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Suivi du fonctionnement hydrique de la partie
supérieure de la zone non saturée d’un sol agricole sur
une année, grâce à l’étude de la résistivité électrique
Cassandra Euzen
To cite this version:
Cassandra Euzen. Suivi du fonctionnement hydrique de la partie supérieure de la zone non saturée d’un sol agricole sur une année, grâce à l’étude de la résistivité électrique. Sciences agricoles. 2018. �hal-02791142�
UNIVERSITÉ D’ORLÉANS
Observatoire des Sciences de l’Univers en Région Centre
Master Sciences de la Terre, planètes, environnement
parcours Hydro-env / géochimie et géomatiue de l’environnement Première année – 2017/2018
Compte Rendu du Stage de Recherches efectué du 16 avril au 25 mai 2018 au sein de
l’Unité de Recherches en sciences du Sol à l’INRA d’Orléans
~
Soutenance le 31/05/2018
1
Suivi du fonctonnement hydrique de la parte supérieure de la
zone non saturée d’un sol agricole sur une année, grâce à l’étude
de la résistvité électrique
Par Cassandra EUZEN
Résumé
Les problématiues de geston de l’eau sont importantes en agriculture. Dans les sols, l’eau disponible pour la croissance végétale peut provenir de la surface (eau gravitaire) ou d’horizons profonds (eau capillaire). Une connaissance précise des dynamiiues hydriiues dans le sol et les horizons sous-jacents permetrait de perfectonner les techniiues agricoles. Pour cela, en 2017, l’URSOL a installé un dispositf de mesure en temps réel de la résistvité, depuis la surface jusiue 3,0m de profondeur sur une parcelle agricole de Beauce (à Villamblain -45).
Les objectfs de cete étude ont été d’analyser les données de résistvité collectées entre avril 2017 et mai 2018. Cela s'artcule autour d'une première parte de vérifcaton de la fabilité des capteurs. La seconde parte consiste à étudier les informatons complémentaires (température, précipitatons, nature du sol, pratiues culturales, mesures de teneur en eau…), afn d’identfer les éléments et paramètres impactant la résistvité électriiue.
Ainsi, après vérifcaton de la fabilité des données, j'ai mis en évidence les phénomènes d'infltraton d'eau gravitaire, notamment l'irrigaton des cultures durant la période estvale 2017 visibles jusiue des horizons profonds (plus de 100 cm). La résistvité a également permis d'observer des phénomènes de capillarité dans les horizons superfciels (en avril mai 2018, en raison de la forte croissance du blé), cependant des phénomènes observés restent difciles à expliiuer ou corréler les uns avec les autres. Probablement en lien avec l’irrigaton, les épisodes de pluies sont difciles à observer sur les profls de résistvité.
Abstract
Water geston is an important task for everyone, but a more signifcant problematc in agriculture. Water available for the crops growth generally comes from the surface (précipitatons) but also from under layers of soil (capilarity from substract). A precise knowledge for this water movements could improve the efciency of agricultural techniiues with a beter water management. In this spirit, URSOL (Unité de Recherche Sol), since 2017, is eiuipped with a new device located in Villamblain, that collects the resistvity informaton. This device is associated with others that take temperature or water content in diférent soil depths, and the weather measurements.
This study aims to analyse data, collected from april 2017 to may 2018 and assess their iuality. In this context, some phenomenon were successfully observed, such as water infltraton afer crops irrigaton, with the help of comparisons between resistvity and diferent informaton available on site. Capillarity is observable in superfcial layers with the crop growth. Nevertheless, some dynamics of soil were more complicated to show or has not been fully explained. In the end, we were unable to see some rainy events on the resistvity profles. It could be the conseiuence of feld irrigaton on site.
mots clés : Résistivité, Géophysique, Sol, Zone Non Saturée (ZNS), Alimentation hydrique, Teneur
Remerciements
Ce stage fut pour moi une première opportunité pour travailler et découvrir le cadre de la recherche scientifiue. Cette expérience fut très enrichissante grâce à toutes les personnes iui y ont participé de près ou de loin et iue je tiens donc à remercier grandement.
Je remercie Isabelle Cousin directrice de recherches à l'unité de Sciences du Sol de m'avoir accueillie. Guillaume Giot Maud Seger et Isabelle Cousin merci pour votre confance et pour m’avoir ofert l’opportunité de réaliser ce stage au sein de l'unité. Merci également à Hugues Raimbourg de m'avoir orientée vers l'INRA et permis d'y efectuer mon TER.
Je tiens à remercier Guillaume iui a été mon encadrant. Malgré ton emploi du temps sur-chargé et tes nombreux déplacements de terrains tu as su m'accorder de très longues heures. Je te suis reconnaissante d'avoir été si disponible ; de m'avoir présentée à l'ensemble du personnel du bâtiment et d'avoir répondu à toutes mes iuestions. Heureusement iu'après la première sortie terrain mémorable à réparer les dégâts (cartes électroniiues grillées et câble rongés par les lapins) les autres terrains ont étés plus simples.. J'espère iue les lapins ne te poseront plus de problèmes par la suite ! Merci pour ta confance et pour la liberté iue tu m'as laissé iuand à mes recherches sur le sujet.
A propos du dispositif je tiens également à remercier le personnel de l'entreprise imaGeau pour votre réactivité suite à l'incident des cartes grillées vous avez été plus rapides iue les délais postaux pour nous envoyer de nouvelles cartes !
Mon stage n'aurait pas été le même sans Lionel Cottenot iui m’a laissé une petite place dans son bureau. Tes conseils sur l'organisation de mon temps ont été précieux. Les discussions avec Eugénie sont mémorables même si je n'ai pas compris la règle des multiples de 11 avec les centaines... Et le simulateur de pluie c'est iueliue chose !
Merci Hocine Bourennane pour ton aide dans l'analyse des données (ACP). Olivier Josiere merci d'avoir été là dès le premier jour pour le soutien informatiiue. Céline Ratié je te remercie pour m'avoir présenté la cartothèiue c’était vraiment très intéressant. Merci Adeline Ayzac pour la présentation de l'UR-Sol et des diférents labos. Merci également Ghislain Girot pour les précieuses informations sur la pédologie et la géologie de la région. Christian Lelay et Dominiiue Arrouays merci pour votre aide et votre bienveillance...et puis bon les blagues aussi ! Rendez-vous cet été à Trouzilit Christian !
Merci également Fanny pour ta patience et pour m'avoir ré-expliiué les formalités administratives lorsiue je les oubliais..
Ce stage aurait été bien diférent sans la team CDD ; Alexis Anthony Bifeng Fodé Grégory Guillaume Léa Lætitia Marie Maud Romain Thomas Songchao ... ; merci à tous pour l'accueil chaleureux et la bonne ambiance ; pour les pauses café de midi autour du baby-foot (certes je ne me suis jamais améliorée...) et les soirées billard et bar.
Merci à l'ensemble l’éiuipe d'URSOL et d'INFOSOL pour avoir pris le temps de m’expliiuer vos travaux pour avoir été présent et pour votre précieuse aide. Finalement merci à tous temporaires ou permanents vous iui faites l’ambiance et la vie iuotidienne à l’INRA. Mon expérience aura été grâce à vous tous des plus agréables.
Présentaton de l’Insttut Natonal de Recherches Agronomiques (INRA)
Actuellement, l’INRA est le premier insttut de recherche Agronomiiue d’Europe et le deuxième mondial. Il s’agit d’un établissement publiiue à caractère scientfiue et technologiiue, conjointement sous la tutelle du ministère de l’Agriculture et du ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche. L’INRA voit le jour en 1946, au lendemain de la Seconde Guerre Mondiale. L’ambiton est de metre la science au service de l’agriculture. Dans un premier temps, l’objectf est d’éviter la famine en proposant des solutons pour une agriculture productve et compéttrice (remembrement, inspiraton du modèle agricole américain). Puis, rapidement vont s’ajouter les notons de solutons durables, en intégrant la préservaton et la valorisaton de l’environnement, mais également de santé, pour proposer une alimentaton saine et de iualité. Ce sont tous ces éléments (agriculture, environnement, alimentaton) iui forment aujourd’hui les pôles thématiues, iui structurent les recherches iui y sont efectuées. Pour cela, l’INRA s’appuie sur un réseau de plus de plus de 8000 chercheurs, ingénieurs et techniciens, réparts sur dix-sept centres régionaux, dans plus de 150 sites.
INRA Centre Val de Loire
Situé dans la région agricole la plus productrice de France, l’INRA du Centre Val de Loire est réparte sur les sites d’Orléans, Tours et Bourges. Les trois axes de recherches sont les suivants :
→ Biologie intégratve des arbres et organismes associés, geston durable des écosystèmes foresters → Biologie intégratve animale, santés animale et publiiue, geston durable des productons animales → Dynamiiue des sols et geston de l’environnement
INRA d’Orléans
L’INRA d’Orléans, sur la commune d’Ardon, regroupe les unités de recherche des pôles « Dynamiiues des sols et geston de l’environnement » ainsi iue « Biologie intégratve des arbres et organismes associés ». Le pôle de recherche « Biologie intégratve des arbres et organismes associés » regroupe cini unités de recherches diférentes : recherches biologiiues pour la valorisaton de la diversité des arbres et de la forêt, zoologie forestère, génétiue et biomasse forestère, réponses des arbres aux contraintes hydriiues et environnementales, conservatoire génétiue des arbres foresters. Enfn, le pôle « Dynamiiues des sols et geston de l’environnement » regroupe deux unités, iui sont présentées plus en détail ci-dessous :
Infosol
Cete unité à pour rôle la créaton et la geston de système d’informaton natonal sur les sols (distributon spatale, propriétés…), ainsi iue l’archivage des données et leur exploitaton. Dans le but d’orienter les demandeurs d’informatons, INFOSOL recense toutes les études réalisées sur les sols en France. Le site présente également la cartothèiue natonale des sols iui permet une surveillance de l’évoluton de la iualité des sols (comparaison des sols actuels avec les échantllons de sols référencés et stockés dans la cartothèiue depuis les années 2000).
Unité de Recherches en Sciences du Sol
L’UR SOLS a pour mission principale de développer des travaux de recherche en Science du Sol sur les interactons entre les propriétés physiiues des sols et leurs fonctonnements hydriiues et biogéochimiiues. Les objectfs de l’unité sont une meilleure préservaton des sols (lute contre l’érosion), l’amélioraton de l’approvisionnement hydriiue des cultures, mais également la protecton de la iualité de l’air avec la lute contre les émissions de gaz à efet de serre (N2O) par les sols. Enfn, tout cela entre également dans le cadre du
Table des matières
Introducton...7
I. Queliues Notons...8
I.1. La résistvité...8
I.1.A. Défniton...8
I.1.B. Facteurs de Variatons...8
a) Paramètres intrinsèiues...8 Texture...8 Porosité...8 b) Paramètres extrinsèiues...9 Eau...9 Température...9 I.1.C. Mesure...10
I.2. L'eau dans le sol...10
I.2.A. Zone Saturée et Zone Non Saturée...10
I.2.B. L’eau sous diférentes formes dans le sol...10
a) Eau liée/adsorbée...10
b) Eau libre/gravitaire...11
c) Eau capillaire...11
I.2.C. Lien avec la résistvité...11
II. Matériels et méthodes...12
II.1. Contexte...12
II.1.A. Géologiiue...12
II.1.B. Pédologiiue...12
II.1.C. Agricole...13
II.2. Présentaton des dispositfs...13
II.2.A. Subsurface Monitoring Device (SMD)...13
II.2.B. Staton Météo...13
II.2.C. Staton de mesure des paramètres du sol : Centrale d’aciuisiton Campbell...14
a) Humidité relatve : Réflectomètres de teneur en eau...14
b) Calibraton des réflectomètres de teneur en eau : mesure directe de l’humidité relatve...14
II.3. Analyse de données...15
II.3.A. Excel...15
II.3.B. Analyse en composante principale...15
II.3.C. Mise en forme...15
a) Liée à la fréiuence d'aciuisiton...15
b) Limites...16
III. Résultats et Discussions...16
III.1. Qualité des données...16
III.1.A. Commentaire général...16
a) Résistvité et électrodes superfcielles...16
b) Fréiuence d’aciuisiton...17
c) Conclusion...17
III.1.B. Comparaison des diférents capteurs...18
a) Comparaison des deux dispositfs de mesure de la température à diférentes profondeur de sol...18
b) Comparaison humidité volumiiue des réflectomètres de teneur en eau et les mesures vraies...19
III.1.C. Analyse statstiue des données...19
a) 20cm...19
b) 40cm...20
c) 70cm...20
d) 100cm...20
a) Profls de résistvité...21
b) Rôle des argiles...21
III.2.B. Paramètres extrinsèiues...22
a) Température...22
b) Lien Température atmosphériiue et température du sol...22
c) Humidité du milieu...23
III.2.C. Études de cas...23
a) Épisode de grande durée (début mai - fn juin 2017) ...24
b) Impact de la croissance de cultures sur la résistvité (avril/mai 2018)...24
c) Épisodes de pluies les plus importants...26
Commentaire général...26
Cas partculier, épisode du 8 au 10 septembre 2017...26
d) Événements durant l’hiver...27
Décembre 2017...27
Épisode pluvieux en mars 2018...28
e) Saison sèche...28
Épisodes pluvieux d’août 2017...28
Étude des profls de résistvité sur la période du 1er juin au 30septembre 2017...29
III.3. Propositon de méthodologie d’analyse de la résistvité dans la zone non saturée...31
III.3.A. Étudier des épisodes brefs mais non instantanés...31
III.3.B. Sélectonner les données sufsamment profondes ...31
III.3.C. Choix de la saison et calendrier agricole...31
III.3.D. Rechercher les variatons de résistvité...31
Conclusion...31
Références Bibliographiiues...34
Annexes...35
A) Contexte...36
Annexe 1 : Présentaton du dispositf installé à Villamblain...36
Annexe 2 : Évoluton de la végétaton en avril-mai 2018...37
B) Comparaison mesure teneur en eau vraie et réflectomètres de teneur en eau...38
Annexe 3 : Boites mises à l’étuve pour la mesure de la teneur en eau...38
Annexe 4 : Densités mesurées du sol de Villamblain...39
Annexe 5 : Données et calculs d’humidité volumiiue vraie...40
Annexe 6 : Comparaison réflectomètres e teneur en eau et mesure réelle par le calcul de l’ofset...42
C) Qualité des données...43
Annexe 6bis : Chroniiues de résistvité depuis avril 2017 jusiue mai 2018...43
Annexe 7 : Queliues chifres en mai 2018 :...43
Annexe 8 : Queliues mauvaises données...44
D) Analyse statstiue...45
Annexe 9 : Récapitulatf sur les profondeurs des capteurs pour l'ACP...45
Annexe 10 : Résultats de l'Analyse en Composante Principale...46
E) Études de cas...47
Annexe 11 : Précipitatons iuotdiennes durant l’ensemble de l’étude (20 mars 2017 - 16 mai 2018).47 Annexe 12 : Épisode pluvieux du 10 au 21 mars 2018, détail des résistvités obtenues pour diférentes profondeurs, comparé avec les précipitatons et les variatons de température sur la période...48
Annexe 13 : Bilan des analyses issues du laboratoire d’analyses des sols d’Arras, réalisé par Ghislain Girot...50
Introduction
Selon l’Insttut Natonal d’Études Démographiiues (INED), la Terre est peuplée de plus de 7,5 milliards d’êtres humains en 2018. Les prédictons de l’Organisaton des Natons Unies (ONU) tablent sur presiue 10 milliards d’individus pour 2050… alors iu’en 1800, il n’y avait iu’un milliard d’Hommes sur Terre. Cete démographie exponentelle s’accompagne de grands enjeux, parmi lesiuels la producton alimentaire et l’agriculture. Les sols2 sont importants car il s'agit de la source de nutriments et d’eau pour les plantes. Ils sont également le
support physiiue privilégié pour le développement végétal. En plus de représenter un enjeu pour l’agriculture, les sols jouent également un rôle important dans la protecton de l’environnement. En efet, ils agissent souvent comme tampons et fltres, en retenant les polluants iui circulent dans le milieu naturel. Toutes ces raisons justfent iu’il soit nécessaire de comprendre le fonctonnement des sols, et de développer les connaissances sur ce sujet au travers de la recherche scientfiue. Il s’agit de l’objectf de l’Unité de
Recherche des Sols (URSOL) de l’Insttut Natonal de Recherche en Agronomie (INRA) d’Orléans. C’est dans ce
cadre, iue s’inscrit ce rapport, conclusion d’un stage, de recherches encadrées, de six semaines.
L’eau, présente en surface grâce aux précipitatons ou à un apport anthropiiue (irrigaton), peut s’infltrer dans le sol par gravité, jusiu’à ateindre la nappe située à plus d’une dizaine de mètres de profondeur. En descendant, l’eau passe dans le sol. Une parte de cete eau est interceptée par les racines des végétaux. Il s’agit de la majeur parte de l’eau iui est utlisée par les cultures. Cependant, des processus secondaires tels iue les forces de capillarité peuvent partciper à l’apport d’eau pour les cultures. La compréhension des flux entre la surface et la nappe est importante pour améliorer la geston de l’eau dans l’agriculture. La teneur en eau dans le sol est relatvement bien connue et étudiée. Le terme de sol caractérise ici la zone impactée par les racines, l’actvité agricole ainsi iue les organismes (fouisseurs et micro-organismes). Elle s’étend sur environ un mètre de profondeur sur le lieu d’étude. Pour ce iui est de la zone sous-jacente, appelée zone non saturée (ZNS)3, les informatons sont largement moins abondantes.
Afn de développer les connaissances sur les flux d’eau, dans le sol et dans la ZNS, l’URSOL s’est doté d’un nouvel outl géophysiiue (« Subsurface Monitoring Device » (SMD)), permetant le suivi en contnu de la résistvité et de la température depuis la surface jusiue 3m10 de profondeur. J’ai comme objectf d’analyser les données collectées par ce dispositf entre avril 2017 et mai 2018. Au regard d’autres données collectées sur le même site (pluviométrie, température, humidité du sol), je dois efectuer des corrélatons entre la résistvité et ces diférents paramètres afn de montrer les processus de circulaton d’eau à l’uuvre dans la zone d’étude. Le but étant de metre en avant les potentalités du SMD. En efet, il s’agit d’un outl expérimental, jamais utlisé pour caractériser la ZNS auparavant.
Pour cela, les notons de résistvité ainsi iue de circulaton de l'eau dans le sol seront introduites. Ensuite, le contexte d'étude et les diférents dispositfs d'aciuisiton des données seront présentés. Puis, je développerai les résultats, iui s'artculent autour de deux axes : d'abord la vérifcaton de la cohérence des données collectées puis l'analyse de la résistvité associée à diférents paramètres (température, humidité, pluviométrie, etc), au travers de iueliues études de cas.
2 Le sol au sens commun est le support physiiue sur leiuel nous marchons. Il revêt cependant des signifcatons diférentes en foncton de la personne iui emploi ce terme. En géotechniiue, il s’agit d’une roche meuble, en pédologie le sol représente la tranche supérieure de la lithosphère plus ou moins meuble, formé de minéraux et de matère organiiue. En agronomie, il s’agit de la parte supérieure du sol pédologiiue puisiue le sol correspond à la zone d’implantaton des racines. (Wyns et al, 2014).
3 Zone Non Saturée (ZNS) est un abus de langage dans le cas présent. La ZNS réelle comprends tout ce iui se situe au-dessus de la nappe (iui est la zone saturée), et inclus donc le sol or ici, le terme de ZNS exclu le sol.
I. Quelques Notions
I.1. La résistivité
I.1.A. Définiton
La résistvité d'un matériau représente la difculté du courant électriiue à passer à travers celui-ci, autrement dit, la capacité du milieu à s’opposer au passage d’un courant électriiue. Il s'agit d'une propriété intrinsèiue au milieu, iui s’exprime en Ohm.m. La résistvité est l'opposé de la conductvité σ, iui elle, s'exprime en Siemens/m (S.m-1). Physiiuement parlant, la résistvité ρ (Ohm.m) est défnie comme la
résistance ohmiiue R (Ohm) d’un cylindre de secton S (m2) et de longueur L (m). (Samouëlian et al, 2005)
Cela s’écrit sous la forme suivante :
I.1.B. Facteurs de Variatons
La résistvité peut être induite dans deux environnements bien diférents. Il y a la résistvité métalliiue induite par le mouvement des ions dans les métaux, iui difère de la résistvité électrolytiue. Celle-ci est induite par la présence de fluides (principalement de l'eau dans le milieu naturel) dans l'environnement. C'est cete seconde catégorie iui défnie la résistvité dans les sols (faible abondance de métaux, présence d'eau). Elle est une conséiuence de diférents paramètres intrinsèiues (internes au matériel) et extrinsèiues (externes au matériel) (Michot, 2003).
a) Paramètres intrinsèques
Les paramètres intrinsèiues et invariants au court du temps concernent les propriétés du sol iui interviennent dans la résistvité. On peut citer la nature des composants du sol, la texture (argiles, limons sables), la carbonataton... Mais également l'arrangement dans l'espace de ces composants, à travers la structure (grain, agrégat, mote) et la porosité.
Texture
La texture d’un sol caractérise la compositon de celui-ci, notamment en argiles, limons et sables. Les argiles et limons stockent l’eau donc conduisent bien les courants (ils contribuent donc à diminuer la résistvité), à l’inverse d’un sol sableux, iui stocke très peu d’eau (les pores dans les sables sont très grands, donc la rétenton d’eau est mauvaise) et entraîne donc une résistvité plus forte.
Porosité
Pour tout autre paramètre fxé, si la masse volumiiue du sol augmente, la porosité est de plus en plus connectée, ce iui entraîne une augmentaton de la conductvité, autrement dit, une diminuton de la résistvité. En efet, pour permetre le passage de fluides, les pores doivent être connectés. Il s’agit de la porosité efcace/efectve, iui est inférieure ou égale à la porosité totale (l’écart dépend des pores isolés ou non connectés iui n’interviennent pas dans la porosité efectve). Cete noton est liée à la perméabilité (k) puisiue elle se défnit comme la capacité d’un corps à être traversé par un fluide.
De même, les phases présentes dans la porosité du sol conditonnent la résistvité : alors iue l’eau est très conductrice, la présence d’air, à l’inverse, joue en faveur d’une augmentaton de la résistvité.
b) Paramètres extrinsèques
Les paramètres extrinsèiues varient à diférentes échelles de temps (heures, jour, saison, années..) durant la période d’étude. Les deux principaux paramètres sont l’humidité ainsi iue la température du sol.
Eau
La résistvité est fréiuemment utlisée pour déterminer la teneur en eau d’un sol ou de la ZNS. En efet, le passage d’un courant dans le sol dépend de la nature de l’électrolyte (l'eau dans le milieu naturel), d’où le rôle très important de la teneur en eau du sol. Pur tout autre paramètre fxé, si la teneur en eau augmente, la résistvité diminue (plus un sol est sec, plus il est résistant). Cependant, au-delà un certain seuil (autour de 60/70 % selon Aboubacar, 2004), les augmentatons de teneur en eau n’influent plus sur la résistvité.
La iuantté de minéraux dissous dans l’eau intersttelle intervient également. C’est notamment le cas des ions présents dans le milieu iui causent des variatons importantes de résistvité. En efet, c’est le déplacement des ions iui crée un courant électriiue. Cela dépend du type d’ion et de leurs concentratons. Leur présence diminue la résistvité d’un milieu.
Température
Il s'agit d'un paramètre ayant un rôle clé dans les variatons de la résistvité. Pour tout autre paramètre fxé, si la température augmente, la résistvité diminue signifcatvement. En efet, une augmentaton de température dans le milieu entraîne une diminuton de la viscosité, ce iui augmente la disponibilité des ions en soluton et donc une diminuton de la résistvité. Les variatons de températures dans le sol se font selon deux échelles de temps. Il y a les variatons rapides (journalières) des températures atmosphériiues iui n’afecte iue la tranche superfcielle du sol. A l’inverse, les variatons à grande échelle de temps (saisonnières) de température s’expriment plus profondément dans le sol.
C’est également la température iui influence la phase sous laiuelle l’eau est disponible dans le sol. En efet, la présence de glace entraîne une diminuton très brutale de la conductvité (c’est à dire une augmentaton de la résistvité) lorsiue le point de congélaton est ateint. A l’inverse, l’abondance d’eau fait diminuer la résistvité. Donc une pluie intense, suivie d’un épisode de gel peut entraîner de très fortes variatons dans les résistvités (avec une diminuton progressive de la résistvité lors 'une pluie puis augmentaton brutale de celle-ci lors du gel). De même, des températures élevées peuvent entraîner un changement de phase du liiuide vers le gaz, iui peut alors éventuellement retourner vers l'atmosphère, entraînant une diminuton de l'eau dans le sol donc une augmentaton de la résistvité.
Il existe des formules de correcton permetant de ramener la résistvité à une température standard pour s'extraire des variatons de température (Besson et al, 2008).
Finalement, la résistvité est causée par des variatons de température et la conductvité des partcules solides (siuelete du sol, nature des minéraux et ions présents, Capacité d’échange Catoniiue (CEC)). Ces variatons peuvent également être dues aux paramètres géométriiues (structure, aératon, texture du sol ) et à la nature et à l'abondance de la soluton du sol (concentraton et nature des ions, notamment des sels iui font augmenter la conductvité). (Bottraud, 9883)
I.1.C. Mesure
Les mesures de résistvité peuvent s'efectuer selon deux dynamiiues bien diférentes. L'étude du sol (paramètres intrinsèiues) grâce à la résistvité doit se faire sur une courte durée, afn de limiter la variabilité temporelle de résistvité due aux paramètres extrinsèiues. A l'inverse, l'étude des paramètres extrinsèiues
(dynamiiue hydriiue du sol, objet de ce rapport) doit se faire dans le temps afn de metre en évidence les variatons de résistvité.
Peu importe les caractéristiues iue l'on souhaite metre en évidence, la mesure de la résistvité fonctonne selon le même principe. Pour mesurer la résistvité en un point, il faut iuatre électrodes. Deux premières injectent un courant électriiue d’intensité I connue dans le milieu. Les deux autres électrodes se chargent de recueillir le courant après son passage dans le milieu. Elles mesurent une diférence de potentel. Ces données sont utles pour défnir la résistance ohmiiue R du milieu, iui permet de calculer la résistvité.
I.2. L'eau dans le sol
I.2.A. Zone Saturée et Zone Non Saturée
Dans la ZNS, de multples phénomènes modifent la répartton et la circulaton de l’eau. Cela se traduit par des variatons de résistvité, d'où la nécessité d'avoir iueliues notons sur l'eau dans le sol.
Le comportement de l'eau varie dans le sol en foncton de sa localisaton dans la zone saturée (nappe) ou dans la zone non saturée. La principale diférence entre ces deux environnements est la conductvité hydrauliiue. Dans un sol saturé (ZS), tous les pores sont remplis d’eau et la conductvité est maximale. Dans cete zone, les environnements les plus conducteurs sont ceux iui ont des pores « contnus » à l'inverse des milieux iui présentent une micro-porosité et sont moins conducteurs. En fait un sol sableux conduit plus l'eau iu'un sol argileux dans la ZS. C’est l’inverse dans la ZNS puisiue les micro-pores conservent l’eau plus longtemps ; favorisant la conductvité dans les sols argileux.
La conductvité dépend du nombre, de la taille et de la forme des pores conducteurs. Sa valeur est maximale iuand le sol est saturé puis la conductvité décroît rapidement iuand iue le sol perd son humidité ce iui favorise une augmentaton de la capillarité.
La parte non saturée du sol se compose d'une phase solide. La porosité est occupée en parte par du gaz (atmosphériiue), en parte par les fluides iui y circulent (l'eau en milieu naturel). La présence d’air dans certains pores fait proportonnellement augmenter la résistvité. C'est cete zone iui est le lieu de collecte de données de résistvité.
I.2.B. L’eau sous diférentes formes dans le sol
L'eau liiuide peut se comporter de diféremment dans le sol, en foncton de son abondance et de la géométrie des grains, de la profondeur, etc. Trois types d'eau sont distngués : l'eau gravitaire, l'eau liée et l'eau capillaire (fig.9).
a) Eau liée/adsorbée
Une parte de l'eau, appelée eau liée est adsorbée à la surface des grains en permanence. Cete eau, toujours présente dans le sol ne varie pas au court du temps. En efet, elle est retenue sur les grains par des pressions gigantesiues (milliers d'hectoPascals) Elle n'intervient pas dans l'alimentaton en eau des plantes, ni dans les circulatons de fluides dans le sol. Elle n'entre donc pas en jeu dans les variatons de résistvité au cours du temps.
b) Eau libre/gravitaire
A l'inverse, l'eau libre circule dans les pores en réponse au potentel énergétiue de l'eau (énergie de l'eau liée à sa positon vertcale). Le potentel énergétiue correspond à la pression subie par l'eau ou encore à la vitesse instantanée de l'eau dans le sol. L'eau libre est assimilée à l'eau gravitaire (iui circule librement sous l'efet de la pesanteur pour des pores supérieurs à 10µm), autrement dit, l'eau libre s'enfonce dans le sol afn d'ateindre la nappe (état d'éiuilibre eau-atmosphère).
c) Eau capillaire
Enfn un troisième comportement de l'eau s'observe dans les sols : des mouvements capillaires. A l'inverse de l'eau gravitaire iui est descendante, l'eau capillaire est ascendante (fig.2). Il s'agit de propriétés de l'eau liées à la porosité du sol. En efet, les pores les plus grands (les plus conducteurs en ZS) perdent leur eau en premier dans la ZNS. Inversement, les pores les plus petts (argiles granulométriiues) retennent leur eau plus longtemps. En fait, une augmentaton de la taille du pore entraîne une diminuton de la rétenton/capillarité. La capillarité est bien connue et décrite, notamment avec la loi de Jurin :
I.2.C. Lien avec la résistvité
Pour ce iui est de l'étude des variatons de résistvité, il s'agit d'un outl important pour déterminer les dynamiiues hydriiues dans la zone étudiée. En efet, si on suppose iue les variatons de résistvité sont uniiuement dues aux variatons de teneur en eau, alors une diminuton de la résistvité au court du temps
Illustraton 9: Schéma des diférents types d'eau présents dans le sol au voisinage d’un grain (Polubrina-Kochina dans Castany, 9882)
Illustraton 2: principe de capillarité, loi de Jurin (Girard et al,
est liée à un apport d'eau par les niveaux environnants (plus profonds ou superfciels). Inversement, une augmentaton de la résistvité sur une profondeur au fl du temps est liée à une diminuton de la teneur en eau, c'est à dire un départ d'eau depuis le niveau étudié, vers les niveaux environnants. Si le mouvement est orienté vers le bas, il s'agira d'eau gravitaire. A l'inverse si le mouvement est orienté vers le haut, il s'agit d'eau capillaire, iui remonte vers la surface (Hillel, 9888).
II. Matériels et méthodes
II.1. Contexte
Le lieu d’étude, lieu-dit les Hôtels, à Villamblain
(45310)
, dans le Loiret, est situé dans la région agricole de la Beauce, au Sud du Bassin Parisien, à 35km d’Orléans (fig. 3). Cete région de plaines, avec de très faibles variatons de reliefs est souvent appelée le « grenier de la France », car il s’agit de la principale plaine céréalière du pays.Le secteur de Villamblain est étudié depuis plusieurs années par les scientfiues de l’INRA, mais également d’autres organismes (notamment dans l’étude des
transferts de pestcides). Le dispositf d’étude est installé sur une parcelle agricole, site iui va également recevoir le projet régional O-ZNS.
II.1.A. Géologique
L’histoire géologiiue de la zone est la suivante. Après les dépôts iui recouvrent l’ensemble du bassin parisien, un retrait de la mer au Crétacé entraîne de l’érosion (dont la dissoluton de la craie). A l’Éocène et au Burdigalien les fleuves du Massif Central déposent des sédiments. Des lacs se forment et disparaissent entre l’Éocène moyen (43 millions d’années) et le Miocène (25 millions d’années) à cause des variatons climatiues. La formaton du calcaire de Beauce est due à la succession de plusieurs de ces événements. Ce sont ces calcaires iui servent de réservoir et contennent la nappe de Beauce, située en moyenne à une vingtaine de mètres de profondeur (Bourennane et al, 9887 ; Michot et al, 9888). Enfn lors de la pénéplénaton (lissage des reliefs) tardive au Pliocène, des limons des vallées se déposent, donnant à la région des sols extrêmement fertles. Les formatons superfcielles y sont donc composées majoritairement de limons recouvrant (ou non) des calcaires de Beauce. Ces deux formatons consttuent le substrat de Villamblain.
II.1.B. Pédologique
Cete parcelle est longuement décrite, préalablement à l’installaton du dispositf imaGeau. Elle ne présente pas d’érosion ni de batance. Le sol de la zone est hétérogène, avec la présence d’horizons plus ou moins caillouteux. Il possède une organisaton bilithiiue avec des sédiments meubles ainsi iue des sédiments carbonatés. En fait, il s’agit de Calcosols limono-argileux moyennement profond ; la profondeur maximale d’enracinement observée est de 85cm). La limite inférieure est défnie à 85 cm par la présence de calcaires cryoturbés (rendus meubles par l’alternance de gels et de dégels). Il s'agit d'un horizon d'altératon sous leiuel se trouvent les calcaires sains de Beauce.
Illustraton 3: Cartes IGN localisant Villamblain et la staton météo de Bricy, issues de Géoportail
Lors de l'installaton du dispositf de mesure de résistvité, des échantllons (par tranche de 50 cm entre 0 et 350 cm) ont été analysés au laboratoire INRA d'Arras, afn de connaître la partton des composants du sol.
II.1.C. Agricole
La parcelle présente un drainage favorable, puisiu'il n’est apparemment jamais submergé. Il n’y a donc aucun drainage artfciel. Cependant, le sol y est sec de manière saisonnière. Pour cete raison, la parcelle, plantée en maïs en 2017, a été irriguée durant la saison sèche par un canon à eau. Le maïs (semé en avril/mai) a été récolté fn septembre. Il a donc été considéré iue le maïs pompe l'eau entre mai et octobre. Les chaumes de maïs (débris végétaux) sont laissés dans le champ (afn de préserver l’humidité du sol). Pour la saison 2018, le champ est planté en blé puis il sera planté en colza.
Pour ce iui est de la croissance des cultures, lors de la première visite, le 18/04/2018, le blé faisait une dizaine de cm de hauteur. Plus tard, le 27/04/2018, il en faisait plus d’une trentaine. A ce moment, la dernière feuille et l’épi n'étaient pas encore sorts. Enfn, lors de la dernière visite, le 16/05/2018, le blé avait ateint environ 80 cm. Les plants étaient également beaucoup plus toufus (voir Annexe 2, photos de l’état du blé lors des trois diférentes visites).
II.2. Présentation des dispositifs
Trois statons sont installées sur le site de Villamblain afn de collecter diférents types de données sur le sol et l’environnement. Se référer aux Annexes 9 et 8 pour plus de détails (photos des éiuipements, profondeurs exactes des capteurs).
II.2.A. Subsurface Monitoring Device (SMD)
Le Subsurface Monitoring Device (SMD) est un observatoire iui permet la surveillance de subsurface à distance d'un site d'étude. Ce dispositf, développé par l'entreprise imaGeau, est entèrement automatsé et permet d'étudier la résistvité et la température à diférentes (vingt-et-une exactement) profondeurs du sol, à pas de temps fn (journalier). Cet outl a été conçu afn de répondre à diférents besoins dont l'étude de l'évoluton de biseaux salés, le suivi de ré-infltraton des eaux usées, les échanges nappe/rivières, le suivi de pollutons... Pour le site de Villamblain, il s'agit d'une première puisiue le but n'est pas ici de caractériser la
Zone Saturée (ZS) (contrairement aux exemples précédemment cités), mais la ZNS ; depuis la surface jusiue
3,10m de profondeur. Pour cela, des électrodes sont situées à intervalles réguliers de profondeurs dans le sol (se référer à l'Annexe 9). Afn d'assurer une bonne connexion entre l’électrode et le sol/substrat, mais également pour éviter la circulaton de fluides météoriiues descendants le long du dispositf ; celui-ci est cimenté avec de la bentonite. Ce dispositf est installé depuis avril 2017 (Lerondel, 2097).
II.2.B. Staton Météo
Il a également été installé (par Guillaume Giot le 26/09/17) à proximité du dispositf SMD une staton météo. Elle relève en contnu diférents paramètres météo : les précipitatons (mm/h), l'ensoleillement grâce à un pyranomètre, le vent (directon et intensité), ainsi iue la température et l'humidité de l'air sous abris.
Parmi tous les paramètres météorologiiues, je me suis concentrée sur la température de l'air ainsi iue sur les précipitatons (mm). Bien iue les autres paramètres météoriiues cités ci-dessus influencent également la résistvité du sol, ils sont jugés secondaires et négligeables afn de simplifer la lecture des données.
La staton météo étant installée tardivement par rapport au dispositf imaGeau, nous avons complété les données maniuantes (pour la période mai-septembre 2017) par les données issues de la staton météo de la base aérienne d’Orléans-Bricy, située à une iuinzaine de kilomètres à l'Est de Villamblain (fig.3). Les deux sites étant relatvement proches, l’hypothèse a été faite iue les données collectées peuvent être utlisées sur le lieu d'étude.
II.2.C. Staton de mesure des paramètres du sol : Centrale d’acquisiton Campbell
La centrale d’aciuisiton, installée le 14/03/18, mesure la température ainsi iue l'humidité relatve à 15 cm ; 25 cm ; 35 cm ; 65 cm et 95 cm de profondeur. Cete staton de mesure est composée d’une centrale d’aciuisiton Campbell CR100 et d’un multplexeur iui augmente le nombre de mesures. Pour chaiue profondeur, une thermistance (iui mesure la température du sol) ainsi iue deux réflectomètres CS616 (iui mesurent la teneur en eau du sol) sont installés. Cete centrale permet de comparer les données du dispositf imaGeau, de vérifer la similarité des températures entre les deux dispositfs mais également de comparer les variatons de l'humidité du sol avec la résistvité.
a) Humidité relatve : Réflectomètres de teneur en eau
Ce sont des sondes CS616 iui mesurent la teneur volumiiue en eau des milieux poreux dont les sols. Elles se composent de deux tges en acier inoxydables (de 30 cm de long). Les sondes CS616 génèrent des impulsions électromagnétiues dans le milieu poreux, puis enregistrent le temps de propagaton de l’onde et la réflexion des impulsions, iui servent à calculer la teneur en eau volumiiue du sol à partr d’une relaton empiriiue. Cete mesure de la teneur en eau du milieu poreux est fortement dépendante de la texture et de la structure du sol et peut donc varier légèrement d’un sol à un autre. Il est donc nécessaire de calibrer les appareils avec des mesures directes de teneur en eau volumiiue sur échantllons.
Les données de température et de teneur en eau du sol sont prises par les sondes deux fois par heure pour toutes les profondeurs mesurées. Pour mon analyse, j’ai utlisé la moyenne des deux données horaires.
b) Calibraton des réflectomètres de teneur en eau : mesure directe de l’humidité relatve
A trois reprises nous sommes allés sur le terrain : le 18/04/2018, le 27/04/2018 et le 16/05/2018. Cela a permis de collecter les données pour la staton météo ainsi iue pour la staton de mesure du sol. L'objectf de ces terrains est également d'efectuer une mesure directe de l'humidité relatve, afn de connaître l'écart entre l'humidité donnée par les réflectomètres de teneur en eau et l'humidité réelle du sol.
Pour cela, nous avons réalisé lors de chaiue excursion deux carotages à la tarière. Des prélèvements tous les 10cm entre 0 et 100 cm sont mis dans des boites numérotées de masses connues (photo en Annexe 3). De retour au laboratoire, j'ai pesé chaiue boite contenant un prélèvement afn de connaître la masse de sol humide (g) :
Ensuite, j'ai mis tous les prélèvements en étuve 48heures à 105°C, afn de les sécher. Suite au passage en étuve, les échantllons sont de nouveau pesés. Cela permet de connaître la masse de sol sec (en g) :
Ces informatons permetent de déterminer la teneur en eau massiiue W (en %) :
Cependant l'humidité massiiue ainsi obtenue ne permet pas de comparaison avec les valeurs données par les réflectomètres de teneur en eau puisiue ceux-ci expriment une humidité volumiiue. C'est la densité iui permet de passer de la teneur en eau massiiue du sol vers la teneur en eau volumiiue de celui-ci. Cela s'écrit de la forme suivante :
Guillaume GIOT et Christan LELAY ont déjà déterminé la masse volumiiue/densité du sol du lieu d'étude entre 0 et 100cm. Pour cela, ils ont prélevé des cylindres (de volume connu) de sol à diférentes profondeur. Ensuite, ils ont mesuré de la masse de sol contenue dans ces volumes (voir Annexe 4)
Le calcul de la teneur en eau volumiiue (Annexe 5) est ici une mesure directe, contrairement aux résultats des réflectomètres de teneur en eau. Cete manipulaton permet de recalibrer les sondes iui présentent systématiuement un décalage (ofset, Annexe 6).
II.3. Analyse de données
II.3.A. Excel
Les nombreuses données (Annexe 7) sont analysées sur Excel, afn de metre en évidence les dynamiiues contrôlant la résistvité en foncton de la profondeur, de la saisonnalité, etc. J'ai fait cete étude avec l'aide de graphes multples et variés, comparant la résistvité, la température (de l'air ou du sol), l'humidité relatve, la pluviométrie, en foncton de la période ou bien en foncton de la profondeur. Le but de la démarche étant de metre en évidence les paramètres contrôlant les variatons de résistvité en visualisant ou non les corrélatons.
II.3.B. Analyse en composante principale
La température et la teneur en eau d'un sol (mesurée par les réflectomètres de teneur en eau) influencent la résistvité dans des proportons variables en foncton des conditons du environnementales. Disposant d'un set de données conséiuent (Annexe 7), et afn de metre en évidence le lien entre ces trois paramètres, j'ai proposé une Analyse en Composante Principale (ACP) des données.
II.3.C. Mise en forme
a) Liée à la fréquence d'acquisiton
Pour cela, il a fallu metre en forme les données, afn de pouvoir les comparer. En efet, les mesures de résistvité journalières ne sont pas assimilables avec les mesures horaires de pluviométrie, température, humidité relatve du sol. Pour y remédier, j'ai moyenné (sauf la pluviométrie, iui est la somme des millimètres de pluie) toutes les données horaires afn d’obtenir des données journalières. Ces données journalières sont également utlisées dans l’analyse des précipitatons. En revanche, pour la réalisaton des
graphes sur excel, j’ai privilégié les données horaires/brutes afn de ne pas lisser les résultats et perdre en précision.
b) Limites
La période sur laiuelle l'ensemble des données de température et de résistvité (issues du dispositf SMD) ainsi iue de teneur en eau (issues des réflectomètres de teneur en eau) sont disponibles est restreinte aux périodes allant du 18 mars au 7 avril puis du 27 avril au 16 mai 2018. De plus, les vingt-et-une profondeurs de mesure de résistvité ne sont pas exploitables pour l'ACP. En fait seules les profondeurs similaires entre la résistvité et les réflectomètres de teneur en eau sont utlisées puisiue c’est la comparaison entre ces deux diférents paramètres iui est voulue. Il s’agit des profondeurs suivantes : 15 cm ; 35cm ; 70cm et 90cm (les
Annexes 9 et 8 récapitulent les profondeurs des diférents capteurs).
III. Résultats et Discussions
III.1. Qualité des données
III.1.A. Commentaire général
Les données de résistvité présentent une très grande variabilité et il faut vérifer leur cohérence. Queliues électrode sont instables, ce iui donne des résultats défaillants4 pour une période de temps plus ou moins
longue. Ces événements (détails en Annexe 8) sans données sont très abondants dans les premiers temps suivant l’installaton du dispositf (entre mai et juin principalement). Il est probable iue les données soient perturbées par la bentonite iui a mis du temps à se stabiliser (au cours de l’été 2017). Également, des épisodes orageux sont soupçonnés d’avoir causé des perturbatons dans les prises de mesures de résistvité (cartes électroniiues grillées le 7 avril 2018).
a) Résistvité et électrodes superfcielles
Comme le montre la
figure 4, la majorité des
électrodes (en noir fig.4) varient peu. A l’inverse, les électrodes situées à 65 cm (courbe verte,
fig.4) et à 95 cm (courbe
orange, fig.4) de
profondeur présentent des valeurs aberrantes depuis le 27 juin 2017 et jusiue mai 2018. Elles sont donc exclues de la suite des raisonnements. De même, l’électrode située à 55 cm (courbe rouge, fig.4) était complètement défaillante en juillet 2017. D’ailleurs, les aciuisitons pour cete profondeur ne reprennent iue début août.
4 défaillance = message d’erreur iui se manifeste dans les données de résistvités par la valeur -999
Illustraton 4: Graphe des résistvités sur la période juillet-octobre 2097 pour les électrodes depuis la surface jusque 9,05m
L'électrode 85 cm (courbe mauve, fig.5), n’a pas de valeurs de défaillances. Cependant elle présente un comportement bien diférent des électrodes de profondeurs voisines. Il pourrait s’agir d’un efet normal dû aux hétérogénéités du milieu. Cela fait ici référence au contraste engendré par le passage du sol à proprement parler à un horizon de calcaires cryoturbés sous leiuel se trouvent des calcaires massifs. Cependant, l’observaton des mesures pour l’électrode 85cm révèle iue dans un premier temps (du 20 avril jusiue fn juin 2017) le comportement de la résistvité à 85cm est similaire pour l’ensemble des profondeurs. Puis dans un second temps (début juillet et septembre 2017), des variatons de résistvité (comprises entre 0 et 20 Ohm.m) sont observables. Ces variatons sont décuplées (entre 50 et 10 Ohm/m) à partr d’octobre 2017 et jusiue mai 2018. Cela témoigne en fait d’un contact mal établi entre l’électrode et le sol, or il s'agit d'un paramètre important dans la prise de mesures de résistvité (Gaudu et al, 9883). La profondeur 85 cm n’est donc pas représentatve pour la résistvité de l’environnement naturel.
b) Fréquence d’acquisiton
Le système présente un nombre variable d’aciuisitons efectuées iuotdiennement entre mars et début août ; souvent il prenait iuatre mesures iuotdiennes (ce iui est prévu par le cahier des charges). Cependant, parfois il y a zéro mesures, une seule, cini… Après août, le dispositf a bien collecté des données iuatre fois par jour jusiue décembre 2017. Le mois de décembre est partculier car il correspond de nouveau à des irrégularités dans la prise de mesure. En fait, ce sont les conditons météorologiiues défavorables (jours courts, faible ensoleillement et épisodes neigeux) iui empêchent le rechargement complet des bateries (les dispositfs fonctonnent à l’énergie solaire). Il a donc été décidé de diminuer la fréiuence des aciuisitons à une par jour, entre janvier et avril 2018. Depuis iue les cartes grillées ont été changées (le 27 avril), la fréiuence est passée à deux aciuisitons iuotdiennes.
c) Conclusion
Dans l’ensemble, cete première année de collecte de données est fructueuse puisiue plus de 85 % des données semblent correctes (20 000 données pour 2 800 exclues, provenant de défaillances et de l’électrode 85). La majorité des données sont cohérentes et exploitables, cependant il faut se méfer de certains résultats et graphiiues obtenus directement sur le site imaGeau. En efet, ils intègrent des électrodes iui ne sont pas opératonnelles sur certains laps de temps (en partculier pour les électrodes situées à 55, 65, 85 et 95cm de profondeur). Il est donc plus efcace d’extraire les données et de construire manuellement les graphes (sur excel notamment), ce iui permet de vérifer la iualité des données utlisées.
III.1.B. Comparaison des diférents capteurs
a) Comparaison des deux dispositfs de mesure de la température à diférentes profondeur de sol
La figure 6 compare des températures mesurées par ces deux dispositfs sur iueliues profondeurs. En efet, il y a deux systèmes d’aciuisitons de températures à diférentes profondeurs de sol : le SMD installé en avril 2017 et la centrale d’aciuisiton Campbell, mise en place en mars 2018). Entre ces deux dispositfs, il y a iuatre profondeurs de mesures de températures similaires : 15 ; 40 ; 70 ; 100 (à plus ou moins 5 cm, voir l'Annexe 8).
Ces graphes (fig. 6) représentent la période allant de mi-mars à mi-mai 2018. Ils metent en évidence iue les deux dispositfs présentent les mêmes variatons de températures pour les iuatre profondeurs comparées ici. Les écarts des valeurs mesurées par les deux outls sont compris entre 0 et 1,5°C, avec en moyenne une variaton de 0,5°C et un écart type de 0,3.
Toutes les températures mesurées par la staton sont légèrement supérieures aux températures mesurées par imaGeau. Les écarts de mesures entre les deux dispositfs sont forts à la mi-mars (premiers temps d'installaton des sondes de la staton campbell), puis l'écart diminue rapidement et reste stable ensuite. Cela correspond à la période nécessaire pour stabiliser les mesures après l'installaton du dispositf.
Les deux outls de mesure de températures semblent totalement fonctonnels, pour ces profondeurs. Par extrapolaton, les températures mesurées par imaGeau à toutes les profondeurs doivent être correctes.
Illustraton 6: Comparaison température des deux dispositfs imaGeau et de mesure des paramètres du sol ; à partr des données journalières (afin d'efacer la variabilité jour/nuit)
b) Comparaison humidité volumique des réflectomètres de teneur en eau et les mesures vraies
L’étude est faite sur toute la durée de mesures. La staton (comprenant les réflectomètres de teneur en eau et les thermistances) est mise en place le 14 avril 2018. Cete analyse s'étend jusiu'au 16 mai 2018. L’ofset iuantfe l’écart entre les valeurs données par les réflectomètres de teneur en eau et les valeurs vraies mesurées à partr d’échantllons prélevés sur le terrain. Ici, l’écart calculé est compris entre 6 % et 23 % (détail en Annexe 6). La figure 7 met en évidence une surestmaton systématiue des mesures par les réflectomètres de teneur en eau. En fait, cela s'expliiue par deux éléments. Le sol est riche en argiles. Il présente également une forte densité (décrite par Guillaume Giot et Christan Lelay, voir Annexe 4), comprise entre 1,33 g.cm-3 et 1,49 g.cm -3 ; avec une densité moyenne de 1,4 g.cm-3 ; donc une faible porosité. Ces deux facteurs contribuent à une
surestmaton de la teneur en eau mesurée par les sondes.
Finalement, les réflectomètres de teneurs en eau fonctonnent correctement puisiue les tendances obtenues par les sondes correspondent aux tendances observées par la mesure directe. Cependant, cet exercice a montré iu’un calibrage des réflectomètres de teneur en eau à partr des mesures gravimétriiues est nécessaire. Les réflectomètres de teneur en eau permetent donc d'étudier la part de la teneur en eau dans la résistvité pour diférentes profondeurs de sol, autrement dit de faire des corrélatons entre la résistvité imaGeau et la teneur en eau du sol. Il s'agit du sujet de l'analyse statstiue des données par ACP.
III.1.C. Analyse statstque des données
L'Étude comparatve des paramètres température, teneur en eau et résistvité est réalisée sur iuatre profondeurs de sols diférentes à savoir 20, 40, 70 et 80 cm, sur une période allant de mars à mai 2018. L'ACP met en évidence iue les trois paramètres étudiés sont toujours corrélés. Cela signife iue les trois paramètres ne sont jamais indépendants les uns des autres, ce iui est normal (cf. I.9.B., paramètres faisant
varier la résistvité, p.8). Pour le détail des résultats de l'ACP, se référer à l'Annexe 90.
a) 20cm
A 20 cm de profondeur, les deux paramètres les plus ant-corrélés, avec un coefcient à -0,873 (négatf et proche de 1 en valeur absolue), sont la température du sol et l'humidité volumiiue. Ils sont donc liés de la manière suivante : lorsiue la température augmente, l'humidité du sol a tendance à diminuer. Il s'agit d'un horizon très superfciel, et cela s'expliiue par des phénomènes d'évaporaton de l'eau iui retourne à
Illustraton 7: Comparaison du dispositf Campbell et des mesure réelle; évoluton de la teneur en eau entre mi-mars et mi-mai 2098
l'atmosphère lorsiue les températures sont élevées, entraînant une diminuton de l’eau du sol. La résistvité est également ant-corrélée avec la teneur en eau (-0,696). Lorsiue la teneur en eau augmente, la résistvité diminue ; ce iui est cohérent avec l'impact de l'eau sur la résistvité (cf I.9.B. b, l'eau p. 8). Enfn, le coefcient de corrélaton (0,551) montre iue la température et la résistvité sont corrélées ; une augmentaton de température est liée avec une augmentaton de la résistvité. Ces deux paramètres pris seuls sont ant-corrélés en principe, à savoir iu’une augmentaton de la température favorise la conductvité du milieu (la phase liiuide étant plus fluide), ce iui aboutt à une diminuton de la résistvité. Ici il s’agit d’un horizon superfciel lié à la fois aux variatons de températures et de teneur en eau. Comme dit précédemment, il est possible iu’une augmentaton de température favorise un départ d’eau sous forme gazeuse vers l’atmosphère, iui favorise lui-même une augmentaton de la résistvité. L’analyse statstiue résume ces trois étapes de la manière suivante : une augmentaton de la résistvité est associée à une augmentaton de la température (et inversement une diminuton de la résistvité est généralement liée à une diminuton de la température).
b) 40cm
Dans cet horizon les coefcients de corrélatons metent de nouveau en avant une très forte ant-corrélaton entre la résistvité et la teneur en eau du sol. La température et l'humidité volumiiue sont également fortement corrélées ; lorsiue la température augmente dans cet horizon, la teneur en eau a tendance à augmenter également. Les deux paramètres les moins fortement liés semblent être la température et la résistvité. C'est en fait l'efet de l'évaporaton depuis la surface iui se fait ressentr à cete profondeur. La chaleur en surface favorise le départ d'eau vers l'atmosphère d'où une augmentaton de la résistvité associée.
c) 70cm
A la diférence des deux horizons sus-jacents, ici c'est le couple résistvité-température iui présente les coefcients de corrélaton les plus importants (en valeur absolue). Ils sont fortement ant-corrélés (-0,866). Alors iue dans les horizons cités précédemment, l'augmentaton de résistvité était associée à une augmentaton de température (et inversement), dans cet horizon (et également à 100cm) l'augmentaton d'un des paramètres s'accompagne d'une diminuton de l'autre. En fait, pour tout autre paramètre fxé, il s'agit de la relaton « normale » entre la résistvité et la température (cf I.9.B. b, la température p.8).
d) 100cm
Les coefcients de corrélatons indiiuent dans l'ensemble les mêmes tendances iue celles observées à 70cm, avec cependant le couple teneur en eau/résistvité iui présente moins de poids iu'à 70cm de profondeur (il passe de 0,7 à 0,583).
III.2. Étude de la résistivité
III.2.A. Paramètres intrinsèques
a) Profls de résistvité
Les profls de résistvité (figure 8) ont globalement la même allure entre l’été et l’hiver, avec un (faible) décalage entre les deux courbes visible en profondeur. Cete allure semblable dans le temps témoigne des propriétés intrinsèiues du sol et du substrat (variabilité dans la texture, la structure, la lithologie, la compositon, etc). Pour rappel La résistvité est liée à la température et à l’humidité de la manière suivante : lorsiue la température augmente, la résistvité diminue. De même iuand l’humidité diminue, la résistvité augmente. Or en France, durant l’été, la température est forte et la pluviométrie est faible (donc logiiuement l’humidité du sol aussi). Ces deux éléments agissent donc de manière opposée sur la résistvité : durant l'été, l'augmentaton de la température moyenne du sol entraîne une diminuton de la résistvité alors iue l’humidité (supposée diminuer) dans le sol favorise une augmentaton de la résistvité. Le contraste de résistvité entre l’été et l’hiver ateste donc iue l'un de ces paramètre domine les variatons saisonnières de résistvité.
Les résistvités sont similaires à proximité de la surface, dans le sol. En revanche, à partr de 100 cm et plus en profondeur, le décalage entre les courbes se traduit par une résistvité supérieure l’hiver par rapport à l’été. Cela peut indiiuer des sols plus humides l’été, mais également des températures plus fortes en été, ce iui induirait une diminuton de la résistvité l’été par rapport à l’hiver. Cependant, il est expliiué ci-dessus iue le sol est supposé plus sec l’été. Une explicaton du phénomène vient du fait iue le système est placé en bordure d’un champ cultvé, et en fait, un troisième paramètre majeur (anthropiiue) intervient en faveur d’une diminuton la résistvité du lieu d’étude durant la saison sèche : l’arrosage des cultures.
b) Rôle des argiles
Les données de teneur en argiles sont prises sur des échantllons de 50cm, et donc peu précises. La figure 8 permet d’observer les profls de résistvité été/hiver, iui sont comparés avec les teneurs en argiles granulométriiues après broyage et décarbonataton. La teneur en argiles à tendance à diminuer avec la profondeur. Cependant, cela ne se vérife pas pour le niveau 200 – 250 cm, iui content plus d’argiles iue les niveaux environnants. Cela semble correspondre deux niveau pour
Illustraton 8: Comparaison des profils de résistvité en été et en hiver
Illustraton 8: Profil de résistvité (été/hiver) et teneur en argiles granulométriques après décarbonataton et après broyage.
lesiuels la résistvité diminue grandement (enregistrés aux électrodes située à 210 et 250 cm). Les calcaires situés à cete profondeur sont donc diférents par rapport aux autres calcaires environnants car ils contennent d’avantage d’argiles. Il s'agit donc ici d'une explicaton possible pour les variatons de résistvité en foncton de la profondeur. La présence de niveaux argileux parmi les calcaires, dis à des altératons lors des phases d’émersion dans les plaéolacs pourrait expliiuer des diminutons locales de résistvité ; à l’inverse d’un calcaire massif et dense iui expliiuerait des augmentatons de résistvité.
III.2.B. Paramètres extrinsèques
a) Température
La figure 90 montre les chroniiues de températures (orange) ainsi iue la résistvité (bleu) pour des profondeurs supérieures à 1,5m, sur la période entère de l’étude. Cela met en évidence iue lorsiue la température du sol a tendance à augmenter, la résistvité diminue et inversement. Il s’agit ici de la variabilité de la résistvité sur une grande longueur d’onde, à savoir sur une échelle annuelle et saisonnière, iui n’est pas l’échelle de l’étude (iui est de iueliues jours à un ou deux mois). Dans l’idéal, il faut donc veiller à ne pas étudier un échantllon trop étendu dans le temps afn de ne pas visualiser cet efet de température sur la résistvité.
b) Lien Température atmosphérique et température du sol
La figure 99 montre iue les variatons de températures atmosphériiues sont importantes. Dans le sol superfciel, ces mêmes variatons sont visibles, mais de moins en moins contrastées jusiu’à disparaître à mesure iue la profondeur augmente. En fait, plus la profondeur augmente, plus les courbes paraissent lissées, le sol joue un rôle d'isolant et aténue les événements de surface. D'ailleurs les variatons de température en surface ne se manifestent plus (ou très peu) sous 105 cm. Finalement, pour les profondeurs supérieures à 105cm les variatons de résistvité peuvent être interprétées comme uniiuement liées aux variatons de la teneur en eau.
Illustraton 90: Graphe de la résistvité (en bleu) et des températures (en orange) de la ZNS entre mai 2097 et mai 2098 - issu de imaGeau
Illustraton 99: Comparaison de la température du sol à diférentes profondeurs avec la température atmosphérique ; du 95/03 au 30/04/98
c) Humidité du milieu
En fait, ce iui est intéressant dans le cadre de cete étude, c’est de pouvoir assimiler la résistvité à la teneur en eau dans le sol, afn d’être en mesure d’étudier les flux d’eau. Pour rendre cela possible, il faut s’extraire des autres paramètres iui influencent la résistvité au cours du temps. Notamment comme vu précédemment, l’idéal est d’étudier des événements de courtes durées et se placer à une profondeur minimale supérieure à 105cm.
III.2.C. Études de cas
A partr des données collectées sur une année, j'ai repéré des événements intéressants, notamment des variatons brutales de résistvité, mais également des changements agricoles importants, l'étude des pluies,.. Voici les principaux épisodes iue j'ai mis en évidence et essayé d'expliiuer par comparaisons entre les diférentes données disponibles.
a) Épisode de grande durée (début mai - fn juin 2017)
Cet épisode intéressant s’exprime en grande profondeur.
La figure92 permet d’observer une nete augmentaton de la résistvité entre le 8 et le 16 mai pour l’électrode à 2,7m. Cela est la conséiuence d’un départ d’eau de ce niveau. Sur la même période, les deux électrodes situées au-dessus et au-dessous (à 2,9 et 2,5m) témoignent d’une légère diminuton de résistvité, iui est durable dans le temps. Ce phénomène est très localisé car les niveaux proches (2,10 et 3,10m) ne semblent aucunement perturbés par des flux d’eau durant la période. l’Annexe 99 fait état de peu de précipitatons, avec deux épisodes de précipitatons d’importance moyenne durant cete période.
En fait, l’eau iuitant 2,70m aurait à la fois des mouvements ascendants et descendants. Ce processus est suivi par un phénomène inverse puisiue toutes les tendances de résistvité s’inversent : les pentes positves des courbes s’infléchissent et deviennent négatves (et inversement) entre le 10 juin et le 30 juin.
Cet épisode est partculier car il s'exprime sur une longue période, tout en semblant décorrélé des variatons saisonnières de résistvité étant donné iue fn juin les résistvité retrouvent à peu près les mêmes niveaux iu'avant l'épisode. C'est comme s'il y avait un déséiuilibre, puis un rééiuilibrage du milieu.
J’ai émis plusieurs hypothèses. La première est une modifcaton de la structure (fssure ou dissoluton d’un calcaire), cependant elle est insatsfaisante car le milieu semble « revenir en arrière ». Cela aurait aussi pu être engendré par des perturbatons hydriiues (pompage actf par les plantes, irrigaton, sécheresse ou pluies intenses), cependant, ces phénomènes ont peu de chance de s’exprimer aussi visiblement et profondément dans le sol, d’autant plus iue les horizons encadrant les profondeurs étudiés ne présentent pas de variatons partculières de leur résistvité. Finalement, vu les dates de cet épisode, il est fort probable iu’il s’agisse de la bentonite iui crée une perturbaton dans le milieu, car elle ne se stabilise iue durant l’été suivant l’installaton du dispositf !
b) Impact de la croissance de cultures sur la résistvité (avril/mai 2018)
La résistvité des trois horizons les plus superfciels (entre 25 et 45 cm de profondeur) tend à augmenter entre la deuxième et la troisième visite (entre fn avril et le 15mai) ; cela d’autant plus iue l’horizon est proche de la surface. Ce phénomène est visible sur l’illustraton93. Cete augmentaton de la résistvité est à associer à une diminuton importante de la teneur en eau dans le sol, à partr de mi-avril (fig. 7).
L’étude des précipitatons durant cete période (Annexe 99) met en avant le fait iue les précipitatons sont faiblement abondantes en mai 2018, cependant, elles ne sont pas inexistantes (13 mm de pluie entre le 12 et le 16 mai). Les précipitatons seules ne justfent donc pas une augmentaton aussi rapide de la résistvité des horizons de surfaces. En fait, entre la deuxième et la troisième visite (période d’augmentaton importante de résistvité), il a été observé iue la culture de blé double de hauteur. Elle est également beaucoup plus dense iue lors de la troisième visite puisiue toutes les feuilles ainsi iue les épis de blé sont sorts. L’augmentaton de la résistvité observée ateste donc d’un important pompage de l’eau du sol par les racines des plantes, iui sont les plus abondantes dans la zone où la résistvité augmente le plus, à savoir 25cm sous la surface du sol. La diminuton de résistvité s’aténue et n’est pas visible dans l’horizon à 55cm, révélant iue les racines y sont faiblement présentes.
Ce genre d’événement n’est pas visible entre fn avril et mai 2017, période iui correspond à l’installaton du dispositf imaGeau. Également, il faut remariuer iue la culture était diférente, et donc la croissance végétale ne s’efectue pas selon les mêmes périodes (les semis de maïs se font plus tard dans la saison, en avril/mai, tout comme le développement des plantes). Il est probable iue la croissance du maïs ait été progressive, tout comme le pompage de l'eau dans le sol, expliiuant ainsi l'absence d'augmentaton brutale de résistvité l'année passée.
