Caractérisation hydrodynamique du sol in situ par infiltrométrie à disques : analyse critique des régimes pseudo-permanents, méthodes transitoires et cas des sols encroutés
Résumé
The work presented here is related to the in situ hydrodynamic characterization of near-saturated soils using tension disc infiltrometers. The study is organized in three parts. The first part reviews existing methods based on the analysis of steady state of axisymmetric infiltration using Wooding's equation. It is shown that techniques which combine information from measurements at a range of surface matric potentials are the most stable and are not limited to quasilinear soils. The second part shows how, in practice, to make use of a simple equation for transient axisymmetric flow to determine capillary sorptivity and hydraulic conductivity without the attainment of steady conditions. A new method for determining sorptivity during the early stages is proposed taking into account the sand contact layer. Several methods are then proposed for estimating unsaturated conductivity, which are numerically tested and compared with classical approaches. It is shown that, for most field situations, the influences of gravity and lateral capillary flow on infiltration are of a similar order of magnitude, which enables both sorptivity and conductivity to be estimated. One of the consequences of the analysis is the proposal of a new time scale for disc infiltrometers that takes account of both gravitational and geometric effects. The third part concerns crusted soils, for which classical methods fail. The use of a minitensiometer coupled with the infiltrometer allows differentiation between infiltration into the crust and into the underlying soil. Using this information, the hydraulic conductivity of the crust is estimated from sorptivity measurements. Values obtained in this way were validated by comparing measured values of runoff with predictions using a two-Iayer infiltration model based on the assumptions of Green and Ampt. It is shown that crusts around one centimeter thick have a large impact on the amount of runoff.
Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à la caractérisation hydrodynamique in situ des sols, au voisinage de la saturation, par l'utilisation des infiltromètres à disques à succion contrôlée. L'étude s'articule autour de trois parties. La première partie fait l'inventaire des méthodes existantes fondées sur l'analyse des régimes permanents d'infiltration axisymétrique appliquée à la solution de Wooding. On montre que celle reposant sur l'application d'une série de potentiels imposés est la plus stable et n'est pas limitée aux sols quasi-linéaires. La deuxième partie montre comment exploiter, dans la pratique, une équation simple du régime transitoire axisymétrique pour déterminer la sorptivité capillaire et la conductivité hydraulique des sols non saturés sans atteindre le régime permanent. Dans cet objectif, une nouvelle méthode de détermination de la sorptivité aux temps courts est proposée, prenant en compte les effets de la couche de sable de contact. Diverses méthodes sont ensuite proposées, testées numériquement et comparées avec l'approche classique, pour l'estimation de la conductivité. On montre que les ordres de grandeur comparables entre effets gravitaire et capillaire latéral sur l'écoulement, pour la plupart des sols "en place", autorisent la détermination à la fois de la sorptivité et de la conductivité. Une nouvelle échelle de temps caractéristique, prenant en comple la combinaison de ces deux effets, peut être calculée pour les infiltromètres à disque. La troisième partie traite le cas des sols encroûtés pour lesquels les méthodes classiques ne peuvent être appliquées. L'utilisation d'un minitensiomètre couplé avec l'infiltromètre permet de discriminer les phases d'infiltration dans la croûte et dans le sol sous-jacent. La conductivité hydraulique de la croûte est ensuite estimée à partir d'une série de mesures de sorptivité. Les valeurs ainsi obtenues sont validées, par comparaison de mesures de ruissellement. avec les prédictions fournies par un modèle d'infiltration bi-couche reposant sur le principe de Green et Ampt. On montre l'impact considérable de la présence de croûtes d'épaisseur centimétrique sur les volumes ruisselés.