des profils hydriques :
Le profil hydrique est défini comme étant la fonction de répartition de la teneur en eau suivant une verticale
en fonction de la profondeur (Aidaoui. 1985).
fallure des profils hydriques
permet de distinguer deux horizons se comportant différemment du point de vue transfert hydrique:• un premier horizon superficie!
allant de la surface du sol jusqu'à environ 20-25 cm. où il apparaît
une forte variation des teneurs en
eau. C'est la couche la plus
affectée par les processus de
dessèchement et de réhumec-
tation.
• Un deuxième horizon allant de
20-25 cm à 40 cm. pour lequeL
nous constatons plus ou moins, une stabilisation des profils hydriques qui s'enchevêtrent et deviennent difficileiTient inicrpiciables. Ceci est dû a la
présence d'une croûte de
battance à l'horizon 25-30 cm
qui se comporte comme un écran
freinant les transferts hydriques entre les couches supérieures et inférieures. Cette conclusion
rejoint celle de (Moulid, 1977:
Kebieche. 1989) sur révolution
des profils hydriques dans la
zone de 20-30 cm.
Pour la période allant du 04
au 10/03/1'590. nous observons un dessèchement net dans le temps
malgré une pluie de 10.3 mm. Puis les profils hydriques se stabilisent cl
l'humidité décroît lentement dans le
temps en profondeur (lig 1 ).
oO
0) 3 O*
1
0
>
•0)
"Ë
3 1
30
28
26
24
22
20
18
16
14
10 15 20 25 30
Profondeur (cni)
►—04/03/1990 -Î2— 06/03/1990 10/03/1990
35 40
Fig 1. Evolution des profils hydriques (pluie cumulée = 10,3 mm)
Pour la période allant du
31/03 au 15/04/1990, nous notons
une variation très importante des profils hydriques, avec une aug mentation très nette de la teneur en eau dans le temps au niveau de rhorizon 20-40 cm, résultant d'un
apport d'eau assez important. Une pluie cumulée de 46.6 mm enregis trée le 10/04 a influencé considéra blement l'humidité du sol (fig 2).
15 20 25 30
Profondeur (cm)
35 40
♦ 31/03/1990 -{2— 03/04/1990 07/04/1990 15/04/1990
Fig 2. Evolution des profils hydriques (pluie cumulée = 46,6 mm)
l'analyse de l'évolution des pj\>rils hydriques dans le temps permet de conclure que:
• L.a couche supérieure 0-25 cm est la plus marquée par le dessè
chement accentué et les réhumecta-
tions résultants des apports d'eau
importants de pluies. Mais, les fai bles hauteurs de pluies ne semblent pas être capables de combler le dé ficit hydrique. Ceci est dû essen
tiellement:
- au pouvoir évaporatif ou
évaporant du sol par exposition di
recte au flux radiatif:
- à la percolation pour ali
menter les couches inférieures du sol (Vachaud et al.. 1981).
• Le dessèchement et les réhu- mectations sont moins importants
dans la couche 25-40 cm.
Daghari et al. (1989) ont con
seillé de maintenir le sol nu ou avec
une faible végétation pour qu'il n y
ait pas une influence sur le bilan
hydrique afin de garder le maxi
mum d'eau comme réserve dans le
sol et d'éviter les phénomènes de capillarité, source de salinisation surtout lorsque l'eau est chargée en
sels.
Evolution du stock d'eau :
Les profils hydriques permettent de
calculer la variation de 1 humidité
volumique du sol entre deux dates
dans le même endroit à une proton
deur déterminée et sans destruction
du sol. Ainsi, pour toute la période
d'essai, nous constatons que les fluctuations les plus importantes
sont observées pour la couche 0-10
cm où nous notons des variations
assez importantes des stocks d eau par rapport aux horizons inféiieurs pour lesquels, le stock d eau semble
se stabiliser (fig 3).
E E
3 ra a>
j*:
u o U)
0 10-fév
5 35
24-fév 10-mar
10 40
28-mar 15-avr
Dates
15 20
12-mai 26-mai
25 30
Fig 3. Hvolution du stock d'eau durant la période d'essai,
Une tentative de comparaison a été faite pour vérifier l'hypothèse
de la constante de l'humidité dans la couche 0-20 cm. en utilisant
l'intégration rectangulaire. Pour
cela, nous avons eu recours aux
contrôles gravimétriques afin de
caractériser la couche considérée du
point de vue réserve hydrique.
La procédure de comparaison
e.st faite comme suit:
- nous avons pris la somme
de tous les résultats de stock d'eau
obtenus aux différents horizons par
gravimétrie, représentant ainsi le stock d'eau dans la couche 0-20 cm;
- ensuite, nous avons fait correspondre chaque valeur calculée à la valeur du .stock d'eau calculée
par l'intégration rectangulaire pour
chaque mesure.L'analyse des résultats obte nus montre une surestimation de la
réserve hydrique calculée par l'intégration rectangulaire (fig 4).
70
E E
Zi (0
<u T3
O
'4->
w
10- 17- 24- 04- IQî 17- 28- 03- 15- 05- 12- 19- 26- 02- fév fév fév mar mar mar mar avr avr mai mal mai mai jun
Dates
Gravimétrie Neutre me
Fig 4. Comparaison des stocks d'eau par gravimétrie et neutronie.
Néanmoins, le graphique cor respondant à la méthode gravimé- triquc montre de fortes variations,
traduisant le caractère destructif de
cette méthode qui présente alors une forte dispersion.
Evolution des variations du stock d*eau :
La variation du stock d'eau varie entre un maximum de perte de 12.47 mm et un apport de 13.86 mm (fig 5).
15
10
o 0
~ -10
-15
10- 17- 24- 04- 10- 17- 28- 03- 15- 05- 12- 19- 26- 02- fév fév fév mar mar mar mar avr avr mai mal mai mai jun
5 35
15
Dates
20 25 30
Fig 5. Evolution de la variation du stock d'eau durant la période d essai.
Infiltration et perméabilité :
L'infilti-ation est l'entrée (ou la pé
nétration) de l'eau dans le profil pédologique. Ce processus règle
essentiellement la quantité d'eau
pénétrant dans le sol, en tant qu'avancement ou récession de
l'écoulement (Anonyme, 1995).
Nous avons procédé à la dé termination de la vitesse d'infil
tration par la méthode du double
anneau « in situ ». Les résultats obtenus sont illustrés graphique
ment par la figure 6. Le régime
d'infiltration décroît dans le tempsjusqu'à sa stabilisation après satu
ration du sol. C'est le taux d'infiltration de base qui.représente
le régime d'infiltration relatif sta- tionnaire asymptotique à une droite
parallèle à l'axe du temps, il est de
l'ordre de 0.127 mm/min (fig 6).
Parmi le grand nombre de re lations mathématiques et de modè
les proposés pour décrire le proces
sus de l'infiltration, nous avons
utilisé la formule modifiée de Kos- tiakov-Lewis (Anonyme, 1995) qui
est de la forme:
z = at'' + Ibt (2)
z: infiltration cumulée (mm)
1^: régime d'infiltration de
base (mm/min)
t: temps d'arrivée (min) a et b: coefficients déterminés
empiriquement.
Les coefficients a et b sont déterminés après une transformation logarithmique. Les données ont un alignement acceptable et une droite
34
a été ajustée sur ces points, fonction dç l'infiltration s'écrit :
La
Z=0.7488t°"-*- + 0.127t (mm/min)....(3) La conductivité hydraulique saturée (Ksat) est estimée à partir de
cet essai, elle équivaut à 0.754 cm/h (Ksat = Ib). Cette perméabilité est
modérëe. caractérisant les
écoulements dans des sols limoneuxà tendance argileuse (Anonyme,
1995).
250
200
150
100
0 60 120 160 240 300 360 420 480 540
Tcmps (inimites)
Fig 6. Régime d'infiltration et infiltration cumulée.
CONCLUSION
La caractérisation de l'état
hydrique du sol est conditionnée par
les relations qui existent entre le climat, l'eau et le sol qui sont de
nature complexe, et font intervenirde nombreux facteurs.
La détermination des profils hydriques par les deux méthodes
utilisées, à savoir, la méthode
gravimétrique et la diffusion neutronique montre d'une manière générale l'aspect suivant:
l'assèchement le plus
important est observé sur la couche
0-25 cm;
- une préstabilisation avec une légère diminution de l'humidité sur la couche 25-40 cm.
Après l'examen de l'évolution du stock d'eau dans le sol, il ressort
que la couche 0-10 cm est la plus marquée par les pertes en eau à la
suite de la demande atmosphérique.
Nous avons constaté que les faibles hauteurs de pluies n'affe ctent que les couches supérieures (0-10 cm) et sont évaporées
rapidement sans affecter l'évolution générale du processus d'assèche
ment du sol.
Des contrôles gravimétriques
dans la couche 0-20 cm nondisponible à la sonde à neutrons
sont indispensables pour réduire les
erreurs d'appréciation des stocks d'eau dans cette couche.REFERENCES
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